基于ARM的電子黑板設(shè)計(jì)

蔡飛 郭磊 傅原發(fā)

摘? 要：主要對(duì)基于ARM9單片機(jī)的觸摸屏和電子黑板的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和軟件進(jìn)行了闡述。以SAMSUNG ARM9（S3C 2410）為主要處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，對(duì)電源、觸摸屏驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、LCD、串口通信等模塊統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，并介紹了這套系統(tǒng)的運(yùn)行方式。該系統(tǒng)能夠讓用戶更好地進(jìn)行人機(jī)交互，降低了嵌入式開(kāi)發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：ARM9;嵌入式系統(tǒng);電子黑板

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1;G434? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）19-0052-02

Abstract：This paper mainly elaborates the design，structure and software of touch screen and electronic blackboard based on ARM9 MCU. The hardware is mainly designed and developed by SAMSUNG ARM9 （S3C2410） as the main processor. Modules such as power supply，touch screen driver，LCD，serial communication are also designed and planned，and mainly introduces the operation mode of this system，users can better human-computer interaction，and through a certain way，reduce the cost of embedded development.

Keywords：ARM9;embedded system;electronic blackboard

0? 引? 言

隨著時(shí)代的科技發(fā)展及教學(xué)模式的交替更新，多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越大，多媒體教學(xué)展現(xiàn)出許多特點(diǎn)，比如交互性好、形象化等。但是也有弊端，普通的多媒體教學(xué)流程過(guò)于格式化、框架化，讓學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的興趣慢慢消失，而且不利于在教學(xué)中對(duì)教案進(jìn)行補(bǔ)充和說(shuō)明。電子黑板正是針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題開(kāi)發(fā)的配合多媒體教學(xué)的專用軟件。電子黑板可以根據(jù)授課過(guò)程需要，對(duì)現(xiàn)有的多媒體系統(tǒng)進(jìn)行有效補(bǔ)充，協(xié)助教師進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容補(bǔ)充、教學(xué)過(guò)程管理等，逐漸使多媒體授課得到改進(jìn)、完善。電子黑板實(shí)際上更多地體現(xiàn)了授課的開(kāi)放性和靈活性，一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電子教案的拓展與補(bǔ)充，不管是在上課時(shí)適當(dāng)使用還是在學(xué)生活動(dòng)展示上，都使得課堂氣氛活躍，提升了教學(xué)效果，讓同學(xué)們對(duì)學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。

黑板是教師言傳身教的一個(gè)重要媒介，學(xué)生時(shí)代的學(xué)習(xí)和黑板有很大的關(guān)系。通過(guò)黑板，教師可以更好地表達(dá)自身的意圖。但是教師使用傳統(tǒng)黑板的時(shí)候，在黑板上畫(huà)和寫(xiě)來(lái)進(jìn)行解釋，需要多擦拭幾次，所以吸收一些粉筆灰塵是不可避免的，這對(duì)于教師的身體是有害的。電子黑板可以有效地避免這個(gè)問(wèn)題，它可以快速地清潔板面，對(duì)教師的課件進(jìn)行保存，避免對(duì)教師身體的傷害，并且可以更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程。電子黑板增強(qiáng)了教師和學(xué)生的交流，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。隨著時(shí)代的進(jìn)步，生活中的PDA手持設(shè)備越來(lái)越多，并逐漸在大眾中普及。本文利用ARM9單片機(jī)的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)出了快速、穩(wěn)定、具有高精確度的嵌入式電子黑板，更加適用于大眾的生活。

1? 總體設(shè)計(jì)

本套系統(tǒng)主要借助于物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)。嵌入式觸摸屏是在液晶顯示屏后面放置的人機(jī)交互設(shè)備。用戶通過(guò)觸摸實(shí)現(xiàn)傳感器和后臺(tái)S3C2410處理器的信息交互，用戶的觸摸信息傳達(dá)至處理器，將其轉(zhuǎn)化成為觸點(diǎn)坐標(biāo)，并且發(fā)送至主處理器，主處理器接收到信息后將圖像進(jìn)行更新，并且傳送至液晶屏，液晶屏顯示圖像和畫(huà)面。

2? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? S3C2410最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

