嵌入式设计系统篇1

关键词：WLAN；嵌入式；S3C2410；SDIO

中图分类号：TN9198文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)1904504

EmbeddedVideoCommunicationsTerminalDesignBasedonARM

MIAOZhuang,HUANan

(Xi′anInternationalUniversity,Xi′an,710077,China)

Abstract：AlongwiththewidespreadapplicationoftheWirelessLocalAreaNetwork(WLAN),howtoemployWLANtechnologytocarryonvideocommunicationintheembeddedsystembecomesahotspot.ThisarticleproposesanembeddedvideocommunicationsystembasedonWLANandtheARM,whichtakesSAMSUNGS3C2410asthecorehardwareplatform,SDIOastheinterface,WindowsCEastheoperatingsystemdesignproposal,includinghardwarecomposition,interfacedesign,softwareflowaswellasactuationdevelopment.Throughthetestanalysis,itcanrealizethewirelesstransmissionofvideoinformationwiththecharacteristicsofsimplestructure,stability,lowcost,andhighperformance.Thereareabroadprospectandmarketpotentialtoapplyitinsuchfieldsaswarehousing,bank,militaryinstallation,family,intelligentplotmonitoringandsoon.

Keywords：WLAN;embedded;S3C2410;SDIO

1引言

近年来，无线局域网WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)得到了很大的发展与普及，WLAN标准IEEE802.11X引入了直接序列扩频技术,能提供高达54Mb/s的数据速率，为支持各种多媒体分组业务打下了基础，同时无线局域网还可以实现许多新的应用，已成为提高工作效率及生产率不可缺少的方式。目前，IEEE802.11X无线局域网标准已在语音通信、无线办公等领域得到广泛应用，但主要还是局限在PC机、笔记本电脑等通用平台的无线通信［1,2］。随着无线局域网在信息家电、工业控制、移动手持设备等嵌入式环境中的应用需求日益增多，如何在嵌入式系统中整合WLAN宽带通信技术，将成为嵌入式系统应用中的一个热点。

ARM处理器由于体积小、功耗低、应用方案灵活、支持软件丰富、成本低等特点近年来得到广泛发展已经应于与消费电子产品、无线通讯等领域，而且ARM技术是嵌入式系统方面的主流技术［3-5］。目前市场上的ARM芯片速度可达几百兆赫兹，以此作为主控芯片可在硬件上实现高速、高精度的视频采集处理通信系统。YL2410是一款基于SAMSUNGS3C2410ARM920T处理器的高端嵌入式设备开发平台，支持嵌入式设备的软硬件开发［6］。本设计是一个基于WLAN无线网络和ARM处理器的嵌入式通信终端系统，该系统带有高性能的嵌入式处理器，支持嵌入式WindowsCE操作系统，WLAN无线传输和液晶屏显示，具有低功耗和高性能的特点。

2系统总体设计

嵌入式系统的开发多采用模块化的思想，首先在开发板上进行，然后根据实际性能再做进一步开发。本设计在YL2410平台上开发以SAMSUNGS3C2410高性能嵌入式处理器为核心硬件平台，以嵌入式WindowsCE为操作系统，以802.11b/g无线通信模块WM3236A为核心通信单元，基于WLAN的嵌入式无线通信终端。根据功能需求及市场上的成熟技术，终端系统采用“硬件平台＋嵌入式操作系统＋应用软件”的系统架构来设计。硬件平台以SAMSUNG的S3C2410为核心，并辅以必要的设备。这款芯片基于ARM920T内核，带有丰富的接口，是一款性价比很高的ARM核SOC芯片。软件部分包括嵌入式操作系统和应用软件。这里采用WindowsCE作为嵌入式操作系统，因为WindowsCE是开放源代码的实时操作系统，采用模块化的设计，开发平台友好，应用层软件主要是视频信号处理程序和网络传输协议程序［7］。

3系统硬件设计

该嵌入式无线通信终端系统的硬件主要是由SAMSUNGS3C2410ARM920T架构嵌入式处理器(203MHz主频)、80211b/g无线通信模块WM3236A、SDRAM(64MB)、FLASH(64MB)、TFTLCD液晶屏(真彩，分辨率1024×768)、触摸屏(四线电阻式)、电源管理模块以及人机接口模块组成，系统硬件组成如图1所示。

3.1嵌入式微处理器

嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，一般具有以下特点：功耗低，适用于便携式无线及移动的计算和通信设备；支持实时多任务；中断响应时间短。S3C2410是SAMSUNG公司开发的一款以ARM920T为核心的16/32位嵌入式处理器，主要面向手持设备及高性价比、低功耗的应用［8,9］。其主要特性如下：基于ARM920T内核，自带16kB的指令缓存和16kB的数据缓存以及MMU单元，工作时钟频率最高可达203MHz，拥有丰富的片内外设，如USB(一个Host，一个Device)、SDRAM控制器、LCD和触摸屏控制器、UART(三个)、DMA、Timer、RTC、IIS、IIC、SPI等，同时还有丰富的IO端口资源，是一款性价比很高的ARM核SOC芯片。

3.2WLAN通信模块

4.3.3客户端驱动

SDIO协议栈提供了一个同步接口，客户端驱动可以发送同步或异步命令到客户端。其通信过程如下：首先，总线驱动确定SD设备的类型；然后，总线驱动根据设备类型加载客户驱动，并使用相应的协议与设备通信。总线驱动从SD设备加载客户驱动时支持热插拔。

