ARM的嵌入式無線通信實驗設計
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摘要:在工業(yè)4.0時代,市場對高端計算機人才的需求居高不下,計算機專業(yè)應在理論教學同時,注重學生實踐能力的培養(yǎng),實驗是實踐教育的關鍵措施之一。本文將基于arm的嵌入式無線通信實驗設計為研究對象,從基于ARM的嵌入式無線通信實驗特點入手,以BootLoader、uClinbux根文件系統(tǒng)與視頻通信系統(tǒng)為例,論述實驗設計要點,為高校教師提供成功經(jīng)驗參考。
關鍵詞:ARM；嵌入式系統(tǒng)；無線通信
前言
在高校計算機專業(yè)中,嵌入式系統(tǒng)課程屬于軟硬協(xié)同設計課程,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)課程實驗設計中,高校教師以嵌入式系統(tǒng)實驗為主,并未將嵌入式系統(tǒng)與行業(yè)先進技術整合。就此,基于ARM的嵌入式系統(tǒng)無線通信實驗設計具有鮮明現(xiàn)實意義,可將嵌入式系統(tǒng)與無線通信技術整合,滿足當前萬物互聯(lián)的通信需求,有效發(fā)展學生實踐素養(yǎng)。
1基于ARM的嵌入式無線通信實驗特點
1.1實驗系統(tǒng)配置
在基于ARM的嵌入式系統(tǒng)無線通信實驗中,實驗系統(tǒng)配置為實驗設計的基礎。通常來說,嵌入式系統(tǒng)的配置如下:(1)PC機,即計算機硬件設備,是無線通信實驗系統(tǒng)的控制端,負責輸入/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)的運行程序,負責根據(jù)輸入的命令執(zhí)行程序,如通過程序運行實現(xiàn)PC機和GPRS終端的數(shù)據(jù)通信;(3)GPRS終端,主機輸入命令的最終執(zhí)行者,在實施無線網(wǎng)接入等通信功能時,均由GPRS終端的外接天線負責。通常來說,可利用GPRS的RS232接口,連接嵌入式系統(tǒng)的實驗開發(fā)板,保障通信實驗過程中各項數(shù)據(jù)的有效聯(lián)通,為實驗的有序進行提供保障[1]。
1.2系統(tǒng)平臺建構要求
在建構實驗系統(tǒng)平臺時,嵌入式系統(tǒng)的配置選擇為重點,具體要求如下:在實驗開發(fā)板選擇中,優(yōu)先選擇ARM微處理器,該設備具有低功耗、體積小、性能優(yōu)異、應用靈活、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)絡接入設備選擇中,優(yōu)先選擇GPRS網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡具有傳輸速率高、安全性強、支持多種傳輸技術等優(yōu)勢。
1.3系統(tǒng)平臺應用優(yōu)勢
在明確實驗系統(tǒng)配置的基礎上,可構建完善的嵌入式無線通信實驗系統(tǒng),實踐應用呈現(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)無線通信實驗設計中,便于實驗系統(tǒng)的更新升級,為高校教師拓展實驗項目提供支持。(2)以uClinux操作系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng),可為高校教師設計無線通信實驗提供更廣闊的空間,豐富無線通信實驗的內(nèi)容,拓展無線通信實驗的功能,切實發(fā)揮實踐教學的作用。(3)維護成本低。在嵌入式系統(tǒng)廣泛應用的當下,無線通信實驗項目設計應用的芯片市場價格相對穩(wěn)定,高校投入的建設成本與運維成本相對較低。(4)GPS模塊功能豐富。在高校計算機專業(yè)教學中,GPS模塊不僅可用于嵌入式無線通信實驗項目,還可通過無線與Internet網(wǎng)連接,設計其他無線網(wǎng)應用實驗。(5)無線通信實驗項目范圍廣。在計算機行業(yè)的迅猛發(fā)展下,行業(yè)理論與技術發(fā)展較快,無線通信實驗項目可利用嵌入式系統(tǒng)與GPS模塊進行功能拓展,滿足多種實驗項目的設計需求,為高校教師開展嵌入式系統(tǒng)課程實驗提供技術支持[2]。
