UART串行通信设计技术在嵌入式实验教学中的应用

陈昌兴

(肇庆学院　计算机科学与软件学院，广东　肇庆　526061)



UART串行通信设计技术在嵌入式实验教学中的应用

陈昌兴

(肇庆学院计算机科学与软件学院，广东肇庆526061)

摘要基于嵌入式实践教学的需求，根据当今嵌入式串行通信设计技术实践教学发展的方向，以嵌入式系统的专业特点，提出了以UART串行通信设计实验为引导进行嵌入式实践教学改革，并给出UART实验教学的基础开发项目，结合实验教学实际与实践教学的经验，在教学过程注重学生的学习及创新能力的培养，强调在实践中学习。阐述了串行通信设计技术在嵌入式实验教学中的应用和实验教学效果，不但具有较强的可操作性，而且在推进嵌入式系统实践教学方面收到良好的效果。

关键词串行通信；嵌入式技术;实验设计;实验教学

通过分析我国地方高校以单片机为核心的嵌入式教学情况，了解到地方高校嵌入式教学整体仍然停留在以单片机为核心的教学上，由于受传统教学体系影响，以及地方高校高等教育条件的限制，嵌入式实验教学的设置与嵌入式课程以实际应用为主的基本特征脱节，学生学完这门课程后，留在理论知识层面，只能进行一般的指令简单编程，而不能进行基本的应用系统设计，如果要独立承担嵌入式项目，还需更长的一段时间的培养。另外，嵌入式应用的多样性和复杂性，也给教学增加了难度，通过理论教材全面反映嵌入式内容是不现实的，而实验教学一直被看作理论教学的辅助手段，基于思想认识上的这种偏差，许多师生对于实验教学不够重视，使高校所培养的嵌入式人才，创新意识薄弱，实践能力不强，与实际工程应用相脱节。因此，以异步通信收发器(UART)串行通信设计实验为引导进行实验教学改革，通过实验教学方式掌握嵌入式系统在不同操作方式下实验数据的检测方法和获取方法，加深学生对嵌入式工作原理的理解。在实验基础上，更深入地学习嵌入式软硬件多方面技术。

1在实验教学中的应用

1.1UART串行通信原理

UART遵守工业异步通信标准，允许处理器之间的通信不使用公共的参考时钟，通信的双方使用相同的波特率，数据发送和接收以帧为单位，异步通信时，发送和接收互相独立，发送和接收亦可以同时进行，属于全双工通信。如果用系统时钟，UART可支持达230.4Kb/s的位速率; 如果用外部装置通过UCLK提供的时钟，那么UART可工作在更高的速率。每个UART单元包含16字节的FIFO，用于数据的接收和发送。UART的编程结构通常由发送寄存器、接收寄存器、模式寄存器、状态寄存器、控制寄存器、波特率发生器等组成，对于高性能的UART模块，发送寄存器和接收寄存器可能被多个字节的发送缓冲区和接收缓冲区取代，以减少处理器内核的负担。UART异步通信帧格式如图1所示。

图1　UART异步通信帧格式

1.2基于S3C2410的串行通信实验设计

串行通信设计技术在实验教学上的应用，目的是让学生以嵌入式系统设计理论为指导，通过嵌入式平台去实现S3C2410与PC机进行串行通信，实验的重点在于学习和实践软件与硬件搭建，利用嵌入式实验开发平台，通过软件和硬件设计，同时进行模拟实验，得到相关的数据和结果，验证实验过程数据的正确性，以项目设计的方式来学习嵌入式技术[1]。

对于多数实验项目来说，先作硬件设计，再作软件设计是一个较好而且实用的方法。通常情况下，建立一个高层硬件设计比软件快，有一个硬件框图作为软件设计时的参考对项目开展是非常有益的，学生可以在分析阶段明确工程的哪一部分功能在硬件中解决，哪一部分任务在软件中解决，以做好详细功能设计划分，如图2所示。通过以下5个步骤完成实验设计开发:1)确定实验中使用到S3C2410中的那些硬件电路以及UART接口的设计方法；2)掌握ARM处理器串行通信的软件编程方法，完成软件代码的编写；3)对程序进行交叉编译，最终生成目标代码；4)将程序下载到开发板中，进行测试；5)完善与修改软件和硬件电路。

