李元章， 馬忠梅， 譚毓安， 張全新， 劉 璐

(北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京100081)

0 引言

嵌入式系統(tǒng)自誕生以來就在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于系統(tǒng)資源有限，因此開發(fā)與調(diào)試工作都需要專門的開發(fā)工具與開發(fā)環(huán)境的支持，比如早期的51系統(tǒng)，開發(fā)時需要先通過仿真器進(jìn)行程序與電路仿真，再通過特定的編程器將可執(zhí)行碼寫入到單片的ROM中，整個調(diào)試過程復(fù)雜，需要仿真器、編程器等硬件設(shè)備的支持。

隨著ICE(In-Circuit Emulator)調(diào)試方法的出現(xiàn)，可以使用在線仿真器進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試［1-4］，支持片上斷點(diǎn)和單步調(diào)試，并且支持可執(zhí)行碼的下載功能，集合了仿真器和編程器的功能，降低了開發(fā)的難度，如常見的JTAG調(diào)試方式和BDM背景調(diào)試方式等。

針對TI(德州儀器)的無線MCU芯片CC3200設(shè)計(jì)一種新型的嵌入式實(shí)驗(yàn)開發(fā)模式，能夠?qū)⑵浞奖愕貞?yīng)用于嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并能夠?qū)⒃撃Ｊ綉?yīng)用在STEM等益智系統(tǒng)的開發(fā)中，實(shí)驗(yàn)可分MCU端和手機(jī)端，學(xué)生可選擇進(jìn)行。MCU端可配合手機(jī)網(wǎng)絡(luò)助手只關(guān)注MCU傳感器采集、電機(jī)控制等;手機(jī)端配合MCU板用于采集加速度和溫度，專注APP開發(fā)。學(xué)生可以兩兩配合完成自主命題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［5-9］。

1 支持無線功能的CC3200微控制器

TI的 CC3200微控制器是非常適合物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)應(yīng)用的嵌入式無線 MCU［10］，物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)分感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，感知層離不開嵌入式系統(tǒng)，而無線MCU是傳感器數(shù)據(jù)采集的理想器件，該芯片也是業(yè)界首款內(nèi)置WiFi功能的無線MCU。CC3200集成了高性能ARM Cortex-M4內(nèi)核，網(wǎng)絡(luò)通信能力穩(wěn)定可靠，并擁有完整的安全協(xié)議，用戶能使用單芯片方案來完成WiFi網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)。

CC3200的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CC3200的功能架構(gòu)圖

其主要性能及資源包括:①基于ARM Cortex-M4的應(yīng)用微控制器和基于WiFi的 網(wǎng)絡(luò)處理器;② SPI/UART/I2C/SD/I2S/Camera等接口;③80 MHz/256 KB RAM/64KB ROM;④支持浮點(diǎn)運(yùn)算和專用的數(shù)字信號處理指令;⑤ 支持無操作系統(tǒng)或嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。

CC3200器件支持基站(Station)、訪問點(diǎn) AP(Access Point)和WiFi直接模式，集成WiFi功能是它的最大特色。

針對上述功能，設(shè)計(jì)了CC3200+智能手機(jī)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)模式［11］。CC3200端負(fù)責(zé)下位機(jī)傳感器采集和外設(shè)控制，通過無線WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，手機(jī)端可以使用手機(jī)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手與MCU進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。

2 傳統(tǒng)嵌入式實(shí)驗(yàn)開發(fā)模式

對于功能相對簡單的MCU來說，由于其通常不支持嵌入式操作系統(tǒng)，且接口資源有限，因此在開發(fā)和調(diào)試過程中，始終需要PC端的支持，需要在PC端安裝編程環(huán)境，調(diào)試過程中通過USB或串口監(jiān)控調(diào)試信息［12-15］，其結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)開發(fā)框架

