模块化嵌入式实验教学平台研制

孔轶艳 卢翠珍

(1.柳州职业技术学院，广西 柳州 545006；2.百色职业学院，广西 百色 533000)

目前，市场上有各种各样的嵌入式实验应用平台。但是，绝大多数嵌入式实验平台其结构往往是固定不可更改的，而且嵌入式实验平台中的内部各种固件代码也是固化在系统当中，难以得到修改。因此，这一类嵌入式实验平台所能够给用户提供的功能和支持的嵌入式实验内容都十分有限。而且嵌入式实验平台在推广和应用过程中不能够根据当前技术的发展对嵌入式实验平台的部分功能模块进行升级改造，所能够开展的嵌入式实验内容也是相对固化，不能够灵活动态地根据实际的应用去设计一些嵌入式应用实验。为了提高嵌入式实验平台应用的灵活性，需要对嵌入式平台的组成结构进行改进，使得嵌入式实验平台能够在应用过程中根据技术的发展对嵌入式实验平台的功能模块进行升级改造，使得嵌入式实验平台能够适应未来技术发展的需要。同时，也能够通过对嵌入式实验平台的组成结构和功能模块的升级改造，使得嵌入式实验平台能够有针对性地开展一些新型的嵌入式实验，实现嵌入式实验内容的动态可配置的应用目标。

1 平台设计

嵌入式实验平台在结构上一般是由微处理器和外围电路所组成。但是，采取这种硬件结构的嵌入式平台往往不利于嵌入式平台的升级改造。尤其是当嵌入式平台外部所连接的外围电路设备使用不同的应用接口时，这类嵌入式实验平台则无法进行成功的连接，从而限制了在这种传统的实验平台上集成和应用一些新型的应用功能模块。同时，传统的嵌入式实验平台由于在硬件结构和功能模块上被固化下来，从而导致在这种嵌入式实验平台上所开展的嵌入式实验种类及实验内容都非常有限，难以根据用户的需求开展一些可灵活动态配置的应用实验。为了解决传统的嵌入式实验平台存在的这类问题，本文设计平台的思路是通过在嵌入式实验平台中设计以ARM9微处理器为核心处理平台、以FPGA芯片为嵌入式实验平台接口电路，实现一种基于模块化可动态配置的嵌入式实验平台。

根据上述提出的设计思路，构建的一种基于模块化可动态配置的嵌入式实验平台结构图如图1所示，从图中可以看出，该嵌入式实验平台的核心是ARM9微处理器和FPGA芯片。其中，ARM9微处理器实现嵌入式实验平台的各种主要的实验功能。而 FPGA芯片则主要实现嵌入式实验平台的微处理器与外围电路之间的接口。而且由于FPGA芯片可以动态地更新程序，因此，能够通过在FPGA上加载不同的接口电路程序，实现嵌入式实验平台连接不同的外围功能电路。从而，使得所构建的嵌入式实验平台各外围电路能够以模块为单元进行灵活的更新和替换。

图1 基于模块化可动态配置的嵌入式实验平台结构图

根据嵌入式实验平台的应用目的及可动态配置的实验要求，所构建的嵌入式实验平台外围电路设计有LCD触摸屏模块、AD/DC接口电路、RS232接口电路、FLASH存储芯片、SDRAM存储芯片、LED灯和蜂鸣器、电源模块、时钟模块和JTAG接口。

在嵌入式实验平台的微处理器上运行嵌入式操作系统，以嵌入式操作系统为平台设计可动态配置的实验管理系统。能够根据用户的需求，动态、灵活地设计嵌入式实验的内容，调整实验的组织过程及实验要求。从而，满足不同用户使用该嵌入式实验平台的应用需求。

