嵌入式实验设备改进设计初探

摘 要：本文首先指出了目前高等学校电气及计算机类专业实验室使用的嵌入式实验设备在使用过程中出现的问题；进而分析导致产生这些问题的原因，归纳出了嵌入式实验设备的设计缺陷；提出了两套改进设计方案。最后对高校嵌入式实验设备设计和生产厂家提出了中肯的建议，可供使用者、设计和生产厂家在今后改进此类实验设备时参考。

关键词：嵌入式实验设备；物联网实验设备

1 前言

嵌入式实验设备是目前高等学校电气及计算机类专业实验室的必备仪器，当前市场上的此类设备技术上大多不太成熟，在使用过程中出现了各种各样的问题；如何改进嵌入式实验设备的设计缺陷，使之更好用、更耐用，值得使用者、设计和生产厂家认真而深入地思考。

2 嵌入式实验设备在使用过程中出现的问题

2.1 翻盖式和平铺式两种液晶显示器优劣之争

嵌入式实验设备和单片机的最大区别就在于单片机不需操作系统支持，只要将程序目标码写入单片机CPU内部自带的存储器，工作时执行程序目标码就可以了。单片机需要显示各种数据时一般采用发光二极管、数码管、点阵或微型液晶显示器。而嵌入式实验设备可以认为是单片机的升级版，需要Windows CE或Linux操作系统支持，因此嵌入式实验设备除了单片机所具有的所有显示方式外，还要有一个较大的液晶显示器来显示操作系统的桌面。这种液晶显示器有翻盖式和平铺式两种，翻盖式液晶显示器类似于翻盖手机，优点是用户可以自由调整其角度以适合观看，缺点是由于调整次数过多容易导致转轴部分内部的导线接触不良或折断。因此对于个人使用而言，角度一旦调整好后就很少改变，可以选择带有翻盖式液晶显示器的嵌入式实验设备。但是在实验室中使用就不合适了，因为每人的观察角度不同而导致液晶显示器经常被调整，所以损坏率特别高。平铺式液晶显示器是平铺地固定在嵌入式实验设备上，缺点是用户不能调整其角度，观看不方便；优点是损坏率低。

结论：如果个人使用，宜选择带有翻盖式液晶显示器的嵌入式实验设备；如果在实验室供学生使用，宜选择带有平铺式液晶显示器的嵌入式实验设备。

2.2 Windows CE和Linux操作系统之争

嵌入式实验设备在使用过程中出现的最大问题是它移植的Windows CE和Linux操作系统之争。学生做嵌入式基本实验（即不带操作系统的实验）时，嵌入式实验设备就是一台单片机，它的Flash相当于单片机CPU内部自带的存储器。学生在微机上编程，通过JTAG接口将程序目标码下载到嵌入式实验设备中的Flash，工作时执行该程序就可以了。程序目标码下载采用覆盖方式，每个程序的启动地址都是Flash中的同一地址。虽然新的目标码会覆盖旧目标码，但是因为这个下载过程很短，所以不会有什么问题。但是在学生做操作系统移植及编程实验时就会出现两个问题，一是做相同操作系统移植及编程实验，由于学生进度不同，可能导致有的成功、有的失败。换了另一批学生后，由于班级进度的不同，可能老师会安排做操作系统移植后的编程实验，有的学生可以在一个操作系统移植成功的设备上正常开始，有的学生则先要移植操作系统，然后才能开始编程实验，这样肯定又会导致学生的进度不同，甚至会出现学生在规定的时间内不能正常完成实验的情况。二是如果不同班级做不同于上一个班级的操作系统移植及编程实验，会覆盖上一个班级已经移植成功的操作系统，使上一个班级的下一次实验必须从操作系统移植重新开始。

2.3 嵌入式实验设备如何减少和微机的连接线

嵌入式实验设备和微机的连接线多达四个，分别是串行、并行、网络及USB接口。现在很多微机和笔记本电脑上已经没有串行和并行接口，如何减少连接线并使嵌入式实验设备在无串行和并行接口时仍然能够正常使用是值得探讨的问题。

3 导致产生这些问题的原因

导致产生这些问题的原因是嵌入式实验设备中Flash的程序目标码启动地址相同，这是嵌入式实验设备存在的设计缺陷。这种设计方案实现简单，节约成本，目前市场上大多数的嵌入式实验设备都采用此方案。这种设计方案对于个人使用来讲没有任何问题，因为不管用户采用那种操作系统，一旦移植成功一般不会经常改变；但是对于在实验室中面向学生使用时，情况就完全不同了。Flash中的操作系统会处于经常被改变的状态，并且操作系统移植的时间长、步骤多，给学生实验带来很大困扰。

4 嵌入式实验设备改进设计方案

针对嵌入式实验设备存在的设计缺陷而产生的Windows CE和Linux操作系统之争问题，本文提出了以下两套改进设计方案。

方案一、

将嵌入式实验设备中的Flash分为三个区，一是不带操作系统的实验区；二是Windows CE实验区；三是Linux操作系统实验区。启动地址也相应分为三个，这样三个区分开就不会发生相互覆盖的问题了。这个方案的优点是不增加Flash；缺点是地址译码电路需要重新设计并在复杂度上要远高于现有设备，并且不能解决根本问题，因为即使在同一个操作系统区，里面的操作系统有的是移植成功的，有的是没有移植成功的，如果直接在此基础上做编程实验，仍然存在问题。这个方案本身存在的问题是这三个区如何识别，国内有的厂家的做法是用一个拨动开关在三个位置的移动来识别，但是我们在使用过程中经常遇到学生拨错开关而导致三个区内容互相覆盖的情况。所以，方案一不是一个成熟的方案，只不过相对目前一般的嵌入式实验设备来讲有所改进。

方案二采用的方法仍然是将嵌入式实验设备中的Flash分为三个区，即实验区、Windows CE固化区和Linux固化区。实验区即可以写入，也可以读出。一切实验都可以在此区完成，包括不带操作系统的嵌入式基本实验、Windows CE操作系统移植及编程实验、Linux操作系统移植及编程实验。Windows CE固化区设置为只读区，里面固化了已经写好的Windows CE操作系统，当学生做Windows CE平台下的编程实验时，如果实验区内的Windows CE操作系统是好的，则在此基础上直接编程。如果实验区内的Windows CE操作系统不好（即上次使用此设备的学生没有将Windows CE操作系统移植成功、实验区内存放的是基本实验程序目标码或者Linux操作系统），则首先将Windows CE固化区内的操作系统读出并写入实验区再编程。这个时间很短，几乎不会影响实验的正常进行。Linux固化区也设置为只读区，操作方法和Windows CE固化区一样。这样就解决了三种实验方式的冲突问题。为了保证实验区不会覆盖另外两个区，更可靠的方法是用一片Flash单独作为实验区，一切实验均可在此区完成。用两片ROM（只读存储器）分别固化Windows CE和Linux操作系统，当实验区内的Windows CE和Linux操作系统不好时分别从各自所在的ROM中读出，写入到实验区即可。

市场上已经有USB转串行口、USB转并行口及USB转网口的设备，可以把这些设备集成到嵌入式实验设备上，在不降低嵌入式实验设备功能的基础上使之与微机的连接线只剩USB接口线一根，方便了用户的使用，同时使自己的产品在同类产品中更具竞争力。

参考文献

[1]周鸣争.嵌入式系统与应用.中国铁道出版社 [M].北京：2013.

[2]彭曼曼，等.嵌入式系统导论.人民邮电出版社 [M].北京：2008.