一種自制嵌入式實驗系統的開發與應用

寧波開放大學 周敏維

1 問題的提出

嵌入式系統技術是應用型高校電子信息相關專業一門重要的軟硬件緊密結合的課程。與單片機接口課程相比，嵌入式系統課程具有更強的實踐性，需要適合能力培養的嵌入式實驗平臺。市面上在售的大多數嵌入式實驗系統雖然具有功能很強的高級操作系統移植，但是這些高級操作系統往往不開源，實驗系統硬件設置大多也不夠靈活，學生在這樣的實驗系統上訓練，很難接觸到嵌入式系統底層硬件，從而導致實際實驗效果不盡如意。自制實驗設備顯然是解決以上問題的行之有效方法，通過自行研制實驗設備，可起到改進實驗設備功能、優化實驗教學內容、促進實驗項目創新、實行“項目化”實驗模式、激發學生對實驗的探究興趣、提高學生綜合實踐與創新能力的效果。

為了使嵌入式實驗系統具有豐富外圍接口，滿足學生接觸系統底層硬件以及高級操作系統開源等要求，有利于學生掌握嵌入式系統的設計方法，我們自主開發了一種適合于應用型高校的嵌入式實驗系統，對實驗系統的核心電路與接口電路實行模塊化設計，學生可根據實驗需求搭建嵌入式實驗平臺，掌握實際應用場景硬件搭建方法，自主學習嵌入式系統開發流程。利用以太網與USB接口，學生可深入到嵌入式實際應用系統。自制的嵌入式實驗系統采用完全開源的實時操作系統uC/OS II，學生不僅可以接觸到實時操作系統內核文件，也可以對內核文件進行修改，完成嵌入式系統的個性化定制。除了完成規定的課程實驗，學生也可以自主選擇實驗內容，嘗試完成設計性、綜合性、創新性的實驗。

圖1 自制嵌入式系統結構框圖

2 實驗系統設計

2.1 系統結構框圖

嵌入式實驗系統包括母板和核心板兩部分。將LPC2148制成核心板，核心板上只有最基本的供電、JTAG調試、晶振、復位、USB從機接口等電路。其余接口全部引出至核心板的插槽中，可根據不同的實驗需要制作相應的接口板。在實驗系統母板上，將LPC2148幾乎所有I/O口，如USB主控芯片CH375B、10M以太網接口ENC28J60、獨立按鍵、紅外接收頭、DS18B20溫度傳感器、2.4in觸摸彩屏TFT、獨立LED、數碼管、SD卡、內嵌十位A/D與D/A、RS232/RS485串口、2.4G無線通信模塊nRF24L01、GPS、GSM等全部引出，這些I/O口可以掛接任何傳感器，基本上涵蓋了課程實驗所需的硬件及接口電路，大部分實驗不再需要跳線設置，免去了實驗時的繁瑣跳線設置，實驗設計與開發變得更加簡便。如圖1所示是基于LPC2148的自制嵌入式實驗系統結構框圖。

2.2 LPC2148核心板

LPC2148是一款自帶512kB嵌入高速Flash程序存儲器的微控制器，支持嵌入式跟蹤和實時仿真的32位ARM7TDMI-STMCPU，LPC2148的封裝體積很小，功耗也非常低，十分適用于POS機與訪問控制等應用場景。LPC2148自帶從UART、USB、SPI、SSP到I2C總線的串行通信接口，以及32kB+8kB的片內SRAM，可為通信網關、語音識別、低分辨成像等應用場景提供足夠強的處理功能和足夠大的緩沖區。多個32位定時器、十位DAC、十位ADC、高速GPIO、PWM通道以及邊沿/電平觸發的外部中斷管腳，使得LPC2148尤其適用于醫療系統和工業控制等領域。

如圖2所示為LPC2148最小系統框圖。由于LPC2148具有片內Flash程序存儲器和片內靜態RAM，并沒有開放地址總線與數據總線，因此存儲器系統是可選的。另外，JTAG調試接口雖然是可選的，卻是程序調試必不可少的，所以實驗系統也設置了JTAG調試接口。