客户端驱动支持标准的流存取函数，并在设备加载

或卸载时调用这些函数。这些函数中只有XXXInit(DeviceManager)andXXXDeinit(DeviceManager)是必须的。为了给设备提供应用程序接口，一般还需要更多的存取操作函数，如：XXXOpen(DeviceManager),XXXClose(DeviceManager),XXXWrite(DeviceManager),XXXRead(DeviceManager),XXXSeek(DeviceManager)和XXXIOControl(DeviceManager)。客户端驱动的存取函数必须包含在相应的sources文件里。

5结语

本系统在单片机系统上扩展无线传输模块，通过WLAN进行视频传输。采用了单片WLAN无线收发集成芯片，结构简洁，稳定可靠。同时采用了以ARM920T为核心的ARM单片机微控制器，性价比高、功耗低。接口方面采用目前主流的SDIO接口，技术成熟，通用性好。操作系统采用WindowsCE6.0版本，易于移植，资源丰富。目前，已完成了终端软硬件的调试工作，系统测试稳定可靠，可广泛应用于仓储、银行、军事设施、家庭、智能小区的监控，具有广阔的应用前景和市场潜力。

参考文献

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嵌入式设计系统篇2

关键词：ARM嵌入式系统；教学辅助系统；教学实践；自主学习能力

中图分类号：TP368；G642文献标志码：A文章编号：1006-8228（2017）03-40-04

Abstract：ThispaperintroducesateachingassistantsystemforARMembeddedsystemcoursebasedonARMLPC2148MCU.Thesystemhardwaredesignincludestheminimumsystem，theserialcommunicationandprogramdownloadinterfacecircuits，thematrix-keyboardandtheindependentkeysusedastheinterruptinput，andthecharacterLCDanddot-matrixLCDinterface.ThesoftwaredesignincludesthestandardprojecttemplateofARMembeddedsystem，completeProteuscircuitschematicandtheapplicationpackagefortherelatedhardwaremodules.Provedbytheteachingpractice，theteachingassistantsystemplaysagoodsupportingroleintheclassroomteachingofembeddedsystemcourses，andintheexperimentandpracticetrainingofembeddedsystemcourses，andinthestudents'extracurricularscientificresearching.Italsoeffectivelyhelpsstudentslearningtomasterthetechnologyofembeddedsystem，andhelpstothestudents'autonomouslearningabilityandengineeringqualitytraining.

Keywords：ARMembeddedsystem；teachingassistantsystem；teachingpractice；autonomouslearningability

0引言

S着嵌入式软件技术的发展，高校对嵌入式系统应用型人才的培养日益重视[1-5]。国内很多高校在电子类、仪器类、计算机类等专业都开设了嵌入式系统课程。其课程特点：①软硬件技术相结合，专业性、综合性强；②嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合，实用性强。③门槛高，要求学生具有相应的专业基础素质及自主学习能力。其教学大纲要求通过课程学习，学生能够掌握基本的嵌入式系统设计、开发和调试方法。但是在实际教学中往往发现“学生理论学习理解困难，实验过程与理论知识融合困难以及课程综合设计能力差”等问题，而且目前的实验装置普遍追求功能强大，实验内容广，配置高档等指标，使得装置的软硬件复杂，忽视了学生的实际情况，学生很难在课时内实现对装置的理解掌握以及达到课程的教学目的要求。

根据我校的实际情况，考虑学生学习的个体差异，本着简单易懂，实用方便原则，紧密结合课堂教学内容，细分教学例程，研发设计了ARM嵌入式系统课程教学辅助系统，学生和教师每人一套。该系统作为嵌入式系统课程基础阶段的辅助教学装置，既可以在理论课堂上帮助教师很好地展现授课内容，又可以在实验和课程设计等实践教学环节中作为便携的实用开发工具，帮助学生切实地掌握ARM嵌入式系统的开发技术，提高学生的工程实践动手能力。

1教学辅助系统设计

1.1硬件设计

如图1所示，该教学辅助系统以经典的ARM7LPC2148/38MCU为学习对象，分为核心板和扩展板两部分，配有串口通信/ISP下载控制接口，USB接口等常用接口，扩展有矩阵键盘，可以用作中断输入的独立按键，字符/点阵LCD显示接口等输入/输出人机界面接口。系统基本功能齐全，所有引脚及电源均有引出，体积小，携带方便，便于学生自主扩展应用。

1.1.1ARM处理器

系统MCU采用ARM7系的一款经典产品ARMLPC2148/38MCU作为系统的核心CPU。其引脚少，功能模块较为齐全，配有512KB的高速Flash存储器和32KB的RAM，具有丰富的外设资源。它还含有向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址，片内Boot装载程序可以实现ISP/IAP编程，具有空闲和掉电两种低功耗模式，并且可通过外部中断唤醒[6]。ARMLPC2138/48MCU工作原理简单且具有强大的处理和控制功能，同时在proteus仿真软件和keill编程软件中均支持该MCU，因此特别适合用于ARM嵌入式系统课程基础阶段的教学与学习。

1.1.2串口通信接口及ISP电路

串口通信使用的是LPC2148/38MCU的串口0。LPC2148/38MCU的串口0是其主要组成部分之一，不仅可以用于学习与PC机的串行通讯，配以相应的ISP电路后，PC机借助编程软件还可以将应用程序直接下载到MCU中，从而降低了教辅系统的使用要求，方便了实践教学的需要。

1.1.3USB接口及电源

为了使用方便，教辅系统直接利用PC机USB接口为其供电，无需额外配接电源。同时LPC2148MCU自备有USB2.0从控制器，配以相应的接口电路后，可以方便地进行关于USB的相关教学，有效地提高了系统功能资源的利用率。

