基于虛實結合的遠程單片機學習平臺

陳春蓉

（西南大學計算機與信息科學院，重慶 400715）

單片機技術已走過了近40年的發(fā)展路程，其應用領域非常廣泛：汽車領域，醫(yī)療領域，商業(yè)辦公領域，手機等各種智能儀器領域［1］，滲入人類生活的方方面面。單片機技術已經(jīng)逐漸成熟，學習單片機的人越來越多，掌握單片機已經(jīng)成為科技領域中的一項必備技能。

目前在高校里面學生學習單片機編程的模式主要有2種：

①使用者單獨買一臺單片機，并配備好外圍設備及接口包括鍵盤、LCD顯示屏、外部中斷、I2C、SPI、PWM波等，花費上百元；如有需要再加上檢測儀器包括數(shù)字邏輯儀、萬用表、示波器等，花費上千元。它的缺點主要是價格昂貴；報廢系數(shù)較高，損壞后不容易維修，一般學員不會維修；使用時需攜帶整套單片機，外圍設備較大不易攜帶，使用不便。

②使用者不買單片機，編程好之后直接用仿真軟件仿真，例如keil c51、proteus等軟件，它的缺點主要是仿真軟件與實物電路有差別，仿真結果不準確。

針對這一現(xiàn)象，本文提出基于虛實結合的遠程單片機學習平臺，讓單片機學員可以更節(jié)約成本，更方便，同時結果真實可靠。其優(yōu)勢如下：

對比傳統(tǒng)單片機

低成本：基于虛實結合的遠程單片機學習平臺采用嵌入式可擴展的方式建成，高度集成模塊化，可擴展，節(jié)約占地面積，方便維修，管理員無須投入過多資金和人力對其進行管理。對于使用者，只需在上位機編程，省去了硬件設施，極大地降低了學習成本。

方便快捷：基于虛實結合的遠程單片機學習平臺可隨時隨地進行編程仿真，極大幅度地提高了使用的便捷性。

對比仿真軟件

基于虛實結合的遠程單片機學習平臺和仿真軟件相比，前者解決了后者仿真結果不準確、仿真的外圍設施不全面的問題。且與仿真軟件相比較，遠程單片機只需在客戶端安裝app或是占用內(nèi)存較小的計算機軟件［2］，可使仿真運行體積更小，更流暢。

1 遠程單片機學習平臺總體設計

1.1平臺總體架構

如圖1所示，遠程單片機學習平臺由客戶端包括手機端、電腦端；云平臺服務器端；網(wǎng)絡路由器連接的單片機平臺系統(tǒng)端組成，遠程單片機學習平臺采用C/S結構，即客戶機和服務器（Client/Server）結構［3］。由中心處理器連接所有端口，實現(xiàn)用戶與單片機終端的信息傳輸功能。當用戶通過手機端或電腦端請求仿真程序時，客戶端對用戶的請求進行有效響應，并通過網(wǎng)絡傳送至服務器端即云平臺。服務器端根據(jù)接收到的請求，經(jīng)網(wǎng)絡傳送至實驗室網(wǎng)絡路由器端，再分配至空閑的單片機平臺系統(tǒng)端，運行及仿真后將結果返回給客戶端并將結果呈現(xiàn)給用戶。

圖1 系統(tǒng)外部結構圖

1.2客戶端

遠程單片機學習平臺的客戶端為智能手機或電腦，它為學習單片機編程的學員提供編程學習的環(huán)境，學員只需在局域網(wǎng)中登錄計算機客戶端軟件或是手機app端，選擇編程或仿真功能，即可通過云平臺連接單片機平臺并呈現(xiàn)返回的實驗結果，客戶端虛擬出LCD、鍵盤等外部設備方便與學員進行交互。這樣的客戶端可實現(xiàn)隨時隨地編程仿真。

1.3服務器端

服務器是連接上位機和單片機平臺系統(tǒng)終端的橋梁，是整個遠程系統(tǒng)的核心［4］，將用戶與實驗設備實現(xiàn)遠程連接。采用阿里云平臺，實現(xiàn)驗證用戶登錄、保存用戶信息、讀取上位機上傳數(shù)據(jù)，經(jīng)處理發(fā)送至單片機平臺系統(tǒng)、讀取單片機平臺系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)送至上位機端、為用戶請求分配調(diào)度單片平臺等功能。

1.4單片機平臺系統(tǒng)終端

單片機平臺系統(tǒng)終端實現(xiàn)控制單片機程序下載運行和實驗數(shù)據(jù)采集返回。采用一對多的模式，表現(xiàn)為任何時候，每個使用者只有在下載程序到單片機上才會占用單片機，編程期間不占用單片機系統(tǒng)。每一臺單片機終端一天可以24小時提供使用；因嵌入式系統(tǒng)可擴展，還可以根據(jù)使用人數(shù)或者下載次數(shù)擴展單片機終端數(shù)目，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效率。

