一種嵌入式技術實訓系統(tǒng)及其實訓方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種嵌入式技術實訓系統(tǒng)及其實訓方法。本發(fā)明是物聯(lián)網綜合實訓臺中的核心而又獨立模塊，作為獨立的智能終端包含了硬件和軟件，可作為電子信息技術專業(yè)或計算機類專業(yè)的嵌入式技術的實訓設備，也可以作為物聯(lián)網項目中的中間傳輸層，可對傳感層設備進行監(jiān)控或通過網絡與上位機交換數(shù)據(jù)；學生可以動手安裝、調試物聯(lián)網項目，并編寫相應程序，更好的綜合理解和掌握嵌入式應用技術。
【專利說明】一種嵌入式技術實訓系統(tǒng)及其實訓方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于物聯(lián)網應用技術及電子信息技術，具體涉及一種嵌入式技術實訓系統(tǒng)及其實訓方法。

【背景技術】
[0002]隨著物聯(lián)網產業(yè)在我國的迅速發(fā)展，企業(yè)對物聯(lián)網相關技術人員的需求逐步增大，各大高等院校都陸續(xù)開設了物聯(lián)網專業(yè)課程，物聯(lián)網企業(yè)也開展了相應的員工培訓。在這些科研教學以及員工培訓中，嵌入式技術的實訓是一個重要的環(huán)節(jié)，但現(xiàn)有的物聯(lián)網教學在缺少一種與嵌入式技術配套的實訓設備以及相應的實訓方法。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種嵌入式技術實訓系統(tǒng)及其實訓方法。本發(fā)明是物聯(lián)網綜合實訓臺中的核心而又獨立模塊，作為獨立的智能終端包含了硬件和軟件，可作為電子信息技術專業(yè)(偏硬)或計算機類專業(yè)(偏軟)的嵌入式技術的實訓設備，也可以作為物聯(lián)網項目中的中間傳輸層，可對傳感層設備進行監(jiān)控或通過網絡與上位機交換數(shù)據(jù)；學生可以動手安裝、調試物聯(lián)網項目，并編寫相應程序，更好的綜合理解和掌握嵌入式應用技術。
[0004]本發(fā)明的技術方案如下:
[0005]一種嵌入式技術實訓系統(tǒng)，包括嵌入式主板，所述嵌入式主板采用微處理器Samsung S5PV210，基于CortexTM_A8，最高可支持1080p@30fps硬件解碼視頻流暢播放，格式可為 MPEG4, H.263，H.264 等，運行主頻 lGHz，DDR2RAM 內存 512M，NAND Flash 256M，采用友善之臂tiny210核心板；IXD采用工業(yè)級真彩7寸，分辨率1024*768 ;所述嵌入式主板由S5PV210核心板、嵌入式系統(tǒng)電源電路、USB Host和USB Slave接口電路、嵌入式系統(tǒng)串口電路、輸入輸出端口控制及SD卡電路、嵌入式系統(tǒng)網絡控制電路、高清音視頻控制電路以及電阻及電容觸摸屏控制電路組成；其中，S5PV210核心板分別與嵌入式系統(tǒng)電源電路、USBHost和USB Slave接口電路、嵌入式系統(tǒng)串口電路、輸入輸出端口控制及SD卡電路、嵌入式系統(tǒng)網絡控制電路、高清音視頻控制電路以及電阻及電容觸摸屏控制電路相連接。
[0006]系統(tǒng)所具有的標準接口資源包括:I個CMOS攝像頭、I個miniHDMI高清接口，I個10/100M自適應以太網RJ45接口，I路3.5mm立體聲音頻輸出接口，I路在板麥克風輸入，I個標準SD卡座。
[0007]系統(tǒng)所具有的板載即用資源包括:1個Wifi，I個PWM控制蜂鳴器，I個可調電阻，用于ADC轉換測試，I個板載實時時鐘備份電池。
[0008]系統(tǒng)所具有的擴充接口資源包括:3個DB9式RS232串口，4路USB Host接口，I路USB slave接口，I路ADC，I路PWM輸出，16個普通GP10，用作輸入輸出控制。