1.1.4输入/输出及引脚扩展

为了提高教辅系统的通用性、实用性和扩展性，同时兼顾教学案例的需要，在系统扩展板中设计了显示接口、键盘输入端口、A/D采集及调节电位器、LED及蜂鸣器输出以及相应的电源输入输出端口。在系统扩展板中将MCU的P1端口用于字符LCD（LM1602）与点阵LCD（QC12864）共用输出，配合矩阵键盘输入端口，以及AD采集及两个电位器分别设计有相应的教学案例，有效地降低了学生的使用难度，提高了学生对嵌入式系统技术的直观理解。在扩展板上还通过插针引出了对应的全部引脚和电源，极大地方便了学生对其他应用硬件电路的设计，这也对教辅系统实现进一步的应用开发使用提供了便捷。

1.2软件设计

软件设计工作主要体现在开发环境搭建、驱动开发，应用开发及SDK程序的移植等方面。

1.2.1开发环境搭建

该教辅系统的软件开发环境搭建主要是Proteus仿真软件，Keill开发软件，FlashMagic编程下载软件安装，以及项目工程的建立与配置，程序文件的新建与添加，工程的编译与链接，电路原理图的绘制，程序下载与仿真运行，程序纠错等。这是学习嵌入式系统不可绕开的基础环节，学生在实际学习过程中容易出错，导致学习的自信心受挫。根据这一特点，除了在课程学习资料中细分教学例程讲解、对关键步骤进行详细注解外，还在教学过程中要求学生跟着教师逐步操作学习，而且写出书面总结作业，确保学生在嵌入式系统学习中能顺利迈出这第一步。

1.2.2例程开发

例程开发是帮助学生更好地进入嵌入式系统技术学习的有效方式，既是理论课堂授课的范例教学，也是实践教学的应用例程。因此，例程设计至关重要，它不仅是对课程教学内容的验证，也能使学生加深和巩固对嵌入式系统技术的认识，是合理组织教学内容、设计教学例案、帮助引导学生自主学习提高实践创新能力的主要方式。例程开发设计按照单元模块知识架构以及系统开发应用的连续性，遵循“从基础开始，由简而难，从小模块到大系统，应用与原理并存”的原则，设计了教学基础例程与教学综合例程。基于ARM嵌入式教辅系统设计的教学基础应用例程有10个，涉及了对系统的基本认识、验证以及基本使用等工程应用实践的各个方面，如表1所示。

教学综合例程主要是将ARMLPC2148硬件资源、教学案例及其他应用所涉及内容的驱动程序，应用程序集合在一起，供学生阅读和参考，方便学生在练习中模仿和借鉴，帮助学生逐步过渡到独立自主应用开发阶段。同时，通过综合教辅案例，为学生建立嵌入式系统开发的规范与好的应用习惯打下基础。基于ARM嵌入式教辅系统设计了近30余道综合训练题目，学生可在综合实验和课程设计环节自主选择训练，进度快的学生也可在此基础上进一步发挥，提高嵌入式产品开发和设计能力。

2教学应用

ARM嵌入式系统相较于其他单片机应用技术等专业基础课程教学而言，ARM芯片资源丰富，实际应用广泛，具有综合性、实践性强的特点，学生不容易理解和掌握。因此在教学中要以应用为主，强调体系结构及实用的设计开发技术等工程实践概念，基于教辅系统配以相应的例程项目及实践，结合项目驱动式教学模式[7-8]，在课堂教学、实验教学以及课程设计实践环节中进行项目分解讲授，直观、实用，引导学生自主学习，由浅入深，由易到难，由基础到综合，切实让学生从硬件到软件，再从软件到硬件实现对嵌入式系统技术的完整认识。

2.1课堂教学应用

在课堂教学中，以应用为主，借助教辅系统，帮助学生了解嵌入式系统的特点，理解嵌入式系统的基本构成（微处理器、存储器、外设驱动和I/O接口、电源管理、硬件调试等）；认识嵌入式操作系统，知道操作系统内核，能够对内核进行移植、修改和裁减；掌握某一种嵌入式操作系统，能够构建嵌入式软件的开发环境，编写一些基本的嵌入式设备的驱动程序等。同时，在传统教学模式的基础上，重新调整学时分配，部分引入翻转课堂教学模式，以例程教学和项目开发驱动教学内容的更新，课堂教学更多的辅以实际范例演示讲解和回答学生在课外实践环节中出现的问题，提高学生对嵌入式系统技术的认识和掌握程度。在Proteus仿真软件和教辅系统的支持下，加大实际编程训练内容，针对讲授内容独立设计立足于基本概念原理的例程，根据学生个体差异提出不同的任务要求，至少要求学生能跟着教师操作演示，在训练过程中再学习和升华讲授的知识。

2.2课程实验应用

嵌入式系统是一个综合性、实践性强的软硬件设计开发平台，实验教学是重要环节，实验教学是嵌入式系统课堂教W的重要延伸。在实验教学中以教辅系统为载体设计实验内容，配合课堂教学，能更好地帮助学生建立对嵌入式系统的完整认识。实验教学除了设计有基础的ARM嵌入式教学内容，如应用开发入门实验、基础接口和显示实验，还有提高的ARM嵌入式教学内容，如音频、麦克风、SD卡、触摸屏等扩展接口实验，UART驱动与应用、LCD驱动及应用、USB接口、PWM驱动及应用等等，基本满足目前嵌入式系统初级阶段的教学需求。经过实际教学应用证明：借助该教辅系统进行实验教学，学生能有效地认识掌握嵌入式系统实验装置的开发环境及软硬件设计方法，理解对应的教学内容与教学目标，提高了学习主动性和实践动手能力。

