基于嵌入式系統的“口袋實驗室”設計

漆 強, 劉 爽

(電子科技大學 光電信息學院, 四川 成都 610054)

基于嵌入式系統的“口袋實驗室”設計

漆 強, 劉 爽

(電子科技大學 光電信息學院, 四川 成都 610054)

為了滿足教學需求,研發了基于嵌入式系統的“口袋實驗室”。該“口袋實驗室”采用LPC1768微控制器作為主控芯片,采用模塊化設計方法,具有便攜性和擴展性等優點。該“口袋實驗室”改變了原有的教學和實驗方法,將理論知識的學習和實踐環節有機結合,取得了良好的教學效果。

口袋實驗室； 嵌入式系統； 便攜性； 擴展性

隨著電子技術的發展、互聯網時代的來臨,嵌入式系統以其控制靈活、抗干擾性能強、智能化及互聯性等特點,廣泛應用于工業控制、環境工程、航天設備、生物醫學工程、可穿戴設備及智能家居等領域[1]。

掌握基本的嵌入式系統設計、開發和調試方法是電子類專業學生應該掌握的基本技能。對于我院的學生而言,是進行光電系統集成、傳感器應用和顯示器件驅動設計的基礎,因此我們以前期的高級語言程序設計、數字電路和微機原理與接口技術等課程為基礎，設置了“嵌入式系統”的課程,作為專業基礎課,面向全院近500名學生開設。作為一門工程實踐性很強的課程,除了介紹嵌入式系統的理論知識外,更需要通過配套的實驗平臺將理論知識和實踐環節相結合,增強對學生的動手能力和實踐創新能力的培養。因此完整可靠的嵌入式系統實驗平臺就必不可少。經過市場調研,我們發現目前市場上銷售的嵌入式系統實驗平臺,往往以實驗箱的形式存在,體積龐大,占用較多的實驗桌空間,存在便攜性差、硬件資源匱乏、功能單一等缺點,并且無法和我院光電類專業的研究方向相契合。為此，自主開發了嵌入式系統的教學實驗平臺,該實驗平臺基于目前最新的嵌入式處理器Cortex-M3內核開發,實驗內容涵蓋了開發軟件的使用[2]、處理器各個功能模塊的使用、嵌入式操作系統的移植和應用等創新性實驗,并且已經實際應用于教學實踐中,得到了學生的好評,還為本科生畢業設計、大學生創新創業計劃和各類學科競賽提供了服務。

1 實驗平臺實施方案

1.1 實驗平臺結構

自主開發的嵌入式實驗平臺提出了“口袋實驗室”的創新概念,突出實驗平臺的輕量化、便攜性和擴展性,并充分和本學院的光電檢測、傳感器應用等方向相契合,將多年的科研積累和教學實踐相結合研制而成。整個實驗平臺分為最小系統、輸入輸出模塊和交互接口3個模塊,其系統結構框圖見圖1。這些模塊涵蓋了嵌入式系統的各個應用方向,完全滿足學生掌握嵌入式系統應用和工程實踐的需求。

圖1 “口袋實驗室”系統結構框圖

“口袋實驗室”的實物圖見圖2,加裝8.1 cm(3.2寸)TFT液晶模組后的實物圖如圖3所示。整個實驗平臺的大小在10 cm×10 cm左右,體積小,便攜性強,且可以通過USB接口供電或者移動電源供電,是名副其實的“口袋實驗室”。

圖2 “口袋實驗室”實物圖

1.2 電源電路

電源系統為整個系統提供能量,是整個系統工作的基礎,具有極其重要的地位。在設計電源電路時,考慮到實驗平臺便攜性和通用性的要求,采用了兩種供電模式:一種是通過計算機的USB接口供電；另一種是利用外接5 V穩壓電源供電。兩者通過跳線進行選擇。

主控芯片LPC1768的供電系統較為復雜,需要4組電源供電,分別是:內核和外部數字通路所需的3.3 V數字電源VDD33；模擬部分(如片上ADC 和DAC)所需的3.3 V模擬電源VAA33；模數轉換器ADC所需的參考電源VREFP；實時時鐘RTC所需的3.3 V電源VBAT。

圖3 加裝液晶模組后的實物圖

由于所需電源種類較多,我們在電路設計時進行了必要的簡化:5 V電壓通過低壓差穩壓芯片LT1117-3.3 V轉換為3.3 V電壓,提供給模擬電源和數字電源共用,2個電源之間通過電感和電容組成的濾波電路進行隔離；參考電壓VREFP接模擬電源VAA3.3；實時時鐘電源設計為外接紐扣電池供電[3]。實際的電源電路見圖4。

