基于模型的嵌入式系统开发教学实验平台设计

周虹

摘 要：目前嵌入式系统开发教学实验平台存在仿真平台与测试平台分离等问题，针对此类问题，设计了一种基于模型设计方法的嵌入式系统开发教学实验平台。该实验教学平台采用嵌入式系统与MATLAB平台相结合的开发模式，由计算机完成嵌入式代码的生成，采用这种方式节省手工编码的时间，缩短了开发周期，降低了开发成本。

关键词：嵌入式系统；模型设计；创新创业

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）10-0023-02

国内高等教育在学生的创新实践能力培养方面一直饱受诟病。如何培养学生的创新实践能力是高等教育普遍面临的一个重要问题。在CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，CDIO）工程专业认证教育背景下，选择什么模式的教学实验平台，为创新应用型人才的培养保驾护航是目前高等院校工科专业面临的新问题。嵌入式系统设计是高等学校自动化专业、测控专业等电类专业的一门专业基础课程[1-2]，为了便于学生对理论知识进行更加深刻的理解，实验课程更加重要，学生只有在掌握了课程理论的基础上，通过实验过程中的实际动手操作，才能更加深刻地理解和体会嵌入式系统的应用。因此，嵌入式系统教学实验平台，应具备尽可能多的锻炼学生动手能力的功能[3-4]，学生通过研究嵌入式教学实验平台的硬件资源，熟悉和掌握嵌入式控制器的原理和使用方法，将理论和实际有效地结合起来，减少整体研发周期，为培养学生创新创业能力顺利走向岗位打下良好的基础。

一、嵌入式系统教学实验平台存在的问题

目前，嵌入式系统教学实验平台存在的问题，主要有以下四点。

1.传统的嵌入式系统开发教学实验平台价格比较

昂贵[5]，功能单一，一个平台只能供一门课程使用，例如“单片机与接口技术”课程使用专用的单片机实验箱，“ARM原理与设计”课程使用ARM实验箱等，这些实验平台由不同的厂家生产，不能协同合作，难以针对多种嵌入式控制芯片进行设计和定义，无法解决多种嵌入式芯片协同工作的问题。

2.传统的嵌入式系统开发教学实验平台实验内容

单一，集成度高。学生在做实验时只需要按照实验步骤，连接相关接口，设置接口定义，导入程序即可完成。这种实验模式减少了实验教师准备和指导实验的工作量，但是对学生而言，学生只是为了实验而实验，不知所以然，严重影响学生创新实践能力的培养。

3.传统的嵌入式系统设计中仿真平台和硬件测试

平台是各自独立的，设计者首先在仿真平台中验证设计方案的可行性，如果设计方案可行，则将设计思路转化为硬件测试平台中控制器所需编程语言完成系统硬件的测试，两个平台中间没有联系，如果编程错误，排查困难，开发效率低，耗时时间长。

4.传统的嵌入式系统开发模式分为项目功能要求

分析，系统硬件设计，系统软件执行，系统软硬件测试验证四个阶段。这四个阶段的缺点是：彼此孤立，重复劳动严重；开发人员对项目功能要求理解程度不同，造成产品的功能与设计预期不符合；系统硬件设计阶段需要搭建硬件系统，投资大、周期长；系统软件执行阶段只能采用手工编程的方式，效率低、错误多。

二、基于模型的嵌入式系统教学实验平台硬件结构设计

考虑到实验平台的可扩展性和经济性，满足不同实验经费额度和实验项目需求，本实验平台采用基于模型设计的模块化设计理念[6-7]，采用多种嵌入式控制器，用户可根据自己的需求对模块进行组合使用，形式灵活，功能多样，可以满足各类学生的实验课程要求。该实验平台包括上位计算机系统仿真设计部分和下位机系统硬件测试部分，其中，上位计算机系统仿真设计部分为计算机中的MATLAB平台，在其Simulink工具箱中搭建控制算法模型，然后通过仿真器将Embedded Coder产生的代码下载到下位机嵌入式控制器中运行，完成从概念构思到代码实现的整个过程，缩短从仿真到编程调试的开发周期。

（一）实验平台架构设计

该实验平台包括计算机中的MATLAB平台和下位机系统硬件测试平台，具体包括箱体、箱盖、导线放置袋、安全锁、直流稳压电源模块、STEM32F407模块、DSP TMS320F28335模块、ARM968E-S模块、MSP430F6721模块、键盘模块、显示模块、RS232/RS485接口、JTAG接口、USB接口、外接设备接口及电源插头。本实验平台可通过USB接口与计算机连接，完成系统的调试。

（二）嵌入式系统模块设计

直流稳压电源模块通过电源插头与220V电源连接，然后通过降压LM7805、TPS75733、TPS76801稳压输出5V、3.3V、1.9V电压，给STEM32F407模块、DSP TMS320

