梁明亮，劉素芳

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

高校在教育教學(xué)過程中，可探索通過優(yōu)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程體系，建立各學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐平臺，開發(fā)基于科技創(chuàng)新的教學(xué)設(shè)備等方法，提升大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。我們開發(fā)了一種基于科技創(chuàng)新教育的ARM9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，下面對系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和軟、硬件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ARM9 嵌入式實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1 所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路為:為大學(xué)生搭建一個電子科技創(chuàng)新的高級應(yīng)用平臺，促進(jìn)高等院校嵌入式教學(xué)開發(fā)水平的提高。利用創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)和開發(fā)，有利于改革傳統(tǒng)的教學(xué)思路，以項(xiàng)目(各電路模塊均相當(dāng)于一個項(xiàng)目案例)為導(dǎo)向進(jìn)行ARM 嵌入式學(xué)習(xí)，將技術(shù)應(yīng)用與技術(shù)創(chuàng)新融為一體，有利于提高學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。同時，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了工程技術(shù)開發(fā)中常用的典型電路結(jié)構(gòu)，性價比高，有一定的先進(jìn)性和創(chuàng)新性，企業(yè)技術(shù)人員可把本系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)培訓(xùn)和開發(fā)的平臺，有助于推動企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由核心板、主電路板、開關(guān)電源和實(shí)驗(yàn)箱箱體構(gòu)成。

ARM9 核心板采用6 層電路板設(shè)計(jì)，采用了專業(yè)穩(wěn)定的CPU 內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片，有利于控制器的穩(wěn)定運(yùn)行。核心板集成了微控制器、電源濾波、SDRAM、NorFlash 等器件，元件排列緊湊。通過2 ×100PIN 板對板的雙排連接器，引出了外部擴(kuò)展需要用到的全部數(shù)據(jù)、地址總線、各外設(shè)接口、IO 信號等，適合應(yīng)用于高性能、高可靠性的嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品，能充分滿足智能小車的功能要求。

核心板上設(shè)計(jì)了如下電路單元。

(1)微處理器。系統(tǒng)選用ARM9 系列S3C2440A嵌入式微處理器，采用289 pin FBGA 封裝。S3C2440的主頻為400MHz，其ARM920T 核由ARM9TDMI、存儲管理單元(MMU)和高速緩存組成。S3C2440 通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，減少了整體系統(tǒng)成本，片內(nèi)資源豐富，如包括4 個PWM 功能的計(jì)時器和1 個內(nèi)部時鐘、8 通道10 位AD 控制器、117 位通用I/O 口和24 位外部中斷源。

(2)存儲電路。包括SDRAM 和FLASH。選用2片型號為HY57V561620FTP 集成電路作為SDRAM存儲器。芯片工作電壓為3.3 V，兼容LVTTL 接口，支持自動刷新(Auto-Refresh)和自刷新(Self-Refresh)，工作時鐘頻率100 MHz。Flash 包括Nor Flash和Nand Flash，S3C2440A 微處理器對上述存儲器有識別、讀、寫和擦除等操作功能。

(3)1.25 V 電源電路。由MAX8860 集成芯片及相關(guān)元件組成，MAX8860 芯片的輸入電壓范圍可以在2.5～6.5 V 之間，具有完善的過熱保護(hù)，短路保護(hù)及電池反裝保護(hù)。

(4)復(fù)位電路。為S3C2440 微控制器提供上電復(fù)位和手動復(fù)位信號。

主電路板主要進(jìn)行了電路原理圖和印刷電路板(PCB)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。為培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的科技創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)了豐富的接口電路資源和小型創(chuàng)新項(xiàng)目，各模塊電路設(shè)計(jì)是在調(diào)研收集近幾年大學(xué)生科技創(chuàng)新作品和電子類大賽的各類賽題、技術(shù)規(guī)程及工程應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)的，所設(shè)計(jì)硬件電路有較重要的移稙應(yīng)用價值。