[0009]系統(tǒng)的輸入輸出采用模塊結構，各模塊可任意拼接，包括步進電機模塊，直流電機模塊，LED調光燈模塊，2位LED七段數(shù)碼管模塊，風扇控制模塊，蜂鳴器控制模塊，LED指示燈模塊，鍵盤模塊，光照傳感器模塊，溫濕度檢測模塊。
[0010]本發(fā)明還公開了一種基于上述嵌入式技術實訓系統(tǒng)的實訓方法，包括以下方法:方法一:用非操作系統(tǒng)方法，直接操作GP1控制寄存器；方法二:編寫驅動程序，重新編譯內核，用Qt4.7應用程序控制；方法三:用esclisp編寫APP程序,在Android操作系統(tǒng)下實現(xiàn)；方法四:利用MS eMbedded Visual C++4.0編程,在Windows CE操作系統(tǒng)下實現(xiàn)；方法五:嵌入式系統(tǒng)建立Websevicer,在上位機用瀏覽器實現(xiàn)控制；方法六:嵌入式系統(tǒng)建立Webclient，通過上位機或服務器的界面直接控制；方法七:建立傳感層、傳輸層、應用層的三層結構，嵌入式作為網關通過串口控制Zigbee協(xié)調器，再通過Zigbee協(xié)調器控制終端Zigbee 節(jié)點。
[0011]本發(fā)明的有益技術效果是:
[0012]本發(fā)明實訓系統(tǒng)既可作為智能終端，又可以作為物聯(lián)網項目的移動服務器端用于控制終端節(jié)點、與手機或PC機通信；本發(fā)明涵蓋了嵌入式產品開發(fā)的整個過程，包括了硬件設計、驅動程序的編寫，以及嵌入式應用程序操作系統(tǒng)和非操作系統(tǒng)多平臺開發(fā)程序的過程。同時，把該實訓系統(tǒng)的輸入輸出設備做成模塊形式，每個模塊可以通過連接線相連，用以模擬多種形式的輸入輸出設備，便于組合不同的應用項目，不僅降低了成本，而且方便實現(xiàn)多種真實的物聯(lián)網項目，加強了學生對嵌入式技術的認識，顯著提高了嵌入式技術的應用能力。
[0013]本發(fā)明可應用于國家級專業(yè)資源庫的嵌入式系統(tǒng)課程，并應用于國家級物聯(lián)網應用技術專業(yè)資源庫的《嵌入式系統(tǒng)》課程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的嵌入式系統(tǒng)結構框圖。
[0015]圖2是S5PV210核心板原理圖。
[0016]圖3是嵌入式系統(tǒng)電源原理圖。
[0017]圖4 是 USB Host 和 USB Slave 接口原理圖。
[0018]圖5是嵌入式系統(tǒng)串口、輸入輸出端口控制及SD卡原理圖。
[0019]圖6是嵌入式系統(tǒng)網絡控制原理圖。
[0020]圖7是高清音視頻控制原理圖。
[0021]圖8是電阻及電容觸摸屏控制原理圖。

【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步說明。
[0023]如圖1所示，嵌入式系統(tǒng)結構包括以下幾個部分。
[0024](I)嵌入式主板設計，微處理器Samsung S5PV210,基于CortexTM_A8,最高可支持1080p@30fps硬件解碼視頻流暢播放，格式可為MPEG4，H.263，H.264等，運行主頻1GHz，DDR2 RAM內存512M，NAND Flash 256M，采用友善之臂tiny210核心板；IXD采用工業(yè)級真彩7寸，分辨率1024*768。結構框圖如圖1所示，其各部分的詳細原理圖見2至圖8。
[0025](2)標準接口資源:1個CMOS攝像頭、I個miniHDMI高清接口，I個10/100M自適應以太網RJ45接口(采用DM9000AEP)，I路3.5mm立體聲音頻輸出接口，I路在板麥克風輸入，I個標準SD卡座。
[0026](3)板載即用資源:1個wifi，I個PWM控制蜂鳴器，I個可調電阻，用于ADC轉換測試，I個板載實時時鐘備份電池。
[0027](4)擴充接口資源:3 個 DB9 式 RS232 串口，4 路 USB Host 接口，I 路USB slave 接口，I路ADC，I路PWM輸出，16個普通GP10，用作輸入輸出控制。