F28335模块、ARM968E-S模块、MSP430F6721模块提供工作电压。STEM32F407模块以STEM32F407芯片为核心，包括时钟电路和复位电路，并将所有芯片可用I/O口引出，需要时可以自行连接实验装置上其余的模块。DSP TMS320F28335模块以TMS320F28335为核心，包括时钟电路和复位电路，并将所有芯片可用I/O口引出，需要时可以自行连接实验装置上其余模块。ARM968E-S模块以ARM968E-S为核心，包括时钟电路和复位电路，并将所有芯片可用I/O口引出，需要时可以自行连接实验装置上其余模块。MSP430F6721模块以MSP430F6721为核心，包括时钟电路和复位电路，并将所有芯片可用I/O口引出，需要時可以自行连接实验装置上其余模块。本实验台包含多种控制器模块，可以满足不同年级，不同专业水平学生的实验要求。例如，低年级学生开设单片机原理及应用课程中的LED控制实验时可以将STEM32F407模块中所用管脚与LED显示模块相应部分连接起来，完成相应硬件电路的实现，从而实现LED显示的控制功能；高年级学生开设ARM原理与设计课程中的LCD显示实验时可以将ARM968E-S模块与相应的LCD显示器模块连接，编程后实现实验要求。

3.输入输出接口模块设计。键盘模块主要用于向控制器输入用户信息，完成人机接口，使用时学生可以自行用导线将控制器与键盘模块连接。显示模块包括LED灯、数码管及LCD液晶显示器，使用时学生可以自行用导线将控制器与显示器模块连接，完成相应的显示功能。RS232/RS485接口、JTAG接口、USB接口需要时均可以用导线自行将控制器接口与其连接，有助于学生对接口定义的了解。外接设备接口主要用来实现嵌入式控制器与外部驱动机构和执行机构的连接，例如如果学生需要进行DSP控制步进电机的实验内容，可以从此外部设备接口引出导线至步进电机驱动器，从而实现步进电机的驱动控制，驱动模块将由学生在实验台扩展板上自行设计，锻炼了学生的工程实践能力。此教学实验平台为学生提供开展创新设计性实验提供了硬件条件，调动了学生自主参加科学实践和创新活动的积极性，培养了学生科学的双创思维能力和实践能力，为CDIO工程专业认证教育背景下，培养创新应用型人才提供了一定的硬件条件。

三、基于模型的嵌入式系统教学实验平台软件设计

基于模型的设计方法将计算机MATLAB平台下验证的控制算法直接自动生成C代码下载到嵌入式控制器中，这种开发方式具有周期短、前期投入小、开发成功率高的优点。本实验平台中计算机通过接口与下位机实验箱进行连接，在计算机MATLAB平台中，应用基于模型设计的方法，仿真与硬件设计开发环境统一，以 MATLAB/Simulink 中提供的Embedded Coder工具箱为主要工具，在需求分析阶段完成基于模型的嵌入式系统的仿真及代码模型的设计，整个设计流程如下：首先设计人员根据需求建立一个需求文档，然后将需求文档转换成基于Simulink & Stateflow的可执行技术规范实现对设计过程的早期验证，然后根据需求文档中的算法要求、系统设计方案，建立浮点模型，在设计过程中需建立需求与模型间的双向跟踪，进行模型验证，及时修补缺陷，规避开发风险，完成之后对嵌入式处理器进行定点化处理，优化模型算法，降低功耗，随后将自动生成代码通过仿真器下载到相应嵌入式处理器中，实现嵌入式系统的开发设计，嵌入式控制代码由计算机自动生成，保证了设计的质量。

培养高等院校仪器仪表类专业系统能力的核心是在掌握测量、控制和仪器设计相关领域的基础理论上，如何开发构建以嵌入式系统为核心的应用系统，使学生成为具有测控系统设计、开发及集成应用能力的创新型人才。本文提出了一种基于模型设计及MATLAB/

Simulink Embedded Coder工具箱的嵌入式系统开发实验平台。该平台采用模块化结构，扩展性强，使用灵活，维修简单，实验安全便捷，方便携带移动，可以根据课程的实际要求构建不同结构的平台，完成不同专业，不同学生的实验要求。学生使用该平台开展实验，有助于增强学生的动手能力，调动学生的学习主动性和积极性，培养CDIO背景下创新创业型双创应用型技术人才。

参考文献：

[1]汪湛清，彭熙伟，郭玉洁，等.嵌入式系统实验教学中的挑 战问题[J].实验室研究与探索，2013，（11）.

[2]陈凯，魏文博，邓明.嵌入式系统教学实验板开发[J].实验 技术与管理，2016，（1）.

[3]谭大为.开放的嵌入式系统实验平台设计[J].实验技术与 管理，2013，（12）.

[4]漆强，刘爽.基于嵌入式系统的传感器应用实验设计[J].实 验技术与管理，2016，（2）.

[5]楼建明，傅越千，安鹏，等.基于能力培养自制实验仪器设 备[J].实验技术与管理，2014，（9）.

[6]陳虹，褚洪庆，刘奇芳，等.基于模型的汽车电控系统设计 [J].控制工程，2016，（12）.

[7]刘贤，梁慧敏，李国良，等.基于模型的设计在PLC控制系 统开发中的应用[J].电气自动化，2014，（2）.