基于ARM Cortex平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

楊繼森，張 靜，朱 革，鄭方燕

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心,重慶 400050)

信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代使嵌入式技術(shù)得到了巨大的發(fā)展機(jī)遇，國(guó)內(nèi)很多高校的電子、計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)相繼開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程[1-3]。重慶理工大學(xué)在原有C51單片機(jī)課程的基礎(chǔ)之上，開(kāi)設(shè)了以NXP公司的ARM7微控制器LPC21XX系列為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)課程，每學(xué)年都有超過(guò)10個(gè)班的學(xué)生選擇嵌入式系統(tǒng)課程，課程教學(xué)效果顯著。

1 現(xiàn)狀分析

隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式微控制器的行業(yè)領(lǐng)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(gè)系列的微控制器作為講授對(duì)象。ARM公司于2005年推出ARMv7架構(gòu)的Cortex-M系列微控制器產(chǎn)品采用了Thumb-2技術(shù)，它是在ARM原有Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，并且保持了對(duì)現(xiàn)存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術(shù)比純32位代碼少使用31%的內(nèi)存，但能夠提供比基于Thumb技術(shù)的解決方案高出38%的性能[5-6]。

目前，基于全新ARMv7架構(gòu)的Cortex-M系列微控制器已經(jīng)成為行業(yè)的主流選擇[7-10]。為了更好地跟隨市場(chǎng)變化，培養(yǎng)出滿(mǎn)足社會(huì)需要的優(yōu)秀嵌入式技術(shù)人才，重慶理工大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始將嵌入式系統(tǒng)課程從舊的ARM7平臺(tái)遷移到全新的Cortex-M平臺(tái)，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)既方便教師將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目帶入課堂，在課堂上利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作和演示，使理論知識(shí)更加形象、生動(dòng)，也解決了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不能滿(mǎn)足學(xué)生實(shí)驗(yàn)的難題，使嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)不再局限于理論課堂和實(shí)驗(yàn)室，在教學(xué)時(shí)間與教學(xué)空間上拓展了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)范圍。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

仿真軟件Proteus非常適合ARM嵌入式技術(shù)的設(shè)計(jì)、仿真與開(kāi)發(fā)[11-12]，因此虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Proteus作為主要開(kāi)發(fā)平臺(tái)，微控制器采用美國(guó)TI(Texas Instruments)公司的基于Cortex-M3的LM3S300系列微控制器。結(jié)合我校嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)大綱的要求，為了讓學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，加強(qiáng)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用分層次的結(jié)構(gòu)、遞進(jìn)式的教學(xué)方式，由淺入深、循序漸進(jìn)，以適合不同知識(shí)基礎(chǔ)的學(xué)生。它體現(xiàn)簡(jiǎn)單易用、前后連貫的總體設(shè)計(jì)思路，真正引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的大門(mén)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為基礎(chǔ)型平臺(tái)、綜合型平臺(tái)和設(shè)計(jì)型平臺(tái)。

2.1 基礎(chǔ)型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要注重于基礎(chǔ)知識(shí)的深入理解與掌握。秉承“少而精”的原則，該平臺(tái)只開(kāi)展了4個(gè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中只包含3個(gè)最基礎(chǔ)而常用的片上外部設(shè)備實(shí)驗(yàn)(GPIO、UART、TIMER)。

(1) 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。主要側(cè)重于對(duì)虛擬仿真平臺(tái)軟件和操作步驟的熟悉，以及與編程軟件平臺(tái)的連接。

(2) GPIO基本輸入與輸出實(shí)驗(yàn)。采用端口引腳PA2作為輸出，驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED發(fā)光二極管，PA3作為端口輸入，外接按鍵輸入。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生仔細(xì)體會(huì)并熟練掌握GPIO模塊輸入與輸出功能的配置以及庫(kù)函數(shù)的調(diào)用方法。

(3) UART配置與數(shù)據(jù)傳送實(shí)驗(yàn)。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，將PA0復(fù)用為串行接口的接收端口Rx0，將PA1復(fù)用為串行接口的發(fā)送端口Tx0,采用虛擬仿真平臺(tái)的虛擬終端作為控制臺(tái)，可以接收并顯示串行接口的輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)具有通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)的功能。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以體會(huì)標(biāo)準(zhǔn)串行接口的配置方式以及參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的影響。

(4) 基于定時(shí)器的方波信號(hào)輸出實(shí)驗(yàn)。采用PC5作為定時(shí)器Timer0的信號(hào)輸出引腳，引腳外接一個(gè)四通道虛擬示波器，可以定時(shí)改變引腳的輸出狀態(tài)，利用示波器觀察信號(hào)波形，可以準(zhǔn)確判斷定時(shí)器的定時(shí)效果。

