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訊、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、建築裝置、計算機輔助製造系統、能源控制系統、核電站硬體機器人系統，小到我們日常使用的智慧手機、電話交換系統，以及數字電視、掌上電腦、DVD、MP4、數碼相機、網路冰箱、網路空調、可視電話等，嵌入式技術正在我們的生活中佔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，嵌入式軟體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，我國嵌入式軟體複合型人才基數小、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，不僅要懂較底層軟體，對軟體專業水平要求較高，而且必須懂得硬體的工作原理，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，很多軟硬體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體，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，我們應該儘快建立起“嵌入式系統實驗室”，為培養嵌入式人才搭建起堅實的軟硬體平臺。
二、嵌入式系統實驗室的功能
由於要將該實驗室建設為標準型實驗室，因此要採用較高的配置標準，以適應10—2019年技術發展和使用的要求，且具有開放性、靈活性和可擴充套件性。
該實驗室建成之後，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、嵌入式實驗室硬體環境建設，軟體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裝置。
Windows客戶機+Linux伺服器的方式，對實驗室而言，應該是最適合的方案了。只需多一臺Linux伺服器就可以了。
3.2 嵌入式實驗室硬體環境配置清單
嵌入式實驗室裝置清單，如下表所示：(。。。。。)
2、嵌入式實驗箱的技術引數指標要求
嵌入式實驗箱是嵌入式系統實驗室的關鍵組成部分，具體引數指標要求如下：
Intel Xscale PXA270嵌入式實驗箱
硬體要求：PXA270實驗箱由核心板+教學底板組成
核心板硬體引數
處理器: Intel XScale PXA270 520MHz
SDRAM:64Mbyte
FLASH: 32Mbyte
底板硬體引數
LCD介面: 配TFT 8” (640*480)屏。
VGA輸出介面:可接模擬CRT顯示器或液晶顯示器
觸控式螢幕: UCB1400BE，四線電阻式
乙太網介面:10M/100M 自適應介面1個
Audio: AC97標準音頻輸入/輸出
USB HOST:1個
USB CLIENT:1個
攝像頭介面:1個
紅外通訊介面:1個
串列埠:5個RS232(其中3個為全功能)
485通訊介面:1個
JTAG介面:20pin
PCMCIA介面:1個
IDE介面:可接筆記本硬碟
SD/MMC卡介面:可接SD卡或MMC卡
SMC卡:可擴充套件NAND FLASH
LED陣列:8×8發光二極體陣列
七段數碼管: 4個7段數碼管
AD:1個電位器電壓輸入，一個溫度感測器輸入
RTC:實時鐘
鍵盤:4×5鍵盤矩陣
擴充套件介面:2×96pin歐式座，引出所有匯流排訊號：可擴充套件以下模組：
DSP6713&USB2.0高速資料採集板
FPGA擴充套件板
GPS&GPRS擴充套件板
CAN&485通訊擴充套件板
電機擴充套件模組
射頻卡&IC卡擴充套件板
熱敏滑動指紋感測模組
802.15.4擴充套件模組
3.3 嵌入式實驗室軟體資源清單
1、提供嵌入式Linux2.4以及Windows CE5.0作業系統。
⑴Windows 5.0 BSP
BootLoader原始碼;乙太網驅動原始碼;音訊驅動：提供音訊AC’97驅動程式原始碼;LCD驅動原始碼;觸控式螢幕驅動原始碼;USB Host驅動原始碼;USB Slave驅動原始碼;攝像頭驅動原始碼;IrDA紅外介面驅動原始碼;RS232串列埠驅動原始碼;RS485驅動原始碼;PCMCIA 介面驅動原始碼;SD/MMC 介面驅動原始碼;LED數碼管驅動原始碼;Keypad驅動原始碼。
⑵Linux 2.4核心
BootLoader原始碼;Linux核心原始碼;檔案系統，提供基於日誌的檔案系統Jffs2;支援圖形使用者介面：QT;乙太網驅動原始碼;音訊驅動：提供音訊AC’97驅動程式原始碼;LCD驅動原始碼;觸控式螢幕驅動原始碼;USB Host驅動原始碼;攝像頭驅動原始碼; RS232串列埠驅動原始碼;RS485驅動原始碼; PCMCIA介面驅動原始碼;SD/MMC介面驅動原始碼; LED數碼管驅動原始碼;Keypad驅動原始碼。
2、必須提供硬體測試程式，可以快速驗證實驗平臺的硬體介面，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;串列埠傳輸實驗;中斷處理實驗;觸控式螢幕實驗;LCD控制器實驗。
Window CE實驗： Platform Builder使用;Platform Builder除錯;檔案新增實驗;執行緒除錯實驗;EVC程式開發實驗;登錄檔整合實驗;Hiv登錄檔儲存實驗;串列埠通訊實驗;音訊錄放實驗;USB滑鼠新增實驗;CAN匯流排實驗;GPRS應用實驗;藍芽通訊實驗;Web Server實驗;採用提供Windows CE以及Visual Stido 2019結合的方式。
