楊繼森，張 靜，朱 革，鄭方燕

(重慶理工大學 機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心,重慶 400050)

信息時代、數字時代使嵌入式技術得到了巨大的發(fā)展機遇，國內很多高校的電子、計算機、信息技術專業(yè)相繼開設了嵌入式系統(tǒng)課程[1-3]。重慶理工大學在原有C51單片機課程的基礎之上，開設了以NXP公司的ARM7微控制器LPC21XX系列為基礎的嵌入式系統(tǒng)應用相關課程，每學年都有超過10個班的學生選擇嵌入式系統(tǒng)課程，課程教學效果顯著。

1 現狀分析

隨著嵌入式技術的飛速發(fā)展，嵌入式微控制器的行業(yè)領先者ARM(Advanced RISC Machines)公司陸續(xù)推出了ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列和ARM11系列嵌入式微控制器[4]。許多高校的嵌入式系統(tǒng)課程都以這幾個系列的微控制器作為講授對象。ARM公司于2005年推出ARMv7架構的Cortex-M系列微控制器產品采用了Thumb-2技術，它是在ARM原有Thumb代碼壓縮技術的基礎上發(fā)展起來的，并且保持了對現存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術比純32位代碼少使用31%的內存，但能夠提供比基于Thumb技術的解決方案高出38%的性能[5-6]。

目前，基于全新ARMv7架構的Cortex-M系列微控制器已經成為行業(yè)的主流選擇[7-10]。為了更好地跟隨市場變化，培養(yǎng)出滿足社會需要的優(yōu)秀嵌入式技術人才，重慶理工大學已經開始將嵌入式系統(tǒng)課程從舊的ARM7平臺遷移到全新的Cortex-M平臺，并設計開發(fā)了一套虛擬實驗平臺。該平臺既方便教師將實驗項目帶入課堂，在課堂上利用虛擬實驗平臺進行現場操作和演示，使理論知識更加形象、生動，也解決了實驗學時不能滿足學生實驗的難題，使嵌入式系統(tǒng)課程的學習不再局限于理論課堂和實驗室，在教學時間與教學空間上拓展了學生對嵌入式系統(tǒng)課程的學習范圍。

2 虛擬實驗平臺設計

仿真軟件Proteus非常適合ARM嵌入式技術的設計、仿真與開發(fā)[11-12]，因此虛擬實驗平臺采用Proteus作為主要開發(fā)平臺，微控制器采用美國TI(Texas Instruments)公司的基于Cortex-M3的LM3S300系列微控制器。結合我校嵌入式系統(tǒng)課程教學大綱的要求，為了讓學生掌握嵌入式系統(tǒng)的基本知識和設計方法，加強工程實踐能力的培養(yǎng)，實驗平臺采用分層次的結構、遞進式的教學方式，由淺入深、循序漸進，以適合不同知識基礎的學生。它體現簡單易用、前后連貫的總體設計思路，真正引導學生進入嵌入式系統(tǒng)設計、開發(fā)的大門。虛擬實驗平臺分為基礎型平臺、綜合型平臺和設計型平臺。

2.1 基礎型虛擬實驗平臺

基礎型實驗平臺主要注重于基礎知識的深入理解與掌握。秉承“少而精”的原則，該平臺只開展了4個基礎型實驗項目，其中只包含3個最基礎而常用的片上外部設備實驗(GPIO、UART、TIMER)。

(1) 虛擬實驗平臺最小系統(tǒng)設計實驗。主要側重于對虛擬仿真平臺軟件和操作步驟的熟悉，以及與編程軟件平臺的連接。

(2) GPIO基本輸入與輸出實驗。采用端口引腳PA2作為輸出，驅動一個LED發(fā)光二極管，PA3作為端口輸入，外接按鍵輸入。實驗目的是讓學生仔細體會并熟練掌握GPIO模塊輸入與輸出功能的配置以及庫函數的調用方法。

(3) UART配置與數據傳送實驗。針對標準的串行接口，將PA0復用為串行接口的接收端口Rx0，將PA1復用為串行接口的發(fā)送端口Tx0,采用虛擬仿真平臺的虛擬終端作為控制臺，可以接收并顯示串行接口的輸出數據，同時具有通過鍵盤輸入數據的功能。通過該實驗，學生可以體會標準串行接口的配置方式以及參數對數據傳輸過程的影響。

