ARM的嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
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摘要:在工業(yè)4.0時代,市場對高端計(jì)算機(jī)人才的需求居高不下,計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)在理論教學(xué)同時,注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng),實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐教育的關(guān)鍵措施之一。本文將基于arm的嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為研究對象,從基于ARM的嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)入手,以BootLoader、uClinbux根文件系統(tǒng)與視頻通信系統(tǒng)為例,論述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn),為高校教師提供成功經(jīng)驗(yàn)參考。
關(guān)鍵詞:ARM；嵌入式系統(tǒng)；無線通信
前言
在高校計(jì)算機(jī)專業(yè)中,嵌入式系統(tǒng)課程屬于軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)課程,為專業(yè)核心課程,理論知識較豐富,覆蓋范圍較廣。但在嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,高校教師以嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主,并未將嵌入式系統(tǒng)與行業(yè)先進(jìn)技術(shù)整合。就此,基于ARM的嵌入式系統(tǒng)無線通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有鮮明現(xiàn)實(shí)意義,可將嵌入式系統(tǒng)與無線通信技術(shù)整合,滿足當(dāng)前萬物互聯(lián)的通信需求,有效發(fā)展學(xué)生實(shí)踐素養(yǎng)。
1基于ARM的嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)
1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置
在基于ARM的嵌入式系統(tǒng)無線通信實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。通常來說,嵌入式系統(tǒng)的配置如下:(1)PC機(jī),即計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備,是無線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制端,負(fù)責(zé)輸入/輸出信息、接收命令,如操作反饋信息、硬件信息等;(2)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板,為uClinux操作系統(tǒng)的運(yùn)行程序,負(fù)責(zé)根據(jù)輸入的命令執(zhí)行程序,如通過程序運(yùn)行實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和GPRS終端的數(shù)據(jù)通信;(3)GPRS終端,主機(jī)輸入命令的最終執(zhí)行者,在實(shí)施無線網(wǎng)接入等通信功能時,均由GPRS終端的外接天線負(fù)責(zé)。通常來說,可利用GPRS的RS232接口,連接嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)板,保障通信實(shí)驗(yàn)過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的有效聯(lián)通,為實(shí)驗(yàn)的有序進(jìn)行提供保障[1]。
1.2系統(tǒng)平臺建構(gòu)要求
在建構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺時,嵌入式系統(tǒng)的配置選擇為重點(diǎn),具體要求如下:在實(shí)驗(yàn)開發(fā)板選擇中,優(yōu)先選擇ARM微處理器,該設(shè)備具有低功耗、體積小、性能優(yōu)異、應(yīng)用靈活、執(zhí)行效率高等優(yōu)勢。在嵌入式操作系統(tǒng)選擇中,優(yōu)先選擇uClinux系統(tǒng),該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的移植性,可支持多種文件系統(tǒng),體積小、適用范圍廣。在無線網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備選擇中,優(yōu)先選擇GPRS網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速率高、安全性強(qiáng)、支持多種傳輸技術(shù)等優(yōu)勢。
1.3系統(tǒng)平臺應(yīng)用優(yōu)勢
在明確實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)上,可構(gòu)建完善的嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)踐應(yīng)用呈現(xiàn)如下優(yōu)勢,可推廣普及。(1)可與多種接口連接,如USB、LCD、SM等。在后續(xù)無線通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,便于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的更新升級,為高校教師拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供支持。(2)以uClinux操作系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng),可為高校教師設(shè)計(jì)無線通信實(shí)驗(yàn)提供更廣闊的空間,豐富無線通信實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,拓展無線通信實(shí)驗(yàn)的功能,切實(shí)發(fā)揮實(shí)踐教學(xué)的作用。(3)維護(hù)成本低。在嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的當(dāng)下,無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用的芯片市場價格相對穩(wěn)定,高校投入的建設(shè)成本與運(yùn)維成本相對較低。(4)GPS模塊功能豐富。在高校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中,GPS模塊不僅可用于嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,還可通過無線與Internet網(wǎng)連接,設(shè)計(jì)其他無線網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。(5)無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目范圍廣。在計(jì)算機(jī)行業(yè)的迅猛發(fā)展下,行業(yè)理論與技術(shù)發(fā)展較快,無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可利用嵌入式系統(tǒng)與GPS模塊進(jìn)行功能拓展,滿足多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求,為高校教師開展嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)支持[2]。