[0028](5)軟件支持:An droid 4.0 及以下，Linux-2.6.35+Qt4.7, Windows CE6.0。
[0029](6)輸入輸出模塊開放設計任意拼接，主要有:步進電機模塊，直流電機模塊，LED調光燈模塊，2位LED七段數(shù)碼管模塊，風扇控制模塊，蜂鳴器控制模塊，LED指示燈模塊，鍵盤模塊，光照傳感器模塊，溫濕度檢測模塊。
[0030](7)附件:3G模塊，GPRS模塊，GPS，無線路由器，網線，U盤。
[0031](8)電源輸入5V 1.5A，帶有熔斷絲保護，產生3.3V、1.8V供系統(tǒng)使用。
[0032](9)系統(tǒng)實驗包括基礎實驗和綜合實驗?；A實驗主要有非操作系統(tǒng)和操作系統(tǒng)開發(fā)。
[0033]①基礎實驗:
[0034]主要有:
[0035]1、硬件及相應軟件設計
[0036]核心板設計，I/O端口控制設計及編程，I/O端口控制硬件驅動的編寫，A/D轉換設計及編程，A/D轉換硬件驅動的編寫，USB接口設計，串口接口設計及編程，SD卡接口設計。
[0037]I1、基于Linux系統(tǒng)開發(fā)
[0038]虛擬機，Linux系統(tǒng)安裝，Linux系統(tǒng)基本命令，Linux系統(tǒng)定制和移植，Qt4.7開發(fā)環(huán)境配置，Qt4.7常用控件的使用，Qt4.7串口的使用，Qt4.7硬件驅動的調用。
[0039]II1、基于 Windows CE 系統(tǒng)開發(fā)
[0040]Platform Builder開發(fā)工具的安裝，定制軟件開發(fā)工具包(SDK), MS eMbeddedVisual C++4.0開發(fā)環(huán)境配置，蜂鳴器實驗，IIC總線一溫度實驗，GPRS實驗。
[0041]IV、基于Android系統(tǒng)開發(fā)
[0042]Android系統(tǒng)安裝,Android系統(tǒng)定制和移植,制作啟動SD卡,esclipse的安裝和使用，LED燈控制，光照度的采集，串口的使用，二維碼的識別。
[0043]②綜合實驗:
[0044]1、簡單項目:
[0045]網絡控制(CS結構)一嵌入式系統(tǒng)作為Webclient,計算機為Websevicer,先建立網絡連接，通過PRS、Wifi或3G傳輸數(shù)據(jù)。
[0046]網絡控制(BS結構)一嵌入式系統(tǒng)作為服務器建立Websevicer，計算機或手機通過瀏覽器傳輸數(shù)據(jù)(GPRS、Wif1、3G)。
[0047]傳輸圖像和聲音。
[0048]I1、真實物聯(lián)網項目體系架構(嵌入式系統(tǒng)作為傳輸層):
[0049]智能家居一傳感層(zigbee網絡控制報警器、門鎖、窗簾，讀取智能電表、溫濕度、人體紅外等數(shù)據(jù))、傳輸層(嵌入式建立Websevicer,通過協(xié)調器控制zigbee網絡)、應用層(PC機、手機遠程通過瀏覽器網絡控制)。
[0050]食品溯源一傳感層(讀取超高頻、高頻、低頻射頻卡)、傳輸層(建立Websevicer、數(shù)據(jù)庫和界面設計)、應用層(PC機、手機遠程通過瀏覽器查詢網絡控制)。
[0051]智慧農業(yè)一傳感層(zigbee網絡讀取溫度、濕度、地表溫度、土壤濕度，光照，控制灌溉系統(tǒng)、噴淋等)、傳輸層(建立Webclient，通過協(xié)調器控制zigbee網絡)、應用層(作為Websevicer建立網絡連接,利用ipad等遠程通過網絡控制)。
[0052]智慧交通一傳輸層(建立Webclient接收交通信息，識別紅綠燈、自動泊車，視頻上傳)、應用層(作為Websevicer建立網絡連接，利用PC ipad等遠程通過網絡控制)。
[0053]本發(fā)明具有以下特點:
[0054]一、支持 Android 4.0 及以下操作系統(tǒng)，Linux-2.6.35+Qt4.7, Windows CE6.0 操作系統(tǒng)。