(4) 基于定時器的方波信號輸出實驗。采用PC5作為定時器Timer0的信號輸出引腳，引腳外接一個四通道虛擬示波器，可以定時改變引腳的輸出狀態(tài)，利用示波器觀察信號波形，可以準確判斷定時器的定時效果。

基礎型虛擬實驗平臺如圖1所示。

圖1 基礎型虛擬實驗平臺

2.2 綜合型虛擬實驗平臺

在學生已經熟練掌握基礎知識的基礎之上，綜合型虛擬實驗平臺可以進一步拓展學生的知識面，加強對學生工程實踐能力的培養(yǎng)。平臺涵蓋了LM3S300系列的所有外設，共包含了8個實驗項目。某些外設是在基礎型實驗平臺的基礎之上的進一步拓展，以增加工程的實踐性。

(1) 4×4行列式鍵盤設計實驗。該實驗是對GPIO的輸入與輸出功能進行擴展，采用PB端口構建4×4的行列式鍵盤，PB0—PB3作為行掃描線，PB4—PB7作為列掃描線，主要培養(yǎng)學生對GPIO功能的綜合應用能力。經過掃描獲得的按鍵值可采用格式化的字符串，通過基礎型實驗平臺的串行接口數據輸出功能在虛擬終端上輸出顯示。

(2) 基于外部中斷的行列式鍵盤設計實驗。該實驗是在“4×4行列式鍵盤設計”實驗的基礎之上，利用GPIO端口的外部中斷功能，將4×4行列式鍵盤的行掃描線PB0—PB3通過74LS08的2個二輸入與門相“與”之后，作為按鍵中斷信號KEY_INT連接到端口PC0。當有按鍵按下時，產生下降沿的中斷信號，可以在中斷服務程序中調用按鍵掃描程序獲得鍵值，避免了普通行列式鍵盤需要不斷進行按鍵掃描而浪費處理器資源的問題。

(3) UART的數據輸入與輸出實驗。該實驗是在基礎型實驗“UART配置與數據傳送”的基礎之上，加入了虛擬串行接口器件COMPIM，可以將仿真平臺的數據通過計算機的物理串行接口向外輸出到其他的實驗平臺進行聯合仿真實驗，也可以通過專用的虛擬串行接口軟件，將仿真平臺的數據傳輸到其他虛擬仿真平臺(Matlab、LabVIEW、VC++等)，進行跨平臺聯合虛擬仿真。

(4) 基于SPI接口的數碼顯示實驗。該實驗是SPI接口實驗，為了增加實驗的實用性，采用具有SPI接口的數碼管驅動芯片MAX7219。MAX7219驅動一個6位的八段數碼管，LM3S328通過SSI接口與MAX7219連接，將PA2復用為SPI接口的時鐘信號CLK，PA5復用為SPI接口的數據輸入信號DIN，PA3作為SPI的片選信號CS。該實驗項目可以作為整個實驗平臺的數字化顯示窗口。

(5) 基于I2C接口存儲系統(tǒng)設計實驗。該實驗基于I2C接口的存儲器系統(tǒng)設計，存儲單元選擇常用的具有I2C接口的存儲器芯片24C02C。微控制器的PB2復用為I2C接口的串行時鐘信號線SCL，PB3復用為I2C接口的串行數據信號線SDA。芯片存儲容量為256字節(jié)，可以存儲開機密碼、網絡端口號等非易失性數據信息。

(6) 高速ADC數據采集設計實驗。微控制器的ADC具有8個數據采集通道，將輸入信號ADC0連接到通道0，輸入信號的幅值可以通過可調電阻RV1進行調整。這里選用虛擬仿真平臺自帶的虛擬信號發(fā)生器，可以產生正弦信號、音頻信號、調制信號等，ADC采集的數據可以通過虛擬串行接口傳輸到其他仿真平臺，實現聯合仿真。

(7) PWM波形控制與驅動設計實驗。利用微控制器的脈沖寬度調制功能(PWM)，設計了2路PWM信號輸出：第一路連接端口PB5，第二路連接端口PC5，2路PWM信號各自與一路LED驅動電路相連接。另外配備了2個單獨的按鍵電路：一個按鍵連接到PWM_KEY1，另外一個連接到PWM_KEY2。實驗時，第一路PWM輸出占空比為100%的方波信號，通過按鍵“UP”和“DOWN”調整第二路PWM驅動信號的占空比。不同的占空比將導致2個LED的明暗程度顯著不同，可以更加形象地理解PWM的功能與作用。

