嵌入式遞階教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

陜西服裝工程學(xué)院 呂 明

嵌入式遞階教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

陜西服裝工程學(xué)院 呂 明

針對(duì)嵌入階梯教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行分析，闡述了如何實(shí)施系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了嵌入式遞階教學(xué)平臺(tái)，在這一系統(tǒng)當(dāng)中，主要包含的內(nèi)容有計(jì)算機(jī)和目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板。此外，研究了核心板硬件設(shè)計(jì)和底層板設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容，其中核板硬件，組成內(nèi)容主要有微處理器、芯片最小系統(tǒng)以及拓展板接口，底層板主要是為了加強(qiáng)外圍功能接口應(yīng)用學(xué)習(xí)，并且針對(duì)教學(xué)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的不同要求，設(shè)計(jì)了不同形式的功能模塊。最后，分析了遞階教學(xué)平臺(tái)CDIO模式的實(shí)現(xiàn)并闡述了CDIO應(yīng)用模式遞階實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。

嵌入式遞階教學(xué)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；核心板硬件

當(dāng)前屬于信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展階段，相關(guān)技術(shù)人員需要針對(duì)嵌入式遞階教學(xué)平臺(tái)實(shí)施相應(yīng)調(diào)試，同時(shí)對(duì)其作出具有針對(duì)性的測(cè)試。最后，使用多個(gè)核心板，對(duì)多功能拓展底板做出試配，這時(shí)促使使用模式得以實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)前嵌入式課程教學(xué)平臺(tái)采用多種成熟嵌入式開(kāi)發(fā)板，僅將炎癥性實(shí)驗(yàn)作為主要內(nèi)容。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

課堂教學(xué)過(guò)程中所使用的嵌入式教學(xué)平臺(tái)所處系統(tǒng)是通過(guò)計(jì)算機(jī)、目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板共同組成。這一系統(tǒng)當(dāng)中的目標(biāo)實(shí)驗(yàn)板在硬件，主要借助功能拓展底板的雙層結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種形式設(shè)計(jì)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)板硬件中，將核心板設(shè)置在上層位置，而功能模塊拓展底板則被設(shè)置在下層，此后使用插拔組合的形式，對(duì)底板和功能板之間進(jìn)行連接。同時(shí)，對(duì)于插座使用的引腳以及底層板而言，其兩者的連接主要是以固定形式存在的。對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行使用過(guò)程中，設(shè)計(jì)者要確保底層板處于不變情況下，然后設(shè)計(jì)人員借助插拔的形式，針對(duì)每個(gè)上層核心板進(jìn)行更換，然后作為嵌入式課程入門(mén)級(jí)單片機(jī)形式的學(xué)習(xí)平臺(tái)，也可以將其作為高層次嵌入式學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行使用，而這種情況下，最終形成了階梯開(kāi)放形式的平臺(tái)結(jié)構(gòu)。教學(xué)初期階段，對(duì)這一教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行使用，主要是使用的誤操作系統(tǒng)的51系列單片機(jī)核心板，同時(shí)也需要對(duì)基本功能模塊進(jìn)行使用。站在軟件系統(tǒng)方面進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)人員選擇IAR當(dāng)中軟件開(kāi)發(fā)的具體工具，然后為其提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K程序。針對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)而言，對(duì)其進(jìn)行選擇，可以在51單片機(jī)上對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行移植，同時(shí)也可以在ARM7上對(duì)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的移植。下圖為嵌入式階梯教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型：

圖1 嵌入式階梯教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型

2.核心板硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)核心板硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，組成核心板硬件的內(nèi)容主要有微處理器以及芯片最小系統(tǒng)，同時(shí)還包括拓展模塊接口等。當(dāng)其中的最小系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)對(duì)微處理器工作的時(shí)鐘模塊提供相對(duì)有利的支持，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要方式是使用晶振電路和Flish存儲(chǔ)模塊、復(fù)位模塊等相互組成。此外，對(duì)于核心模塊而言，對(duì)其的使用，主要是從容易到復(fù)雜所形成的微處理器，這些內(nèi)容包括STC89C51，STM32F103C8微處理器等，微處理器中的芯片全部通過(guò)I/O引腳印出來(lái)，在一定的通用底板上，流出相應(yīng)的Pin接口相互連接[2]。核心板硬件中使用的芯片價(jià)格便宜，同時(shí)在通用性上也比較強(qiáng)。其中有存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器、可編程的I/O等。所使用的這一芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)可編程要求，在實(shí)施二次開(kāi)發(fā)時(shí)，比較容易實(shí)施。同時(shí)，在實(shí)施基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，其可以充分滿足教學(xué)需求，并在一定程度上，促使設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的使用要求得到充分滿足。

3.底層板設(shè)計(jì)

針對(duì)底層板功能模塊進(jìn)行分析，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是為了促使外圍功能接口的應(yīng)用和學(xué)習(xí)得到提升，并且針對(duì)教學(xué)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的不同要求，設(shè)計(jì)了不同形式的功能模塊，其內(nèi)容有：借助I/O口模塊、UART模塊、電源模塊等，為其輸入的電路為2*8矩陣鍵盤(pán)模塊。其中對(duì)LED模塊、LCD模塊等顯示出來(lái)，74HV595芯片可以將串行信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，是成為并行信號(hào)。在底層板進(jìn)行預(yù)留，能夠在一定程度上促使I/O接口得到擴(kuò)展，教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行自行選擇，然后將功能模塊被納入下層拓展底板中，通過(guò)這種形式構(gòu)建出具有一定個(gè)性的嵌入式系統(tǒng)[3]。

