航空院校嵌入式系統(tǒng)實驗室的設(shè)計與建設(shè)

趙 成，華紅艷

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，鄭州450015）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是一個具有廣闊發(fā)展前景的信息技術(shù)新領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用是目前電子產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域最熱門的實用技術(shù)之一，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已成為繼網(wǎng)絡(luò)之后最熱門的一項技術(shù)。目前，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用無處不在，大的方面從軍事武器裝備到車載系統(tǒng)、醫(yī)療儀器設(shè)備，小的方面從隨身數(shù)碼產(chǎn)品到可穿戴設(shè)備等，都是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在主導(dǎo)。

隨著全球信息化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)市場逐步增長。我國信息化與全面小康社會建設(shè)對嵌入式系統(tǒng)市場需求巨大，嵌入式技術(shù)人才的需求也日益高漲。而目前我國真正了解并掌握32位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的人才可謂鳳毛麟角，需求與供給嚴重失衡。高校是培養(yǎng)高新技術(shù)人才的搖籃，承擔(dān)著推廣先進教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的重任。在航空院校，要辦出行業(yè)特色，并培養(yǎng)社會急需的能力突出的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)人才，在嵌入式系統(tǒng)實驗室的建設(shè)方案上就必須另辟蹊徑。

1 實驗室建設(shè)方案

1.1 功能及承擔(dān)的任務(wù)

嵌入式系統(tǒng)實驗室的功能定位于服務(wù)學(xué)院的嵌入式系統(tǒng)課程，為學(xué)生提供良好的理論及實踐課程環(huán)境，注重培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、解決實際問題的能力，通過實驗掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法。

2007年，我院于第二學(xué)期在本科生中首先開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，并且成立了嵌入式系統(tǒng)實驗室，第一批購入嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺UP-NE?TARM2410二十余套，基本滿足了本科生上課的教學(xué)需求。2011年又購進十余套TE6410實驗平臺，滿足課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計的應(yīng)用需求。嵌入式系統(tǒng)實驗室自成立以來，學(xué)生及教師均在實驗室完成了相關(guān)課題的研究。

在建立及不斷完善的基礎(chǔ)上，嵌入式實驗室目前主要承擔(dān)理論與實踐教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計、學(xué)科競賽、科研支持、校內(nèi)實訓(xùn)、就業(yè)培訓(xùn)等教學(xué)科研任務(wù)。

1.2 嵌入式系統(tǒng)實驗室建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)實驗室的建設(shè)包括嵌入式系統(tǒng)實驗室環(huán)境建設(shè)、嵌入式系統(tǒng)實驗室硬件建設(shè)、軟件環(huán)境的建設(shè)等幾個方面內(nèi)容。

1.2.1 嵌入式系統(tǒng)實驗室環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)實驗室按容納40人的機位機房設(shè)計，使用面積80m2以上，實驗桌椅40套，每個學(xué)生實驗桌面1400×600（mm）以上，方便學(xué)生在桌面上放置實驗箱等設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)實驗中有很多題目與網(wǎng)絡(luò)開發(fā)相關(guān)，對實驗室而言，采用Windows客戶機＋Linux服務(wù)器的方式，應(yīng)該是最適合的方案了。實驗室的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過實驗室局域網(wǎng)，教師可以把實驗所需要的各種工具軟件與實驗報告儲存在服務(wù)器中供學(xué)生下載使用，同時學(xué)生也可以把實驗報告上傳到服務(wù)器中供教師評閱。

圖1 嵌入式系統(tǒng)實驗室網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2.2 嵌入式系統(tǒng)實驗室硬件配置

嵌入式系統(tǒng)實驗室的硬件以ARM嵌入式設(shè)備為基礎(chǔ)。從NXP公司的ARM7核的LPC2140微處理器的應(yīng)用開始，結(jié)合實際的教學(xué)需求，發(fā)展到三星公司的ARM9核的S3C2410微處理器，后升級到ARM11核的S3C6410微處理器，截止到目前，為了配合3G的應(yīng)用，配置了10余套基于Cortex-A9的四核Exynos 4412微處理器開發(fā)板。

嵌入式系統(tǒng)實驗室提供豐富的可選配件。通信類的包括藍牙模塊、wifi模塊、GPS模塊、GSM模塊、Zigbee模塊等；控制類的包括直流電機模塊、步進電機模塊、PWM控制模塊、溫控模塊等；傳感器類的包括溫感模塊、紅外模塊、濕敏模塊等。限于篇幅，這里不能一一列舉，并且隨著教學(xué)科研的需求，還在不斷更新配置，主要型號如表1所示。