(8) 定時器捕獲與比較設計實驗。該實驗是在基礎型實驗的基礎之上，進一步理解定時器比較與捕獲功能。通過電阻R6連接了一路虛擬波形發(fā)生器，向系統(tǒng)提供各種占空比的方波信號，可以利用定時器的捕獲功能測量輸入方波信號的周期或者頻率。另外還提供了一個單獨的按鍵，可以通過對按鍵計數實現定時器比較功能。

綜合型虛擬實驗平臺見圖2。

2.3 設計型虛擬實驗平臺

設計型實驗平臺主要培養(yǎng)學生對所學知識的綜合應用能力，采用項目驅動的方式，以項目為主線。學生可以根據自己的興趣和特長，以組合項目小組的形式完成實驗項目[13-15]。整個實驗平臺提供了6個設計型綜合實驗項目，實驗項目如表1所示。部分項目來源于教師的科研項目，具有一定的工程應用價值。每個實驗項目不再提供具體的實驗電路，教師可以提供一定的技術指導，學生需自行查閱資料，提出科學、合理的系統(tǒng)設計方案，并在虛擬開發(fā)平臺上完成。

表1 設計型虛擬實驗平臺項目

圖2 綜合型虛擬實驗平臺

3 軟件平臺設計

軟件開發(fā)采用Keil MDK(版本4.23)平臺和ARM公司研發(fā)的編譯器，編譯速度快、效率高，平臺工作界面友好、簡單易用、程序調試方便、仿真功能強。

美國TI公司為LM3S300系列微控制器的開發(fā)設計提供了2種方式，即直接訪問寄存器的開發(fā)方式和采用芯片制造商提供的庫函數訪問方式。采用庫函數訪問的開發(fā)方式能夠提高代碼的復用率，大大提高工作效率，是今后嵌入式系統(tǒng)設計、開發(fā)的一個趨勢。本文以常用的串行接口為例，演示一個完整的實驗項目工程的建立過程。

(1) 新建工程。打開Keil MDK,新建一個工程，微控制器選擇TI公司的LM3S328，并允許加入系統(tǒng)提供的匯編啟動代碼文件Startup.s。

(2) 加入TI公司提供的系統(tǒng)庫函數。可以在TI公司的主頁下載最新庫函數版本，也可以使用Keil MDK平臺自帶的LM3S系列庫函數。自帶的庫函數存放在Keil MDK開發(fā)軟件的默認安裝目錄C：KeilARMRV31LIBLuminary下。該目錄下的Driverlib.lib文件是已經編譯好的系統(tǒng)庫函數的靜態(tài)庫文件，文件夾Driverlib下是系統(tǒng)庫函數的原始實現文件與頭文件，包含了所有庫函數的實現過程。在初學階段，建議直接使用庫函數原始文件，便于深入學習與理解系統(tǒng)庫函數的實現過程?？梢詫riverlib文件夾整體拷貝到已經建立的工程文件夾下面，然后在項目工程中加入所需要的庫函數文件。

(3) 建立用戶文件。新建用戶文件main.c，并將其加入到項目工程中，新建串行接口功能函數實現文件Uart0.c及頭文件Uart0.h，并將其加入項目工程。

(4) 編譯工程。對工程進行編譯，生成二進制結果文件，將二進制文件加載到綜合型虛擬實驗平臺的微控制器LM3S328。利用虛擬串行接口工具，配置一對虛擬串行接口COM3與COM4：配置虛擬實驗平臺的串行接口部件使用物理端口COM3，串口調試助手軟件打開物理端口COM4。可以將虛擬實驗平臺的數據發(fā)送到串口調試助手等其他平臺進行跨平臺聯合仿真，運行效果如圖3所示。

圖3 串行接口數據發(fā)送

4 結束語

嵌入式系統(tǒng)技術更新速度快，只有緊跟行業(yè)的發(fā)展才能真正體現它的價值。Cortex-M平臺已逐漸成為嵌入式微控制器行業(yè)的主流，在實驗教學中將嵌入式系統(tǒng)課程遷移到Cortex-M3平臺是非常有必要的。作為一個全新的平臺、一門全新講授對象的課程，課程建設是艱難的，需要學校和教師在工作中敢于實踐，實時吸收新思想，不斷完善教學方法和手段，為國家和社會培養(yǎng)出更多工程實踐能力強、富有創(chuàng)新意識的嵌入式系統(tǒng)優(yōu)秀人才。

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