专利名称：嵌入式系统教学仪器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种适用于计算机软件系统用教学设备，具体地说是指一种嵌入式系统教学仪器。
背景技术：
嵌入式系统课程的体系结构大致分为实时嵌入式系统导论、嵌入式系统设计和嵌入式系统工程训练三门课程。课程目标是学习嵌入式系统是如何设计和开发的，基本内容从一个系统的细节入手，然后微处理器、编辑器、操作系统和调试工具的选择；接下来，将会研究分割算法如何应用到系统的硬件和软件部分中去。对于还没有过应用经验的计算机系统的学生来说是较为困难的，因此，在高校中开展嵌入式系统教学是非常有必要的，嵌入式系统是一门实践性很强的学科，需要相应的开发平台。现有的嵌入式系统教学，由于所涉及的基本理论比较复杂，学生很难入手，很难在其基础上开发出自己的应用程序；再者，一些嵌入式操作系统和相应的软件开发环境价格比较昂贵，因此限制了嵌入式系统的推广与发展。嵌入式技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域涉及工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、环境监测、机器人等。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种嵌入式系统的教学仪器，通过该教学仪器能够有效提高高校学生对嵌入式系统这门课程的掌握及其应用。本实用新型采用了一种公开源代码的实时多任务内核μC/OS-II，在μC/OS-II技术上扩展了文件管理系统、图形用户接口和同仪器底层硬件的驱动程序，具有较高集成度和性价比的，结构简单，易操作。
本实用新型的嵌入式系统教学仪器，包括PC机和嵌入式系统教学仪器，所述教学仪器由壳体，以及设在壳体正面板上的显示器、操作键盘，以及设在壳体侧面板上的电源插座、串口、USB口、JIAG调试口、网口、电源开关、复位开关，以及安装在壳体内的电路板组成，教学仪器上的串口、USB口、JIAG调试口、网口分别对应连接到PC机的接口上；其中，电路板的电路硬件结构采用基于ARM架构的32位嵌入式微处理器为内核，外围扩展了大容量内存8M SDRAM以及键盘接口电路、液晶屏接口电路、RS232接口电路、USB接口电路，软件结构采用基于μC/OS-II的实时操作系统。
所述的教学仪器，其ARM微处理器选用32位的S3C44B0X芯片，共有160个端子，芯片U3的1-4、137、140-151、153-160端是CPU的地址总线，分别对应连接到U6、U7、U8、U9、U13的地址端上，119-136端是CPU的数据总线，分别对应连接到U6、U7、U8、U9、U13的数据输入端上，91-94端是控制信号对应连接显示器接口J16的6-9端，95-98、111-114端是数据信号对应连接显示器接口J16的14-11、15-18端，99、100、103、104端对应连接U2的12、11、9、10端，42-46端经JTAG电路处理后连接到14针接口J1的3、9、7、5、11端，15、16、24、33端对应连接到U302的29、30、34、4端，分别作为网卡的读写信号、片选信号和中断信号，7、8端对应连接到U13的8M SDRAM芯片的控制信号18、17端，9、47、67端连接3.3V电源，17端对应连接到U6、U7的22片选端，19端对应连接到U9的1片选端，21、34、62、109、138端是芯片电源，连接2.5V电源，25、27、28端对应连接到U13的8M SDRAM芯片的19、37、38端，30、31端对应连接DMA的控制信号端，50端接复位芯片U4的RESET端，51端通过10K电阻接电源VDD33，52-54端通过串联晶振模式选择电路的10K电阻接地，64、65端连接外部晶振电路，66端对应连接外部时钟接口，69-72、115-118端对应连接16键键盘接口J2的5-8、4-1端，10、22、35、48、55、63、73、74、90、110、139端接地，其余端子可设为预留接口端子或者悬空。所述的ARM微处理器是低功耗的32位核，具有丰富的接口资源，扩展了一系列完整的通用外围器件(USB接口，RS-232接口，JTAG调试口，以及网口，以及键盘接口和LCD接口)，使系统费用降至最低，消除了增加附加配置的需要；另外，ARM微处理器扩展了大量的内存和16M硬盘存储空间，加快了CPU处理任务的速度，有利于系统的实时控制。