2 平台工作原理

本文所设计的平台的核心处理部分为ARM9微处理器和FPGA芯片。通过FPGA芯片连接带触摸功能的LCD显示屏、FLASH芯片、SDRAM芯片、蜂鸣器、LED灯、AD/DC接口、RS232接口、电源模块、时钟电路模块和JTAG接口，能够实现嵌入式实验平台各外围电路模块化地升级、替换以及嵌入式实验内容的动态可配置加载和应用。实验平台组成结构单元所采用的ARM9芯片为S3C2440A，所选用的FPGA芯片为XC5VSX95T芯片，ARM9微处理器与FPGA芯片采用直接相连的方式实现数据和命令的传输。FPGA芯片实现将ARM9输出的命令和数据转发至各外围电路功能模块，并接受各外围电路反馈回来的数据地址和命令信号。在外围电路组成结构部分，其中带触摸功能的 LCD显示屏通过通过FPGA芯片连接至ARM9微处理器。LCD显示的数据格式及接口电路功能采用ARM9芯片中内置的LCD接口电路功能模块。FPGA芯片在进行LCD显示屏信号传输过程中仅仅需要将信号进行一个锁存及转发即可。FLASH芯片和SDRAM芯片与FPGA芯片直接相连，并通过FPGA芯片实现两种存储芯片接口电路与ARM9微处理器芯片接口电路的对连。FPGA芯片能够根据ARM9微处理器输出的地址、数据及控制信号，将对存储器的访问数据转发至FLASH或者SDRAM芯片中。当用户在AD/DC接口外围接不同的AD/DC功能模块时，由用户对 FPGA中的 AD/DC接口电路进行改写及设计，使得FPGA芯片能够完成ARM9微处理器信号与外部的AD/DC接口电路信号之间的格式转换，完成外围的AD/DC接口电路与ARM9微处理器之间的数据交换目的。RS232接口、LED灯、电源模块和时钟模块，这些功能模块都将通过 FPGA芯片直接将信号进行锁存和之后，转发至ARM9微处理器上。同时，ARM9微处理器往外输出至这些功能模块的信号的时候，则FPGA芯片将同样对这些信号进行锁存，并进行放大之后转发至各外围电路，确保ARM9微处理器输出的这类信号能够正确地驱动各外围电路的功能模块。JTAG接口电路功能模块主要是对FPGA芯片的程序进行动态地加载。因此，通过JTAG接口电路实现对FPGA程序的动态加载功能。根据实验需要，可以对实验内容动态配置，采用如图2所示的实验内容动态生成方案，完成由用户提出的实验要求和目的，自动生成实验内容及实验指导方案。

为了满足嵌入式实验平台组成结构及运行动态配置实验的要求，在嵌入式平台中采用WinCE操作系统构建嵌入式实验平台的软件集成平台，采用OpenGUI构建嵌入式操作系统的图形库，使得该嵌入式实验平台能够为用户提供图形化的操作界面。

3 平台实现

为了便于理解实验平台的组成与工作原理，下面将结合嵌入式实验平台的典型应用过程，来进一步介绍嵌入式实验平台的内部组成结构及各功能模块所发挥的作用。

第一步：当用户使用嵌入式实验平台时，首先，通过嵌入式实验平台中的试验管理系统设定嵌入式实验的内容及目标，嵌入式实验管理系统根据用户所设定的要求，自动地生成嵌入式实验实施过程。

第二步：根据用户给出实验要求到生成详细的实验步骤，其实现过程如图2所示。从图2可看出，实验平台动态可配置的嵌入式实验组织过程中，要将一些常用的嵌入式实验内容提取，作为最基本的嵌入式实验单元。

图2 嵌入式实验内容动态生成流程

第三步：根据用户所提出的嵌入式实验要求，分解为若干个子要求。根据所分解的结果，从嵌入式实验标准实验库中调取，或者由用户根据子要求具体设计嵌入式实验。

第四步：用户的各种操作通过嵌入式实验平台中的嵌入式操作系统将用户的程序及指令传递给微处理器，微处理器根据用户的指令，完成相关的计算或控制功能。根据指令的执行结果向嵌入式实验平台中的相关外围设备发出控制信号，所有的控制信号都经过嵌入式实验平台中的 FPGA芯片转发至各外围电路。对于FLASH、DRAM、LED、时钟模块等这些相对简单的外围电路模块，FPGA芯片是直接将信号转发出去。

第五步：而对于一些外围接口较为复杂的电路模块，如带触摸功能的液晶屏、AD/DC数模转换模块，则需要通过FPGA的数据转换程序实现信号电频及信号格式的转换。

第六步：如果需要对嵌入式实验平台的某些外围电路模块进行替换或升级，此时，用户可以直接将外围电路模块进行更换，电路模块的接口连接至FPGA芯片，新的FPGA程序将通过JTAG接口下载至FPGA芯片或者FPGA旁边的存储芯片中。

这种通过基于标准实验库的形式来构建用户实际的嵌入式实验内容及步骤，既能够降低这种灵活多样的嵌入式实验内容生成的过程，同时又能够大幅度提高该实验平台开展相关实验的多样性。

4 总结

本文根据高校嵌入式课程的需要，设计一种基于模块化可动态配置的嵌入式实验平台，这种嵌入式实验平台的特征是平台中各外围电路模块可以灵活地替换和升级。即使是新的功能模块接口与原接口不一致，仍然能够实现升级和替换。平台通过采用 FPGA芯片来实现微处理器与外围功能模块的接口电路，使得所构建的嵌入式实验平台在接口电路上可以支持不同功能模块的接口电路应用要求。嵌入式实验平台在微处理器上移植了嵌入式操作系统，并以嵌入式操作系统平台为基础构建了可动态配置的嵌入式实验管理系统。能够根据用户的需求，自动地生成不同的实验内容和实验要求，使得嵌入式实验平台能够方便地满足不同用户群体的需求，大大地扩展嵌入式实验平台的应用范围和应用领域，降低嵌入式实验平台的应用成本，提高嵌入式实验平台的利用率。

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