2基于ARM的嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)案例
本文以嵌入式系統(tǒng)中的基礎(chǔ)概念BootLoader、uClinux根文件與視頻通信系統(tǒng)為例,總結(jié)基于ARM的嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn),為高校教師開展相關(guān)工作提供成功經(jīng)驗(yàn)參考。
2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的
在高校嵌入式系統(tǒng)課程中,BootLoader為基礎(chǔ)部分,該理論與硬件息息相關(guān),通過BootLoader結(jié)構(gòu)、原理等知識的學(xué)習(xí)及BootLoader程序的編寫練習(xí),可幫助學(xué)生深入認(rèn)識嵌入式系統(tǒng),加深學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識的認(rèn)識。同時,在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中,uClinux的根文件系統(tǒng)為重要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生對uClinux根文件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的掌握程度,直接影響后續(xù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的操作水平?？梢赃@樣說,BootLoader與uClinux根文件系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)軟硬件相關(guān)知識的基礎(chǔ),將這兩者為核心,進(jìn)行無線通信實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),可幫助學(xué)生熟悉上述配置的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺,明確ARM的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及啟動初始化過程,確保學(xué)生可在程序編寫中熟練應(yīng)用Thumb指令及C編寫初始化程序[3]。
2.2BootLoader實(shí)驗(yàn)
2.2.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo):在無線通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前,應(yīng)結(jié)合知識特點(diǎn)與實(shí)踐要求,明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與學(xué)生操作提供指導(dǎo)。對于BootLoader實(shí)驗(yàn)來說,要求學(xué)生掌握如下實(shí)踐操作:第一,ARM的初始化操作,包括各類寄存器、堆棧及SDRAM等;第二,外圍設(shè)備的初始化,包括實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的串口、I/O口及網(wǎng)口等;第三,時鐘頻率的初始化;第四,操作系統(tǒng)的操作,包括操作系統(tǒng)的下載、FLASH與SDRAM間數(shù)據(jù)的運(yùn)輸、操作系統(tǒng)的應(yīng)用等。(2)總體設(shè)計(jì)方案:在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中,BootLoader程序的編寫應(yīng)以程序任務(wù)和程序工作為核心。因BootLoader程序的執(zhí)行與CPU體系結(jié)構(gòu)聯(lián)系密切。對于不同的CPU體系結(jié)構(gòu),應(yīng)編寫不同BootLoader代碼。在此基礎(chǔ)上,如全部使用匯編進(jìn)行代碼編寫,會使BootLoader程序具備較高局限性,不可將其移植至其他CPU。就此,在本文設(shè)計(jì)的無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,將BootLoader程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)劃分為stage1和stage2兩部分。與CPU體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼,如設(shè)備初始化代碼等,統(tǒng)一置于stage1中,在代碼編寫時,均采用匯編語言,以此減少程序的占用空間。在stage2程序代碼編寫中,要求學(xué)生用C語言來實(shí)現(xiàn),便于BootLoader程序的后續(xù)拓展與更新升級,提高代碼可讀性和可移植性。
2.2.2實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施在明確上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案后,學(xué)生按照教師要求的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以硬件設(shè)備初始化處理為例,學(xué)生實(shí)施的操作包括中斷的屏蔽、CPU速度與時鐘頻率的設(shè)置、堆棧及RAM的初始化。在學(xué)生完成內(nèi)核的調(diào)用后,表明BootLoader程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)順利完成。
2.3uClinux根文件實(shí)驗(yàn)
2.3.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)在嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,uClinux根文件實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)如下:要求學(xué)生在Linux環(huán)境下完成內(nèi)核映象文件zimage和根文件系統(tǒng)映象文件romfs.img的制作。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,操作步驟與注意要點(diǎn)如下:(1)構(gòu)建arm-Linux交叉開發(fā)環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)過程中,利用uClinux開發(fā)調(diào)試應(yīng)用程序時,宿主機(jī)交叉開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建為基礎(chǔ)環(huán)節(jié),確保宿主機(jī)可編譯生成支持實(shí)驗(yàn)開發(fā)板運(yùn)行的代碼。(2)選擇ARM交叉編譯器。在uClinux根文件實(shí)驗(yàn)中,ARM交叉編譯器負(fù)責(zé)在PC機(jī)上編譯生成支持微處理器操作系統(tǒng)的內(nèi)核。(3)執(zhí)行命令。在uClinux根文件實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)交叉開發(fā)環(huán)境與交叉編譯器配置完成后,應(yīng)在主機(jī)上執(zhí)行以下命令:sharm-elf-tools-20030314.sh。在此基礎(chǔ)上,可在計(jì)算機(jī)上完成uClinux-ARM交叉編譯環(huán)境的建構(gòu),學(xué)生應(yīng)對uClinux內(nèi)核進(jìn)行重新編譯,生成操作系統(tǒng)內(nèi)核和ROMFS根文件系統(tǒng)。(4)生成uClinux文件系統(tǒng)。在構(gòu)建的uClinux根文件開發(fā)環(huán)境中,結(jié)合教師下發(fā)的程序任務(wù),進(jìn)行uClinux根文件的生成操作。
