基于ARM的嵌入式虚拟开发平台

摘要：为了解决目前大部份高校缺乏嵌入式开发平台的问题，提出了构建嵌入式虚拟开发平台方案。方案采用μVision4 IDE和Proteus进行整合，在不需要购置嵌入式硬件设备的情况下，通过改造、整合原有实验设备，实现具有嵌入式系统设计、开发等款、硬件同步仿真调试功能的嵌入式虚拟实验室。同时给出了具体的教学模式革新和实施方法。
关键词：嵌入式；虚拟；开发平台；Proteus；ARM

    随着嵌入式设备(如智能MP4、数码相机、智能手机、TV机顶盒及PDA等)的普及程度越来越高，嵌入式培训、嵌入式开发成为热门，这些嵌入式设备多采用32位RISC嵌入式处理器作为核心部件，其中基于ARM核的嵌入式处理器独占鳌头，在32位RISC处理器中占据超过75％的市场份额。形成鲜明对比的是：目前大部份普通高校缺乏嵌入式实验室，或者规模太小，设备数量严重不足，学生缺乏嵌入式开发实训环境，很大程度上挫伤了学生的学习热情和学习兴趣。为了解决这种状况，本文提出了构建基于KeilμVision4 IDE和Proteus的嵌入式虚拟实验室。在原有设备的基础上，通过改造、整合等手段，实现具有嵌入式系统设计、开发等软、硬件同步仿真调试功能的嵌入式虚拟实验室。这将对学生就业起到很大的帮助，有助于提升学生就业能力和择业优势。

1 高校嵌入式教学现状
1．1 嵌入式设备严重缺乏
    传统的实验教学主要依赖价格昂贵的实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高等问题。电子信息类专业实验仪器设备的更新换代非常快，由于设备昂贵，大批量采购嵌入式硬件设备的可能性非常小，而且由于经费的限制，购置的实验箱数量往往不能满足教学的需要，导致多人共用实验箱，无法保证学习效果，学生动手能力受到限制。更严重的，部分普通高校没有嵌入式实验室，学生在校期间从未进行过
嵌入式实验学习和嵌入式开发训练，实验教学无法有效开展，严重影响教学质量。
1．2 教学实训手段及内容受限制
    嵌入式是一门软、硬结合的实践性很强的课程，需要配合电脑、仿真机、开发板、编程器进行综合练习。常规嵌入式硬件实验箱不但昂贵，而且只能完成实验箱内置的验证性实验或者灵活度非常小的设计性实验，很难进行教学内容创新设计，限制了学生能力的培养和教学内容的革新。
1. 3 创新性开发无法进行
    由于嵌入式硬件实验箱内部模块固化，设计的不合理或者操作的失误极其容易损坏设备，导致了两方面的问题：一是教师为了不损坏设备。不会轻易让学生尝试创新设计；二是学生做实验时，怕承担赔偿责任，不能随心所欲地设计具体功能模块，不能根据自己的需要进行必要的实验验证和调试。这些不但限制了教学的效果，而且极大地制约了学生的自主创新能力，学生没有真正能够实践的环境，不能真正大胆、创新地设计，束缚了学生的手脚。
1．4 实训时间的限制
    由于实验室安全和实验室管理方面的诸多因素，目前实验室开放都局限于正常上班时间，其他时间很少开放，不够灵活，使得学生不能根据自己的时间安排实验，实训时间有很大的局限。
    以上种种问题抑制了学生的主动性、积极性和创新思维，对学生的能力培养、学生就业竞争力和学校的发展都不利。因此如何改变当前这种被动教学的局面，建立一个适合学生实际、合理科学、又与时俱进的嵌入式实验环境，是一个值得研究的课题。 [p]