所述的教学仪器，其LCD接口电路包括26针液晶信号接口电路J4、总线开关电路J2、J3、上拉排阻电路J6、J7、18针液晶接口电路J1组成，J4的输入端对应连接CPU的LCD接口，所有的信号都是3.3V，经J2、J3电路后，输出信号通过上拉排阻电路J6、J7，将高逻辑电平提升到5V，通过J1连接液晶屏；其J2的1、3、5、9、11、13端对应连接J4的11、12、13、14、15、16端，J2的2、4、6、8、10、12端对应连接J6的2、3、4、5、6、7端，J3的1、3、5、9、11、13端对应连接J4的17、18、6、8、9、20端，J3的2、4端对应连接J6的8、9端，J3的6、8、10、12端对应连接J7的4、5、6、7端，J1的5-12端对应连接J6的9-2端，J1的13、14、15、16端对应连接J7的4、5、6、7端。
本实用新型的优点是采用了具有高速性能和丰富接口资源的32位ARM微处理器，具有集成度高，电路结构简单的特点，同时在源码公开的实时操作系统内核μC/OS-II基础上，建立了一个适合嵌入式系统教学的实时操作系统，降低了成本。本系统还具有内核小、实时性强、稳定可靠等突出优点。该教学仪器结构简单，易操作，能够有效提高高校学生对嵌入式系统这门课程的掌握及其应用，引导学生快速准确地掌握嵌入式系统，降低了学习难度；同时也可以指导学生在其平台上开发不同的应用程序并将其应用到不同的领域，对于普及嵌入式技术的应用提供了操作平台。
图1是本实用新型教学仪器的主视图。
图2是本实用新型内部电路板结构框图以及同PC机连接关系图。
图3是本实用新型功能结构框图。
图4是本实用新型处理器电路原理图。
图5是本实用新型外部接口电路原理图。
图6是本实用新型显示器电路原理图。
图7是本实用新型网卡电路原理图。
图中1.壳体 2.显示器 3.键盘 4.电路板5.PC机具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
本实用新型是一种嵌入式系统教学仪器，由PC机5和教学仪器组成，教学仪器的USB口同PC机的USB口通过电缆相连，实现两者间的数据上传和下载，将PC机的程序通过USB接口下载到教学仪器的系统中，实现教学仪器的应用程序的开发。教学仪器的两个串口之一通过RS232接口同PC机相连，实现教学仪器和PC机之间的通讯，PC机接收教学仪器的键盘输入的信息，同时教学仪器接收PC机的信息，并将信息实时的显示在液晶屏上，教学仪器的另一个串口用于扩展功能。教学仪器的JIAG调试口通过JTAG电缆同PC机的并口相连，实现软件程序调试和对由该教学仪器控制的下位机进行调试处理。教学仪器的网口通过TCP/IP协议同PC机的网口相连，实现多台PC机与教学仪器的通信。教学仪器扩展了大量的内外存储器，1M线性FLASH、8MSDRAM、16M非线性FLASH，实现了快速存储以及处理速度快的功能，因此能够在其基础上开发不同的应用程序。
在教学中，首先连接相应的接口；然后，.打开PC机，打开教学仪器电源开关，液晶屏上显示μC/OS-II操作系统启动的过程及系统初始化的过程；再，根据教学内容进行引导学习嵌入式系统，具体过程为学生在PC机的开发环境中开发出应用程序，通过USB口将程序下载到教学仪器的系统中，然后在PC机上应用JTAG调试软件实时调试程序，并将调试结果通过JTAG调试口实时的显示在教学仪器的液晶屏上，调试通过后就开发出了一个完整的应用程序。
可以根据设计的壳体大小来确定显示器的大小，可选择的多种LCD模式，包括256色彩色LCD(320×240分辨率)、单色LCD(320×240分辨率)、灰度(320×240分辨率)等，总线开关芯片采用型号为74HC07的芯片，对于背光的逆变器，采用TDK的配套产品，采用5V电源可以产生1000伏左右的交流信号。
本实用新型的PC机要求操作系统WIN98/2000/XP，PC机Pentumn100以上。ARM微处理器采用SDT2.51集成开发环境，Source Insight 3.0，仿真器驱动程序。USB口用于给设备供电，下载程序。串口用于同PC机进行通信交换信息。
本实用新型的嵌入式系统教学仪器，结构简单，易操作，能够有效提高高校学生对嵌入式系统这门课程的掌握及其应用，引导学生快速准确地掌握嵌入式系统，降低了学习难度；同时也可以指导学生在其平台上开发不同的应用程序并将其应用到不同的领域，对于普及嵌入式技术的应用提供了操作平台。
权利要求1.一种嵌入式系统教学仪器，包括PC机，其特征在于还包括有嵌入式系统教学仪器，所述教学仪器由壳体，以及设在壳体正面板上的显示器、操作键盘，以及设在壳体侧面板上的电源插座、串口、USB口、JIAG调试口、网口、电源开关、复位开关，以及安装在壳体内的电路板组成，教学仪器上的串口、USB口、JIAG调试口、网口分别对应连接到PC机的接口上；其中，电路板的电路硬件结构采用基于ARM架构的32位嵌入式微处理器为内核，外围扩展了大容量内存以及键盘接口电路、液晶屏接口电路、RS232接口电路、USB接口电路，软件结构采用基于μC/OS-II的实时操作系统。