2 單片機平臺系統(tǒng)終端設計

如圖2所示，單片機平臺系統(tǒng)終端由FPGA采集模塊，下載程序模塊，單片機運行模塊，電壓電流（U/I）模塊，嵌入式主機等組成。

2.1 FPGA采集

單片機采用FPGA將外圍參數(shù)真實地傳送至網(wǎng)絡服務器端。數(shù)據(jù)采集主要由FPGA進行，自動從LCD采集器、SPI采集器、I2C采集器、串口采集器、鍵盤采集器、指示燈采集器等采集器中獲取信號，傳給控制器進行進一步的信息傳輸處理。其過程可包括四個步驟：采樣、保持、量化和編碼，首先對輸入的不同模擬信號取樣，取樣結束后進入保持時間，在這段時間內(nèi)將取樣的電參量化為數(shù)字量，然后編碼。按照一定的編碼格式給出轉換結果。然后再開始下一次取樣［5］。

圖2 單個單片機平臺系統(tǒng)結構圖

2.2控制器

采集器采集到的電參數(shù)需要經(jīng)過控制器處理成直觀的電參量。所有數(shù)據(jù)結果包括圖形等經(jīng)過控制器處理以文本字符的形式通過云平臺傳送給使用者終端，實現(xiàn)低成本、高效率、短時間的鏈接信息傳輸。

2.3 U/I采集器

采集單片機各引腳的電流、電壓。從分壓電阻取來的充電電壓信號經(jīng)濾波后，被單片機周期采樣，將采樣信號轉化為數(shù)字電壓量［6］；從分流器輸出的信號采集出電流，經(jīng)放大器放大電流及濾波后，將采樣信號轉化為數(shù)字電流量。用于提示學員單片機各引腳的端口電壓、端口電流。

圖3 下載器電路連接圖

圖4 軟件流程圖

2.4下載器

如圖3，采用USB及UART協(xié)議，網(wǎng)絡路由器可通過串口和MCU通訊，MCU再將接收到的程序放在固定的程序存儲器（片上ROM或EPROM），實現(xiàn)程序的外部下載及再執(zhí)行。

2.5單片機模塊

單片機模塊為遠程實驗室硬件設備平臺，是單片機平臺系統(tǒng)終端中執(zhí)行程序的主體部分。包括單片機，單片機的各種外圍設備及接口，其中，單片機的型號和數(shù)量可根據(jù)客戶需求確定，包括常用的ARM系列、TI系列、51系列等。單片機外圍設備通過單片機引腳直接與單片機實現(xiàn)通信。

2.6嵌入式主機

實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，判斷當前輸入輸出信息的分配地址，自動實現(xiàn)下載程序、上傳仿真文本、上傳引腳電參數(shù)的三通道傳輸信號，保證傳送數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡服務器端不產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。

3 學習平臺軟件流程

本系統(tǒng)中涉及的上位機與單片機的連接方式、交流協(xié)議；內(nèi)部資源與外部資源的信息上傳功能；遠程下載功能都已成熟。整個軟件控制流程圖如圖4所示：

使用者通過上位機即電腦或者手機上編程，鏈接網(wǎng)絡路由器，網(wǎng)絡路由器將程序下載到單片機終端并進行閑時仿真，自動選擇無人占用的單片機執(zhí)行程序，單片機的每個引腳用數(shù)字邏輯儀得到信號，自動啟動必要的外圍設備及接口，檢測儀器等能對需要的數(shù)據(jù)進行測量。得到的結果送到上位機，上位機根據(jù)信號呈現(xiàn)出結果，虛擬出LCD、鍵盤、觸摸屏真實情形，同時得到過程波形，反映出單片機真實的運行結果。

單片機平臺的仿真結果傳輸至客戶端時，需要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行一定的文本處理，基本外圍設備傳輸?shù)木唧w文本內(nèi)容如表1；同時使用者也可編寫程序時在終端提出特別要求，對圖像的處理等保持原樣傳輸，此時控制器不對采集信號進行文本處理直接傳輸至客戶端，使數(shù)據(jù)結果更加直觀。

表1 傳輸內(nèi)容表

4 結語

進入信息時代以后，社會對于掌握單片機的人才的需求越來越大，為單片機學習者提供一個便捷、低成本、活動性高的單片機學習平臺十分重要，本文首先闡述了單片機學習的背景，而后進一步地提出基于虛實結合的遠程單片機學習平臺的物理架構，軟件平臺。使得用戶可以隨時隨地通過客戶端軟件實現(xiàn)遠程單片機編程和仿真。

［1］施正寅，朱善安.基于Modelica的虛擬電工電子網(wǎng)絡實驗室設計［J］.計算機工程，2012（11）：112-113.

［2］張歡.虛實結合框架下的數(shù)字電路遠程網(wǎng)絡實驗［D］.浙江：浙江大學，2014.

［3］李云云.淺析B/S和C/S體系結構［J］.科學之友，2011（1）：72-75.

［4］張守恒.虛實結合網(wǎng)絡實驗室服務端設計與實現(xiàn)［D］.浙江：浙江大學，2013.

［5］諸一棟.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究［D］.長春：長春理工大學，2009.

［6］崔張坤.電動汽車鋰電池組高精度電壓電流檢測系統(tǒng)研究與設計［D］.沈陽：沈陽理工大學，2012.