2基于ARM的嵌入式無線通信實驗案例
本文以嵌入式系統(tǒng)中的基礎概念BootLoader、uClinux根文件與視頻通信系統(tǒng)為例,總結基于ARM的嵌入式無線通信實驗設計要點,為高校教師開展相關工作提供成功經(jīng)驗參考。
2.1實驗設計目的
在高校嵌入式系統(tǒng)課程中,BootLoader為基礎部分,該理論與硬件息息相關,通過BootLoader結構、原理等知識的學習及BootLoader程序的編寫練習,可幫助學生深入認識嵌入式系統(tǒng),加深學生對嵌入式系統(tǒng)相關知識的認識。同時,在嵌入式系統(tǒng)課程教學中,uClinux的根文件系統(tǒng)為重要實驗項目,學生對uClinux根文件系統(tǒng)實驗的掌握程度,直接影響后續(xù)應用程序設計實驗的操作水平?？梢赃@樣說,BootLoader與uClinux根文件系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)軟硬件相關知識的基礎,將這兩者為核心,進行無線通信實驗的設計,可幫助學生熟悉上述配置的實驗系統(tǒng)平臺,明確ARM的體系結構特點及啟動初始化過程,確保學生可在程序編寫中熟練應用Thumb指令及C編寫初始化程序[3]。
2.2BootLoader實驗
2.2.1實驗方案設計(1)實驗目標:在無線通信實驗設計前,應結合知識特點與實踐要求,明確實驗目標,為實驗設計與學生操作提供指導。對于BootLoader實驗來說,要求學生掌握如下實踐操作:第一,ARM的初始化操作,包括各類寄存器、堆棧及SDRAM等;第二,外圍設備的初始化,包括實驗系統(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)的運輸、操作系統(tǒng)的應用等。(2)總體設計方案:在嵌入式系統(tǒng)教學中,BootLoader程序的編寫應以程序任務和程序工作為核心。因BootLoader程序的執(zhí)行與CPU體系結構聯(lián)系密切。對于不同的CPU體系結構,應編寫不同BootLoader代碼。在此基礎上,如全部使用匯編進行代碼編寫,會使BootLoader程序具備較高局限性,不可將其移植至其他CPU。就此,在本文設計的無線通信實驗項目中,將BootLoader程序設計實驗劃分為stage1和stage2兩部分。與CPU體系結構相關的代碼,如設備初始化代碼等,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,要求學生用C語言來實現(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實驗方案實施在明確上述實驗設計方案后,學生按照教師要求的操作步驟進行實驗。以硬件設備初始化處理為例,學生實施的操作包括中斷的屏蔽、CPU速度與時鐘頻率的設置、堆棧及RAM的初始化。在學生完成內(nèi)核的調(diào)用后,表明BootLoader程序設計實驗順利完成。
2.3uClinux根文件實驗
2.3.1實驗方案設計在嵌入式無線通信實驗項目中,uClinux根文件實驗的實驗目標如下:要求學生在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。在實驗設計中,操作步驟與注意要點如下:(1)構建arm-Linux交叉開發(fā)環(huán)境。在實驗過程中,利用uClinux開發(fā)調(diào)試應用程序時,宿主機交叉開發(fā)環(huán)境的構建為基礎環(huán)節(jié),確保宿主機可編譯生成支持實驗開發(fā)板運行的代碼。(2)選擇ARM交叉編譯器。在uClinux根文件實驗中,ARM交叉編譯器負責在PC機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根文件實驗中,當交叉開發(fā)環(huán)境與交叉編譯器配置完成后,應在主機上執(zhí)行以下命令:sharm-elf-tools-20030314.sh。在此基礎上,可在計算機上完成uClinux-ARM交叉編譯環(huán)境的建構,學生應對uClinux內(nèi)核進行重新編譯,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)。在構建的uClinux根文件開發(fā)環(huán)境中,結合教師下發(fā)的程序任務,進行uClinux根文件的生成操作。