圖2 LPC2148最小系統框圖

2.3 基礎實驗模塊電路

自制的嵌入式實驗系統基礎實驗模塊主要包括GPIO操作、RS232/RS485電平轉換、74HC595擴展、74HC165擴展結合中斷、SPI控制器、串口通信、定時器與PWM、AD/DA轉換、獨立按鍵等。學生通過這些入門級的基礎實驗，可掌握LPC2148單片機的基本配置與操作、開發環境的搭建與使用方法；通過SCI串行接口實驗，可掌握與PC機的通訊方法；學生通過SPI串行接口實驗，可掌握SD卡等串行總線的使用方法；通過PWM接口實驗，可掌握電機控制、D/A等使用技術；通過A/D接口實驗，同時配合各種傳感器，可擴展系統的應用領域，進一步拓展學生的學習興趣。

2.4 進階實驗模塊電路

自制的嵌入式實驗系統進階實驗模塊主要包括以太網接口、USB從機接口、USB主機接口、SD卡接口、nRF24L01無線數據傳輸、2.4in觸摸彩屏TFT等。

通用接口芯片CH375，支持USB-DEVICE/SLAVE設備方式與USB-HOST主機方式。CH375廠商已將文件系統管理層封包成庫。USB接口可實現主機、從機的雙重通訊。

嵌入式實驗系統預留了SPI接口，SD卡支持SPI總線，通過SPI接接口可操作SD卡（Secure Digital Memory Card）。SPI總線模式具有傳輸協議簡單的特點。

LPC2148具有獨特加速結構和128位存儲器接口，在最大時鐘速率情況下，能保證32位代碼能順暢運行，非常適合于低分辨率成像。觸摸彩屏作為人機交互工具，目前已廣泛應用于電子產品。嵌入式實驗系統因此也配置了觸摸彩屏，學生通過實驗可掌握觸摸彩屏的驅動原理。

3 實驗系統開發環境

嵌入式實驗系統開發需要集成開發環境（IDE)及硬件設備的支持。 其中JTAG 仿真器在調試軟件時可以完成很大部分的仿真調試工作，還有萬用表、示波器，邏輯分析儀等的使用。自制的嵌入式實驗系統的開發工具，有很多ARM開發軟件可供選用，如ADS、RealView、IAR、Keil都是常用的嵌入式集成開發環境（IDE）。嵌入式實驗系統采用IAR開發工具，全部實驗的軟件開發（含軟件編譯與仿真）都可以在IAR開發環境下完成。嵌入式系統開發使用C語言，也可使用C語言與匯編的混合編程。

3.1 在IAR中生成一個新項目

IAR提供了應用程序和庫程序的項目模板，按項目進行管理，允許為每個項目定義一個或多個編譯連接配置（build），項目可以分類或分級管理源文件。在新項目生成之前，應建立一個新的工作區（Workspace）。為了存放項目工程文件夾，必須建立一個專用目錄。譬如對于一個閃爍的LED程序，就要新建一個文件夾，其步驟為：

（1）選擇主菜單“Project > Create New Project”，會彈出生成新項目窗口。

（2）在“Tool chain”欄中選擇“ARM”，之后點擊“OK”按鈕。

（3）在彈出的“另存為”窗口中，瀏覽與選擇新建的LED目錄，輸入文件名“LED”，點擊“保存”，這時在“Workspace”窗口中將顯示新建的項目名。

胰腺實性假乳頭狀瘤(solid pseudopapillary tumor，SPT)是一種少見的良性或低度惡性腫瘤，在所有胰腺外分泌腫瘤中占比不超過1%～2%，占全部胰腺囊性腫瘤的5%[1]。這一類腫瘤有低度惡性潛能，手術可完全切除且預后良好[2]，若腫瘤較大或囊變壞死明顯容易誤診為胰腺惡性腫瘤。本研究回顧性分析SPT的多層螺旋CT及3.0 T MRI影像學表現，探討不同影像學檢查的優勢和局限性，指導臨床合理應用影像學檢查方法。