S3C2410最小系統(tǒng)采用FBGA封裝，共有五部分構(gòu)成。分別是時(shí)鐘系統(tǒng)、調(diào)試測(cè)試接口、復(fù)位及其配置系統(tǒng)、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、供電系統(tǒng)。時(shí)鐘系統(tǒng)具有獨(dú)立的時(shí)鐘源、獨(dú)立的電源RTC，在XT0rtc和XT1rte管腳上采用32768Hz石英晶振，也可以使用外部晶體振蕩器或外部時(shí)鐘輸入作為系統(tǒng)時(shí)鐘。接線時(shí)核心板DeviceARM2410基于外部時(shí)鐘晶振（12MHz），外部時(shí)鐘輸入引腳EXCLK連接到高電平，S3C24210的OM2和OM3兩個(gè)引腳連接為低電平。倍頻器使用時(shí)，F(xiàn)CK被用作處理器的主時(shí)鐘時(shí)，使用S3C2410的PLL，時(shí)鐘乘以203MHz。因ARM的高速（S3C2410最高可運(yùn)行在203MHz）、低功耗、低工作電壓（內(nèi)部1.8V，存儲(chǔ)器3.3V，外部I/O 3.3V）所帶來(lái)的低噪聲影響，所以對(duì)于此電源的紋波、瞬（時(shí)）態(tài)響應(yīng)性能、監(jiān)控可靠性等方面具有更嚴(yán)格的要求。在DeVICEARM2410核心板（6層板工藝）電源監(jiān)控復(fù)位芯片CAT1025 h-30的存儲(chǔ)器系統(tǒng)采用復(fù)位電路的設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2? 電源模塊設(shè)計(jì)

S3C2410整套系統(tǒng)使用電源可多選，5V的接口有USB接口、I/O接口、CAN接口、LCD接口。其中各部分所需電壓為：S3C2410處理器的內(nèi)核電壓需要1.8V;S3C2410處理器的總功耗不超過(guò)400MW，所以電子黑板主要的功耗在液晶屏方面，但不超過(guò)500mA，因此本套系統(tǒng)決定采用線性穩(wěn)壓源方案。接收到輸入電壓后，先通過(guò)濾波器發(fā)送給需要3.3V電壓的接口，然后通過(guò)濾波器，降壓處理1.8V供給處理器內(nèi)核。

2.3? 串口通信模塊設(shè)計(jì)

在進(jìn)行通信調(diào)試時(shí)，ARM與PC端通過(guò)串口接通的方式進(jìn)行通訊。S3C2410A一共有3個(gè)UART口，分別是UART0、UART1、UART2。我們把UART0、UART1用作RS232接口，在電平轉(zhuǎn)換上使用SP232E進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換。因?yàn)镾P3232E是3.3V工作電源RS232轉(zhuǎn)換芯片。為了避免UART0中的RXD0信號(hào)與芯片接收端沖突，設(shè)計(jì)了跳線JP21，當(dāng)使用到的時(shí)候，將其短接即可。同樣的道理，跳線P22J專門(mén)為UART1中的RXT1信號(hào)的沖突設(shè)計(jì)。最后設(shè)計(jì)的J13插針引出TXD0、RXD0、TXD1和RXD1引腳信號(hào)，方便用戶使用。

2.4? 觸摸屏原理

ARM觸摸屏系統(tǒng)由傳感器、控制器和處理器組成。傳感器是放置在液晶屏后的一層透明塑料，當(dāng)用戶使用液晶屏?xí)r，按壓涂層，傳感器內(nèi)部的電壓變化經(jīng)過(guò)四個(gè)引腳，并且傳送至控制器，控制器將信號(hào)整合打包給處理器，處理器通過(guò)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)化模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并且以中斷的方式傳送至單片機(jī)S3C2410，通過(guò)建立X，Y的坐標(biāo)軸計(jì)算出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)值。

S3C2410處理器通過(guò)內(nèi)部的模塊可以實(shí)現(xiàn)A/D信號(hào)的快速轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化速度可以通過(guò)設(shè)置控制寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。液晶屏顯示模塊的數(shù)據(jù)通過(guò)八位并行的方式，使用ARM系列的控制器做MCU，先將A0置位，WE清零，然后把P2.0-P2.7作為數(shù)據(jù)位，向液晶屏的緩存發(fā)送大量數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)液晶屏的實(shí)時(shí)高效性。