[0055]二、具有多種標準接口，如攝像頭、miniHDMI高清接口、以太網、音視頻、SD卡、板在Wifk觸摸屏等，完成嵌入式豐富功能，利于學生理解嵌入式的各種應用。
[0056]三、本發(fā)明擴充了部分接口。如4個串行口，4個USB接口，用于外接各種輸入輸出設備，如3G、GPRS, GPS、智能電表、Zigbee協(xié)調器、鍵盤、鼠標等，構成較為復雜的嵌入式系統(tǒng)或物聯(lián)網項目。
[0057]四、同時，外接開放式18個GP1接口，用于輸入傳感器信號、及鍵盤等開關量信號，或者步進電機、直流電機、LED燈、數(shù)碼管、繼電器、及蜂鳴器等PWM輸出信號。嵌入式的最大應用就是作為移動智能終端，為了便于更好學生理解和掌握嵌入式硬件和軟件設計，采用項目是教學，讓學生自我搭建各種應用，加深對嵌入式技術的認識。
[0058]五、以嵌入式微處理為核心的電子產品硬件較為復雜，本發(fā)明采用友善之臂的核心板簡化了設計，同時又對嵌入式主要接口電路的設計做了強化，如串口、USB接口的擴展，GP1與各種輸入輸出設備的連接；特別是復雜電路(S5PV210核心板有178各引腳)原理圖設計和印制板的布局、高低頻線路的處理、網絡傳輸線的等長設計，更好的訓練學生硬件設計能力。
[0059]六、以嵌入式微處理為核心的電子產品軟件實現(xiàn)方法多樣，在實訓方法上采用一體化設計。如LED燈的控制(A/D、PWM,串口通信類似)，方法一:用非操作系統(tǒng)方法，直接操作GP1控制寄存器。方法二:編寫驅動程序，重新編譯內核，用Qt4.7應用程序控制。方法三:用esclisp編寫APP程序,在Android操作系統(tǒng)下實現(xiàn)。方法四:利用MS eMbeddedVisual C++4.0編程，在Windows CE操作系統(tǒng)下實現(xiàn)。方法五(BS結構):嵌入式系統(tǒng)建立Websevicer,在上位機用瀏覽器實現(xiàn)控制。方法六(CS結構):嵌入式系統(tǒng)建立Webclient,通過上位機(服務器)的界面直接控制。方法七:建立傳感層、傳輸層、應用層的三層結構，嵌入式作為網關通過串口控制Zigbee協(xié)調器,再通過Zigbee協(xié)調器控制終端Zigbee節(jié)點來控制LED燈的方法。這樣，不僅掌握嵌入式系統(tǒng)的編程而且理解并掌握物聯(lián)網項目的框架結構，嵌入式在物聯(lián)網項目中的應用。
[0060]七、該實訓系統(tǒng)涵蓋了硬件設計、工作寄存器的控制、驅動程序編寫、各個平臺軟件的開發(fā)、嵌入式各種場合典型應用案例，是功能齊全，教學設計先進的教學設備。
[0061]綜上所述，本發(fā)明以嵌入式微處理為核心的電子產品硬件復雜、功能強大，本發(fā)明不僅集成了嵌入式系統(tǒng)的常用接口，而且對串行接口、USB接口、GP1接口進行了擴展，顯著提高電子專業(yè)學生設計嵌入式電子產品的設計電路和繪制印制電路板的能力。
[0062]輸入輸出米用模塊結構，嵌入式系統(tǒng)接口豐富、開放，便于構成較為復雜的嵌入式系統(tǒng)或物聯(lián)網項目，使嵌入式實訓設備和物聯(lián)網實訓設備合二為一，拓寬了本發(fā)明的應用范圍。
[0063]嵌入式智能終端的軟件實現(xiàn)平臺較多，本發(fā)明通過在不同的開發(fā)環(huán)境編寫程序，結合模塊化結構的輸入輸出模塊，以及3G、GPRS等外設，完成相應項目，舉一反三，滾動遞進，提高學生的學生興趣，比較好地讓學生全面掌握嵌入式智能終端控制和嵌入式網絡編程。