Linux實驗：嵌入式Linux入門實驗;Linux常用工具;BootLoader實驗;核心編譯實驗;驅動程式結構實驗;KEYPAD_LED驅動程式實驗;音訊驅動實驗;USB驅動實驗;LCD實驗;IDE介面實驗;GUI實驗;構建檔案系統實驗;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、有成熟並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開發平臺採用兩個嵌入式WiFi模組(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. 採用了目前世界上最先進的嵌入式WiFi模組G2M5477。G2M5477由美國G2 Microsystems研發，該模組在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. 目前感測器網路的一個發展趨勢為高速率傳輸，經過以CC1000系列和CC2420系列為代表的兩代感測器網路節點的發展，感測器網路節點進入高速嵌入式WiFi階段。G2M5477的小體積、超低功耗(電池更換週期可達3-4年以上)、高速率、高效能(模組內包含44MHz RISC CPU)，為無線感測器網路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模組，WiFi模組與PXA270之間採用SPI高速介面(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模組完成嵌入式WiFi的研究工作。
4. 平臺的程式碼全部開放，包括嵌入式WiFi的MAC層、網路層、傳輸層，PXA270作業系統的程式碼。
5. 平臺可以通過串列埠連線計算機直接進行開發工作，不需另購線上程式設計器或偵錯程式。
6. 支援多種感測器。平臺依靠高效能PXA270 CPU可以連線麥克風、攝像頭等感測器,完成多媒體無線傳輸的研究工作。同時，平臺的G2M5477模組高精度AD介面可以直接連線溫度、溼度、加速度等感測器，完成基於嵌入式WiFi無線感測器網路節點的研發工作。
Multi-Radio嵌入式WiFi開發平臺結構如圖1所示，圖2為平臺照片。平臺採用兩個G2M5477模組允許利用開源韌體同時進行傳送端/傳送端，傳送端/接收端，接收端/接收端的操作。每個G2M5477模組可以設定為採用2.4GHz的1到11和14通道。為了儘量減少干擾，可以同時使用非重疊的通道1，通道6和通道11。CPU是帶有RAM，ROM，SD卡介面和乙太網介面的XScale PXA270。RAM和ROM用於嵌入式linux，SD卡介面可用於提供大容量的檔案儲存。乙太網介面連線到有線網路用於傳輸測試和控制資訊。節點還擁有用於連線各種應用的不同種類的感測器的介面。功耗測量電路被用於分別監測兩個G2M5477模組和整個節
二i-Radio開發平臺的主要效能指標：
1. 同時支援2個嵌入式WiFi模組，每個模組的特性如下：
1) 802.11b/g 2.4 GHz, 通道 1-11 和 14，資料速率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，資料速率可達100 Mbps;
6) SPI介面，最高44 Mbps;
7) UART介面，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. 高效能的CPU(ARM9);
3. 兩個WiFi模組以及整個平臺的電壓、電流、功率、溫度的連續自動測量;
4. 大容量儲存(U盤或SD卡);
5. 支援音訊和視訊介面(可以直接連線攝像頭);
6. 乙太網、USB介面。
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、大檔案下載等，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)，將現有的有線網路擴充套件到無線網路中，研究無線網路的P2P問題。
2.由於無線頻寬和網路特性(無線一般是廣播方式的，不像有線網路是交換方式的，廣播方式有同通道干擾問題)的限制，採用多個無線模組(即多個Radio)在同一時間進行傳輸，每個模組工作在不同的通道上，多個鏈路的同時傳輸增加了網路傳輸的吞吐量。
3.可以進行嵌入式WiFi的研究，嵌入式WiFi是下一代感測器網路節點的發展方向之一，利用此平臺程式碼開放的特點和強勁的CPU，可以進行多種多樣的開發工作，包括感測器網路多媒體的研究。
4.由於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。
無線多通道異構網路通用試驗床
1.1 綜述
此無線多通道異構網路通用試驗床試驗床是異構對等網路(Peer-to-Peer)研究的基礎裝置。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體結構。然後說明了試驗床的基本測試結果。
1.2 試驗床需求
a) 異構性
試驗床必須由有線和無線部分組成。有線部分的資料傳輸速率大於100Mbps，但無線部分的傳輸速率可以大大低於有線部分。
b) 支援資源發現服務
資源發現是對等網路(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資訊，(iii)允許實時流量分析， (iv)便於快取節點的目錄資訊。
c) 在動態通道條件下支援內容分發服務
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排程協議，同時(ii)利用無線介質的廣播特性來提高效能。
d) 支援自定義多介面協議
試驗床需要支援多介面，多通道結構來增強節點執行不同應用程式的靈活性。
e) 系統服務
具有友好使用者介面的系統軟體服務，用來監測、控制試驗床並存儲資料與事件日誌。
1.3 試驗床結構
試驗床包括兩個主要部分，分別是異構對等網路和監控部分。試驗床的體系結構如圖1所示。網路部分由多功能行動式無線節點，無線筆記本計算機，臺式計算機，伺服器，有線和無線閘道器，交換機等構成。監控部分通過乙太網連結到網路，控制操作網路執行和分析資料。資料庫伺服器儲存資料和事件日誌。
1.4 多功能行動式無線節點
多功能行動式無線節點是試驗床的重要組成部分。為了匹配無線網路的資料傳輸速率，無線節點應該支援儘可能高的資料傳輸速率。我們部署一個至少包括30個節點的試驗床。我們也考慮過以軟體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。經過對資料傳輸速率，可用性，可靠性和費用這些因素的綜合考慮，我們將方案定於嵌入式WiFi解決方案。我們發現市場上的大多數WiFi模組都整合了射頻、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於機會主義的排程協議，我們必須訪問和修改MAC協議。經過調查，我們的試驗床採用了G2 Microsystems公司的 G2C547 WiFi模組。G2C547晶片支援在TCP/IP傳輸層上4Mbps的吞吐量。點的功耗。
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