液晶屏的軟件設(shè)計(jì)包括液晶屏的初始化，寫(xiě)字的小程序，畫(huà)圖的子程序，利用數(shù)模轉(zhuǎn)化的方式，將要生成的圖像顯示在液晶屏中，并且通過(guò)看門(mén)狗復(fù)位程序機(jī)制，防止在使用中系統(tǒng)出現(xiàn)鎖死現(xiàn)象，更好地優(yōu)化了用戶的使用體驗(yàn)。

3? 電子黑板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子黑板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)由“電子黑板”和“電子畫(huà)板”兩部分結(jié)構(gòu)構(gòu)成，基本的結(jié)構(gòu)有很多，電子黑板的主要功能設(shè)定有現(xiàn)場(chǎng)輸入、導(dǎo)入文本內(nèi)容或文件、展示教學(xué)圖片及PPT等。

3.1? 電子黑板結(jié)構(gòu)

電子黑板各部分結(jié)構(gòu)大致如下所述：（1）菜單欄：主要作用是展示電子黑板所有功能的菜單選項(xiàng)欄目;（2）格式欄：主要作用是字體字號(hào)、背景色、前景色、對(duì)齊方式等常用格式的設(shè)定與修改;（3）工具欄：用戶可自定義一些常用主要操作的工具按鈕到此欄目;（4）教具箱：提供教學(xué)資源，比如教學(xué)圖片、二維動(dòng)畫(huà)、三維動(dòng)畫(huà)、文本內(nèi)容、視頻信息、音頻信號(hào)、實(shí)驗(yàn)演示、名人名片等（注：素材按照學(xué)科分類(lèi)規(guī)范分開(kāi)存放在相應(yīng)文件夾內(nèi)，各個(gè)學(xué)科老師調(diào)用即可）;（5）書(shū)寫(xiě)板：采用Linux中vim文本編輯簡(jiǎn)潔方式，其中加入了tool工具可以改變字體字號(hào)、背景顏色、字體顏色，另外對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行勾畫(huà)標(biāo)示與注釋也是一大特點(diǎn);（6）文本存取器：內(nèi)置一個(gè)64G的SD硬盤(pán)，方便各個(gè)學(xué)科老師存取資料，外接一個(gè)閃存卡進(jìn)行讀取，也可以方便直接地與主機(jī)進(jìn)行對(duì)接;（7）掛圖板：當(dāng)電子黑板的顯示屏內(nèi)容需要分離時(shí)，可以進(jìn)行拖拽，把部分內(nèi)容分離到掛圖板上，如詞匯的定義、經(jīng)典詞句等，方便學(xué)生抄錄。

3.2? 電子畫(huà)板結(jié)構(gòu)

電子畫(huà)板各部分結(jié)構(gòu)大致如下所述：（1）繪圖工具欄：提供方、圓、橢、矩、線等基本圖形的繪制工具;（2）繪圖格式欄：進(jìn)行著色、填充、線型等基本繪圖格式的設(shè)定;（3）基本函數(shù)庫(kù)：提供常用的基本函數(shù)，用來(lái)描繪函數(shù)圖形;（4）繪圖板：電子畫(huà)板的主體面板，用來(lái)調(diào)用、繪制、修改簡(jiǎn)單圖形，描繪函數(shù)曲線;（5）圖形存取器：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)繪制的簡(jiǎn)單圖形、函數(shù)曲線等進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，事后可以隨時(shí)導(dǎo)入重新顯示;（6）文本框：電子畫(huà)板的輔助演示面板，進(jìn)行文本注釋、重要提示和標(biāo)注等。

4? 結(jié)? 論

本文針對(duì)觸摸屏電子黑板的應(yīng)用，對(duì)基于ARM9內(nèi)核的三星S3C2410芯片的電子黑板的軟件、硬件方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，實(shí)現(xiàn)了在電子黑板上書(shū)寫(xiě)電子板書(shū)，不再需要粉筆，并且通過(guò)液晶屏后的觸摸器可以顯示高清晰度的圖像，便于下載、儲(chǔ)存、使用、交流等，具有很大的市場(chǎng)空間。

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作者簡(jiǎn)介：蔡飛（1997-），男，漢族，福建莆田人，本科，研究方向：嵌入式系統(tǒng);郭磊（1979-），男，漢族，福建莆田人，副教授，碩士，研究方向：可信計(jì)算、推薦系統(tǒng);傅原發(fā)（1999-），男，漢族，福建泉州人，本科，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。