IAR EWARM提供“Debug”和“Release”這兩種缺省的項目生成配置。

（4）保存工作區。先選擇主菜單“File > Save Workspace”，瀏覽并選擇LED目錄。將工作區取名為“LED”，按“保存”按鈕退出。這時在LED目錄下將生成一個文件“LED.eww”，“LED.eww”文件中保存了用戶添加到LED工作區中的全部項目。

3.2 給項目添加文件

項目文件可添加之前寫好文件，比如已經封裝好的驅動函數庫。若要臨時創建編輯，則點擊“New document”，之后會出現空白編輯窗，將它另存至之前創建的目錄中即可。

3.3 設置項目選項

在“General Options”中“Device”選擇“NXP -> LPC2148”。若使用了中斷，那么在“C/C++ Compiler -> Code -> Generate mode”選項要打勾。

在“Linker -> Config -> Override default”選項打勾，并添加調試配置文件路徑：

在“Debugger -> Setup -> Driver”中選擇“J-Link/J-Trace”，“Debugger-> Download”中勾選“Verifg download”和“Use flash loader”選項。

3.4 編譯、連接和調試應用程序

點擊工具欄中的“make”按鈕，在“Messages”窗口會出現調試信息，若沒有錯誤，就可以點擊“Download and Debug”，開始下載調試程序。在實際實驗過程中，一般來說會不可避免發生一些錯誤，這就需要學生根據實際情況，尋找錯誤所在并予以糾正。

3.5 J-LinK仿真器

系統采用JTAG方式的IAR J-LinK仿真器，支持ARM7/ARM9/Cortex-M3內核芯片仿真，可與集成開發環境IAR EWARM無縫連接，無需安裝任何驅動程序。J-Link是學習開發ARM的理想開發工具，具有操作方便、連接方便、簡單易學特點。

4 實驗流程

如圖3所示為嵌入式系統實驗流程圖。實驗流程主要包括實驗系統硬件準備、IAR工程創建、實驗例程學習、編譯下載仿真、例程功能拓展、編寫實驗報告等。實踐能力強的學生還可以依托自制嵌入式實驗系統的I/O擴展接口，自主選擇與拓展實驗內容，完成綜合性、設計性、創新性實驗，也可完成與嵌入式技術相關的課程設計、畢業設計。

圖3 嵌入式系統實驗流程圖

5 應用實例——以太網實驗

利用自制的嵌入式實驗系統可以完成許多實驗，以太網實驗便是一個典型的嵌入式實驗應用案例。以太網實驗通過PC端的瀏覽器打開網頁并控制實驗系統上的LED硬件。以太網實驗的網絡連接拓撲示意圖如圖4所示。

圖4 以太網實驗的網絡拓撲連接示意圖

以太網數據解析流程圖如圖5所示。通過以太網實驗，學生可掌握以太網數據傳輸的網絡拓撲與硬件組成，熟悉在以太網之上的軟件協議，例如ICMP、UDP、TCP/IP、Http等。ENC28J60接收以太網數據，輸出最原始的以太網數據幀，利用LPC2148對這些數據進行解析，其中Http協議是基于TCP鏈接完成的。

圖5 以太網數據解析流程圖

結束語：自制教學實驗儀器設備是應用型高校實驗室建設的重要內容，是推動實驗教學改革、優化實驗教學內容、促進實驗項目創新、激發學生實驗興趣、提升學生實踐能力、激發學生創新能力、提高實驗教學質量的重要手段，在促進實驗技術人員水平提升、促進實驗室開放共享、推動高校實驗室建設、節約實驗室建設經費等方面發揮積極作用。

自制的基于LPC4148的嵌入式實驗系統，結構框架清楚、開發環境友好、實驗流程明晰，具有內容貼近實際、接口豐富、擴展性好、實用性強、開放性好等特點，為應用型高校培養應用型人才提供了良好的自主學習實驗平臺。實驗教學表明，以項目例程為驅動，以工程應用為內容，在模塊化實驗系統上，按項目化實驗模式，引導學生由淺入深、循序漸進學習嵌入式開發流程，學生嵌入式應用與開發能力明顯增強，從而提高了學生的實踐應用和科技創新能力。