基于ARM的电子黑板设计

蔡飞 郭磊 傅原发

摘  要：主要对基于ARM9单片机的触摸屏和电子黑板的设计、结构和软件进行了阐述。以SAMSUNG ARM9（S3C 2410）为主要处理器进行设计与开发，对电源、触摸屏驱动、驱动、LCD、串口通信等模块统一进行设计和规划，并介绍了这套系统的运行方式。该系统能够让用户更好地进行人机交互，降低了嵌入式开发成本。

关键词：ARM9;嵌入式系统;电子黑板

中图分类号：TP368.1;G434      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）19-0052-02

Abstract：This paper mainly elaborates the design，structure and software of touch screen and electronic blackboard based on ARM9 MCU. The hardware is mainly designed and developed by SAMSUNG ARM9 （S3C2410） as the main processor. Modules such as power supply，touch screen driver，LCD，serial communication are also designed and planned，and mainly introduces the operation mode of this system，users can better human-computer interaction，and through a certain way，reduce the cost of embedded development.

Keywords：ARM9;embedded system;electronic blackboard

0  引  言

随着时代的科技发展及教学模式的交替更新，多媒体教学的优势越来越大，多媒体教学展现出许多特点，比如交互性好、形象化等。但是也有弊端，普通的多媒体教学流程过于格式化、框架化，让学生对于学习的兴趣慢慢消失，而且不利于在教学中对教案进行补充和说明。电子黑板正是针对此类问题开发的配合多媒体教学的专用软件。电子黑板可以根据授课过程需要，对现有的多媒体系统进行有效补充，协助教师进行教学内容补充、教学过程管理等，逐渐使多媒体授课得到改进、完善。电子黑板实际上更多地体现了授课的开放性和灵活性，一定程度上能够实现对电子教案的拓展与补充，不管是在上课时适当使用还是在学生活动展示上，都使得课堂气氛活跃，提升了教学效果，让同学们对学习产生兴趣。

黑板是教师言传身教的一个重要媒介，学生时代的学习和黑板有很大的关系。通过黑板，教师可以更好地表达自身的意图。但是教师使用传统黑板的时候，在黑板上画和写来进行解释，需要多擦拭几次，所以吸收一些粉笔灰尘是不可避免的，这对于教师的身体是有害的。电子黑板可以有效地避免这个问题，它可以快速地清洁板面，对教师的课件进行保存，避免对教师身体的伤害，并且可以更好地实现教学过程。电子黑板增强了教师和学生的交流，提高了学生的学习效率。随着时代的进步，生活中的PDA手持设备越来越多，并逐渐在大众中普及。本文利用ARM9单片机的强大功能，设计出了快速、稳定、具有高精确度的嵌入式电子黑板，更加适用于大众的生活。

1  总体设计

本套系统主要借助于物联网的三个层面进行设计。嵌入式触摸屏是在液晶显示屏后面放置的人机交互设备。用户通过触摸实现传感器和后台S3C2410处理器的信息交互，用户的触摸信息传达至处理器，将其转化成为触点坐标，并且发送至主处理器，主处理器接收到信息后将图像进行更新，并且传送至液晶屏，液晶屏显示图像和画面。

2  系统硬件电路设计

2.1  S3C2410最小系统电路设计

S3C2410最小系统采用FBGA封装，共有五部分构成。分别是时钟系统、调试测试接口、复位及其配置系统、存储器系统、供电系统。时钟系统具有独立的时钟源、独立的电源RTC，在XT0rtc和XT1rte管脚上采用32768Hz石英晶振，也可以使用外部晶体振荡器或外部时钟输入作为系统时钟。接线时核心板DeviceARM2410基于外部时钟晶振（12MHz），外部时钟输入引脚EXCLK连接到高电平，S3C24210的OM2和OM3两个引脚连接为低电平。倍频器使用时，FCK被用作处理器的主时钟时，使用S3C2410的PLL，时钟乘以203MHz。因ARM的高速（S3C2410最高可运行在203MHz）、低功耗、低工作电压（内部1.8V，存储器3.3V，外部I/O 3.3V）所带来的低噪声影响，所以对于此电源的纹波、瞬（时）态响应性能、监控可靠性等方面具有更严格的要求。在DeVICEARM2410核心板（6层板工艺）电源监控复位芯片CAT1025 h-30的存储器系统采用复位电路的设计提高系统的稳定性。

2.2  电源模块设计

S3C2410整套系统使用电源可多选，5V的接口有USB接口、I/O接口、CAN接口、LCD接口。其中各部分所需电压为：S3C2410处理器的内核电压需要1.8V;S3C2410处理器的总功耗不超过400MW，所以電子黑板主要的功耗在液晶屏方面，但不超过500mA，因此本套系统决定采用线性稳压源方案。接收到输入电压后，先通过滤波器发送给需要3.3V电压的接口，然后通过滤波器，降压处理1.8V供给处理器内核。