图2　开发流程图

1.2.1实验设计

本实验案例主要是完成UART硬件电路设计以及编写S3C2410处理器的串口通信程序，从UART接收到的信息回送显示，数据结果通过Windows自带超级终端显示出来。实验软件开发环境选取WindowsXP主流用户操作系统，实验系统采用的芯片是三星公司的S3C2410芯片，采用ARMADS工具进行软件模块开发，以C++语言来进行编程。

1.2.2实验硬件部件的连接

S3C2410的供电电压为1.8V/3.3V，所以I/O口的最大逻辑电平也是3.3V。要实现R232 串口功能还要加电平转换电路，采用MAX3232 来实现。MAX3232为+3.3V单电源供电，仅需外接几个电容即可完成从TTL/CMOS电平到RS- 232 电平的转换[2-3]，如图3所示。本实验案例采用+3.3V供电电源。

图3　电路图

UART采用两根接线A1和A2，通过这两根线进行数据的传输及接收。其中MAX3232芯片的7与14引脚为RS-232发送器数据的输出；8与13引脚为RS-232发送器数据的输入；11引脚为TTL/CMOS发送器输入；12引脚为TTL/CMOS发送器输出；UART有3个波特率因子寄存器(UV=(int)(PCLK/(bps*16)-1)。其中UV的值决定串口发送和接收的波特率，且该值必须在1～215之间，如果波特率是115 200，PCLK是40MHz，那么UV值为20。对硬件部件连接好后，在PC机上需运行超级终端串口通信程序并进行设置，即波特率设置为115 200、8位数据位、1位停止位，在进行仿真器编程后即可进行串行通信数据接收[4]。

1.2.3JTAG仿真器编程

完成硬件部件设计和软件编码，开始调试程序，程序能顺利运行后，通过仿真器和硬件连接进行调试，仿真器调试的目标程序在目标板上执行，仿真更接近于目标硬件。使用集成开发环境配合JTAG仿真器进行开发是目前采用最多的一种调试方式。测试通过后，需要把程序生成的二进制执行文件通过JTAG仿真器下载到开发板中进行调试，观察实际运行结果。本例中完成JTAG仿真器编程后，可以在超级终端看到等待输入的字符：pleaseinputwordsthatyouwanttotransmit:，输入字符就会显示在超级终端上，如输入为ARM，按回车后，超级终端显示字符串：thewordsthatyouinputare:ARM。通过验证与理论分析进行比较和验证，最终完成实验。

2应用嵌入式通信技术的实验教学效果

2.1通过实验教学，学习理论知识

嵌入式实验教学体系涉及内容繁杂，包括有计算机接口、计算机操作系统、应用软件开发、应用电子及网络通信等技术，通过实验教学掌握嵌入式通信接口技术并运用到实践中去，学生通过类似实验能够系统地掌握嵌入式开发的基本知识和技能，为嵌入式系统开发打下坚实的基础。实验教学使学生既能专心于嵌入式知识的学习，也能在短时间内掌握对相关知识的应用，简化了学习程序，提高了效率，做到了“知识—实验—开发”的有机结合。从两年多的实验教学看，效果令人满意。通过综合实践，近八成的学生激发了对实验的兴趣，调动了参与实验的热情，提高了开发能力。

2.2优化实践教学，引导掌握基本技能

在课程实验大纲指导下，教师可以对学生掌握的知识点、实际学习情况，适时地选择典型的嵌入式开发的实验项目，按照验证性实验、综合性实验和创新性实验3个层次逐渐培养学生开发应用程序和驱动程序的能力。学生在进行实验课前要做好充分的实验准备，有条件的学校可以为学生配备开发板、学习板或者实验板，对于有经验的学生，完全可以独立设计自己的应用板，并根据开发需要修改实验板。通过实验教学，让学生逐步掌握硬件平台、软件开发环境的建立，并根据学生的特长，发挥其软件编程或硬件驱动设计技能，逐渐掌握二次设计开发创新能力[5-7]。从项目的设计、实施到整个实践过程的结束， 实际上是教学、实习和项目研发三者的紧密结合。学生通过完成项目，最大限度地学习和掌握有关嵌入式系统的知识和应用方法，理论与实践的结合达到了较高层次的升华。