1.3 最小系統

在設計嵌入式系統的實驗平臺時,充分考慮了硬件平臺的先進性,采用了目前最新的Cortex-M3內核處理器LPC1768作為主控芯片,該芯片內部具備512 KB的Flash存儲器和64 KB的RAM空間,工作頻率高達100 MHz,具有UART、SPI、I2C等多種外設接口,可以運行中小規模的嵌入式操作系統。其基本的最小系統包含時鐘電路、復位電路和調試接口。時鐘電路由12 MHz晶體、2個電容與內部的反相器構成振蕩電路,產生12 MHz的正弦波,在芯片內部經過鎖相環產生100 MHz的內核時鐘。復位電路采用傳統的阻容復位,并提供手動復位按鍵[4]。調試接口采用標準的20針JATG接口。實際的最小系統電路見圖5。

圖4 電源電路

1.4 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊主要是用于測試微控制器的基本功能,比如通用數字輸入輸出接口(GPIO)的輸入輸出功能測試、定時器模塊的定時測試、外部中斷模塊的中斷觸發測試。本實驗平臺提供了4個發光二極管、2個按鍵和1個蜂鳴器完成這些測試[5]。實際的輸入輸出模塊電路見圖6。

圖5 最小系統電路

圖6 輸入輸出模塊電路

1.5 交互接口

交互接口主要用于和外部設備進行通信、采集外部信息和顯示人機界面等功能。考慮到目前RS232接口在大部分的計算機中已經被取消,本實驗平臺設計了USB接口轉TTL串口的轉換電路,利用USB轉換芯片FT232RL將計算機的USB接口轉換為TTL串口直接和主控芯片LPC1768連接,省去了購買USB轉串口連接線的費用,直接利用一根USB線就可以完成供電和通信兩大功能,提高了系統的便攜性[6]。數據采集部分利用一個可變電阻完成電壓的變化,并通過主控芯片LPC1768的AD接口采集電壓的變化,結果可以送計算機或者TFT液晶顯示。人機界面利用8.1 cm(3.2寸)的TFT液晶模組作為顯示,以便顯示更多的內容和進行圖形用戶界面(GUI)的移植測試[7]。實際的交互接口電路原理圖如圖7所示。

圖7 交互接口電路

1.6 外擴接口

在設計實驗平臺時,考慮了平臺的擴展性,將芯片的所有功能引腳以雙排插針的形式引出,學生可以利用杜邦線擴展外部模塊。我們提供反射式紅外光電管、攝像頭、溫度傳感器、超聲波傳感器、光電撥碼盤等常用的傳感器模塊和主控芯片連接,學生可進行傳感器應用的擴展實驗[8]。實際的外擴接口電路原理圖如圖8所示。

圖8 外擴接口電路

2 實驗項目

基于嵌入式系統的“口袋實驗室”可以完成嵌入式系統的大部分實驗,這些實驗內容涵蓋了嵌入式系統的基本應用,并留給學生擴展的空間以發揮學生的主觀能動性[9]。具體的實驗項目如下:

(1) 嵌入式工程軟件使用實驗。嵌入式工程軟件使用實驗包括常用的電路設計軟件Protel、電路仿真軟件Proteus、ARM集成開發環境RealView MDK等軟件的學習,要求學生掌握基本的原理圖繪制,印制板電路繪制,電路的軟件仿真以及如何建立一個工程,編寫源程序,進行程序的下載和在線仿真。這些技能都是進行電路設計和嵌入式系統開發的基本要求。

(2) 微控制器內部功能模塊實驗。微控制器內部功能模塊實驗主要是通過實驗平臺提供的輸入輸出模塊等電路,掌握微控制器內部的時鐘系統、通用輸入輸出接口、定時器和中斷系統等常用功能模塊的基本用法。掌握了這些基本功能模塊后,才能完成一個嵌入式系統的整體設計[10]。

(3) 外設模塊實驗。外設模塊實驗主要是采集外部數據、串口通信和液晶顯示等工程相關的實驗,學生通過編寫數據采集程序、串口通信程序和液晶顯示的人機界面,能夠掌握嵌入式系統開發中和實際工程相關的應用,并可以通過設計一個數字電壓表的綜合性實驗,將各個知識點串聯[11]。

(4) 傳感器應用實驗。傳感器應用實驗主要利用外擴接口,通過杜邦線連接各類常用的傳感器,如利用紅外傳感器檢測導航路徑、利用超聲波傳感器檢測距離及利用攝像頭進行簡單的圖像處理。這些實驗可以幫助學生將傳感器的理論知識和實踐應用相結合,更好地理解傳感器的工作原理[12]。

(5) 嵌入式操作系統的移植和應用實驗。隨著嵌入式系統的復雜度越來越高,傳統的前后臺編程模式已經無法滿足要求,目前的實際工程應用中,基于嵌入式操作系統的程序開發越來越多。我們設計了基于RL-RTX操作系統的移植和應用實驗。RL-RTX是一個免費開源的系統,集成在ARM集成開發環境RealView MDK中,采用了時間片輪轉和優先級調度兩種算法,并提供了全部的源代碼,方便學生學習。我們設計了相關的應用實驗,包括任務的建立、時間函數的觸發、信號量的互斥和事件標志的同步等,使學生能夠掌握基于嵌入式操作系統的編程方法和相關應用。

