摘要：分析现有高低端嵌入式系统实验板的问题和不足，针对本科生“嵌入式系统”实验教学的实际需求，提出实验所应遵循的设计指导思想，并阐述了一种新电路设计，较好地解决了现有系统的问题。最后介绍其应用至“可编程逻辑器件”课程实验的效果。
关键词：嵌入式系统；可编程逻辑器件；arm;uc/os;gui
随着技术的发展和应用的需求，社会对嵌入式系统的应用要求越来越高，传统的系统机应用和嵌入式应用的界限越来越模糊，以51系列为主的单片机应用越来越不适应这种需求，而以arm7为内核的32位高档单片机经过数年的发展，**越来越低，接近单片机的成本，而性能又高很多，在很多领域已经取代了8位单片机的应用。为适应这种趋势，在大学本科教学中开设嵌入式技术课程和实验已是必然。嵌入式技术的内容比较广泛，涉及从低端的单片机应用到高端的系统机嵌入式应用。
目前，高校中开设的相关课程主要是嵌入式技术(主要讲arm处理器、嵌入式操作系统linux、uc/os等)、可编程逻辑器件和dsp应用，后两门课虽然名字上和嵌入式没有关联，但应该说arm处理器、fpga/cpld、dsp实际上是嵌入式系统的3架马车，在很多的嵌入式系统上都能看到它们的身影，三者各有所长，各有应用特点，目前还无法完全互相替代。而这3门课的前期基础课就是模电、数电、单片机原理、c程序设计等[1]。
1目前存在的问题。
由于嵌入式技术内容的广泛性，应用上千差万别，课程特点是实验性、动手操作性特别强，一般是根据所采用的实验设备来进行讲授。目前来看，嵌入式系统实验箱主要分高端和低端两类，高端产品功能复杂、完善，提供各类接口，如usb、以太网口、lcd、vga、键盘鼠标口、sd卡、串口等。但该类产品存。
在如下问题：1)系统过于复杂，使得学生上手慢，真正能够完成的实验有限，形成资源浪费。2)**与系统机相当，体现不出嵌入式的优势，使得实验成本很高，普及性差。
3)维修维护成本高。根据多年的实验教学经验，为了培养学生的动手能力，对于元件裸露的实验箱(板),一轮实验下来，损害率基本在10%～20%,由于维修困难，最终导致仅有60%的实验设备能够正常使用，严重影响教学效果。
综上所述，太复杂的嵌入式系统实验设备并不适合本科实验教学，本科实验教学需要的是简单、低廉、耐用又能满足教学要求的实验设备。而低端的嵌入式实验板虽然**低廉，但一般只有简单按键、led显示、串口等，外围电路与单片机的实验板电路并无区别，只是换了一颗arm的心脏。而这些外围设备的控制对处理器并没什么要求，单片机完全可以胜任，也就体现不出嵌入式系统的优势。
而实际上所说的嵌入式系统一定是用在单片机无法完成或很难完成的地方。如果学生感觉不出嵌入式的优势，也就难于达到实验教学效果[2,5-6]。
2设计的指导思想。
针对现有嵌入式实验箱(板)存在的问题，为满足教学需要，我们自行开发了嵌入式实验板，力求克服现有实验设备的缺点。所遵循的指导思想如下：
1) 实验内容要有别与51单片机的实验。实验用51单片机无法完成或很难完成，充分体现32位嵌入式。
arm处理器的优势，主要有以下几点：(1) 32位处理机，结构先进，处理速度极高。(2)更大的程序、数据存储空间，是51单片机的几十倍。
(3)更高的cpu时钟频率，是51单片机的几十倍。(4)集成了很多复杂的外围设备，是soc(system on chip),简化了硬件电路设计，提高了处理及应用能力。(5)功耗很低。
(6)有操作系统支持。(7)有jtag接口，无需**器，只要一条**线。
