ARM的嵌入式无线通信实验设计

摘要:在工业4.0时代,市场对高端计算机人才的需求居高不下,计算机专业应在理论教学同时,注重学生实践能力的培养,实验是实践教育的关键措施之一。本文将基于ARM的嵌入式无线通信实验设计为研究对象,从基于ARM的嵌入式无线通信实验特点入手,以BootLoader、uClinbux根文件系统与视频通信系统为例,论述实验设计要点,为高校教师提供成功经验参考。

关键词:ARM；嵌入式系统；无线通信

前言

在高校计算机专业中,嵌入式系统课程属于软硬协同设计课程,为专业核心课程,理论知识较丰富,覆盖范围较广。但在嵌入式系统课程实验设计中,高校教师以嵌入式系统实验为主,并未将嵌入式系统与行业先进技术整合。就此,基于ARM的嵌入式系统无线通信实验设计具有鲜明现实意义,可将嵌入式系统与无线通信技术整合,满足当前万物互联的通信需求,有效发展学生实践素养。

1基于ARM的嵌入式无线通信实验特点

1.1实验系统配置

在基于ARM的嵌入式系统无线通信实验中,实验系统配置为实验设计的基础。通常来说,嵌入式系统的配置如下:(1)PC机,即计算机硬件设备,是无线通信实验系统的控制端,负责输入/输出信息、接收命令,如操作反馈信息、硬件信息等;(2)嵌入式系统开发板,为uClinux操作系统的运行程序,负责根据输入的命令执行程序,如通过程序运行实现PC机和GPRS终端的数据通信;(3)GPRS终端,主机输入命令的最终执行者,在实施无线网接入等通信功能时,均由GPRS终端的外接天线负责。通常来说,可利用GPRS的RS232接口,连接嵌入式系统的实验开发板,保障通信实验过程中各项数据的有效联通,为实验的有序进行提供保障[1]。

1.2系统平台建构要求

在建构实验系统平台时,嵌入式系统的配置选择为重点,具体要求如下:在实验开发板选择中,优先选择ARM微处理器,该设备具有低功耗、体积小、性能优异、应用灵活、执行效率高等优势。在嵌入式操作系统选择中,优先选择uClinux系统,该系统具有较强的移植性,可支持多种文件系统,体积小、适用范围广。在无线网络接入设备选择中,优先选择GPRS网络,该网络具有传输速率高、安全性强、支持多种传输技术等优势。

1.3系统平台应用优势

在明确实验系统配置的基础上,可构建完善的嵌入式无线通信实验系统,实践应用呈现如下优势,可推广普及。(1)可与多种接口连接,如USB、LCD、SM等。在后续无线通信实验设计中,便于实验系统的更新升级,为高校教师拓展实验项目提供支持。(2)以uClinux操作系统为嵌入式系统,可为高校教师设计无线通信实验提供更广阔的空间,丰富无线通信实验的内容,拓展无线通信实验的功能,切实发挥实践教学的作用。(3)维护成本低。在嵌入式系统广泛应用的当下,无线通信实验项目设计应用的芯片市场价格相对稳定,高校投入的建设成本与运维成本相对较低。(4)GPS模块功能丰富。在高校计算机专业教学中,GPS模块不仅可用于嵌入式无线通信实验项目,还可通过无线与Internet网连接,设计其他无线网应用实验。(5)无线通信实验项目范围广。在计算机行业的迅猛发展下,行业理论与技术发展较快,无线通信实验项目可利用嵌入式系统与GPS模块进行功能拓展,满足多种实验项目的设计需求,为高校教师开展嵌入式系统课程实验提供技术支持[2]。

2基于ARM的嵌入式无线通信实验案例

本文以嵌入式系统中的基础概念BootLoader、uClinux根文件与视频通信系统为例,总结基于ARM的嵌入式无线通信实验设计要点,为高校教师开展相关工作提供成功经验参考。

2.1实验设计目的

在高校嵌入式系统课程中,BootLoader为基础部分,该理论与硬件息息相关,通过BootLoader结构、原理等知识的学习及BootLoader程序的编写练习,可帮助学生深入认识嵌入式系统,加深学生对嵌入式系统相关知识的认识。同时,在嵌入式系统课程教学中,uClinux的根文件系统为重要实验项目,学生对uClinux根文件系统实验的掌握程度,直接影响后续应用程序设计实验的操作水平。可以这样说,BootLoader与uClinux根文件系统为嵌入式系统软硬件相关知识的基础,将这两者为核心,进行无线通信实验的设计,可帮助学生熟悉上述配置的实验系统平台,明确ARM的体系结构特点及启动初始化过程,确保学生可在程序编写中熟练应用Thumb指令及C编写初始化程序[3]。

2.2BootLoader实验

2.2.1实验方案设计(1)实验目标:在无线通信实验设计前,应结合知识特点与实践要求,明确实验目标,为实验设计与学生操作提供指导。对于BootLoader实验来说,要求学生掌握如下实践操作:第一,ARM的初始化操作,包括各类寄存器、堆栈及SDRAM等;第二,设备的初始化,包括实验系统中的串口、I/O口及网口等;第三,时钟频率的初始化;第四,操作系统的操作,包括操作系统的下载、FLASH与SDRAM间数据的运输、操作系统的应用等。(2)总体设计方案:在嵌入式系统教学中,BootLoader程序的编写应以程序任务和程序工作为核心。因BootLoader程序的执行与CPU体系结构联系密切。对于不同的CPU体系结构,应编写不同BootLoader代码。在此基础上,如全部使用汇编进行代码编写,会使BootLoader程序具备较高局限性,不可将其移植至其他CPU。就此,在本文设计的无线通信实验项目中,将BootLoader程序设计实验划分为stage1和stage2两部分。与CPU体系结构相关的代码,如设备初始化代码等,统一置于stage1中,在代码编写时,均采用汇编语言,以此减少程序的占用空间。在stage2程序代码编写中,要求学生用C语言来实现,便于BootLoader程序的后续拓展与更新升级,提高代码可读性和可移植性。