2.3加强实践环节，培养综合能力

在进行嵌入式技术实验时，难点在硬件电路设计，其次是软件部分，这两部分都是和物理工程电路设计和软件学设计紧密相关的，如果在实验部分加入复杂的串口通信实验，在课程设计中引入编程设计，则为学生在学习嵌入式实验时打下良好的基础。学生在实验课前做好充分知识准备，实验指导老师在课程安排上根据其特点拟定实验方案，引导学生积极参与实践开发过程，调动学生的主观能动性，激发学生的兴趣和主动性，鼓励学生在实验中创新，克服硬件和软件相互交织带来的复杂性，培养创造性思维和综合能力与素质。对于动手能力强、基础知识扎实的学生，允许其申请开发项目，进行二次创新设计，在教学时序安排上，打破传统课堂教学的封闭性，重视实践教学环节，培养应用型人才。

3结束语

串口通信技术实验课程由验证型转向综合型实验，内容既涉及嵌入式系统的基本原理及相关设备和接口的基本知识，又涉及软件工程学及嵌入式实时操作系统(RTOS)等理论内容。通过实验，学生学会了如何把理论知识应用于实践，提高了分析问题和解决问题的能力，强化了不断探究和创新的动力。因此，嵌入式串口通信技术实验课的开展获得了我校大多数学生的肯定，可使学生掌握初步的嵌入式开发模式，为建立更复杂嵌入式工程奠定了坚实的实践基础。

参 考 文 献

[1]王秀平.基于ARM的高职嵌入式系统实验项目的设计[J].实验室研究与探索，2008.27(8):161-163.

[2]张义磊，于涛，安吉宇，等.三星S3C2410在嵌入式工业控制系统中的应用[J].长春理工大学学报，2004，27(3)：92-95.

[3]潘辉、贾世祥.基于s3c2410和嵌入式Linux的D/A转换的实现[J].微计算机信息，2007，23(10):128-129.

[4]田泽.ARM9嵌入式开发实验与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.

[5]潘继军.基于ARM的嵌入式系统实验分析[J].微计算机信息，2006，22(5)：129-131.

[6]冯小燕，陈昌兴.地方高校嵌入式实践教学体系的应用[J].肇庆学院学报，32(3):94-97.

[7]田浩.嵌入式专业方向的教学特点与方法研究[J].湖北经济学院学报(人文社会科学版)，2010，7(10)：163-164.

Design Technology of UART Serial Telecommunication Applied in the Embedded Experimental Teaching

CHEN Changxing

(DepartmentofComputerScienceandSoftware，ZhaoqingUniversity，Zhaoqing526061，China)

AbstractBased on the needs of embedded teaching practice，according to the design of serial communication in embedded technology practice teaching development direction，we put forward to the experimental design of UART serial communication to guide the embedded teaching reform practice.Simultaneousy,one gives the experimental teaching of UART based development projects.In combination with the experience of the experimental teaching and practice feaching,we ennance the culitvation of learning and innovotion abliity,and emphasize the learning in practice.This paper introduces the desigh technology of UART serial telecommunication applied in the embedded experiment teaching and teaching effect.It does not only have strong mainipuility,but als have good effect in promoting the practice teaching of embedded system.

Key wordsserial communication;embedded technology; design of experiments; experiment teaching

收稿日期:2014-12-03；修改日期: 2015-03-30

基金项目：肇庆学院实践教学改革研究项目(sjjx201412)。

作者简介：陈昌兴(1982-)，男，硕士，实验师，主要从事本科实验教学、实验教学研究与改革和实验室管理工作。

中图分类号TP311

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.039