常規(guī)的硬件實(shí)驗(yàn)開發(fā)流程如下:① PC端通過USB端口與JTAG仿真器(或USB轉(zhuǎn)JTAG接口)相連接，再通過JTAG與實(shí)驗(yàn)板相連接，USB端口為開發(fā)板供電的同時，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載的功能，將CCS等開發(fā)環(huán)境編譯好的可執(zhí)行碼通過JTAG下載至控制器ROM中，通常支持在線調(diào)試等模式。②PC端通過串行通信接口(可由USB端口虛擬串口)與實(shí)驗(yàn)板的串行口相連接，PC端安裝串行通信超級終端程序，監(jiān)測輸出結(jié)果以及發(fā)送串行控制命令，進(jìn)行程序調(diào)試。③根據(jù)實(shí)驗(yàn)板及其控制的外設(shè)運(yùn)行測試情況，PC端修改程序代碼直到系統(tǒng)與外設(shè)正確運(yùn)行后將最終代碼寫入到下位機(jī)，完成系統(tǒng)開發(fā)。

在上述開發(fā)過程中，PC端是不可缺少的一環(huán)，無論軟件設(shè)計(jì)還是系統(tǒng)調(diào)試，都無法離開PC端支持，而系統(tǒng)開發(fā)一旦離不開PC，開發(fā)過程就會受到很大限制，實(shí)驗(yàn)必須在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成，且實(shí)驗(yàn)還會受到PC端的性能制約。

3 基于WiFi的嵌入式系統(tǒng)調(diào)試模式

針對傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)開發(fā)模式的缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于CC3200+WiFi+手機(jī)的嵌入式實(shí)驗(yàn)調(diào)試模式，該模式利用手機(jī)作為上位機(jī)端與下位機(jī)CC3200控制端進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 基于WiFi的嵌入式系統(tǒng)調(diào)試模式

在該模式下，PC端僅需要在系統(tǒng)開發(fā)初期介入，程序調(diào)試階段則完全脫離PC進(jìn)行，其基本流程如下:①實(shí)驗(yàn)板單獨(dú)供電，PC端通過USB端口與JTAG仿真器(或USB轉(zhuǎn)JTAG接口)相連接，再通過JTAG與實(shí)驗(yàn)板相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載的功能，將CCS等開發(fā)環(huán)境編譯好的可執(zhí)行碼通過JTAG下載至控制器ROM中，在代碼中加入完整的基于WiFi的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試功能代碼。②實(shí)驗(yàn)板脫離PC端，將基于CC3200的實(shí)驗(yàn)板運(yùn)行于WiFi的 Station模式(或Access Point模式，由WiFi網(wǎng)絡(luò)調(diào)試功能設(shè)定)。③將移動智能端(手機(jī)或者平板等)運(yùn)行于Access Point模式(或者Station模式，即WiFi熱點(diǎn)模式，與實(shí)驗(yàn)板的模式相對應(yīng))，安裝并運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，通過發(fā)送命令控制外設(shè)運(yùn)行，接收來自外設(shè)的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

在基于WiFi嵌入式調(diào)試模式下，需要首先初始化WiFi配置，然后進(jìn)行WiFi連接，其基本流程見圖4。

圖4 CC3200的WiFi配置方法

手機(jī)端調(diào)試采用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，界面如圖5所示。

圖5 手機(jī)端調(diào)試助手

由于移動智能設(shè)備的普及，學(xué)生幾乎人人配備了智能手機(jī)，因此，在很大程度上提高了基于無線MCU的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試的方便性。

上述基于WiFi調(diào)試的實(shí)驗(yàn)開發(fā)方法雖然能夠脫離PC端進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)試，但在其開發(fā)初期以及最終程序?qū)懭胍廊恍枰狿C通過其相應(yīng)的開發(fā)與編譯環(huán)境如CCS等，進(jìn)行編譯和寫入操作，故存在一定局限性。