2.2.2实验方案实施在明确上述实验设计方案后,学生按照教师要求的操作步骤进行实验。以硬件设备初始化处理为例,学生实施的操作包括中断的屏蔽、CPU速度与时钟频率的设置、堆栈及RAM的初始化。在学生完成内核的调用后,表明BootLoader程序设计实验顺利完成。

2.3uClinux根文件实验

2.3.1实验方案设计在嵌入式无线通信实验项目中,uClinux根文件实验的实验目标如下:要求学生在Linux环境下完成内核映象文件zimage和根文件系统映象文件romfs.img的制作。在实验设计中,操作步骤与注意要点如下:(1)构建arm-Linux交叉开发环境。在实验过程中,利用uClinux开发调试应用程序时,宿主机交叉开发环境的构建为基础环节,确保宿主机可编译生成支持实验开发板运行的代码。(2)选择ARM交叉编译器。在uClinux根文件实验中,ARM交叉编译器负责在PC机上编译生成支持微处理器操作系统的内核。(3)执行命令。在uClinux根文件实验中,当交叉开发环境与交叉编译器配置完成后,应在主机上执行以下命令:sharm-elf-tools-20030314.sh。在此基础上,可在计算机上完成uClinux-ARM交叉编译环境的建构,学生应对uClinux内核进行重新编译,生成操作系统内核和ROMFS根文件系统。(4)生成uClinux文件系统。在构建的uClinux根文件开发环境中,结合教师下发的程序任务,进行uClinux根文件的生成操作。

2.3.2实验方案实施学生按照上述实验步骤完成uClinux根文件的生成操作后,利用局域网将压缩内核印象文件及根文件系统印象文件传输到开发板的SDRAM中,再由BootLoader程序传输至FLASH,完成实验操作。在主机退出程序设计界面,转至Windows环境后,打开串口调试工具,合理配置对应的接口,完成连接后,启动实验板,完成BootLoader程序相关信息的打印,并输入命令mrun,即可启动设计的uclinux开发环境,在sash提示符后输入命令:LS,可在界面观看到操作系统的所有目录,便于后续无线通信实验。

2.4视频通信系统实验

通过上述实验,学生对嵌入式系统有较为深入的理解,初步掌握嵌入式无线通信实验项目操作的要点。教师可结合无线通信技术发展现状,选择合适的嵌入式无线通信实验项目主题,设计拓展性实验,要求学生利用学习的知识与掌握的实践技能,完成视频通信系统的设计[4]。

2.4.1实验目标在视频通信系统实验中,要求学生掌握基于ARM的嵌入式系统设计要点,明确Linux与uClinux的异同点,利用Linux系统完成视频通信系统的设计,掌握无线通信技术与嵌入式系统的整合方式,拓展学生的设计思维,提高学生的实践操作能力。

2.4.2实验设计(1)总体设计方案:在视频通信系统实验中,教师为学生配置无线通信设备、ARM装置及对应的节点硬件。在软件设计中,采集端的程序流程如下:采集并压缩视频图像→将压缩图片存储于缓存区→显示视频图像→向接收端发送连接请求→发送视频图像;接收端的程序流程如下:响应采集端发送的连接请求→与采集端连接→接收视频图像→显示视频图像。(2)系统功能设计:在明确上述软硬件配置的基础上,教师应以视频通信系统的功能设计为要点,组织学生在系统配置视频通信过程中各项功能的运行程序,保障无线通信实验项目的有效实施。细化来说,视频通信系统的功能设计应涵盖视频采集功能、视频压缩功能、视频传输功能、视频显示功能[5]。在明确系统程序设计的基础上,教师可将学生划分为若干个小组,各个小组进行项目的分工合作,明确项目建设中每个学生负责的部分,确保所有学生均参与嵌入式无线通信实验项目,提高实验教学有效性。在视频通信系统设计实验项目中,因视频通信系统配置多项功能,各小组可安排一名学生负责一个功能模块的编程工作,完成后小组讨论完善,共同完成视频通信系统的设计,使学生掌握嵌入式系统与无线通信技术整合的理论与实践知识,属于成功的嵌入式无线通信实验设计,值得借鉴学习。

3结语

综上所述,在计算机专业教学中,基于ARM的嵌入式系统无线通信实验可整合学生的理论与实践,发展学生综合素养。在实验设计中,高校教师应合理配置实验系统,为学生创造合理实验环境;结合嵌入式系统相关知识与无线通信技术发展现状,选择合适无线通信实验项目主题,明确实验设计目标,设计规范实验操作步骤,切实发挥无线通信实验项目作用,培养更多优秀计算机人才。

参考文献

[1]周锦阳,吴哲,宋广.基于嵌入式Linux的视频通信系统设计与实现[J].舰船电子工程,2019,39(10):101-105.

[2]周锦阳,曲良东,宋广,等.基于嵌入式的AdHoc视频通信平台设计[J].电子设计工程,2019,27(14):130-134.

[3]周锦阳,宋广.基于嵌入式的移动自组织网络通信平台设计[J].无线电工程,2019,49(4):288-292.

[4]陈文伟,于卓智,张叶峰.基于Linux系统的智慧安全型专网无线通信模块设计[J].电子设计工程,2019,27(5):121-126.

[5]李广垒.基于ARM的智能语音车载终端技术开发及应用[J].数字通信世界,2019(1):188.

作者：陈志标 单位：福建师范大学协和学院