嵌入式系统的基本原理范文篇1

关键词：嵌入式系统；实践；创新训练项目；课程设计

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）29-0146-02

目前，我国对嵌入式领域人才的需求日益旺盛。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用，包括工业自动化、医疗仪器设备、智能家居、智慧城市和航天航空领域。例如神州飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统，神州飞船从原来神州一号到神州十号，还有登月探测器嫦娥一号到嫦娥三号，其系统中都有大量的嵌入式系统。并且，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，使人们的生活更加丰富多彩。在生活中，所有带有一点“智能”的家电，例如电脑电冰箱、电脑电饭煲、电脑豆浆机等都是嵌入式系统，另外，日常常见的IPAD、照相机、摄像机、打印机、智能手机等都是嵌入式系统[1]。为此，国内外各大院校也纷纷开设了嵌入式系统方面的课程，并且在教学中把培养学生的实践动手能力放在首位。

本文对西安科技大学电气与控制学院自动化专业《嵌入式系统原理与设计》实验课程的教学特点进行了分析，提出了嵌入式系统原理与设计的课程实验教学方法，实践证明，该方法大大提高了学生的实践动手能力，为以后能成为真正的嵌入式人才打下了重要基础。

一、“嵌入式系统原理与设计”课程简介

1.从嵌入式系统定义和特点。嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。或者可以简单定义为嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统即为嵌入式系统。

嵌入式系统包含有三个特点，即嵌入性、内含计算机和专用性。

2.嵌入式系统的组成。系统包含硬件和软件，其中硬件包含嵌入式处理器和硬件设备，软件包括嵌入式操作系统和嵌入式应用程序[2]。嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体。嵌入式系统的嵌入式处理器可以分为以下几大类：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统（SOC）。常见的嵌入式操作系统有：嵌入式Linux，WinCE，VxWorks和μC/OS-II。

二、“嵌入式系统原理与设计”课程实践项目

1.课内实验。课内实验是让学生熟悉实验教学系统和开发环境，完成基础实验的编程和验证工作。所使用的开发板是周立功公司的LPC2131的开发套件，能完成一些硬件的基础实验。包括GPIO口输入输出实验、外部中断实验、定时器实验、UART实验、I2C实验、SPI实验、PWM脉冲宽度调制、AD/DA实验、RTC实时时钟实验、低功耗实验等。通过基础实验的学习，学生掌握ARM7的开发环境的使用和ARM7的硬件的功能[3]。然后把UC/OS-II操作系统也作为程序设计的一部分，在操作系统的基础上设计用户程序，使学生熟悉嵌入式开发环境，全面了解嵌入式系统开发流程，在实践中锻炼设计和开发嵌入式系统的能力。

2.课程设计。在学期末集中安排两周的课程设计，主要完成以ARM处理器为核心的嵌入式最小系统及其扩展模块设计。实验设备采用ARMLPC2131开发版，考核方式为软硬件验收并提交课程设计报告。在学生熟悉了ARM的开发环境和基本的实验程序之后，会让学生自己动手设计课题，给学生布置多个课题，学生可根据兴趣进行选择，三人一组。如：基于ARM的步进电机细分驱动控制设计，自动窗帘控制器，多路数据采集系统，基于ARM的工程车控制系统设计，直流电机调速系统设计等。

下面以红外自动感应窗帘为例，介绍学生课设自己动手所做的工作。首先，学生根据课题功能的要求，确定系统控制方案。《自动窗帘控制器》课题要求系统能根据环境因素自动打开或关闭窗帘。因此学生可确定出如图1所示的控制方案。系统包括LPC2131最小系统、温度和光强检测、键盘输入、液晶输出和步进电机驱动等模块。

在此方案的基础上设计系统硬件，进行器件选型和原理图设计。温度检测选用DS18B20，光强检测选用光敏电阻，键盘采用独立按键，液晶显示选用LCD1602，步进电机选用28BYJ-48型步进电机，其驱动选用ULN2003。由此得到的系统原理图如图2所示，并要求学生在此原理图基础上做出硬件实物。

而后就可以进行软件的编程和调试了。软件工作流程如图3所示。

最后通过软硬件的联合调试，实现系统所要求的功能，并撰写课程设计报告。

3.创新训练项目。在校大学生每年都可以参与申请大学生创新创业训练计划项目，该类项目主要由4～5名学生完成，由一名老师指导[4，5]。创新训练项目申请时要对项目实施的目的和意义、项目研究内容和拟解决的关键问题、项目实施方案、主要技术指标和经费预算等进行陈述。重点是项目研究内容、拟解决的关键问题和项目实施方案。通过这种形式，学生不仅对项目的申请有了一定的认识，而且可以激发学生学习的兴趣，由原来单纯的依靠兴趣来动手实践，转变为以解决实际问题为目的的学习方式。这样，可以让学生以解决问题为驱动的方式来学习嵌入式系统的设计，与实际的工业企业问题更为接近，也可以为就业打下坚实的基础。