表1 嵌入式實驗室的硬件設(shè)備型號

表2 嵌入式實驗室的主要軟件項目

1.2.3 嵌入式系統(tǒng)實驗室軟件配置

嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)分為三大類：無操作系統(tǒng)軟件開發(fā)、小型操作系統(tǒng)軟件開發(fā)與真操作系統(tǒng)軟件開發(fā)。無操作系統(tǒng)軟件開發(fā)也稱作裸機開發(fā)、類單片機系統(tǒng)開發(fā)，ARM微處理器上不運行操作系統(tǒng)，使用匯編語言或C語言直接編程控制CPU或片內(nèi)、外設(shè)的寄存器，以操作ARM微處理器；小型操作系統(tǒng)軟件開發(fā)不使用MMU單元、不進行物理地址與虛擬地址的轉(zhuǎn)換、不運行在保護模式下，只是基于小型操作系統(tǒng)有多任務(wù)并行處理的實時運算需求，常用的小型操作系統(tǒng)有μC/OS-II、VxWorks、μCLinux等。

真操作系統(tǒng)是指與標準PC機上操作系統(tǒng)使用相同內(nèi)核的操作系統(tǒng)，換言之，真操作系統(tǒng)軟件開發(fā)是使用與PC機相同的軟件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)運行在ARM平臺上的程序。與前兩者不同，這一類開發(fā)沒有廠商提供集成開發(fā)環(huán)境，需要用戶選擇軟件來配置，是開放式的、非統(tǒng)一的、非標準化的開發(fā)環(huán)境。

為配合硬件設(shè)備工作，筆者所在嵌入式系統(tǒng)實驗室設(shè)計了一套能滿足實驗開發(fā)需求的、穩(wěn)定的嵌入式系統(tǒng)軟件，多屆本科生的應(yīng)用實踐表明，配置的軟件系統(tǒng)學(xué)習(xí)起來難度適中，循序漸進，讓學(xué)生通過階梯式的軟件學(xué)習(xí)，對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有一個相當全面而深入的認識。選擇配置的軟件分為BootLoader、嵌入式操作系統(tǒng)、根文件系統(tǒng)、中間件、圖形系統(tǒng)、虛擬仿真軟件等，部分主要項目如表2所示。

1.3 嵌入式系統(tǒng)實驗室開設(shè)項目

嵌入式系統(tǒng)課程開設(shè)的實驗項目符合學(xué)生的認知規(guī)律和實際水平，注重基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代的結(jié)合，注重與科研、工程和社會實踐應(yīng)用緊密聯(lián)系，并及時融入科技創(chuàng)新和最新教學(xué)成果。依據(jù)大綱的知識點，項目的設(shè)置由淺入深、由簡單到綜合，包含基本實驗、提高型實驗（綜合性、設(shè)計性、應(yīng)用性等）和創(chuàng)新型實驗。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺基礎(chǔ)實驗內(nèi)容包括：

①基于VMWare虛擬機環(huán)境的Linux系統(tǒng)安裝與配置（VMTools、Linux工具包、Samba服務(wù)器等）；

②交叉編譯工具鏈的制作與安裝；

③Skyeye的安裝與測試；

④BootLoader程序的編譯、Skyeye仿真與固化（包括命令、板級支持等擴展）；

⑤Linux內(nèi)核的配置、編譯、Skyeye仿真與固化；

⑥根文件系統(tǒng)的制作（要求能編寫etc目錄下的文件）、Skyeye仿真與固化；

⑦驅(qū)動程序與應(yīng)用程序設(shè)計；

⑧miniGUI圖形系統(tǒng)的移植與開發(fā)（可選QT/E、Qtopia圖形系統(tǒng)）；

⑨開源軟件的移植與應(yīng)用。

供學(xué)生選做的課程設(shè)計的（部分）題目有：

①基于外部中斷的矩陣鍵盤驅(qū)動程序設(shè)計；

②基于SKYEYE的嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計；

③基于開源Web服務(wù)器Boa的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計；

④嵌入式Linux系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計；

⑤嵌入式Linux系統(tǒng)中藍牙通信系統(tǒng)的設(shè)計；

⑥基于V4L2的USB攝像頭視頻采集系統(tǒng)設(shè)計；

⑦基于webserver的網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)設(shè)計；

⑧基于QT圖形系統(tǒng)的智能家居上位機系統(tǒng)設(shè)計；

⑨基于嵌入式系統(tǒng)的開源游戲模擬器的設(shè)計。

嵌入式系統(tǒng)實驗室開設(shè)項目，體現(xiàn)多樣性和立體化，有廣闊的覆蓋面和足夠的實驗項目，自主開發(fā)計算機輔助實驗教學(xué)軟件和多媒體實驗教學(xué)課件，既體現(xiàn)基礎(chǔ)性，又反映實驗教學(xué)與研究的最新成果，既體現(xiàn)學(xué)科內(nèi)涵，又反映現(xiàn)代實驗技術(shù)與方法。