[0064]以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明不限于以上實施例。可以理解，本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和構思的前提下直接導出或聯(lián)想到的其他改進和變化，均應認為包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種嵌入式技術實訓系統(tǒng)，其特征在于:包括嵌入式主板，所述嵌入式主板采用微處理器Samsung S5PV210，基于CortexTM_A8，最高可支持1080p@30fps硬件解碼視頻流暢播放，格式可為 MPEG4, H.263，H.264 等，運行主頻 1GHz, DDR2 RAM 內存 512M, NAND Flash256M，采用友善之臂tiny210核心板；LCD采用工業(yè)級真彩7寸，分辨率1024*768 ;所述嵌入式主板由S5PV210核心板、嵌入式系統(tǒng)電源電路、USB Host和USB Slave接口電路、嵌入式系統(tǒng)串口電路、輸入輸出端口控制及SD卡電路、嵌入式系統(tǒng)網絡控制電路、高清音視頻控制電路以及電阻及電容觸摸屏控制電路組成；其中，S5PV210核心板分別與嵌入式系統(tǒng)電源電路、USB Host和USB Slave接口電路、嵌入式系統(tǒng)串口電路、輸入輸出端口控制及SD卡電路、嵌入式系統(tǒng)網絡控制電路、高清音視頻控制電路以及電阻及電容觸摸屏控制電路相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述嵌入式技術實訓系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)所具有的標準接口資源包括:1個CMOS攝像頭、I個miniHDMI高清接口，I個10/100M自適應以太網RJ45接口，I路3.5mm立體聲音頻輸出接口，I路在板麥克風輸入，I個標準SD卡座。
3.根據(jù)權利要求1所述嵌入式技術實訓系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)所具有的板載即用資源包括:I個wifi，I個PWM控制蜂鳴器，I個可調電阻，用于ADC轉換測試，I個板載實時時鐘備份電池。
4.根據(jù)權利要求1所述嵌入式技術實訓系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)所具有的擴充接口資源包括:3 個 DB9 式 RS232 串口，4 路 USB Host 接口，I 路 USB slave 接口，I 路 ADC，I 路 PWM輸出，16個普通GP10，用作輸入輸出控制。
5.根據(jù)權利要求1所述嵌入式技術實訓系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)的輸入輸出采用模塊結構，各模塊可任意拼接，包括步進電機模塊，直流電機模塊，LED調光燈模塊，2位LED七段數(shù)碼管模塊，風扇控制模塊，蜂鳴器控制模塊，LED指示燈模塊，鍵盤模塊，光照傳感器模塊，溫濕度檢測模塊。
6.一種基于權利要求1所述嵌入式技術實訓系統(tǒng)的實訓方法，其特征在于，包括以下方法:方法一:用非操作系統(tǒng)方法，直接操作GP1控制寄存器；方法二:編寫驅動程序，重新編譯內核，用Qt4.7應用程序控制；方法三:用esclisp編寫APP程序,在Android操作系統(tǒng)下實現(xiàn)；方法四:利用MS eMbedded Visual C++4.0編程,在Windows CE操作系統(tǒng)下實現(xiàn)；方法五:嵌入式系統(tǒng)建立Websevicer,在上位機用瀏覽器實現(xiàn)控制；方法六:嵌入式系統(tǒng)建立Webclient，通過上位機或服務器的界面直接控制；方法七:建立傳感層、傳輸層、應用層的三層結構，嵌入式作為網關通過串口控制Zigbee協(xié)調器，再通過Zigbee協(xié)調器控制終端Zigbee節(jié)點。
【文檔編號】G09B19/00GK104240558SQ201410492297
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權日:2014年9月23日
【發(fā)明者】杜偉略, 吳偉, 曹建峰, 談向萍 申請人:無錫職業(yè)技術學院