2.3.2實驗方案實施學生按照上述實驗步驟完成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,完成實驗操作。在主機退出程序設計界面,轉(zhuǎn)至Windows環(huán)境后,打開串口調(diào)試工具,合理配置對應的接口,完成連接后,啟動實驗板,完成BootLoader程序相關信息的打印,并輸入命令mrun,即可啟動設計的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)無線通信實驗。
2.4視頻通信系統(tǒng)實驗
通過上述實驗,學生對嵌入式系統(tǒng)有較為深入的理解,初步掌握嵌入式無線通信實驗項目操作的要點。教師可結合無線通信技術發(fā)展現(xiàn)狀,選擇合適的嵌入式無線通信實驗項目主題,設計拓展性實驗,要求學生利用學習的知識與掌握的實踐技能,完成視頻通信系統(tǒng)的設計[4]。
2.4.1實驗目標在視頻通信系統(tǒng)實驗中,要求學生掌握基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設計要點,明確Linux與uClinux的異同點,利用Linux系統(tǒng)完成視頻通信系統(tǒng)的設計,掌握無線通信技術與嵌入式系統(tǒng)的整合方式,拓展學生的設計思維,提高學生的實踐操作能力。
2.4.2實驗設計(1)總體設計方案:在視頻通信系統(tǒng)實驗中,教師為學生配置無線通信設備、ARM裝置及對應的節(jié)點硬件。在軟件設計中,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)功能設計:在明確上述軟硬件配置的基礎上,教師應以視頻通信系統(tǒng)的功能設計為要點,組織學生在系統(tǒng)配置視頻通信過程中各項功能的運行程序,保障無線通信實驗項目的有效實施。細化來說,視頻通信系統(tǒng)的功能設計應涵蓋視頻采集功能、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)程序設計的基礎上,教師可將學生劃分為若干個小組,各個小組進行項目的分工合作,明確項目建設中每個學生負責的部分,確保所有學生均參與嵌入式無線通信實驗項目,提高實驗教學有效性。在視頻通信系統(tǒng)設計實驗項目中,因視頻通信系統(tǒng)配置多項功能,各小組可安排一名學生負責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)的設計,使學生掌握嵌入式系統(tǒng)與無線通信技術整合的理論與實踐知識,屬于成功的嵌入式無線通信實驗設計,值得借鑒學習。
3結語
綜上所述,在計算機專業(yè)教學中,基于ARM的嵌入式系統(tǒng)無線通信實驗可整合學生的理論與實踐,發(fā)展學生綜合素養(yǎng)。在實驗設計中,高校教師應合理配置實驗系統(tǒng),為學生創(chuàng)造合理實驗環(huán)境;結合嵌入式系統(tǒng)相關知識與無線通信技術發(fā)展現(xiàn)狀,選擇合適無線通信實驗項目主題,明確實驗設計目標,設計規(guī)范實驗操作步驟,切實發(fā)揮無線通信實驗項目作用,培養(yǎng)更多優(yōu)秀計算機人才。
參考文獻
[1]周錦陽,吳哲,宋廣.基于嵌入式Linux的視頻通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].艦船電子工程,2019,39(10):101-105.
[2]周錦陽,曲良東,宋廣,等.基于嵌入式的AdHoc視頻通信平臺設計[J].電子設計工程,2019,27(14):130-134.
[3]周錦陽,宋廣.基于嵌入式的移動自組織網(wǎng)絡通信平臺設計[J].無線電工程,2019,49(4):288-292.
[4]陳文偉,于卓智,張葉峰.基于Linux系統(tǒng)的智慧安全型專網(wǎng)無線通信模塊設計[J].電子設計工程,2019,27(5):121-126.
[5]李廣壘.基于ARM的智能語音車載終端技術開發(fā)及應用[J].數(shù)字通信世界,2019(1):188.
作者：陳志標 單位：福建師范大學協(xié)和學院