2.3课程设计应用

在课程设计教学环节，以教辅系统为支撑设计了近30组综合训练内容，如电子日历制作、音乐播放器、直流电机调速、正弦波示波器、条码扫描显示等，供学生自主选择。由于该系统不仅提供了LPC2148/38的所有硬件资源，还提供了有关输入/输出的SDK，大大节省了ARM基础软硬件平台搭建的时间，使学生将主要精力和时间放在应用开发上，课程设计的效果和质量明显得以提高，而且学生还可在此教辅系统基础上自行研发应用项目，参与各级课外科研竞赛活动，效果良好。学生借助于该教辅系统进行综合应用学习，可掌握和巩固嵌入式系统应用技术的基本原理，掌握了32位ARM单片机和嵌入式操作系统应用的基本技术，能够完成一些简单的项目研发，他们走出校园能尽快适应相应的工作岗位。

3结束语

该教辅系统已经在我校测控专业两届学生的教学中投入使用。该教辅系统将课堂教学、课程实验、课程设计教学环节无缝连接在一起，并可直接应用于其他课外实践的开发应用中，使得嵌入式系统课程的教学体系具有更好的系统性、实用性和连续性，基本解决了嵌入式系统课程难教、难学、难懂的系列问题。同时该教辅系统也使得嵌入式系统课程的课堂教学更加具体形象化，互动性更好，实验教学内容更加丰富，学生设计制作参与性更强，明显改善了学生以往对理论知识学习的茫然和不明确性，以及对实验装置的畏难情绪，提高了对理论学习和实验的兴趣，培养和锻炼了自主学习能力和工程实践能力。

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嵌入式设计系统篇3

关键词：物联网嵌入式ARM驱动教学研究

随着计算机技术的不断进步发展，人们的生活方式发生极大改变，计算机及其相关技术已经成为一门热门学科，特别是近年来物联网技术[1]的提出，使用嵌入式及驱动程序开发成为目前计算机专业在校学生学习的一个重要目标。无论是嵌入式系统[2]应用还是物联网技术应用，最终均需要使用设备达到用户的要求，实现特定的功能。由此可见，计算机嵌入式方向的学生学习好《嵌入式系统驱动设计》课程是非常有意义的，但在实际教学中，学生对于该门课程的掌握情况并不理想，学习方向体系、教材选用、教师授课方式及课程实践安排成为制约学生掌握就业核心能力的主要问题。针对这些问题，特提出解决方案，希望对于本课程的教育教学和学生就业有所帮助。

1.存在问题分析

因为计算机专业嵌入式系统目前尚属于一门较新的学科，嵌入式方向课程教学正处于探索阶段，所以作为该方向对应的核心课程《嵌入式系统驱动设计》在教学实施中还存在一些明显的问题。

1.1学习方向体系

目前很多高校在高考招生阶段就明确了学生学习的方向，这种做法本身无可厚非，是各个高校明确招生计划的一种手段。但实际上很多学生对专业本身并不了解，在懵懂地进入高校开始学习时，并没有足够的激情和兴趣，从而导致目前高校普遍存在诸如学生经常翘课、学生在其他方向花费时间多却又不得不应付本方向课程考试的问题，教师教与学生学的效果均不理想。

1.2教材选用

因为嵌入式系统方向目前毕业生就业情况比较乐观，所以针对该方向的各门课程的教材也越来越多，如何挑选一本适合学生理论学习和提高实践能力的教材并非易事。因为从目前市场所有的本科教材分析，有些偏重理论，基本上是各种知识点的汇总，学生学习时动手少，缺乏兴趣，并不能真正掌握独自解决实际问题的能力；有些教材比较偏重实践，实例比较多，但是理论知识讲解相对浅薄，学生学习后解决小问题还可以，但遇到综合性案例的时候往往由于没有理论支持导致分析解决问题的能力不够，学生信心缺失。

1.3教师授课方式

学生对一门课程的接受程度往往很大程度上依赖教师的授课方式，在传授课本知识的同时如果紧密联系行业背景及实际案例，就可以最大限度地激发学生的学习兴趣和学习热情，达到更好的效果。而在目前的状况下，大多数嵌入式方向的教师缺乏相关知识，且在授课过程中往往采用简单罗列知识点和针对性实验验证的方式，虽有对目标板程序的代码分析，但内容枯燥，并不能给学生日后的开发工作带来实践性指导，效果不好。

1.4课程实践安排

在实际教学中，通常对计算机课程的设计为多媒体教室理论演示加实验室实验验证[3]，虽然设置了专门的实验时间，但理论学习和实验验证相对隔离时间较长，学生容易忘记重要步骤，导致虽有兴趣但实现困难，效果不好。

2.对问题的思考

以上提到的各种问题确实反映了目前很多高校存在的尴尬状况，一些走在前列的高校虽然在某些方面对这些问题做了改进，但效果并不理想。对此，特将我校对嵌入式方向的改革及我个人针对《嵌入式系统驱动设计》课程的教学心得做一汇报，以供兄弟院校及授课教师参考。