4.毕业设计。此外，每年有大约四分之一的学生以嵌入式系统设计方面的题目作为他们的毕业设计课题，如，基于ARM的智能家居控制系统设计、嵌入式多功能轮椅控制系统设计、嵌入式鱼塘水质监控系统的设计、基于ARM的道路清扫车控制系统设计、嵌入式语音控制机器人控制系统设计等等课题。学生通过毕业设计动手能力的训练，进一步提高了解决实际问题的能力，增强了就业竞争力。

嵌入式系统原理与设计课程是自动化专业的一门重要课程[6]，该课程通过课内实验、课程设计、创新训练项目、毕业设计等方面实践项目，不仅提高了学生的实践动手能力，也提高了学生解决实际问题的能力，让学生能有一技之长，增强了学生的就业竞争力，为学生成为企业需求的嵌入式应用型人才打下了重要的基础。

参考文献：

[1]李振宁.嵌入式教学实验系统的应用与研究[D].西安：长安大学，2005.

[2]曾洁琼.ARM嵌入式系统实验教学研究与探讨[J].时代教育，2014，（6）：117，140.

[3]周立功.ARM嵌入式系统实验教程（二）[M].北京航空航天大学出版社，2005.

[4]王恒，张燕，钟丽娜.“ARM控制器实用技术”课程教学探索[J].物联网技术，2015，（6）：106-108.

嵌入式系统的基本原理范文

嵌入式系统是计算机技术、通信技术、微电子技术等先进技术和具体应用对象相结合的更新换代产品。嵌入式系统面向具体的应用领域,随着产品智能化、小型化的普遍需求,嵌入式系统已经渗透至各个行业,具有广阔的市场前景[1]。近年来,各高校信息自动化计算机类专业逐渐将嵌入式系统纳入重要专业课程范围,尤其在嵌入式实践教学体系方面进行了深入的探讨[2-4]。

考虑到通信类学生的培养与实际就业情况的需求,在嵌入式教学中,除了使学生掌握基本的通信技术原理和嵌入式软件设计的一般方法和流程外,还应注重培养学生的实际应用开发能力。因此,嵌入式教学应该倾向于实践而不是仅仅局限于只是传授理论知识。本文针对本专业嵌入式实验教学中普遍存在的专业针对性弱、设备缺乏、课程系统性和层次性的不足等问题,利用研究所自主研发的嵌入式实验教学平台,设计了具体的实验教学方案。

1嵌入式实验教学中存在的问题

嵌入式系统课程的实践性非常强,为了加强学生对嵌入式系统理论知识的认知,提高学生解决实际问题的能力和创新能力,实验教学在嵌入式课程教学中有着至关重要的作用。到目前为止,在嵌入式实验实际教学中发现了以下问题。

缺乏针对性强的实验平台。嵌入式课程教学和人才培养具有高度的实践性,通常情况下,教学所用的实验平台(实验箱)是委托科教仪器公司开发的。由于教学投入不足,经常出现设备板子烧毁,讲义资料不全,实验箱不完善导致能开设的实验不多,由于部分源代码不开源等现象,所以相关实验基本上都是演示性的实验,或者与其他学科共同使用一套实验设备,没有本学科专业特色,很难实现视频采集、音视频压缩、网络传输等功能。这些因素皆不利于通信专业学生实践能力的培养。其次,缺乏灵活的实验设计及讲义。在嵌入式系统应用领域,嵌入式系统中的软件开发困难,既要考虑不同平台的差异,又要具备一定的稳定及易行性条件。以往这些类型的软件开发都是由硬件厂商包办,且提供的嵌入式系统软件解决方案五花八门。而实验设计应侧重于主流操作系统下软件的实践和创新。此外,大多数学生照着详细的实验指导书按部就班,缺乏自主创新的意识,甚至不深入思考实验现象背后的理论知识。这显然与培养学生创新性思维和能力的目的背道而驰。而实验课时少也是实践教学中亟待解决的一个问题。嵌入式系统课程对学生的专业知识要求较高,学生先要学习单片机原理及应用、C/C++程序设计、DSP原理及应用等嵌入式

相关课程,等到具备了一定的实验操作和编程能力之后,在大三下半学期或大四上半学期开设嵌入式系统课程。理论性教学和实验教学交叉进行,再加上总课时的限制,使得学生自主实验时间大大减少。虽然已从原有实验课时占较少课时的状态,调整到实验课时占总课时一半的状态,课内实验还是远不能满足对学生的培养需求。

