嵌入式系統實驗室建設項目申請報告

嵌入式系統實驗室建設項目申請報告

　　一、嵌入式技術發展及人才需求概述

　　嵌入式產業現已成為中國IT產業中的一個重要的新興產業和經濟增長點，嵌入式技術正在越來越廣泛地被應用在通信、電子、工業、交通等各個領域，大到石油提煉和相關的貯運設施、建筑設備、計算機輔助制造系統、能源控制系統、核電站硬件機器人系統，小到我們日常使用的智能手機、電話交換系統，以及數字電視、掌上電腦、DVD、MP4、數碼相機、網絡冰箱、網絡空調、可視電話等，嵌入式技術正在我們的生活中占據著越來越重要的地位，如下圖所示，但隨著國內嵌入式系統的飛速發展，嵌入式軟件人才的缺乏已經成為了國內嵌入式產業可持續發展的瓶頸之一，據統計，每年的嵌入式人才缺口約有50萬人。

　　目前，我國嵌入式軟件復合型人才基數小、隊伍不穩定，缺口較大。一方面，是因為這一領域入門門檻較高，不僅要懂較底層軟件，對軟件專業水平要求較高，而且必須懂得硬件的工作原理，所以非專業IT人員很難切入這一領域;另一方面，是因為這一領域較新，目前發展太快，很多軟硬件技術出現時間不長或正在出現，掌握這些新技術的人當然很找。嵌入式人才稀缺，身價自然就高，越有經驗價格就越高。其實嵌入式人才稀少，根本原因可能是大多數人無條件接觸，這需要相應的嵌入式開發板和軟件，另外需要有經驗的人進行指導開發流程。

　　因此，為了適應當前社會對嵌入式人才的需求，我們應該盡快建立起“嵌入式系統實驗室”，為培養嵌入式人才搭建起堅實的軟硬件平臺。

　　二、嵌入式系統實驗室的功能

　　由于要將該實驗室建設為標準型實驗室，因此要采用較高的配置標準，以適應10—15年技術發展和使用的要求，且具有開放性、靈活性和可擴展性。

　　該實驗室建成之后，除了滿足日常嵌入式學科教學之外，還要實現如下功能：

　　學生學期課題設計;

　　全國嵌入式大學生電子競賽實訓基地;

　　學生相關課題的畢業設計;

　　本校教師科研開發基地;

　　社會嵌入式系統工程師培訓基地。

　　三、嵌入式系統實驗室的建設

　　實驗室的建設包括嵌入式實驗室環境、嵌入式實驗室硬件環境建設，軟件環境的建幾個方面內容。

　　3.1 嵌入式實驗室環境

　　容納40人左右的實驗室機房，建議使用面積80m2以上;實驗桌椅40套，每個學生實驗桌面140×60(mm)以上，方便學生在桌面上放置實驗箱等設備。

　　Windows客戶機+Linux服務器的方式，對實驗室而言，應該是最適合的方案了。只需多一臺Linux服務器就可以了。

　　3.2 嵌入式實驗室硬件環境配置清單

　　嵌入式實驗室設備清單，如下表所示：(。。。。。)

　　2、嵌入式實驗箱的技術參數指標要求

　　嵌入式實驗箱是嵌入式系統實驗室的關鍵組成部分，具體參數指標要求如下：

　　Intel Xscale PXA270嵌入式實驗箱

　　硬件要求：PXA270實驗箱由核心板+教學底板組成

　　核心板硬件參數

　　處理器: Intel XScale PXA270 520MHz

　　SDRAM:64Mbyte

　　FLASH: 32Mbyte

　　底板硬件參數

　　LCD接口: 配TFT 8” (640*480)屏。

　　VGA輸出接口:可接模擬CRT顯示器或液晶顯示器

　　觸摸屏: UCB1400BE，四線電阻式

　　以太網接口:10M/100M 自適應接口1個

　　Audio: AC97標準音頻輸入/輸出

　　USB HOST:1個

　　USB CLIENT:1個

　　攝像頭接口:1個

　　紅外通信接口:1個

　　串口:5個RS232(其中3個為全功能)