2.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于教学仪器软件结构采用了一种公开源代码的实时多任务内核μC/OS-II，在μC/OS-II的上层扩展了文件管理系统、图形用户接口和教学仪器底层硬件的驱动程序，建立了一个适合嵌入式系统教学仪器使用的实时操作系统，为初学者提供了一种开放的操作系统平台和用户程序接口。
3.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于ARM微处理器选用32位的如型号为S3C44B0X芯片，共有160个端子，芯片U3的1-4、137、140-151、153-160端是CPU的地址总线，分别对应连接到U6、U7、U8、U9、U13的地址端上，119-136端是CPU的数据总线，分别对应连接到U6、U7、U8、U9、U13的数据输入端上，91-94端是控制信号对应连接显示器接口J16的6-9端，95-98、111-114端是数据信号对应连接显示器接口J16的14-11、15-18端，99、100、103、104端对应连接U2的12、11、9、10端，42-46端经JTAG电路处理后连接到14针接口J1的3、9、7、5、11端，15、16、24、33端对应连接到U302的29、30、34、4端，分别作为网卡的读写信号、片选信号和中断信号，7、8端对应连接到U13的8M SDRAM芯片的控制信号18、17端，9、47、67端连接3.3V电源，17端对应连接到U6、U7的22片选端，19端对应连接到U9的1片选端，21、34、62、109、138端是芯片电源，连接2.5V电源，25、27、28端对应连接到U13的8M SDRAM芯片的19、37、38端，30、31端对应连接DMA的控制信号端，50端接复位芯片U4的RESET端，51端通过10K电阻接电源VDD33，52-54端通过串联晶振模式选择电路的10K电阻接地，64、65端连接外部晶振电路，66端对应连接外部时钟接口，69-72、115-118端对应连接16键键盘接口J2的5-8、4-1端，10、22、35、48、55、63、73、74、90、110、139端接地，其余端子可设为预留接口端子或者悬空。
4.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于LCD接口电路包括26针液晶信号接口电路J4、总线开关电路J2、J3、上拉排阻电路J6、J7、18针液晶接口电路J1组成，J4的输入端对应连接CPU的LCD接口，所有的信号都是3.3V，经J2、J3电路后，输出信号通过上拉排阻电路J6、J7，将高逻辑电平提升到5V，通过J1连接液晶屏；其J2的1、3、5、9、11、13端对应连接J4的11、12、13、14、15、16端，J2的2、4、6、8、10、12端对应连接J6的2、3、4、5、6、7端，J3的1、3、5、9、11、13端对应连接J4的17、18、6、8、9、20端，J3的2、4端对应连接J6的8、9端，J3的6、8、10、12端对应连接J7的4、5、6、7端，J1的5-12端对应连接J6的9-2端，J1的13、14、15、16端对应连接J7的4、5、6、7端。
5.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于可选择的多种LCD模式，包括256色彩色LCD(320×240分辨率)、单色LCD(320×240分辨率)、灰度(320×240分辨率)等，总线开关芯片采用型号为74HC07的芯片，对于背光的逆变器，采用TDK的配套产品，采用5V电源可以产生1000伏左右的交流信号。
专利摘要本实用新型公开了一种嵌入式系统教学仪器，包括PC机和嵌入式系统教学仪器，所述教学仪器由壳体、显示器、操作键盘，以及设在壳体侧面板上的电源插座、串口、USB口、JIAG调试口、网口、电源开关、复位开关，以及安装在壳体内的电路板组成，教学仪器上的串口、USB口、JIAG调试口、网口分别对应连接到PC机的接口上；其中，电路板的电路硬件结构采用基于ARM架构的32位嵌入式微处理器为内核，外围扩展了大容量内存以及键盘接口电路、液晶屏接口电路、RS232接口电路、USB接口电路，软件结构采用基于μC/OS－II的实时操作系统。通过该教学仪器能够有效提高高校学生对嵌入式系统这门课程的掌握及其应用，该仪器结构简单，易操作。
文档编号G06F9/445GK2621318SQ0326459
公开日2004年6月23日 申请日期2003年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者王田苗, 魏洪兴 申请人:北京博创兴业科技有限公司