2 嵌入式特色實訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)

筆者所在高校是航空類的二本院校，在教學(xué)與科研方面與航空類課程或課題會有交集，嵌入式系統(tǒng)實驗室也相應(yīng)地承擔(dān)了一些有關(guān)的應(yīng)用研究，逐步積累起來，將有用的軟硬件資源重新排列調(diào)整，形成了可用于學(xué)生實踐的實訓(xùn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)實質(zhì)上是在基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備上自主開發(fā)的特色嵌入式實訓(xùn)系統(tǒng)，這里選擇比較有特點的3個實訓(xùn)系統(tǒng)平臺做基本介紹。

2.1 航空貨運物流追蹤系統(tǒng)

該實訓(xùn)系統(tǒng)為針對鄭州航空港建設(shè)，設(shè)置的嵌入式特色實訓(xùn)系統(tǒng)，包括3個模塊：RFID貨品追溯系統(tǒng)、倉儲貨品室內(nèi)定位系統(tǒng)及在途物流追蹤系統(tǒng)。典型的嵌入式實驗設(shè)備，如RFID、Zigbee、NFC、GPS、GIS等，通過嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入云計算平臺，數(shù)據(jù)存儲在云存儲器中，3個系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以共享這些數(shù)據(jù)，在IaaS的用戶界面上提供實現(xiàn)協(xié)同運行的客戶端程序。

2.2 航空駕駛座艙模擬系統(tǒng)

該實訓(xùn)系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)與云計算的典型應(yīng)用，給用戶提供虛擬操控飛行器的直觀感受。模擬座艙的客戶端圖形系統(tǒng)在PC機及智能手持設(shè)備上均能顯示，使用Matlab虛擬現(xiàn)實模塊與Labview共同開發(fā)實現(xiàn)，在云計算虛擬系統(tǒng)中運行，變化的地空環(huán)境數(shù)據(jù)從云存儲調(diào)用。屏幕儀表顯示的數(shù)據(jù)由嵌入式系統(tǒng)的傳感器獲取，通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云存儲器上，經(jīng)云計算的虛擬化實例調(diào)用后顯示在虛擬儀表盤上。

用戶的交互操作編碼后通過云網(wǎng)絡(luò)傳遞給嵌入式虛擬儀器，接著虛擬儀器控制下層的實驗設(shè)備做相應(yīng)電路的調(diào)整，虛擬儀表數(shù)據(jù)回顯新的狀態(tài)數(shù)據(jù)給客戶端，表示模擬飛行器的控制效果。這里的軟件提供開源的API接口。

2.3 客機音視頻娛樂系統(tǒng)

隨著ARM微處理器性能的提升，現(xiàn)在的微處理器已經(jīng)可以支撐硬件音視頻編解碼，用戶可以選擇在非PC平臺下操作音視頻節(jié)目甚至20世紀90年代需要PC機才能運行的3D游戲節(jié)目，這無疑提升了娛樂系統(tǒng)的硬件平臺移動性。電子娛樂業(yè)將是這一技術(shù)進步的最大受益者。目前，在一個配有LCD圖形界面和32位ARM微處理器的移動平臺上，將開源的MP3、MP4、MP5播放器mplayer，以及游戲模擬器Visual Boy Advance（VBA）的代碼移植到微處理器上，通過網(wǎng)絡(luò)編程，使每一臺娛樂終端互聯(lián)互通，實現(xiàn)音視頻節(jié)目共享、消息傳遞、聯(lián)網(wǎng)交互游戲的娛樂功能。

該系統(tǒng)需要ZLIB數(shù)據(jù)壓縮庫、libpng圖像庫、SDL多媒體函數(shù)庫的支持，開源軟件mplayer、開源模擬器VBA的代碼幾乎不需要修改，經(jīng)過編譯與安裝得到的應(yīng)用程序，可以直接由圖形系統(tǒng)中的控件關(guān)聯(lián)調(diào)用。特別地，實驗室已安裝了DevKitA?dv程序、kaleid程序、TektronicWave程序，學(xué)生可以設(shè)計開發(fā)GBA游戲程序，這極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的興趣，同時極大地提高了用戶的娛樂體驗。

3 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)作為一個新專業(yè)，知識面覆蓋范圍廣，匯集了多學(xué)科應(yīng)用。本文針對嵌入式系統(tǒng)專業(yè)實驗室建設(shè)進行了研究與探討，提出了嵌入式系統(tǒng)實驗室設(shè)計與建設(shè)的思路，電子通信系嵌入式系統(tǒng)實驗室的建設(shè)結(jié)合鄭州航院的實際，建設(shè)了一個集教學(xué)、實踐、創(chuàng)新、競賽和研發(fā)功能于一體的嵌入式系統(tǒng)實驗平臺。

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