4.遞階教學(xué)平臺(tái)CDIO模式的實(shí)現(xiàn)

嵌入式課堂遞階教學(xué)平臺(tái)，開(kāi)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)教育者將CDIO思想當(dāng)做基礎(chǔ)性內(nèi)容，這種方式主要是從構(gòu)思、設(shè)計(jì)以及實(shí)施和運(yùn)作等理念出發(fā)，經(jīng)過(guò)研究，使用科學(xué)手段嵌入式課程教學(xué)，促使課程教學(xué)和課程實(shí)踐逐漸向著相對(duì)統(tǒng)一化方向發(fā)展，將這一內(nèi)容作為依據(jù)，這一教學(xué)平臺(tái)主要使用實(shí)驗(yàn)方式，在教學(xué)過(guò)程中將這些理念逐漸滲透，為學(xué)生提供幫助。這種情況下，從8位51系列經(jīng)典單片機(jī)作為基礎(chǔ)性內(nèi)容，這種情況下，所使用的內(nèi)容會(huì)逐漸向著綜合性單片機(jī)方向發(fā)展。此后，對(duì)含有μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)進(jìn)行使用，借助 其中的ARM7體系通過(guò)遞階的方式進(jìn)行提升，對(duì)于學(xué)習(xí)難度而言，也是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，向著越來(lái)越深入的方向發(fā)展。

進(jìn)行初期教學(xué)時(shí)，其和CDIO模式當(dāng)中的構(gòu)思階段是以相互對(duì)應(yīng)的方式而存在的，在這種情況下，促使LPC2103、STM32F103C8ARM芯片模塊程序得到順利運(yùn)行，學(xué)生觀察得出結(jié)果。將這一結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)性內(nèi)容。因?yàn)檫@一目標(biāo)存在階梯開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)時(shí)，能夠促使51系列單片機(jī)微處理器、嵌入式微處理器兩者能夠保持相互聯(lián)系，然后對(duì)這兩方面內(nèi)容作出科學(xué)對(duì)比，使用這種方法促使軟架構(gòu)基礎(chǔ)上的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)得以完成，同時(shí)保障嵌入式實(shí)驗(yàn)的遞階目標(biāo)最終被實(shí)現(xiàn)，以極快的速度進(jìn)入到嵌入式學(xué)習(xí)中去。

具體實(shí)施以及運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)調(diào)試方法以及變成技術(shù)等進(jìn)行充分研究。通過(guò)較為熟練的方式充分掌握51基本編程，同時(shí)還要充分掌握ARM7基本編程。

5.CDIO應(yīng)用模式遞階實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)CDIO模式化遞階實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析，這一系統(tǒng)的使用，能夠幫助教師對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行改進(jìn)，采用傳統(tǒng)教學(xué)，教師基本采用純理論教學(xué)方式。而這系統(tǒng)，則在傳統(tǒng)教學(xué)方式上，增加了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，從而取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。教學(xué)平臺(tái)，將AT895S51、LPC2103芯片、STM32F103C8ARM芯片為基礎(chǔ)，進(jìn)行三大系統(tǒng)的設(shè)置，而對(duì)于這三大系統(tǒng)，其中存在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也有遞階教學(xué)實(shí)驗(yàn)，此后又出現(xiàn)了新型綜合性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，以STM32F-103C8ARM芯片作為基礎(chǔ)，設(shè)置課科學(xué)的操作平臺(tái)，這一平臺(tái)中有8流水循環(huán)顯示試驗(yàn)和UART串口通信實(shí)驗(yàn)以及外部中斷實(shí)驗(yàn)等[4]。使用比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)操作方法，其中包括綜合實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也包含μC/ OS-Ⅱ嵌入操作系統(tǒng)移植，μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建等。

6.結(jié)束語(yǔ)

對(duì)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行使用，能夠促使接口資源得到豐富，還可以對(duì)這些教學(xué)資源進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從而使實(shí)驗(yàn)課程的要求得到充分滿足。以CDIO理念作為依據(jù)，設(shè)計(jì)一系列配套實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)充分滿足廣大學(xué)生的需求。

[1]趙力．語(yǔ)音信號(hào)處理嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與開(kāi)發(fā)[J]．信息化研究,2014,01:13-17．

[2]耿興隆,王麗,高秀艷．單片機(jī)雙機(jī)通信在嵌入式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,03:50-53．

[3]施威,原亮,解雙建,丁國(guó)良,尹文龍,李川濤． 嵌入式雙核實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)策略與實(shí)現(xiàn)方法[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,12:151-155．

[4]劉大千,李圓方,史運(yùn)濤,孫德輝．基于ProfiBusDP和ModBus總線的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J]．工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014,12:64-65+68．

陜西省教育廳專項(xiàng)科技計(jì)劃項(xiàng)目（15JK2004）。