　　485通信接口:1個

　　JTAG接口:20pin

　　PCMCIA接口:1個

　　IDE接口:可接筆記本硬盤

　　SD/MMC卡接口:可接SD卡或MMC卡

　　SMC卡:可擴展NAND FLASH

　　LED陣列:8×8發光二極管陣列

　　七段數碼管: 4個7段數碼管

　　AD:1個電位器電壓輸入，一個溫度傳感器輸入

　　RTC:實時鐘

　　鍵盤:4×5鍵盤矩陣

　　擴展接口:2×96pin歐式座，引出所有總線信號：可擴展以下模塊：

　　DSP6713&USB2.0高速數據采集板

　　FPGA擴展板

　　GPS&GPRS擴展板

　　CAN&485通信擴展板

　　電機擴展模塊

　　射頻卡&IC卡擴展板

　　熱敏滑動指紋傳感模塊

　　802.15.4擴展模塊

　　3.3 嵌入式實驗室軟件資源清單

　　1、提供嵌入式Linux2.4以及Windows CE5.0操作系統。

　�、臰indows CE.NET 5.0 BSP

　　BootLoader源代碼;以太網驅動源代碼;音頻驅動：提供音頻AC’97驅動程序源代碼;LCD驅動源代碼;觸摸屏驅動源代碼;USB Host驅動源代碼;USB Slave驅動源代碼;攝像頭驅動源代碼;IrDA紅外接口驅動源代碼;RS232串口驅動源代碼;RS485驅動源代碼;PCMCIA 接口驅動源代碼;SD/MMC 接口驅動源代碼;LED數碼管驅動源代碼;Keypad驅動源代碼。

　�、芁inux 2.4內核

　　BootLoader源代碼;Linux內核源代碼;文件系統，提供基于日志的文件系統Jffs2;支持圖形用戶界面：QT;以太網驅動源代碼;音頻驅動：提供音頻AC’97驅動程序源代碼;LCD驅動源代碼;觸摸屏驅動源代碼;USB Host驅動源代碼;攝像頭驅動源代碼; RS232串口驅動源代碼;RS485驅動源代碼; PCMCIA接口驅動源代碼;SD/MMC接口驅動源代碼; LED數碼管驅動源代碼;Keypad驅動源代碼。

　　2、必須提供硬件測試程序，可以快速驗證實驗平臺的硬件接口，方便產品驗收和日常維護。

　　3、嵌入式教學開發平臺的實驗內容：

　　基礎實驗：Boot實驗;7段數碼管實驗;串口傳輸實驗;中斷處理實驗;觸摸屏實驗;LCD控制器實驗。

　　Window CE實驗： Platform Builder使用;Platform Builder調試;文件添加實驗;線程調試實驗;EVC程序開發實驗;注冊表集成實驗;Hiv注冊表保存實驗;串口通訊實驗;音頻錄放實驗;USB鼠標添加實驗;CAN總線實驗;GPRS應用實驗;藍牙通信實驗;Web Server實驗;采用提供Windows CE以及Visual Stido 2005結合的方式。

　　Linux實驗：嵌入式Linux入門實驗;Linux常用工具;BootLoader實驗;內核編譯實驗;驅動程序結構實驗;KEYPAD_LED驅動程序實驗;音頻驅動實驗;USB驅動實驗;LCD實驗;IDE接口實驗;GUI實驗;構建文件系統實驗;QT實驗;WebServer實驗。

　　特色實驗內容：Windows CE下GPRS上網;Linux下媒體播放器的移植;Windows CE下媒體播放器的移植;

　　4、嵌入式教學課程內容，及配套的教學幻燈片。

　　5、有成熟并多樣化的嵌入式系統工程師培養方案可供學校選擇。

　　6、為學校教師提供定期的嵌入式教學培訓。

　　Multi-Radio嵌入式WiFi開發平臺

　　Multi-Radio嵌入式WiFi開發平臺采用兩個嵌入式WiFi模塊(G2M5477)，以ARM9(PXA270)為核心，平臺具有完全開放特性，可以開發嵌入式WiFi的MAC協議、路由協議、應用層協議等，同時平臺具有3個獨立的功耗測試電路，電路可以自行連續測量功率消耗。