2.1针对性方向划分

学生入校后第一年按照招生录取专业进行公共基础知识平台课程的学习，第二年学习学科教育平台课程的内容，主要是计算机专业学习的一些前导课程，包括C语言、java程序设计、计算机网络等。此时，学生对计算机已经有了相当的了解，可以联系一些不同方向的计算机相关企业的讲师进行宣讲，提高学生对不同方向的认识和学习兴趣。从第五学期开始，根据学生的志愿进行专业方向的划分，然后针对性地展开相应的课程体系[4]，这样才能真正激发学生的学习热情，为后期诸如《嵌入式系统驱动设计》等课程的进一步学习打好基础。

2.2选用从业人员编写的半工具书

目前市场上有相当一部分教材是由从事驱动开发的专业人员编撰的，非常适合用做高校本科对应专业课程的教材，因为这些书籍具有如下特点：（1）知识点涵盖全面并且更新速度快，这就弥补了以往教材知识点陈旧、更新慢的弱点；（2）实践环节突出，知识点蕴含在实践步骤中，生动易学习；（3）行业规则和公共规范明确。由于很多高校教师在编写教材时并没有在相关行业解决实际案例的经验，编写时偏重于知识点的强调，并不注重行业普遍遵循的一些规则和规范，这导致学生毕业工作后还要花费大量时间加以适应，效果不好。而这些从业人员编写的半工具书能很好地解决这几个问题。

2.3案例式教学方法

学院定期组织教师参加相关课程对应企业的项目开发交流，并聘请一些业内从业人员到校进行行业背景和规范的宣讲，这在一定程度上提高了教师的素质，最终对课堂教学产生深远影响。针对《嵌入式系统驱动设计》这门课程，可以在教学时尽量避免简单罗列知识点，而是将要教授的内容蕴含在案例中，这样学生学习时兴趣浓厚，掌握知识点牢固。

2.4打段授课配合兴趣小组学习

目前理论和实践分离的教学方式在高校普遍存在，这样做的弊端往往是学生在实践时忘记某些内容而导致实验效果不理想。我采用打段授课的方式，将一学期的授课时间压缩到半个学期，每个星期的课程时间加倍，这样做的优势是学习时间集中，便于加深学生记忆，同时理论和实践结合紧密，学生印象深刻。实践证明，学生上课时注意力集中，兴趣浓厚且接受效果好。为了使学生更好地掌握《嵌入式系统驱动设计》课程内容，设立多个兴趣小组，在课余时间利用现有的实验设备和条件进行课题研究，培养学生初步的科研能力、创新能力、同学间的协作能力和工程实践能力，并更有效地将所学知识应用于实际中。定期进行专题讨论，拓展学生在驱动开发领域的知识面，进而增强课程教学效果[5]。

3.结语

对于计算机专业嵌入式方向的学生，《嵌入式系统驱动设计》这门课程的重要性是不言而喻的，要更好地掌握该门课程需要结合多个方面认真考量，是一个系统的过程，其他课程的学习也应遵循同样的规律。改革教学方法，在方向划分、教材选择、授课方式、实践安排等各个环节创新求变，才能更好地让学生掌握课程的精髓，提高学生就业的核心能力，增加学生择业的竞争优势[5]。希望我对该门课程的一些实践经验能对高校同仁起到一定的交流提高作用，我也会在今后的教学实践中进一步进行总结和完善。

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嵌入式设计系统篇4

【关键词】嵌入式系统低功耗设计

1引言

嵌入式系统的应用非常的广泛，在当今智能化电气的推广中也是应用到了嵌入式系统的开发，比如在冰箱、手机、GPS等等设备中嵌入式发挥着非常强大的作用。嵌入式的设计开发主要实现的就是对于电子设备以及电子信息的智能化，从而实现操作方便，智能控制。在嵌入式系统设计中存在着一个问题，就是低功耗设计问题，嵌入式系统在应用当中很多都应用到移动设备当中，这就需要考虑耗电问题，移动产品能够保持充足的工作时间对于电子产品是非常受到人们喜爱的。

2嵌入式系统功耗

嵌入式系统包括硬件、软件以及集成电路等等设计方面，各个模块都发挥着自身的作用，每部分都需要电源的作用，嵌入式系统的功耗问题也就应运而生。为了解决嵌入式节能问题以及在移动设备中超长的工作时间，我们需要进行嵌入式低功耗设计的研究。

当今人们对于绿色环保追求越来越看重，因此电子产品的耗电问题也是非常的突出，电子设备一般都应用到了嵌入式系统，电池的供电相应的也是问了解决嵌入式系统的电量的提供。延长电池寿命，降低电池的功耗是提高系统性能的有效的手段。

3硬件低功耗设计

3.1低功耗芯片、元器件

低功耗元器件是改善嵌入式硬件系统的最直接的手段，通过选择功耗低且性能良好的元器件，将硬件电量的耗电性能做到改善是实现低功耗的第一步。当前的芯片中，CMOS芯片具有很低的功耗，在当前也是非常的热门。在使用CMOS应用时，不能将输入端悬空。空置的输入端存在电平值，可能会影响到高低电平转换，我们知道在数字电路中高低电平的转换代表的就是二进制中的0和1的表示。

3.2电源管理设计

在模拟电路中会有功放、运放等放大器件，这些器件一般有两种供电方式，及正负极供电和单电源供电。在电源管理中，我们能倾向于单电源供电，单电源会有两倍的供电电压，因此作用范围就会增大，但是由于高电压的应用，会造成功耗大的问题出现。所以我们在设计电源模块的时候要尽量保持低电压设计，在设计中现在有一种比较实用的方法，就是采用不同步的供电技术。通过对各个模块实现低电压供电，将不同的模块实现不同步供电，模块不是一直都在供电状态，通过智能的设计，在模块需要工作的时间内设置为供电状态，不需要工作时设置为断开状态，这样通过对模块的分时供电，可以实现节能低功耗。