2.3  串口通信模块设计

在进行通信调试时，ARM与PC端通过串口接通的方式进行通讯。S3C2410A一共有3个UART口，分别是UART0、UART1、UART2。我们把UART0、UART1用作RS232接口，在电平转换上使用SP232E进行RS232电平转换。因为SP3232E是3.3V工作电源RS232转换芯片。为了避免UART0中的RXD0信号与芯片接收端冲突，设计了跳线JP21，当使用到的时候，将其短接即可。同样的道理，跳线P22J专门为UART1中的RXT1信号的冲突设计。最后设计的J13插针引出TXD0、RXD0、TXD1和RXD1引脚信号，方便用户使用。

2.4  触摸屏原理

ARM触摸屏系统由传感器、控制器和处理器组成。传感器是放置在液晶屏后的一层透明塑料，当用户使用液晶屏时，按压涂层，传感器内部的电压变化经过四个引脚，并且传送至控制器，控制器将信号整合打包给处理器，处理器通过内部的A/D转化模块将电压信号转化为数字信号，并且以中断的方式传送至单片机S3C2410，通过建立X，Y的坐标轴计算出触摸点的坐标值。

S3C2410处理器通过内部的模块可以实现A/D信号的快速转化，转化速度可以通过设置控制寄存器来实现。液晶屏显示模块的数据通过八位并行的方式，使用ARM系列的控制器做MCU，先将A0置位，WE清零，然后把P2.0-P2.7作为数据位，向液晶屏的缓存发送大量数据，可以实现液晶屏的实时高效性。

液晶屏的软件设计包括液晶屏的初始化，写字的小程序，画图的子程序，利用数模转化的方式，将要生成的图像显示在液晶屏中，并且通过看门狗复位程序机制，防止在使用中系统出现锁死现象，更好地优化了用户的使用体验。

3  电子黑板结构设计

电子黑板结构的设计由“电子黑板”和“电子画板”两部分结构构成，基本的结构有很多，电子黑板的主要功能设定有现场输入、导入文本内容或文件、展示教学图片及PPT等。

3.1  电子黑板结构

电子黑板各部分结构大致如下所述：（1）菜单栏：主要作用是展示电子黑板所有功能的菜单选项栏目;（2）格式栏：主要作用是字体字号、背景色、前景色、对齐方式等常用格式的设定与修改;（3）工具栏：用户可自定义一些常用主要操作的工具按钮到此栏目;（4）教具箱：提供教学资源，比如教学图片、二维动画、三维动画、文本内容、视频信息、音频信号、实验演示、名人名片等（注：素材按照学科分类规范分开存放在相应文件夹内，各个学科老师调用即可）;（5）书写板：采用Linux中vim文本编辑简洁方式，其中加入了tool工具可以改变字体字号、背景颜色、字体颜色，另外对重点内容进行勾画标示与注释也是一大特点;（6）文本存取器：内置一个64G的SD硬盘，方便各个学科老师存取资料，外接一个闪存卡进行读取，也可以方便直接地与主机进行对接;（7）挂图板：当电子黑板的显示屏内容需要分离时，可以进行拖拽，把部分内容分离到挂图板上，如词汇的定义、经典词句等，方便学生抄录。

3.2  电子画板结构

电子画板各部分结构大致如下所述：（1）绘图工具栏：提供方、圆、椭、矩、线等基本图形的绘制工具;（2）绘图格式栏：进行着色、填充、线型等基本绘图格式的设定;（3）基本函数库：提供常用的基本函数，用来描绘函数图形;（4）绘图板：电子画板的主体面板，用来调用、绘制、修改简单图形，描绘函数曲线;（5）图形存取器：对现场绘制的简单图形、函数曲线等进行临时存储，事后可以随时导入重新显示;（6）文本框：电子画板的辅助演示面板，进行文本注释、重要提示和标注等。

4  结  论

本文针对触摸屏電子黑板的应用，对基于ARM9内核的三星S3C2410芯片的电子黑板的软件、硬件方面的设计进行了深入的研究，实现了在电子黑板上书写电子板书，不再需要粉笔，并且通过液晶屏后的触摸器可以显示高清晰度的图像，便于下载、储存、使用、交流等，具有很大的市场空间。

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作者简介：蔡飞（1997-），男，汉族，福建莆田人，本科，研究方向：嵌入式系统;郭磊（1979-），男，汉族，福建莆田人，副教授，硕士，研究方向：可信计算、推荐系统;傅原发（1999-），男，汉族，福建泉州人，本科，研究方向：嵌入式系统。