基礎(chǔ)型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在學(xué)生已經(jīng)熟練掌握基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)之上，綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)一步拓展學(xué)生的知識(shí)面，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。平臺(tái)涵蓋了LM3S300系列的所有外設(shè)，共包含了8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。某些外設(shè)是在基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)之上的進(jìn)一步拓展，以增加工程的實(shí)踐性。

(1) 4×4行列式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是對(duì)GPIO的輸入與輸出功能進(jìn)行擴(kuò)展，采用PB端口構(gòu)建4×4的行列式鍵盤(pán)，PB0—PB3作為行掃描線(xiàn)，PB4—PB7作為列掃描線(xiàn)，主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)GPIO功能的綜合應(yīng)用能力。經(jīng)過(guò)掃描獲得的按鍵值可采用格式化的字符串，通過(guò)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的串行接口數(shù)據(jù)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(pán)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是在“4×4行列式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，利用GPIO端口的外部中斷功能，將4×4行列式鍵盤(pán)的行掃描線(xiàn)PB0—PB3通過(guò)74LS08的2個(gè)二輸入與門(mén)相“與”之后，作為按鍵中斷信號(hào)KEY_INT連接到端口PC0。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，產(chǎn)生下降沿的中斷信號(hào)，可以在中斷服務(wù)程序中調(diào)用按鍵掃描程序獲得鍵值，避免了普通行列式鍵盤(pán)需要不斷進(jìn)行按鍵掃描而浪費(fèi)處理器資源的問(wèn)題。

(3) UART的數(shù)據(jù)輸入與輸出實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是在基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)“UART配置與數(shù)據(jù)傳送”的基礎(chǔ)之上，加入了虛擬串行接口器件COMPIM，可以將仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)的物理串行接口向外輸出到其他的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)，也可以通過(guò)專(zhuān)用的虛擬串行接口軟件，將仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌摂M仿真平臺(tái)(Matlab、LabVIEW、VC++等)，進(jìn)行跨平臺(tái)聯(lián)合虛擬仿真。

(4) 基于SPI接口的數(shù)碼顯示實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是SPI接口實(shí)驗(yàn)，為了增加實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性，采用具有SPI接口的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219。MAX7219驅(qū)動(dòng)一個(gè)6位的八段數(shù)碼管，LM3S328通過(guò)SSI接口與MAX7219連接，將PA2復(fù)用為SPI接口的時(shí)鐘信號(hào)CLK，PA5復(fù)用為SPI接口的數(shù)據(jù)輸入信號(hào)DIN，PA3作為SPI的片選信號(hào)CS。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以作為整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)字化顯示窗口。

(5) 基于I2C接口存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)基于I2C接口的存儲(chǔ)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)單元選擇常用的具有I2C接口的存儲(chǔ)器芯片24C02C。微控制器的PB2復(fù)用為I2C接口的串行時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)SCL，PB3復(fù)用為I2C接口的串行數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)SDA。芯片存儲(chǔ)容量為256字節(jié)，可以存儲(chǔ)開(kāi)機(jī)密碼、網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)等非易失性數(shù)據(jù)信息。

(6) 高速ADC數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。微控制器的ADC具有8個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，將輸入信號(hào)ADC0連接到通道0，輸入信號(hào)的幅值可以通過(guò)可調(diào)電阻RV1進(jìn)行調(diào)整。這里選用虛擬仿真平臺(tái)自帶的虛擬信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦信號(hào)、音頻信號(hào)、調(diào)制信號(hào)等，ADC采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)虛擬串行接口傳輸?shù)狡渌抡嫫脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。

(7) PWM波形控制與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。利用微控制器的脈沖寬度調(diào)制功能(PWM)，設(shè)計(jì)了2路PWM信號(hào)輸出：第一路連接端口PB5，第二路連接端口PC5，2路PWM信號(hào)各自與一路LED驅(qū)動(dòng)電路相連接。另外配備了2個(gè)單獨(dú)的按鍵電路：一個(gè)按鍵連接到PWM_KEY1，另外一個(gè)連接到PWM_KEY2。實(shí)驗(yàn)時(shí)，第一路PWM輸出占空比為100%的方波信號(hào)，通過(guò)按鍵“UP”和“DOWN”調(diào)整第二路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。不同的占空比將導(dǎo)致2個(gè)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(shí)器捕獲與比較設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是在基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步理解定時(shí)器比較與捕獲功能。通過(guò)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(hào)，可以利用定時(shí)器的捕獲功能測(cè)量輸入方波信號(hào)的周期或者頻率。另外還提供了一個(gè)單獨(dú)的按鍵，可以通過(guò)對(duì)按鍵計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)定時(shí)器比較功能。

綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖2。

2.3 設(shè)計(jì)型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式，以項(xiàng)目為主線(xiàn)。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和特長(zhǎng)，以組合項(xiàng)目小組的形式完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[13-15]。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了6個(gè)設(shè)計(jì)型綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。部分項(xiàng)目來(lái)源于教師的科研項(xiàng)目，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不再提供具體的實(shí)驗(yàn)電路，教師可以提供一定的技術(shù)指導(dǎo)，學(xué)生需自行查閱資料，提出科學(xué)、合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并在虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)上完成。

表1 設(shè)計(jì)型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目

圖2 綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

軟件開(kāi)發(fā)采用Keil MDK(版本4.23)平臺(tái)和ARM公司研發(fā)的編譯器，編譯速度快、效率高，平臺(tái)工作界面友好、簡(jiǎn)單易用、程序調(diào)試方便、仿真功能強(qiáng)。

美國(guó)TI公司為L(zhǎng)M3S300系列微控制器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了2種方式，即直接訪(fǎng)問(wèn)寄存器的開(kāi)發(fā)方式和采用芯片制造商提供的庫(kù)函數(shù)訪(fǎng)問(wèn)方式。采用庫(kù)函數(shù)訪(fǎng)問(wèn)的開(kāi)發(fā)方式能夠提高代碼的復(fù)用率，大大提高工作效率，是今后嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的一個(gè)趨勢(shì)。本文以常用的串行接口為例，演示一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目工程的建立過(guò)程。

(1) 新建工程。打開(kāi)Keil MDK,新建一個(gè)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(dòng)代碼文件Startup.s。

(2) 加入TI公司提供的系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)?？梢栽赥I公司的主頁(yè)下載最新庫(kù)函數(shù)版本，也可以使用Keil MDK平臺(tái)自帶的LM3S系列庫(kù)函數(shù)。自帶的庫(kù)函數(shù)存放在Keil MDK開(kāi)發(fā)軟件的默認(rèn)安裝目錄C：KeilARMRV31LIBLuminary下。該目錄下的Driverlib.lib文件是已經(jīng)編譯好的系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)的靜態(tài)庫(kù)文件，文件夾Driverlib下是系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)的原始實(shí)現(xiàn)文件與頭文件，包含了所有庫(kù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。在初學(xué)階段，建議直接使用庫(kù)函數(shù)原始文件，便于深入學(xué)習(xí)與理解系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程?？梢詫riverlib文件夾整體拷貝到已經(jīng)建立的工程文件夾下面，然后在項(xiàng)目工程中加入所需要的庫(kù)函數(shù)文件。

(3) 建立用戶(hù)文件。新建用戶(hù)文件main.c，并將其加入到項(xiàng)目工程中，新建串行接口功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)文件Uart0.c及頭文件Uart0.h，并將其加入項(xiàng)目工程。

(4) 編譯工程。對(duì)工程進(jìn)行編譯，生成二進(jìn)制結(jié)果文件，將二進(jìn)制文件加載到綜合型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的微控制器LM3S328。利用虛擬串行接口工具，配置一對(duì)虛擬串行接口COM3與COM4：配置虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的串行接口部件使用物理端口COM3，串口調(diào)試助手軟件打開(kāi)物理端口COM4?？梢詫⑻摂M實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口調(diào)試助手等其他平臺(tái)進(jìn)行跨平臺(tái)聯(lián)合仿真，運(yùn)行效果如圖3所示。

圖3 串行接口數(shù)據(jù)發(fā)送

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)更新速度快，只有緊跟行業(yè)的發(fā)展才能真正體現(xiàn)它的價(jià)值。Cortex-M平臺(tái)已逐漸成為嵌入式微控制器行業(yè)的主流，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將嵌入式系統(tǒng)課程遷移到Cortex-M3平臺(tái)是非常有必要的。作為一個(gè)全新的平臺(tái)、一門(mén)全新講授對(duì)象的課程，課程建設(shè)是艱難的，需要學(xué)校和教師在工作中敢于實(shí)踐，實(shí)時(shí)吸收新思想，不斷完善教學(xué)方法和手段，為國(guó)家和社會(huì)培養(yǎng)出更多工程實(shí)踐能力強(qiáng)、富有創(chuàng)新意識(shí)的嵌入式系統(tǒng)優(yōu)秀人才。

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