3.3合理利用I/O口资源

嵌入式处理器供电时，I/O口会带有高电平的输出值，所以可以充分利用这些I/O口作为其他模块的供电电源，这就是对于I/O口充分的利用。嵌入式I/O口的供电大概能提供20mA的电流值，当外部模块的值低于该值的时候，就可以通过电路设计达到对于外部低电压的供电，另外就是I/O口最为电源指是要提供电能，如果外模块的设计对于I/O口产生反馈作用则不能应用，否则就会因为反馈导致I/O口对嵌入式处理器产生作用，影响嵌入式系统的正常工作。

3.4智能电源设计

功耗问题也体现在对于电源的设计上，通过智能设计电源的供电情况对于不必要电量的节约是解决功耗问题的有效手段。智能电源就是对于电源供电模块的优化作用，智能电源的作用形式是通过对电源的智能化处理，实现自动检测芯片的供电情况，确保电能不被浪费。另外通过电源的设计，将处理器以及外设模块的供电进行合理的电能提供，并且采用时分形式，不同的时间段实现不同的工作状态。

4软件低功耗设计

4.1软件编译优化

软件编译对于低功耗的实现时通过不同的软件算法，将程序运行周期降低，这样的话实现的就是模块的运行时间缩短，也就使得电量消耗的时间减小。通过高级语言编写的面相对象的或者面相问题的很难控制低功耗问题，但是通过汇编、HTML语言编写的就可以实现通过选择性的指令实现编译中对于模块的供电作用的功耗问题。

4.2软件硬件的合理运用

嵌入式系统实现的是对于单片机以及搭载的嵌入式软件系统的综合应用，在设计当中考虑的是硬件和软件双方面的作用，这种作用就是通过软件指令的设计实现的。如果再软件设计上实现将不必要的硬件操作减少的话就会直接减少功耗。当然要考虑软件和硬件分别的处理时间，通过合理的分配软件和硬件的工作量实现功耗的降低。另外在对于高性能处理器的作用时，如果过多的使用软件作用，则高性能处理器体现出的就是大量的功率损耗，所以要针对不同的嵌入式系统进行不同的减少功耗的合理设计。

4.3时钟程序设计

软件在进行编译时，要引入硬件的时钟，这就是对于软件的延时以及硬件的定时器的设计方面。软件的延时相对硬件来说是消耗功耗多的，所以在降低功耗上还是尽量使用硬件时钟延时。在功耗问题上我们应当注意，虽然很多措施都可以实现功耗的降低，但是也要考虑到工作效率，如果以降低工作效率来实现低功耗，那么这就不是正常的发展模式了。

5结束语

嵌入式的开发注意的问题非常的多，其中低功耗的设计思想是非常需要考虑的，但是在设计当中我们应当综合考虑各方面的因素，在保持工作效率的高效性的同时实现低功耗才是我们所追求的目标。通过综合因素的考虑，实现软硬件的合理分配，将先进的电源管理应用到其中，是实现低功耗的有效途径。

参考文献

[1]杨全新，王仁波.嵌入式系统设计中的低功耗技术[J].电子元器件应用，2010（10）.

[2]卜爱国，王超，李杰.嵌入式系统动态电压调节设计技术[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（02）.

[3]王志超，王宜怀.基于硬件构件的嵌入式系统低功耗研究[J].信息化研究，2010（10）.

[4]卜爱国，李杰，王超.嵌入式系统动态电源管理技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（10）.

嵌入式设计系统篇5

关键词：嵌入式系统；mp3播放器；设计

作者简介：左凯（1994，6-），男，湖北黄石人，湖北理工学院计算机学院本科生，研究方向：嵌入式应用

1概述

Mp3作为目前比较流行的音频文件，其本身具有多方面的优点，诸如音质较好、压缩比率合适、资源广泛下载方便等，因此目前大量的软硬件资源都支持mp3文件的播放。当前市场上流行的大部分mp3播放器其处理器都是硬核处理器，使用数字信号处理器来对mp3音频文件进行解码和传输，硬核处理器虽然具有速度方面的优势，但其硬件配置方面相对单一，造成了mp3播放器系统的软件和硬件维护与升级变得十分困难。而以嵌入式作为mp3播放器的控制中心，可以打造出具有软核处理器的mp3播放器，其具有硬核处理器所不具备的优势，诸如多元化控制、多任务并发控制、方便容易的软硬件维护与升级等，因此本文提出了面向嵌入式系统的mp3播放器设计方案。

2嵌入式系统及其特点

通常意义上的嵌入式系统是指一种用于监控、监视或辅助设备、机器操作的装置，其与传统pc系统一样包括硬件和软件两个部分，硬件部分包括各种处理器、图形图像处理设备、存储介质、I/O输入输出设备以及其他外设设备等，软件部分包括操作系统软件、用户自行开发的软件、各种具有特点功能的应用程序。嵌入式系统与pc系统相比较具有自身的特点，嵌入式系统面向用户特定的应用目的，现有的大部分嵌入式cpu在为特定用户设计的系统环境中工作，嵌入式系统是一个具有较宽覆盖领域、投资较大、知识集成的系统，集先进的计算机技术、半导体技术、电子技术于一体。