2.3.2實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施學(xué)生按照上述實(shí)驗(yàn)步驟完成uClinux根文件的生成操作后,利用局域網(wǎng)將壓縮內(nèi)核印象文件及根文件系統(tǒng)印象文件傳輸?shù)介_發(fā)板的SDRAM中,再由BootLoader程序傳輸至FLASH,完成實(shí)驗(yàn)操作。在主機(jī)退出程序設(shè)計(jì)界面,轉(zhuǎn)至Windows環(huán)境后,打開串口調(diào)試工具,合理配置對應(yīng)的接口,完成連接后,啟動實(shí)驗(yàn)板,完成BootLoader程序相關(guān)信息的打印,并輸入命令mrun,即可啟動設(shè)計(jì)的uclinux開發(fā)環(huán)境,在sash提示符后輸入命令:LS,可在界面觀看到操作系統(tǒng)的所有目錄,便于后續(xù)無線通信實(shí)驗(yàn)。
2.4視頻通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
通過上述實(shí)驗(yàn),學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)有較為深入的理解,初步掌握嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作的要點(diǎn)。教師可結(jié)合無線通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,選擇合適的嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主題,設(shè)計(jì)拓展性實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生利用學(xué)習(xí)的知識與掌握的實(shí)踐技能,完成視頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[4]。
2.4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)在視頻通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中,要求學(xué)生掌握基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn),明確Linux與uClinux的異同點(diǎn),利用Linux系統(tǒng)完成視頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì),掌握無線通信技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)的整合方式,拓展學(xué)生的設(shè)計(jì)思維,提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力。
2.4.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(1)總體設(shè)計(jì)方案:在視頻通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中,教師為學(xué)生配置無線通信設(shè)備、ARM裝置及對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)硬件。在軟件設(shè)計(jì)中,采集端的程序流程如下:采集并壓縮視頻圖像→將壓縮圖片存儲于緩存區(qū)→顯示視頻圖像→向接收端發(fā)送連接請求→發(fā)送視頻圖像;接收端的程序流程如下:響應(yīng)采集端發(fā)送的連接請求→與采集端連接→接收視頻圖像→顯示視頻圖像。(2)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì):在明確上述軟硬件配置的基礎(chǔ)上,教師應(yīng)以視頻通信系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)為要點(diǎn),組織學(xué)生在系統(tǒng)配置視頻通信過程中各項(xiàng)功能的運(yùn)行程序,保障無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的有效實(shí)施。細(xì)化來說,視頻通信系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)應(yīng)涵蓋視頻采集功能、視頻壓縮功能、視頻傳輸功能、視頻顯示功能[5]。在明確系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,教師可將學(xué)生劃分為若干個小組,各個小組進(jìn)行項(xiàng)目的分工合作,明確項(xiàng)目建設(shè)中每個學(xué)生負(fù)責(zé)的部分,確保所有學(xué)生均參與嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性。在視頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,因視頻通信系統(tǒng)配置多項(xiàng)功能,各小組可安排一名學(xué)生負(fù)責(zé)一個功能模塊的編程工作,完成后小組討論完善,共同完成視頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì),使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)與無線通信技術(shù)整合的理論與實(shí)踐知識,屬于成功的嵌入式無線通信實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),值得借鑒學(xué)習(xí)。
3結(jié)語
綜上所述,在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中,基于ARM的嵌入式系統(tǒng)無線通信實(shí)驗(yàn)可整合學(xué)生的理論與實(shí)踐,發(fā)展學(xué)生綜合素養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,高校教師應(yīng)合理配置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),為學(xué)生創(chuàng)造合理實(shí)驗(yàn)環(huán)境;結(jié)合嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識與無線通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,選擇合適無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主題,明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作步驟,切實(shí)發(fā)揮無線通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作用,培養(yǎng)更多優(yōu)秀計(jì)算機(jī)人才。
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作者：陳志標(biāo) 單位：福建師范大學(xué)協(xié)和學(xué)院