4 STEM益智教育實(shí)驗(yàn)開發(fā)框架

為了能夠以更簡單的方式進(jìn)行嵌入式實(shí)驗(yàn)，在手機(jī)端設(shè)計(jì)了一個APP應(yīng)用程序，該APP內(nèi)置Python解釋器來解析Python代碼，同時提供封裝好的Python功能及動作函數(shù)，供用戶編寫圖形化模塊時進(jìn)行調(diào)用，實(shí)驗(yàn)證明該方式能夠應(yīng)用于STEM益智教育的實(shí)驗(yàn)開發(fā)。

下面以某智能小車系統(tǒng)為例，簡要說明基于無線MCU的STEM益智教育實(shí)驗(yàn)開發(fā)的基本框架。

智能小車采用CC3200無線MCU為主控制器，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)，控制全向輪轉(zhuǎn)動。STEM益智教育框架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了控制智能小車的Android上位機(jī)程序，實(shí)驗(yàn)開發(fā)框架APP端支持包括遙控器方式、繪圖方式、圖形化編程［16］和Python文本編程等。遙控器模塊用按鈕來操控小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn);繪圖模塊直接在手機(jī)上繪圖由智能小車在紙上按比例放大繪出;圖形化編程采用圖形編程的方式方便青少年計(jì)算機(jī)編程入門;文本編程模塊用Python代碼來控制小車完成指定的動作。

其開發(fā)與調(diào)試的基本流程為:①用戶根據(jù)下位機(jī)功能需求在手機(jī)端通過圖形化方式或文本方式編寫控制程序;②手機(jī)內(nèi)置的Python解釋器對程序進(jìn)行解釋，生成特定格式的指令流;③ 生成的指令流通過WiFi(Station模式或者AP模式)將命令下載至實(shí)驗(yàn)板;④實(shí)驗(yàn)板ROM中已固化的針對WiFi的命令解釋器對每條指令逐條解釋，生成控制指令控制外設(shè)的運(yùn)行;⑤來自于下位機(jī)外部傳感器的數(shù)據(jù)同樣通過WiFi上傳至手機(jī)端進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理。

其功能框圖如圖6所示。

圖6 STEM益智教育實(shí)驗(yàn)開發(fā)框架

終端APP能夠?qū)崿F(xiàn)通過圖形化或文本方式控制下位機(jī)的運(yùn)行，可進(jìn)行步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動距離和運(yùn)動方式控制，紅外、超聲測距傳感器的數(shù)據(jù)采集，自動避障、自動行駛等功能的算法實(shí)現(xiàn)。

基于無線MCU的STEM益智教育實(shí)驗(yàn)開發(fā)框架相比枯燥的代碼編程，能夠培養(yǎng)學(xué)生的編程興趣，提高學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生切身體驗(yàn)到各個學(xué)科的魅力，尤其是計(jì)算機(jī)科學(xué)的魅力，并提高學(xué)生的綜合能力。圖7是按照上述框架構(gòu)建的基于Python的文本與圖形化編程的智能繪圖小車及其繪制作品。青少年學(xué)習(xí)了圖形化編程方法后，可進(jìn)一步學(xué)習(xí)Python語言文本編程，過度到真正的程序員，從而具備一定的計(jì)算機(jī)編程能力。

圖7 智能繪圖小車及其繪制作品

5 結(jié)語

基于無線MCU的STEM益智教育實(shí)驗(yàn)開發(fā)框架仍然受到手機(jī)的CPU架構(gòu)限制，幾乎不支持集成開發(fā)編譯環(huán)境，而且應(yīng)用程序開發(fā)還受到手機(jī)端APP所支持的功能限制，無法進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，目前僅限于簡單的針對STEM的應(yīng)用程序開發(fā)。但隨著智能手機(jī)性能的進(jìn)一步提升以及應(yīng)用框架的進(jìn)一步完善，未來以移動智能設(shè)備為核心的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試環(huán)境將會逐步應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中。