3面向嵌入式系统的mp3播放器设计方案

3.1总体构想

本方案基于ARM嵌入式系统进行设计，由硬件系统和软件系统两大部分所组成，硬件系统为整个系统提供底层支持，负责任务执行的监督、协调和数据的存储，软件系统包括操作系统OS、人机界面UI、音频解码控制等软件模块，是系统中心控制枢纽和关键部分，统筹安排和协调优化硬件系统的工作，具有音频播放、数据通信和任务管理等功能。

3.2硬件设计方案

Mp3播放器音频文件播放的顺序为：首先从存储器中读取mp3或wma格式的音频文件，然后将读取的信号送到解码器上进行解码转化为二进制数字信号，再通过数模转换器将数字信号转为模拟信号，然后将模拟信号输送到信号放大器进行放大，完成噪声过滤处理后输送到耳机。

3.3软件设计方案

系统的软件组成模块主要包括有操作系统、音频解码模块、文件存储系统、显示模块、SPI闪存模块以及人机界面模块等。嵌入式操作系统使用的平台为uc/os-II，它在整个软件系统中处于核心地位，当前状态下的多个任务执行都有其负责处理和调度，用户可以基于该嵌入式系统根据特定目的而创设具体的任务，诸如屏幕触摸任务、lcd屏幕显示任务，音频解码任务、文件读取任务以及文件存储任务等。

4面向嵌入式系统的mp3播放器的实现

4.1音频文件格式

mp3格式的音频文件是mp3播放器的主流文件，在结构上它包括三个部分，一是id3v2，这部分包含作者、专辑、作曲等属性字段的信息，长度不固定，是在id3v1基础上的信息扩充，二是frame，它是mp3音频文件的主体部分，由若干个帧组成，其长度值由音频文件的大小和帧长度决定，每个frame又包括两部分，一是帧头，二是数据实体，帧头部分包含了mp3音频文件的采样率、版本、位率等信息，每个帧之间是相互对立的。每首mp3音频文件的比特位速率是指每秒钟包含的音频数据信息量的大小，值越大，说明音频文件的声音质量越高，相应的文件所占用的存储空间也就越大。

4.2文件驱动系统

Mp3音频文件的数据存储在存储器中，由于音频文件的普遍较大，相应的存储器介质SD卡也就越大，基于此本设计中设计了免费的fatfs文件系统，该文件系统能够在单片机上对文件进行读写操作，其所占的空间较小，大约为6k左右，这对于通常有128k空间的闪存来说所占的比例完全是可以接受的，同时也获得了较高的可移植性优势，重写相关的函数参数就可以对文件系统的进行移植，经过检测，在32位系统环境中，18mspi时钟下文件的读取速度为300k/秒左右，文件的写入速度为100k/秒左右，这种磁盘读写速度对于嵌入式应用而言已经足够。

4.3音频文件的解码输出

Mp3音频文件的数据流中包含了以下信息：头文件译码信息、旁译码信息以及同步化和crc检查的区块，从这些信息中可以得到文件头信息、crc信息以及旁信息，读取并存储起来以备使用。译码器经过对相关数据信息解读和翻译得到初始的频谱信息，再经过立体声效处理、虚拟信号过滤、频谱重新排序、离散余弦转换以及多项合成滤波组等最后合成可以输出的高质量信号。

4.4lrc文件的处理

Lrc文件里包含有mp3音频文件的歌词信息，每一句歌词都精确对应某个具体的时间点，这是保证mp3音乐播放过程中声音与歌词同步的重要原因。一个lcr文件包括歌词和时间标签两部分，时间标签是基于每句歌词而建立的，这样lrc文件就在歌词和声音之间建立了一一对应的关系，在mp3音乐播放过程中就会按照lrc文件中所设定的时间显示对应的歌词，对lrc文件的读取在本质上与mp3文件的读取是一样的。

5结论

本文面向ARM嵌入式系统平台使用stm32f103vet作为主控芯片设计了一个mp3播放器，硬件解码芯片采用了vs1053b，并使用了带有触控功能的液晶显示屏，并支持tf卡扩展，使用ucos-II嵌入式操作系统使mp3播放时课可以显示歌词以及进行了人性化操作，并且使得播放器可以执行多任务，同时占用最小的资源，同时可扩展接口和灵活的软硬件设计也使得该款播放器比较容易扩展。

参考文献

[1]袁卫,党纪源.基于单片机的MP3播放器设计[J].现代电子技术,2011(4).

[2]凌泽明,刘桂林.基于单片机的便携式MP3播放器设计[J].科技创新导报,2011(4).

[3]洪家平.基于VS1003解码器的MP3播放器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(11).

[4]李媛,辛修芳.基于LPC2131的SD卡MP3播放器的设计[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2010(4).

[5]李宁,熊刚,徐良平.基于Cortex-M3的MP3播放器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2009(2).

嵌入式设计系统篇6

关键词：嵌入式；通信系统；工作原理；创新设计

一、嵌入式通信系统概述

1.嵌入式通信系统特征

为适应经济发展和时代进步，通信系统制造商需要制造出功能更加齐全、性能更加强大的通信产品来迎合市场的激烈竞争。嵌入式通信系统需要满足更多的功能和更多样的性能要求。嵌入式通信系统由于特定的应用场景、特殊的应用目的，其与一般的系统相比，具备特有的属性：一是响应时间受限性，通信系统的任务具有时限属性，当任务开始后，要在一个特定的时间内执行完毕。二是可靠性，通信系统对可靠性有严格要求，特别是汽车、航空器等控制系统，通信系统的执行情况和执行结果对生命、财产、国防安全有重大的影响，一个微小的故障就可能造成严重的后果；三是约束的复杂性，约束分为时间约束和资源约束，前者指每个任务都需满足时限约束，后者指当多个任务共享同一的资源时，按照一定的资源访问控制协议进行，防止死锁，避免高优先级任务被低级任务阻塞；四是多任务类型，嵌入式通信系统需要处理不同类型的任务，如周期式任务、偶发式任务、非周期式任务和非实时式任务。

