单片机及嵌入式系统教学实验平台的研制
【摘 要】本文介绍了一种基于51内核、430内核、ARM内核单片机的教学实验平台。该实验平台采用互相独立的模块结构,它不仅可以让学生进行软件编程的实验,还可以让学生进行简单硬件电路设计,培养他们的硬件设计能力。该实验平台便于学生学习8位,16位单片机以及32位嵌入式系统的开发过程,掌握当前实际应用的关键技术。
【关键词】单片机 ARM 嵌入式系统 教学实验平台
【中图分类号】TP368.1 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)06-0187-02
自从第一台8位单片机问世以来,它们在工业控制,科学研究,军工企业,家用电器等方面得到了广泛的应用,从而推动了单片机的迅猛发展。但经过多年的市场竞争及筛选,如今我国在上述领域中应用最广泛的8位单片机是51系列单片机。随着对设备更高的实时运算能力及工作速度的要求,目前16位单片机得以广泛的应用,如美国TI公司MSP430系列超低功耗单片机,该系列单片机将大量外围模块整合到片内,也特别适合于设计片上系统;有丰富的不同型号的器件可供选择,给设计者带来了很大的灵活性。随着网络与通信技术的发展,单片机系统在经历了近20多年的发展历程后,又进入了一个新的历史发展阶段,即从普遍的低端应用进入到一个高、低端并行发展,并且不断提升低端应用技术水平的时代,其标志是近年来32位MCU的发展,出现了嵌入式系统高端应用的市场,而在嵌入式系统的高端应用中,进行多年技术准备的ARM公司适时地推出了32位ARM系列微处理器,并迅速形成了在32位机高端应用中的主流地位。基于单片机技术的发展和学生能力的培养的要求,本文研发了一种多功能的实验教学平台。
1 课题来源
目前的单片机和嵌入式系统的实践教学环节多以厂家生产的实验箱为主,学生只是在实验箱上进行简单的编程和调试,很难掌握具体的软硬件开发设计过程,不利于学生动手和创新能力的提高,不能满足市场对应用开发型人才的需求。一般的实验箱都针对特定型号的单片机设计的,提供的功能固定,缺少灵活性和可拓展性。因为提供的功能固定,所以学生在进行实验时,只能按照实验指导书上的接线图和参考程序做简单的硬件连线和软件编程,在学生动脑和动手能力的训练上显得很薄弱;因为缺少灵活和可拓展性,所以学生在编程和设计上发挥较少,降低了学习兴趣。多次教学实验都是基于同一实验箱,可广泛的借鉴别人经验,所以学生的设计思想受到束缚。这种重复、被动的实验教学模式束缚了学生的手脚,不利于提高学生的综合设计能力和工程应用能力,达不到良好的实验效果。
基于以上原因,我校测通学院相关的教学和实验教师经过多次讨论,结合本类课程的特点和各实践环节的需求,自行研制开发了具有适应面广、可靠性高、扩展性强、内容丰富的单片机及嵌入式系统教学实验平台。该平台包括单片机和嵌入式两部分,这两部分都是采用核心板和底板相组合来完成实验的。单片机部分的核心板是分别以51内核单片机和430内核单片机为核心设计最小系统,底板上留有接口可插入51核心板或430核心板,并将两款单片机的所有接口引出,设计实验时需要用到哪些硬件资源直接接插即可,使用方便、灵活。嵌入式部分的核心板是以ARM内核为核心设计的最小系统,底板上提供了用于完成各个不同硬件实验的功能模块。
2 单片机部分
单片机部分采用现在较流行的51系列的C8051F023、430系列的MSP430F149为核心设计的实验系统,结构如图1所示。包括12864液晶屏、8块8*8的点阵LED、交通灯模块、继电器、键盘、LED、数码管、声光报警器、音频接口、直流电机、步进电机、面包板及一些芯片插座接口等主要外部硬件资源。各主要功能模块之间相互独立,所有的接口都连接到实验板上,方便学生在做实验时,根据不同的实验内容进行硬件电路设计,并自行动手连接,以激发学生的学习兴趣和提高学生的动手能力。另外,设计时考虑到使用灵活方便、如有损坏容易更换的要求,将各集成电路管脚座焊接在面板上,这样一种管脚座可适用多种不同功能的集成电路芯片,使学生更容易发挥主观能动性和创新性。
在软件编译和调试方面,51系列采用的是Keil uVision系统、430系列采用的是IAR Embedded Workbench系统,它们都是将源程序编辑、编译、下载、调试等功能集于一身的软件开发平台,有丰富的窗口显示方式,并且可以向用户多方位、动态地展示软件仿真的各种过程,使用极为便利。集成的编译器主要特征:完全标准C兼容;内建对应芯片的程序速度和大小优化器;目标特性扩充;版本控制和扩展工具支持良好;便捷的中断处理和模拟;瓶颈性能分析;高效浮点支持;内存模式选择;工程中相对路径支持,并可以生成节省空间并且稳定可靠的可执行代码[1-2]。在实验和课程设计中,题目可以由指导教师给定,也可以由学生自定相关题目。在设计的过程中,指导教师扮演的是一个配角,提供基本的设计思想和方法,并给予一定的答疑解惑,使学生自行设计、编写程序并调试,最后将调试通过的程序下载到单片机中运行。单片机部分可以实现交通灯控制,矩阵键盘,跑马灯,串口通讯,液晶显示,定时器等多种实验,为方便初学者上手,同时提供部分试验的硬件连接和相应的软件程序。
3 嵌入式部分