2实验教学配套设施

本研究所自主开发的嵌入式系统实验平台是一套功能完善的实验箱,选用ARM处理器+Linux操作系统的主流配置。实验箱上提供有教学系统采用的各种测试点(包括图像视频采集输入、I/O输出等),方便教学中使用示波器等测试仪器;多路数字信号源(包括四路视频输入功能);ARM开发系统功能等众多功能。此套基于双核处理器架构(双核处理器架构,是指采用一个ARM核及一个SoC图像处理核的架构芯片)的四路DVR教学实验箱,可以实现视频采集,H.264压缩,音频压缩,网络传输以及嵌入式Linux操作系统等功能,主要为高等院校通信工程类专业、电子信息类专业等高年级学生的通信专业课程设计、通信专业大型实验、毕业设计、电子设计竞赛以及研究生的数字通信实验而设计,也可供相关专业的本专科毕业班学生使用以及自学使用。此外,还配有教学资料光盘,以及分层次、系统的实验指导书。实验系统构架。

由于嵌入式系统涉及的知识广、综合性强和应用性强,且软硬件技术不断革新,这就需要授课老师具有一定的项目开发经验。而本套实验箱正是由授课老师参与研发,对于一些新进的通信类教师也开放学习与研究。在对嵌入式实验平台有个系统的认识之后,遇到突发问题也可以及时解决,这大大降低了教师的授课难度,提高了实验课效率。

3实验教学设计

结合理论教学,嵌入式系统实验的重点放在软件的开发上。充分考虑到嵌入式软件系统的结构、开发内容和方式的特殊性,从而设置多种配置方案、多层次实验项目的实验教学内容。学生边学习理论知识,边进行实验操作,设置一些基础型和模块化的实验使其对原理有更透彻的认知。当学生理论知识积累到一定的程度,可通过设置综合型的实验使学生进行系统学习与提高。此外,为了达到学生自主创新能力提高的目的,创新型实验的设置也必不可少。减少基础型实验,同时增大综合型和创新型实验的比例,并加入可选项,学生可根据自己的能力兴趣,自主制定实验内容。另外,为了适应本专业学生的培养,除了需要掌握嵌入式系统基本的方式方法之外,还在综合型实验中设置了较多通信类实验课程。

这样,学生在实验过程中,由浅到深、由基础到综合地进行实践操作,符合渐进性的教学规律。为了解决课时少的问题,设置了一部分课外可操作的实验,使一部分有兴趣而不满足于课内学习设计的学生有更广阔的学习时间与空间。

3.1基础型实验

基础型实验多为验证型实验,其目的是为了让学生掌握基本的理论知识以及嵌入式软件的一般开发流程,熟悉开发工具与开发环境,为之后的综合型实验和自主创新型实验做好准备。这部分实验指导书较详细,学生能够扎实地掌握嵌入式系统的基本软件开发知识。基于本实验系统设计的基础实验主要如下。

嵌入式系统的基本原理范文

【关键词】嵌入式系统；学科体系；平台模式；对象学科

一、嵌入式系统简介

（一）嵌入式系统的产生

嵌入式系统诞生于微型机时代，经过微型计算机的嵌入式专用化的短暂探索后，便进入到嵌入式系统独立的微控制器发展时代。直接在嵌入式处理器与集成电路技术基础上发展的带处理器内核的单片机，即微控制器的智能化电子系统。即便有处理器内核，也是嵌入式处理器而非通用微处理器。

（二）专用计算机探索的失败之路

无论是工控机，还是单板机，都无法彻底地满足嵌入式系统的微小体积、极低价位、高可靠性的要求。人们便直接将微型计算机体系结构进行简化，集成到一个半导体芯片中，做成单片微型计算机。

Motolora公司的6801系列就是由6800系列微型机简化后集成的单片微型计算机。单片微型计算机彻底解决了嵌入式系统的极小体积、极低价位，但在高可靠性及对象可控性方面没有本质上的改进。

（三）嵌入式系统的独立发展道路

嵌入式系统的微控制器（MCU）发展道路，是一条摆脱“专用计算机”羁绊，独立发展的道路。这是一条由IntelMCS51单片机、iDCX51实时多任务操作系统开辟的单片机独立发展的道路。MCS51是一个在微电子学、集成电路基础上，按照嵌入式应用要求，原创的嵌入式处理器。MCS51原创的体系结构、控制型的指令系统与布尔空间、外部总线方式、特殊功能寄存器（SFR）的管理模式，奠定了嵌入式系统的硬件结构基础；iDCX51是专门与MCS51单片机配置，满足嵌入式应用要求原创的实时多任务操作系统。