　　一、Multi-Radio開發平臺主要特點如下：

　　1. 采用了目前世界上最先進的嵌入式WiFi模塊G2M5477。G2M5477由美國G2 Microsystems研發，該模塊在38mm×20mm的面積上實現了嵌入式WiFi的全部功能，不需外接計算機或CPU就可以直接完成從物理層到應用層的全部操作。

　　2. 目前傳感器網絡的一個發展趨勢為高速率傳輸，經過以CC1000系列和CC2420系列為代表的兩代傳感器網絡節點的發展，傳感器網絡節點進入高速嵌入式WiFi階段。G2M5477的小體積、超低功耗(電池更換周期可達3-4年以上)、高速率、高性能(模塊內包含44MHz RISC CPU)，為無線傳感器網絡下一代節點的研究和應用提供了良好的研究平臺。

　　3. 平臺以PXA270 CPU為核心，包含兩個嵌入式WiFi模塊，WiFi模塊與PXA270之間采用SPI高速接口(44MHz)，可以完成高速Multi-Radio的研究工作。也可以利用一套開發平臺上的兩個嵌入式WiFi模塊完成嵌入式WiFi的研究工作。

　　4. 平臺的代碼全部開放，包括嵌入式WiFi的MAC層、網絡層、傳輸層，PXA270操作系統的代碼。

　　5. 平臺可以通過串口連接計算機直接進行開發工作，不需另購在線編程器或調試器。

　　6. 支持多種傳感器。平臺依靠高性能PXA270 CPU可以連接麥克風、攝像頭等傳感器,完成多媒體無線傳輸的研究工作。同時，平臺的G2M5477模塊高精度AD接口可以直接連接溫度、濕度、加速度等傳感器，完成基于嵌入式WiFi無線傳感器網絡節點的研發工作。

　　Multi-Radio嵌入式WiFi開發平臺結構如圖1所示，圖2為平臺照片。平臺采用兩個G2M5477模塊允許利用開源固件同時進行發送端/發送端，發送端/接收端，接收端/接收端的操作。每個G2M5477模塊可以設置為采用2.4GHz的1到11和14信道。為了盡量減少干擾，可以同時使用非重疊的信道1，信道6和信道11。CPU是帶有RAM，ROM，SD卡接口和以太網接口的XScale PXA270。RAM和ROM用于嵌入式linux，SD卡接口可用于提供大容量的文件存儲。以太網接口連接到有線網絡用于傳輸測試和控制信息。節點還擁有用于連接各種應用的不同種類的傳感器的接口。功耗測量電路被用于分別監測兩個G2M5477模塊和整個節

　　二.Multi-Radio開發平臺的主要性能指標：

　　1. 同時支持2個嵌入式WiFi模塊，每個模塊的特性如下：

　　1) 802.11b/g 2.4 GHz, 信道 1-11 和 14，數據速率6-54Mbps;

　　2) ISO 24730-2 2.4 GHz 收發器以及125 kHz 低頻接收器;

　　3) 802.11 射頻發射功率 +18 dBm(802.11g)，+20 dBm(802.11b);

　　4) 32位 RISC CPU, 時鐘頻率44 MHz;

　　5) SDIO，數據速率可達100 Mbps;

　　6) SPI接口，最高44 Mbps;

　　7) UART接口，最高2.7 Mbps;

　　8) TCP/IP吞吐量可達 4 Mbps(包含WPA2加密);

　　9) RAM 128KB;

　　10) Flash ROM 8Mbit。

　　2. 高性能的CPU(ARM9);

　　3. 兩個WiFi模塊以及整個平臺的電壓、電流、功率、溫度的連續自動測量;

　　4. 大容量存儲(U盤或SD卡);

　　5. 支持音頻和視頻接口(可以直接連接攝像頭);

　　6. 以太網、USB接口。

　　三、Multi-Radio平臺的開發目的主要如下：

　　1.面向目前廣泛使用的P2P應用(如網上電影播放、大文件下載等，特點為多點同時下載，增加速率，如常用的迅雷、快車、電驢等服務)，將現有的有線網絡擴展到無線網絡中，研究無線網絡的P2P問題。