嵌入式系统设计是一门实践性非常强的课程,其理论还在不断的发展当中,如果没有很好的实践平台,嵌入式系统技术很难掌握,学生的技能不能得到很好提高,很难满足市场对嵌入式系统操作人才的要求。嵌入式系统开发是一个软、硬件协同设计开发的过程。针对目前嵌入式教学实验开发平台以软件程序开发为主,主要培养软件编程能力的缺点,在设计实验平台时采用一些外围接口电路分离设计的思想。可以让学生进行部分硬件电路设计实验,锻炼学生的硬件开发能力。
3.1 硬件部分
S3C2410A微处理器是一款由Samsung半导体公司为手持设备等相关应用设计的低功耗、高集成度的微处理器,采用272脚FBGA封装,包含一个ARM920T内核[3]。其内部包含以下功能模块:
* 1.8V/2.0V内部供电,3.3V存储器,3.3V外部I/O供电。具有16KB一体化的Cache/MMU;
* 具有外部存储器控制器(SDRAM控制和片选逻辑);
* LCD 控制器(支持高达4K色的STN屏和256K色的TFT型液晶屏,具有1路LCD专用DMA);
* 4路DMA,具备外部请求脚;
* 3路UART(支持IrDA1.0,16字节的发送FIFO,16字节的接收FIFO)/2通道SPI
* 1路多主模式的IIC总线,1路IIS总线控制器;
* 兼容V1.0的SD主接口协议和V2.11的MMC卡协议;
* 2路全速 USB主设备,其中1路可以作为USB从设备(V1.1协议)。
* 4路PWM定时器和一路内部定时器
* 具有看门狗定时器
* 共提供117个通用I/O,24路外部中断
* 电源控制:正常模式,SLOW模式,空闲模式和掉电模式。
* 8路10位ADC,其中2路可以作为触摸屏接口
* 具有日历功能的RTC时钟
* 片内倍频锁相环PLL
实验平台采用了核心主板加扩展板的设计方式,提供基于微处理器的核心主板,将微处理器所有的I/O 全部引出,在核心主板上面只提供S3C2410,FLASH,SDRAM和LED 等最基本部分,而对于一些特殊用途的USB接口、以太网接口、TFT型液晶屏接口、触摸屏接口、音频接口、SD卡接口、GPRS接口和GPS接口等是以底板板形式提供的。这样,学生需要的话,可以在实验平台上进行主流技术硬件电路设计实验,切实掌握部分硬件工作原理。系统功能模块框图如图2所示。
3.2 软件设计
底层硬件驱动程序是嵌入式系统软件开发的第一个环节,它紧密地将软硬件衔接在一起,涉及到许多硬件相关的知识。对底层硬件驱动程序的了解,是深入理解嵌入式系统工作原理最有效的手段,同时也是进一步开发基于嵌入式操作系统的设备驱动程序的基础。但如果完全让学生自己开发,将有很大难度,不利于教学。为了方便学生使用,进行深入的二次开发,本系统提供所有硬件部件的底层驱动程序。
基于ARM 的实验平台提供已成功移植到硬件平台并经过长时间运行证明稳定可靠的嵌入式操作系统WINCE和Linux,系统也提供在WINCE和Linux 平台的应用程序和设备驱动程序的开发示例,通过这些示例的理解,学生可以完全掌握在嵌入式操作系统平台上的应用程序开发过程,还能学到最新的主流技术,为进一步完成复杂应用程序的开发打下坚实的基础。
3.3 实验内容
为了使学生能够系统地掌握嵌入式系统开发的基本知识,对复杂实用的外围接口模块开发、嵌入式操作系统WINCE和Linux 移植有一个全面的了解,在实验平台上设计了如下实验内容。
实验的第一阶段主要要求熟悉软硬件开发环境,熟练使用这些开发环境和各种开发软件,掌握基本的软硬件调试方法,为后面的实验打下基础。设计的主要实验有:集成开发环境使用;简单的嵌入式系统应用程序开发;ARM指令的编程。
实验的第二阶段主要是基础技能性实验,要求扎扎实实掌握嵌入式平台的软件调试,理解嵌入式软件的程序特点和结构。设计的主要实验内容有: 串行接口通信实验;键盘及LED 实验;LCD 驱动控制实验;UDP 通讯实验;WINCE操作系统移植实验;Linux 操作系统移植实验。
实验第三阶段主要是实用性及针对性极强,代表了当今电子应用先进主流技术发展方向的实验,使学生能尽快地成为市场需要的人才。设计的主要实验内容有:USB接口电路模块及软件设计;以太网接口电路模块及软件设计;GPRS技术应用实验;GPS技术应用实验。
4 结语
单片机及嵌入式系统教学实验平台为理论教学提供了一个很好的实践平台,该平台不仅提高了学生的学习兴趣、实验能力、动手能力、综合应用能力和创新能力,而且取得了良好的实验效果。以ARM9实验教学系统为硬件平台,建立了以ARM微处理器为核心的、完整的嵌入式系统教学的实验体系,学生不仅能够系统地掌握嵌入式系统开发的基本知识,而且对复杂实用的外围接口模块开发、嵌入式操作系统移植有一个全面的了解。在实验内容的设置及单片机及嵌入式系统教学平台的开发过程中,改进了目前单片机及嵌入式系统教学实验平台的不足,注重学生硬件设计能力的培养,使学生尽快成为一名合格的单片机及嵌入式系统开发人才。
参考文献
[1] 周立功.增强型80C51单片机速成与实战.北京航空航天大学出版社,2003.
[2] 魏小龙.系列单片机接口技术及系统设计实例.北京航空航天大学出版社,2002.
[3] 杜春雷等.ARM.体系结构与编程.清华大学出版社,2003.