2) 硬件结构尽量简单，将**线jtag接口电路直接做在实验板上，取消电源设备，直接利用usb接口从电脑取电，减少实验部件及部件间连线。充分利用电脑硬件资源，如显示器、键盘、鼠标、usb接口、串/并口等，充分利用arm单片机内部集成外设，如pit、pdc、aic、pmc、usart、spi、twi、ssc、tc、pwm、adc、udp等，同时发挥软件优势，这样做的好处是：(1)降低成本，让每套实验环境的成本控制在100～200元内。
(2)适应学生实验的要求。一般来说，给学生用的东西，都很容易损坏。实验室人员和指导老师的维修、实验准备的工作量都很大，实验中能正常开使用的实验设备也就到60%～80%。
那么，实验箱的硬件结构越简单，损坏的可能性就越小，维护起来也要简单，减轻了实验老师的工作量。(3)由于成本低，对于损坏的实验板可以直接更换，提高实验开工率；对于有兴趣的同学，甚至可以借出，便于其更好地学习。
3硬件电路原理。
实验板以at91sam7sxx为核心，如图1所示，利用其内部硬件资源，并通过一片有vga接口的cpld(epm240),再加上键盘/鼠标接口、232串口、
图1硬件原理结构。
a/d接口、并口、usb接口等，特别是有了键盘/鼠标/显示器接口，实验板就与系统机一样具有人机交互功能，通过运行不同应用软件，可以实现很多复杂功能的演示，完全可展现嵌入式系统的功能优势[3-4]。
4已开发的arm实验。
我们已开发了如下实验：
1) arm单片机内部集成外设的使用；2)在屏幕上绘制各种函数曲线；3)作为终端与电脑进行通信；4)多任务显示控制；5)键盘/鼠标测试；6)基于arm的逻辑分析仪；7)基于arm的示波器；8)嵌入式实时操作系统uc/os移植、硬件驱动；9)在uc/os上运行各种应用程序；10) usb接口和协议栈的使用(键盘/鼠标/游戏杆/u盘等的实现);11)通过usb接口与系统机间进行数据通信；12)现场总线profibus协议栈的实现；13)现场总线modebus协议栈的实现；14)图形化接口uc/gui的移植、驱动；15)在uc/os上运行各种测试程序。
可开的实验会很多，因为实验板就相当一个简化版的电脑，有键盘/鼠标/显示器/usb/串口，运行不同的软件，就可以实现不同的功能。
当然，由于arm及软件的复杂性，每个实验大约需要4～8学时，学生只能是选做其中一些实验。图2～图4是几个实验的截图。
图2图形化人机接口实验图3指针式仪表实验。
图4示波器实验。
5可编程逻辑器件的实验开发。
目前我们所使用的可编程逻辑器件的实验箱采用的是altera公司的epm7128lc84芯片，外加8个数码管显示、8个led指示灯、16位置码开关、8个按键等构成，一条**编程线，一个5v电源箱。和电脑连接到一起后能够实现led闪烁、移动、数码管的点亮、bcd-7段码的译码、8个数码管动态显示不同内容、电子钟、秒表、置码开关输入、按键操作等实验，应该说这些内容主要是为了了解可编程器件开发的一般过程、熟悉hdl语言等，目前为大多数院校所广泛采用，但还存在的以下问题：
1) 核心器件epm7128lc84**高(约100元/片),而且极易损坏，导致实验成本高。
2) 仍存在部件多，连线多，故障多，**线、5v电源也容易出问题。
3) 这种方式的实验电路与单片机的实验板电路是很相似的，也就是将原先微处理器完成的事情，现在用cpld来实现了。那么从实际应用的角度看，这是极其不合理的，也没有任何实际意义的。因为可编程器件和微处理器各有各的优势，也各有各的应用场合。
单片机能完成的事情，没必要用可编程器件去做，因为可编程器件没有**优势，更因为可编程器件的hdl语言最后生成的是数字电路，而单片机的c语言最后生成的是可顺序执行的程序，后者所能完成的功能要远复杂于前者。因此，在这些场合，可编程器件。
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