基于科技创新教育的ARM9 实验系统的设计

梁明亮，刘素芳

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)

高校在教育教学过程中，可探索通过优化创新创业课程体系，建立各学科创新实践平台，开发基于科技创新的教学设备等方法，提升大学生科技创新创业能力。我们开发了一种基于科技创新教育的ARM9 实验系统，下面对系统的总体设计思路和软、硬件设计方法进行介绍。

1 系统总体设计

ARM9 嵌入式实验创新系统由硬件系统和软件系统组成，系统设计总体框图如图1 所示。

系统设计的总体思路为:为大学生搭建一个电子科技创新的高级应用平台，促进高等院校嵌入式教学开发水平的提高。利用创新型的实验系统进行教学和开发，有利于改革传统的教学思路，以项目(各电路模块均相当于一个项目案例)为导向进行ARM 嵌入式学习，将技术应用与技术创新融为一体，有利于提高学生的科技创新能力。同时，系统设计了工程技术开发中常用的典型电路结构，性价比高，有一定的先进性和创新性，企业技术人员可把本系统作为嵌入式系统培训和开发的平台，有助于推动企业的技术创新。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

硬件系统主要由核心板、主电路板、开关电源和实验箱箱体构成。

ARM9 核心板采用6 层电路板设计，采用了专业稳定的CPU 内核电源芯片和复位芯片，有利于控制器的稳定运行。核心板集成了微控制器、电源滤波、SDRAM、NorFlash 等器件，元件排列紧凑。通过2 ×100PIN 板对板的双排连接器，引出了外部扩展需要用到的全部数据、地址总线、各外设接口、IO 信号等，适合应用于高性能、高可靠性的嵌入式应用产品，能充分满足智能小车的功能要求。

核心板上设计了如下电路单元。

(1)微处理器。系统选用ARM9 系列S3C2440A嵌入式微处理器，采用289 pin FBGA 封装。S3C2440的主频为400MHz，其ARM920T 核由ARM9TDMI、存储管理单元(MMU)和高速缓存组成。S3C2440 通过提供一套完整的通用系统外设，减少了整体系统成本，片内资源丰富，如包括4 个PWM 功能的计时器和1 个内部时钟、8 通道10 位AD 控制器、117 位通用I/O 口和24 位外部中断源。

(2)存储电路。包括SDRAM 和FLASH。选用2片型号为HY57V561620FTP 集成电路作为SDRAM存储器。芯片工作电压为3.3 V，兼容LVTTL 接口，支持自动刷新(Auto-Refresh)和自刷新(Self-Refresh)，工作时钟频率100 MHz。Flash 包括Nor Flash和Nand Flash，S3C2440A 微处理器对上述存储器有识别、读、写和擦除等操作功能。

(3)1.25 V 电源电路。由MAX8860 集成芯片及相关元件组成，MAX8860 芯片的输入电压范围可以在2.5～6.5 V 之间，具有完善的过热保护，短路保护及电池反装保护。

(4)复位电路。为S3C2440 微控制器提供上电复位和手动复位信号。

主电路板主要进行了电路原理图和印刷电路板(PCB)的创新设计。为培养学习者的科技创新能力，设计了丰富的接口电路资源和小型创新项目，各模块电路设计是在调研收集近几年大学生科技创新作品和电子类大赛的各类赛题、技术规程及工程应用案例的基础上设计开发的，所设计硬件电路有较重要的移稙应用价值。

系统能完成的创新开发项目主要有:WinCE 操作系统定制;Linux 操作系统移植;GPS 信号读取与显示;功能按键测试;LED 指示;屏幕旋转;串口通信;MP4 电影播放;16 ×16 点阵屏显示;继电器驱动;数字语音输出、功放;模拟量、数字量输出;USB 接口;彩色液晶触摸屏;基于μC/OS-III 的操作系统的移植;TCP/IP 网络接口;I2C 通信;SD 卡读写;D/A转换;三角波、方波的产生;A/D 转换;数字电压表;步进电机控制;其他功能创新和扩展项目电路。

3 系统软件设计

软件系统主要包括Linux、WindowsCE、uC/OS-II操作系统的移植，BSP 构建，硬件驱动程序和应用程序编写，基于Keil C 的各类应用项目程序。

基于Linux 操作系统的软件设计主要有ADS 集成环境搭建、Linux 内核移植、设备驱动程序开发。ADS 是ARM Developer Suite 的简称，是ARM 公司推出的新一代关于ARM 处理器的编译、链接和调试集成环境系统，ADS 既提供图形环境编译、链接和调试方法，又提供命令行编译、链接和调试方法。使用armcc 作为ARM 的编译器，armlink作为ARM 连接器。本系统在应用程序开发中，使用C、C++语言编程，调用了ARM C 库、Rogue Wava C++标准库及附加组件。Linux 内核由进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口和进程间通信组成。本系统对ARM9 的设备驱动程序分为字符设备、块设备和网络设备，系统对接口电路的控制和操作均通过上述设备驱动程序完成。

在Windows CE Platform Builder 环境中定制WinCE 系统，构建BSP 板级支持包，包含键盘、鼠标、USB、触摸屏、存储器、LCD、用户LED、摄像头、用户按键等底层驱动。对LED 点阵屏、数码管动态显示等接口电路进行驱动程序的编写。基于Microsoft Visual Studio 环境进行了应用程序的开发，主要有点阵屏书写对话上位机、数码管输入界面、流水灯界面、GPS 测试界面等。

4 结论

基于科技创新教育的ARM9 实验系统在电路设计中总体布局合理，各模块电路与总线连接相对独立，系统设计以方便技术创新和开发为宗旨，自主功能创新接口为用户提供了自主技术开发和创新功能拓展的空间。以方便使用、实用、美观为设计原则，同时充分考虑了成本和功耗因素。本系统各单元电路和项目案例非常适合作为大学生开展科技创新活动和电子类竞赛的训练平台，对于培养他们的创新创业能力有着重要的促进作用。

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