3 “口袋實驗室”的特色

基于嵌入式系統的“口袋實驗室”實驗平臺具有以下特點：

(1) 便攜性。“口袋實驗室”的主要特點就是便攜性,它摒棄了傳統實驗平臺大而全的設計思想,采用模塊化設計,在10 cm×10 cm的電路板上集成了嵌入式系統基本的功能模塊。在供電設計上采用了USB接口供電,擺脫了對220 V市電的要求,可以利用計算機的USB接口或者移動電源供電,學生可以直接在課堂上或者寢室中使用,延伸了教學的深度和廣度。

(2) 創新的教學和實驗模式。傳統的教學和實驗模式中,一般是先進行理論知識的講解再進行實驗,往往會造成理論環節和實驗環節的脫鉤。而我們設計的“口袋實驗室”實驗平臺可以直接在課堂上使用,學生只需要帶上自己的筆記本電腦,利用USB接口給“口袋實驗室”供電,就可以在課堂上直接進行實驗。教師講授完一個模塊的相關理論知識后,學生就可以立刻編程實踐,并下載到實驗平臺上在線仿真。目前的筆記本電腦帶電時間都超過3 h,能夠滿足兩節課90 min的教學實驗時間。這種教學實驗模式,能夠立刻消化和應用所學知識,經過我院三屆學生共1 500人次的試用,獲得了良好的教學和實驗效果。

(3) 多學科知識融合。嵌入式系統的設計和應用以前期的多門課程的內容為基礎,是一個多學科知識的融合。學生不僅需要掌握硬件電路的設計知識,還需要掌握軟件開發技術。通過“口袋實驗室”實驗平臺,學生可以進行硬件的擴展設計,開發底層的驅動程序,還可以和自己的專業方向相結合,比如在顯示專業中,進行液晶驅動波形的測試和顯示界面的開發；在光電信息與工程專業中,進行光電類傳感器的應用和光電系統的設計。

(4) 擴展性。由于在設計時將主控芯片的全部功能引腳外擴,并設計了基本的外設，“口袋實驗室”實驗平臺除了完成教學和實驗功能外,還可以作為工程原型機,進行工程開發及驗證微控制器的基本性能。學生也可以利用該平臺參與畢業設計、各類創新創業計劃和各級學科競賽。在2015年舉行的全國光電設計競賽中,我院學生就利用該平臺為核心板設計參賽作品,獲得了全國二等獎的優異成績。

4 結束語

基于嵌入式系統的“口袋實驗室”為學生掌握嵌入式系統應用的相關知識提供了良好的實驗平臺,契合了相關學科的應用,加強了理論知識和實踐的融合,取得了良好的教學效果。

References)

[1] 漆強, 歐中華, 劉子驥, 等. 嵌入式系統設計工程實踐：基于Cortex-M3內核處理器LPC17XX[M]. 北京: 國防工業出版社, 2015.

[2] 李寧. ARM開發工具RealView MDK使用入門[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2008.

[3] 趙俊. ARM嵌入式應用程序架構設計實例精講：基于LPC1700[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2013.

[4] Yiu J. ARM Cortex-M3權威指南[M]. 宋巖,譯. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2009.

[5] 孫安青. ARM Cortex-M3嵌入式開發實例詳解：基于NXP LPC1768[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2012.

[6] 劉火良. STM32庫開發實戰指南[M]. 北京: 電子工業出版社, 2013.

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[8] 樓建明, 傅越千, 安鵬, 等. 基于能力培養自制實驗儀器設備[J]. 實驗技術與管理, 2014,31(9):81-86.

[9] 應安明, 王桂玲, 劉桂濤. 自制實驗儀器設備在教學中的應用[J]. 實驗室研究與探索, 2003,22(1):20-21.

[10] 盧慧芬, 林斌, 孫丹, 等. DSP電機控制綜合實驗平臺研制[J]. 實驗技術與管理, 2014,31(10):97-102.

[11] 韓宇光. ISP系統創新實驗平臺研制[J]. 實驗技術與管理, 2014,31(10):120-122.

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Design of “Packet Laboratory” based on embedded system

Qi Qiang, Liu Shuang

(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

With the development of electronic technology, the design of embedded system has become one of the essential qualities of electronic major students. In order to meet the teaching requirement, A “Packet Laboratory” was developed based on the embedded system. Tasking LPC1768 microcontroller as control chip and using the modular design method, this experimental platform has the advantages of portability and expansibility. Also by changing the old teaching and experiment method, the “Packet Laboratory” integrates the theory with practice. and has achieved good teaching effects.

packet laboratory; embedded system; portability; expansibility

2015- 05- 13

國家自然科學基金青年科學基金項目(61307102);電子科技大學2015年本科教育教學改革研究項目(2015XJYYB028)

漆強(1978—)，男，四川成都，碩士，講師，主要研究方向為顯示器件驅動和光電系統集成.

E-mail：ytqiqiang@163.com

TP368.1；G484

A

1002-4956(2015)12- 0097- 06