二、嵌入式系统的四个支柱学科

目前，嵌入式系统尚未形成独立的学科体系。从“嵌入式系统”的诞生、独立的单片机发展道路、微控制器技术发展的内涵、嵌入式系统的多种解决方案来看，“嵌入式系统”是四个支柱学科的交叉与融合，并以平台模式进行学科定位与分工。

（一）四个支柱学科的关系

嵌入式系统的四个支柱学科是微电子学科、计算机学科、电子技术学科、对象学科。微电子学科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入式系统应用的归宿学科，计算机学科与电子技术学科是嵌入式系统技术发展的重要保证。

（二）领衔的微电子学科

微电子学科与半导体集成电路的领衔作用，在于它为嵌入式系统的应用提供了集成电路基础。电子技术学科、计算机学科的许多重要成果，最终都会体现在集成电路中，从早期的数字电路集成，到如今的模混合、软/硬件结合、以IP为基础的知识与知识行为集成。

（三）为平台服务的计算机学科

现代计算机出现后，在计算机学科中形成了两大学科分支，即通用计算机学科与嵌入式计算机学科。通用计算机学科与嵌入式计算机学科有不同的技术发展方向与技术内涵。由于嵌入式计算机学科与对象学科、微电子学科紧密相关，而嵌入式计算机学科与原有计算机学科内容有较大差异，不能用通用计算机的概念来诠释嵌入式系统，因此、嵌入式计算机要加强与微电子学科、电子学科、对象学科的沟通，共同承担起嵌入式系统新学科的建设任务。在嵌入式系统中，计算机学科要承担起嵌入式系统应用平台的构建任务，它包括嵌入式系统的集成开发环境、计算机工程方法、编程语言、程序设计方法等内容。

（四）广泛服务的电子技术学科

在嵌入式系统中，电子技术学科提供了最广泛的技术服务。电子技术将微电子领域的集成电路设计，迅速从电路集成、功能集成、技术集成发展到知识集成；为计算机学科提供嵌入式系统的硬件设计技术支持；在对象学科中，广大的应用工程师在嵌入式软硬件平台上实现最广泛的应用。

（五）对象学科的最终出路

对象学科是嵌入式系统的最终用户学科。对象学科几乎囊括了所有的科技领域，形成了嵌入式系统一个无限大的应用领域。对于对象学科来说，嵌入式系统只是一个智能化的工具，对象学科要在嵌入式系统上构建本领域的一个嵌入式应用系统。嵌入式应用系统的技术基础是本学科的基础理论与应用环境、应用要求。同时，在应用中要不断给微电子、集成电路设计、嵌入式计算机学科提出技术要求，以便不断提升嵌入式系统平台的技术水平。

三、平台模式下的学科

（一）平台模式的由来

平台模式是知识经济时代的一种基本的产业、科技模式，是人类知识分离性规律、集成性规律发展到高级阶段上的必然现象。它将一体化的产业、科技模式变革为知识平台媒介下的平台模式。只要对比上世纪60年代收音机产业与90年代的VCD/DVD产业，就会发现一体化产业模式与平台产业模式的本质差异。

（二）嵌入式系统的平台模式

按照知识的分离性发展规律，知识创新者不从事知识应用，知识应用者不需要了解创新知识原理；按照集成性发展规律要求，知识创新者应该将创新知识成果集成到工具之中，转化为知识平台，知识应用者应该在知识平台基础上实现创新知识应用。对象学科领域是嵌入式系统的最终用户，对象学科领域的电子技术应用工程师应该在一个现成的嵌入式系统平台上实现嵌入式应用系统设计。微电子学科、嵌入式计算机学科、电子技术学科（非对象学科领域中的应用工程师）不是嵌入式系统最终用户，这些学科的重要任务是将创新科技成果转化成形形的知识平台。

（三）平台模式下的学科定位与分工

嵌入式系统中四个支柱学科的定位，除了学科知识结构的定位外，还要体现出在知识平台模式中的定位。这种平台模式的定位，是一种3+1的定位。即微电子学科、计算机学科、电子技术学科为嵌入式应用构筑各种类型的应用平台，不介入嵌入式系统的具体应用；对象学科一定要在嵌入式系统应用平台基础上，实现嵌入式系统在本学科领域中的产品化应用，不必介入嵌入式系统的平台构建。

嵌入式系统是一个无限大的空间，不论是嵌入式系统平台构建还是嵌入式系统平台应用，都有无限广阔的发展空间，关键是把握好自己的“定位”与“分工”，了解学科的“交叉”与“融合”。

参考文献

[1]何立民。嵌入式系统的产业模式[J].单片机与嵌入式系统应用，2006,（1）。