2 ARM开发平台设计
2．1 Proteus和μVision IDE简介
    Proteus是英国Labcenter公司推出的是一款极好的仿真软件，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，支持8051、HC11、PIC10／12／16／18／24／30／DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430、Cortex和DSP等处理器模型。在编译方面，支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。可以在没有实际硬件的条件下，利用PC以虚拟仿真方式实现嵌入式系统的软、硬件同步仿真调试，使嵌入式应用系统设计变得简单容易。
    μVision4 IDE是ARM发布的集成开发环境，提供了丰富的库函数和各种编译工具，支持ARM、Cortex-M、C166、C251和C51等微处理器，用来在微控制器和智能卡设备上创建、仿真和调试嵌入式应用。μVision4 IDE引入了灵活的窗口管理系统，可以使用多台监视器，可以更快速、更高效地开发和检验程序，为开发应用提供整齐高效的环境。
2．2 平台设计
    利用Proteus与Keil μVison4 IDE整合构建嵌入式虚拟开发平台，教学及演示过程都可利用平台进行，可以直接在基于原理图的虚拟模型上进行编程，实现源码级的程序仿真词试，如显示及输出，能够看到程序运行后的输出效果，配合各种虚拟仪器来展现整个系统的运行过程，使嵌入式的学习过程变得直观形象。另外，在原理图设计阶段就可以对设计进行评估，验证所设计电路是否满足技术指标的要求，还可以通过改变元器件参数使整个电路性能达到最优化。这样就无须多次购买元器件及制作印刷电路板，节省了设计时间与经费，提高了设计效率与质量。具体做法如下：
    在现有设备的基础上，通过改造、整合、加装Proteus 7．7sp2和Keil μVision4 IDE等软件，在没有单片机实际硬件的条件下，利用PC以虚拟仿真方式实现ARM系统的软、硬件同步仿真调试功能的嵌入式虚拟实验室。同时鼓励有个人电脑的学生在自己的机器上安装相关软件，以便充分利用学生的课余时间。

    改造后的虚拟实验室框架如图1所示，由Proteus与KeilμVision4 IDE联接调试，形成程序固化，软、硬件结合的应用系统。该系统由硬件环境和软件平台整合而成，Proteus提供硬件电路的设计、调试及仿真，Keil则完成应用程序的编写、调试，并可将调试好的程序下载到仿真电路MCU中，最后由Proteus与μVision4 IDE的整合调试实现系统的总调，不但能够直接地观看仿真效果，同时还可以对仿真结果进行分析。
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3 教学模式及方法
    通过建立虚拟开发平台，使得教学方法和教学模式得到革新。这种革新改变了传统“以教师为中心”的教育观念，从以往的演示性、验证性实验教学内容及模式转变成为以“案例驱动、项目教学”的设计性、创新性、灵活性并存的启发式教学模式。此外，由于通常的软件开发是基于X86处理器和Windows操作系统，而嵌入式软件开发通常是在特定的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统上完成的，学生缺乏相关的开发设计经验，不能真正掌握嵌入式开发能力，导致学生就业困难。通过虚拟开发平台，以实例开发为驱动，让学生充分自主地用学到的知识去设计、开发其自己想象的作品，达到改善就业的目的。基于项目、案例驱动的教学模式构架四可用图2来描述。

    该构架包括主体、客体、媒体和过程4个要素：
    主体由教师和学生组成，教师角色由权威型转变为伙伴型，教师不再高高在上，而以一种有利于学生主体意识发展的形式一一伙伴出现，促使学生敢发言、敢动脑、敢动手。学生角色由被动接受转变为主动参与，学生不再受老师的操纵，而是主动参与到实践当中，成为学习的主体，在实践活动中发挥自主性、主动性、创造性。
    客体由项目和案例组成，通过“案例驱动、项目教学”这样一种教学模式，模拟整个工程项目过程，借鉴CDIO的工程教学观念，培养学生通过思考、规划、实施和运营等工程实践经验，以及系统分析、项目管理和组织协调能力。
    媒体作用(也即教学手段)由验证工具转变为设计开发工具，由于Proteus和Keil μVision4 IDE构成的虚拟开发平台的无损坏性，使得学生可以不受限制地自由发挥，激发学生的潜能。
    实践教学过程由“依样画葫芦”转变为启发、互动型，教师的作用在于如何调动个性化的学习方式，提倡学生的独立探索，是实践活动的引导者、组织者；学生则是整个实践活动的主体，对于老师提出的知识点，可以自由发挥，在老师的指引和帮助下设计自己感兴趣的作品，充分体现学生的个性模式。

4 结束语
    目前人才市场对于嵌入式人才需求巨大，诸如手持仪器设备、智能家电、医疗设备、城市建设、工业控制、军事应用等等领域，嵌入式技术都无处不在。
    本文描述了嵌入式虚拟开发平台的设计，提出了以“案例驱动、项目教学”的设计性、创新性、灵活性并存的启发式教学模式。在目前的市场需求和企业(特别是中小企业)人才需求都是偏向软硬件设计人才、应用开发等综合性人才的情况下，学生拥有嵌入式开发技术，不但在工作应聘上有明显优势，而且也增强了企业内部的竞争实力。