系統(tǒng)能完成的創(chuàng)新開發(fā)項(xiàng)目主要有:WinCE 操作系統(tǒng)定制;Linux 操作系統(tǒng)移植;GPS 信號讀取與顯示;功能按鍵測試;LED 指示;屏幕旋轉(zhuǎn);串口通信;MP4 電影播放;16 ×16 點(diǎn)陣屏顯示;繼電器驅(qū)動;數(shù)字語音輸出、功放;模擬量、數(shù)字量輸出;USB 接口;彩色液晶觸摸屏;基于μC/OS-III 的操作系統(tǒng)的移植;TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)接口;I2C 通信;SD 卡讀寫;D/A轉(zhuǎn)換;三角波、方波的產(chǎn)生;A/D 轉(zhuǎn)換;數(shù)字電壓表;步進(jìn)電機(jī)控制;其他功能創(chuàng)新和擴(kuò)展項(xiàng)目電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括Linux、WindowsCE、uC/OS-II操作系統(tǒng)的移植，BSP 構(gòu)建，硬件驅(qū)動程序和應(yīng)用程序編寫，基于Keil C 的各類應(yīng)用項(xiàng)目程序。

基于Linux 操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要有ADS 集成環(huán)境搭建、Linux 內(nèi)核移植、設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)。ADS 是ARM Developer Suite 的簡稱，是ARM 公司推出的新一代關(guān)于ARM 處理器的編譯、鏈接和調(diào)試集成環(huán)境系統(tǒng)，ADS 既提供圖形環(huán)境編譯、鏈接和調(diào)試方法，又提供命令行編譯、鏈接和調(diào)試方法。使用armcc 作為ARM 的編譯器，armlink作為ARM 連接器。本系統(tǒng)在應(yīng)用程序開發(fā)中，使用C、C++語言編程，調(diào)用了ARM C 庫、Rogue Wava C++標(biāo)準(zhǔn)庫及附加組件。Linux 內(nèi)核由進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口和進(jìn)程間通信組成。本系統(tǒng)對ARM9 的設(shè)備驅(qū)動程序分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，系統(tǒng)對接口電路的控制和操作均通過上述設(shè)備驅(qū)動程序完成。

在Windows CE Platform Builder 環(huán)境中定制WinCE 系統(tǒng)，構(gòu)建BSP 板級支持包，包含鍵盤、鼠標(biāo)、USB、觸摸屏、存儲器、LCD、用戶LED、攝像頭、用戶按鍵等底層驅(qū)動。對LED 點(diǎn)陣屏、數(shù)碼管動態(tài)顯示等接口電路進(jìn)行驅(qū)動程序的編寫?；贛icrosoft Visual Studio 環(huán)境進(jìn)行了應(yīng)用程序的開發(fā)，主要有點(diǎn)陣屏?xí)鴮憣υ捝衔粰C(jī)、數(shù)碼管輸入界面、流水燈界面、GPS 測試界面等。

4 結(jié)論

基于科技創(chuàng)新教育的ARM9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)中總體布局合理，各模塊電路與總線連接相對獨(dú)立，系統(tǒng)設(shè)計(jì)以方便技術(shù)創(chuàng)新和開發(fā)為宗旨，自主功能創(chuàng)新接口為用戶提供了自主技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新功能拓展的空間。以方便使用、實(shí)用、美觀為設(shè)計(jì)原則，同時充分考慮了成本和功耗因素。本系統(tǒng)各單元電路和項(xiàng)目案例非常適合作為大學(xué)生開展科技創(chuàng)新活動和電子類競賽的訓(xùn)練平臺，對于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力有著重要的促進(jìn)作用。

［1］付詩君，陳其松.基于ARM9 +Linux 的遠(yuǎn)程車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動化與儀器儀表，2014(4):131-134.

［2］李莉，胡曉光，黃亞玲.基于ARM 實(shí)驗(yàn)箱的嵌入式電能表綜合實(shí)驗(yàn)開發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(4):310-312.

［3］張鐵山，何家權(quán)，馮智宇，等.河南高?？萍紕?chuàng)新創(chuàng)業(yè)的成效與問題［J］.新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版)，2011，25(6):136-139.