一种新型单片机/ARM/DSP实验装置的研制

汪 建，杨风开，曹 江

(华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430074)

由于嵌入式开发技术的发展日新月异，这一领域入门门槛高，不仅要懂得硬件原理还要有较高的软件编程的水平，导致现在嵌入式人才较为稀缺。在这种情况之下，如何开展单片机、ARM及DSP的实践教学，成为各高校电子、控制类相关专业在实验教学过程中必须解决的一个重要问题。

在现今嵌入式实验教学仪器市场中，几乎没有公司会给出全面的技术文档以及设计细节，更不用说有针对特定电类专业进行的特有设计。鉴于上述这种状况，开发出一套能够用于各种实践教学，如课程设计、毕业设计和电子竞赛等环节，新型单片机/ARM/DSP实验教学装置，显得十分必要。我们针对电气类专业的培养目标和教学要求，设计开发了一套实验教学装置。

1 新型单片机实验教学装置的特色

1)实现多种单片机/ARM/DSP芯片的扩展

该装置采用以核心板为基础，加上通用板及扩展板的方式进行研制。我们开发了51和96单片机、ARM以及DSP等核心板，用户可以根据教学内容的需要选择在装置上插用不同的核心板。我们可以选用的芯片类型包括:MCS51系列、MCS96系列(80C196)单片机、ARM系列微处理器和TMS320LF240X系列DSP。通用板上设置了20多个实验电路，均可配套用于不同的核心板。扩展板则为学生在各自专业领域进行综合性实验提供了硬件基础，学生可以在扩展板上按照所选用的CPU，根据自己的思路和设计搭建电路，构成系统。

2)基础性实验和提高性实验兼顾

实验装置既安排了基础性实验又设计了提高性实验。基础实验包括基本I/O(如开关、指示灯、键盘、LED、LCD显示器和中断控制等)、A/D和D/A等，以巩固学生对基本知识点等理解和掌握;提高性实验主要为设计性和综合性实验(如串行通讯、频率计、数字电子钟、温度计、交通灯控制等)。鉴于本院主要教学对象为电气专业学生，在实验内容上特别安排了一定数量的电气类提高性实验(如电压表、电流表、功率表、电机控制、电阻电感电容参数测量和数字函数信号发生器等)。通过这些实际电气测量应用系统的设计，使学生了解和掌握嵌入式技术在电气工程中的应用。

3)功耗低，可靠性高

本装置采用了多种措施降低功耗，同时电磁兼容性设计有效提高了抗干扰能力。装置的可靠性在教学实践中得到了检验，基本没有故障的情况发生。

4)装置整体设计紧凑美观

本装置可插用多种型号的CPU芯片，设置的实验数量亦较多，装置上还设置了一些专用的或通用的显示模块。可以使整个实验装置的外观显得十分紧凑美观。

本装置的设计在初始阶段遇到了许多困难，主要难点包括三个方面:①如何能在同一台装置上插用多种CPU芯片做不同机型的实验?②如何使装置在满足基本实验的前提下，能够设置更多的综合设计性实验，以达到有效提高学生实际运用单片机技术的能力，特别是硬件电路的设计和调试能力;③装置的电磁兼容设计，如何采取有效措施提高系统的抗干扰能力，使装置具有较高的可靠性。针对上述难点，我们借鉴其他单片机实验装置的设计方法，在硬件接口电路设计上，采用了新型兼容性接口技术。使上述难点得到了较好地解决。

2 ARM微处理器S3C2410A简介

本装置ARM核心板的设计基于体积小、功耗低和性能高的ARM微处理器S3C2410A芯片。该芯片基于ARM920T内核，采用0.18μmCMOS标准单元结构［1］，其内核结构如图1所示。

图1 ARM920内核结构

S3C2410A内部结构提供的可扩展的功能模块较多，主要有ARM920T内核(16/32bit RSIC CPU)、独立的16KB指令缓存和16KB数据缓存、MMU虚拟内存管理单元、LCD控制器(支持STN和TFT)、NAND flash boot loader、系统管理单元(SDRAM控制器等)、3通道UART、4通道DMA、4通道具备PWM功能的定时器、I/O口、RTC(实时时钟)、8通道10bit精度的ADC和触摸屏控制器、IIC总线接口、IIS数字音频总线接口、USB主机、USB设备、SD/MMC卡控制器、2通道SPI和PPL数字锁相环等。

S3C2410A还提供了一套较完整的通用系统外围设备，使得整个系统消耗最小。正是因为它具有很多常用的功能模块，所以免去了添加配置及附加设备的麻烦。但S3C2410A芯片的引脚数达到272个，采用FBGA封装，对实际的制板工艺要求较高。