2.嵌入式通信系统工作原理

嵌入式通信系统运行中，在不同任务之间需要进行通信，其是通过读写、共享变量实现的。必须保证共享变量的数据的一致性，才能保证嵌入式通信系统正常工作。嵌入式通信系统通常采用原子锁的机制来确保共享变量访问一致性，在任务访问共享变量之前对其锁定，在访问结束后解锁。如果锁定或者解锁失败，则不能访问系统共享变量。由此任务的执行过程产生关联，当高优先级任务访问系统共享变量时，访问相同共享位置变量的低优先级任务会被拒绝，从而落实嵌入式通信系统运算规则。嵌入式通信系统需要同时保证对共享资源的互斥访问与任务的可调度性。

3.嵌入式通信系统调度原理

为了精确调度嵌入式通信系统的资源，达到实时、可预测的特定要求，在嵌入式通信系统部署之前，需要用调度理论对目标任务进行可调度性分析，再进行调度方案搜索。嵌入式通信系统任务调度技术分为嵌入式通信系统可调度性分析方法和嵌入式通信系统调度策略。嵌入式通信系统任务调度技术研究包括任务共享系统资源的策略、机制，并提供判断嵌入式通信系统任务可否调度。嵌入式通信系统经历了从简单到复杂的历程。嵌入式通信系统的特定应用需求要求通信系统设备小型化、集成度高，紧密与网络契合，具备移动能力。并进一步要求嵌入式通信系统的嵌入式CPU体积小、低功耗，能够将通用CPU中由板卡完成的目标任务集成在芯片内部。嵌入式通信系统的CPU要求硬件和软件有较高的效率，去除冗余，在同样的条件下达到更高的性能。毋庸置疑，嵌入式通信系统是一项技术密集、资金密集、研发密集、不断创新的高新知识集成系统。

二、嵌入式通信系统存在的可扩展性问题

1.嵌入式通信系统网络容量不足

举一个常见的嵌入式通信系统的例子，该系统包含4个ECU和8个消息，嵌入式通信系统的通信周期为1，每个消息的周期亦为1，嵌入式通信系统系统的每个通信周期都包含8个时间槽。所有节点通过单个嵌入式通信系统总线连接，各个ECU节点之间的信号通信情况正常，消息在嵌入式通信系统总线静态段上调度。稍作分析可知，消息M1、M2、M3……M8刚好会占满嵌入式通信系统系统静态段的全部时间槽，导致嵌入式通信系统资源占用率已达饱和状态，网络容量不足，无暇处理其他信息。

2.嵌入式通信系统分支负载不均衡

当嵌入式通信系统的静态段时间槽全部占用，而嵌入式通信系统系统的静态段时间槽占有率仅为50%，属于严重的负载不均。嵌入式通信系统负载不均会导致嵌入式通信系统不能容纳新消息传输，限制通信系统升级，进而造成嵌入式通信系统系统无法进行扩展。这一问题产生的根源在于嵌入式通信系统通信网络结构设计缺陷，其消息调度未将负载均衡作为设计指标，亦无其它相关工作考虑了嵌入式通信系统负载均衡。

三、嵌入式通信系统优化

1.嵌入式通信系统消息缓存交换结构优化

使用嵌入式通信系y交换机代替原有的设备，嵌入式通信系统交换机只负责把消息转发给需要该消息的分支，允许多个分支上的ECU节点同时发送消息，进而提高嵌入式通信系统通信网络的有效带宽。嵌入式通信系统的交换机采用电路交换模式，交换机与嵌入式通信系统的总线保持同步。配置嵌入式通信系统交换机中不同输入端口、输出端口的连接方式，进而确定消息转发路径。嵌入式通信系统的每个时间槽都含有一个报文，在每个时间槽上都要对嵌入式通信系统的交换机的连接进行重新配置。将此方式改进为无缓冲、无延迟的嵌入式通信系统交换机，有助于嵌入式通信系统的交换结构优化。

2.嵌入式通信系统HSRN负载均衡优化

对嵌入式通信系统HSRN各分支进行负载均衡优化设计，可扩展的通信网络利用优化后的交换机将嵌入式通信系统的通信网络分割。在各分支之间的负载均衡性极大的情况下，将提升嵌入式通信系统通信网络的可扩展性。负载均衡设计之后具有明显的优势：在电子系统中，软件升级会导致嵌入式通信系统通信数据量的增加，而负载均衡设计可以为每个分支都预留较大的扩展量，从而方便的完成系统的升级和扩展。嵌入式通信系统HSRN结构本身引入了消息可缓存的系统交换机，有效隔离了广播域，提高了嵌入式通信系统的网络容量。在嵌入式通信系统交换机中设置的消息缓存队列，能够放松对跨分支消息的同步传输约束，进而提高嵌入式通信系统通信系统的消息可调度性，使得嵌入式通信系统可容纳更多消息，提高了嵌入式通信系统的通信网络的带宽利用率。

参考文献

[1]王永吉，陈秋萍.单调速率及其扩展算法的可调度性判定.软件学报.2014年.

[2]金宏，王宏安，王强.一种任务优先级的综合设计方法.软件学报.2013年.

[3]邹勇，李明树，王青.开放式通信系统的调度理论与方法分析.软件学报.2013年.