　　2.由于無線帶寬和網絡特性(無線一般是廣播方式的，不像有線網絡是交換方式的，廣播方式有同信道干擾問題)的限制，采用多個無線模塊(即多個Radio)在同一時間進行傳輸，每個模塊工作在不同的信道上，多個鏈路的同時傳輸增加了網絡傳輸的吞吐量。

　　3.可以進行嵌入式WiFi的研究，嵌入式WiFi是下一代傳感器網絡節點的發展方向之一，利用此平臺代碼開放的特點和強勁的CPU，可以進行多種多樣的開發工作，包括傳感器網絡多媒體的研究。

　　4.由于G2M5477的開放特點，當應用多個Radio同時進行傳輸時，需要用新的MAC協議替代已有的協議(當然也可以在高層來完成此功能，效率會低一些)，利用G2M5477的MAC協議的開放性，可以研發Multi-Radio的MAC協議。

　　無線多通道異構網絡通用試驗床

　　1.1 綜述

　　此無線多通道異構網絡通用試驗床試驗床是異構對等網絡(Peer-to-Peer)研究的基礎設備。我們可以利用此試驗床在異構的有線/無線環境中進行新的資源發現和內容分發協議的研究。首先，我們描述了試驗床的需求、試驗床的結構、多功能無線節點以及系統軟件結構。然后說明了試驗床的基本測試結果。

　　1.2 試驗床需求

　　我們在異構網絡中研究Peer-to-Peer應用。對異構對等網絡的兩個方面進行了研究：一方面是新的資源發現服務的研究，包括處理同種節點的動態加入/離開和有線和無線網絡目錄信息的設置;另一方面是新型內容分發服務的研究，側重于異構對等網絡中無線介質的廣播特性和差錯特性的研究。為了便于對所提協議進行開發和測試，試驗床必須符合以下設計標準：

　　a) 異構性

　　試驗床必須由有線和無線部分組成。有線部分的數據傳輸速率大于100Mbps，但無線部分的傳輸速率可以大大低于有線部分。

　　b) 支持資源發現服務

　　資源發現是對等網絡(Peer-to-Peer Network)的主要功能。試驗床必須提供的功能有(i)動態追蹤同種節點的加入/離開，(ii)保持有線和無線節點的目錄信息，(iii)允許實時流量分析， (iv)便于緩存節點的目錄信息。

　　c) 在動態信道條件下支持內容分發服務

　　內容分發服務是對等網應用的另外一項重要功能。試驗床中的每個節點需要(i)能夠認識到無線介質的差錯特點以使能隨機調度協議，同時(ii)利用無線介質的廣播特性來提高性能。

　　d) 支持自定義多接口協議

　　試驗床需要支持多接口，多信道結構來增強節點執行不同應用程序的靈活性。

　　e) 系統服務

　　具有友好用戶界面的系統軟件服務，用來監測、控制試驗床并存儲數據與事件日志。

　　1.3 試驗床結構

　　試驗床包括兩個主要部分，分別是異構對等網絡和監控部分。試驗床的體系結構如圖1所示。網絡部分由多功能便攜式無線節點，無線筆記本計算機，臺式計算機，服務器，有線和無線網關，交換機等構成。監控部分通過以太網鏈接到網絡，控制操作網絡運行和分析數據。數據庫服務器存儲數據和事件日志。

　　1.4 多功能便攜式無線節點

　　多功能便攜式無線節點是試驗床的重要組成部分。為了匹配無線網絡的數據傳輸速率，無線節點應該支持盡可能高的數據傳輸速率。我們部署一個至少包括30個節點的試驗床。我們也考慮過以軟件無線電為基礎的試驗床，但是發現適當規模的試驗床費用非常高。經過對數據傳輸速率，可用性，可靠性和費用這些因素的綜合考慮，我們將方案定于嵌入式WiFi解決方案。我們發現市場上的大多數WiFi模塊都整合了射頻、WiFi協議以及天線，而且不允許改變介質訪問控制(MAC)協議。因為我們的目標是開發新的基于機會主義的調度協議，我們必須訪問和修改MAC協議。經過調查，我們的試驗床采用了G2 Microsystems公司的 G2C547 WiFi模塊。G2C547芯片支持在TCP/IP傳輸層上4Mbps的吞吐量。點的功耗。

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