3 基于S3C2410A的核心板设计

ARM核心实验板的电路结构框图如图2所示，包括S3C2410A ARM微处理器，发光二极管、LED数码管、按键和JTAG接口等。为减小印刷电路板面积，核心实验板上的数码管采用动态显示方式。

图2 S3C2410A核心实验板电路结构

根据电气工程专业的教学要求，ARM实验内容主要有三个部分:①集成开发环境及仿真器应用;②ARM芯片的片上各功能模块的原理及应用;③基于电力测控的嵌入式系统应用设计，例如数据采集存储及处理、参数控制、开关量采集和处理、开关量控制、数据通信和人机接口等［2-3］。

基于上述硬件电路，配合Keil for ARM开发环境，为该核心实验板设置了约20个实验项目。

4 基于Proteus开发平台的虚拟开发

由英国Labcenter electronics公司开发的Proteus嵌入式系统仿真与开发平台，具有独一无二的支持外围电路与处理器协同仿真的特点，从而真正实现了虚拟物理原型的功能。众所周知，软硬件测试环节是正式投产之前最重要的环节，而在测试过程中，一旦出现了错误，最令开发人员困扰的就是很难去判断错误是来自软件还是硬件。使用虚拟仿真测试，可以在目标板正式投产前，对设计的硬件系统的功能、合理性和性能指标进行充分调整，并可在没有物理目标板的情况下，进行相应软件的开发和调试以及完全的虚拟开发，可以降低开发风险［4］。由于本实验装置ARM核心板使用的S3C2410A处理器芯片尚未被Protues虚拟仿真软件支持，在进行软件仿真的时候，我们选择另一款处理器芯片LPC2124。因为测试的目的是为了验证软件程序的正确性，从而减少实际测试时软件出现错误的可能性，所以采用这种折衷的办法是可行的。

搭建完硬件平台之后，只需要手动载入实验软件，就可以利用Proteus验证实验程序的正确性。但是，每一次都需要把使用Keil for ARM生成的.hex实验程序手动载入Proteus的芯片中，才能进行电路仿真，这样十分不利于程序的调时、修改和观察仿真效果［5］。我们采用了适当的方法建立 Proteus与Keil for ARM的联调，其具体做法如下:①安装Keil联调插件;②打开Proteus仿真平台，选择菜单栏:Debug-Use Remote Debug Monitor选项，完成Proteus的联调设置;③打开Keil uVision3，打开Options for Target LPC2124，选择Debug选项，选择ST-LINK III Debugger，点击setting设置完成;④完成联调。打开Keil联调安装目录下的 tools.ini文件，把 Keil/ARM/BIN中的VDMARM.dll复制到ini文件中，并把其命名为 ST-LINK III-KEIL.dll。

5 本实验装置的应用情况

在2008年底，我们开发出本实验装置的第一台样机。2009年生产装配了10台，由一个学生班在“单片机原理及应用”实验课程中试用。通过试用并修改设计方案，2010年又生产了20台，并由七个学生班继续试用。在进一步完善的基础上，2011年批量生产65台，全部装备我院单片机与DSP实验室，并用于全院“单片机原理及应用”和“DSP及ARM”实验课程的教学及课程设计。

新型实验装置在教学实践中的应用，大大增加了实验的灵活性。对于基础性实验，例如LED数码管显示器的控制实验，学生在装置上既可以选择采用静态显示方式，或者动态显示方式;也可以采用串行接口控制，或者并行接口控制。对于设计性实验，例如按键的接口电路设计实验，他们既能选择独立式按键方式，又能选择编码式小键盘方式。学生可以较为自主地设计键盘的接口电路，并根据所设计的接口电路，灵活编程实现按键功能。对于面向综合应用性实验，例如如温湿度的测量，交流电参数的综合测量，电动机、步进电机的控制等实验，装置上都提供了充分的接口功能。

6 结语

本套新型单片机/ARM/DSP实验装置可以根据实验的具体要求选择更换插有不同CPU的核心板，其中既包括传统的51和96单片机核心板，还包括有DSP系列核心板以及ARM系列核心板，因此有效地扩充了本实验装置的应用范围。本套新型实验装置的另一重要特色是通用板和扩展板上设置了许多需要由学生自己进行连接的端口，以方便他们开展自主性设计。

［1］S3C2410 Data Sheet.http://www.samsung.com

［2］周维，陈默.基于S3C2410的ARM开发平台［J］.上海:《电子技术》2004年第7期，2004

［3］严国志.基于电气工程专业的ARM嵌入式系统教学研究［J］.南京:《电气电子教学学报》，第32卷第2期，2010

［4］李宁.ARM开发工具Realviw MDK使用入门［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008

［5］周润景，袁伟亭.基于PROTEUS的ARM虚拟开发技术［M］.北京:北京航天航空大学出版社，2007