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摘 要 开发一款基于S3C6410嵌入式ARM处理器的网络学习终端系统，其功能是点播Internet网站的学习资源，实现网络学习。系统具有功耗低、移动性强、携带方便、价格低廉等优点。
关键词 嵌入式系统；S3C6410；声卡；Wi-Fi
中图分类号：G434 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2014）10-0042-02
1 引言
随着通信技术、网络技术和计算机技术的迅猛发展及在教育教学中的广泛应用，使得传统黑板 粉笔的面对面教育已经无法满足学习者的需要，并由此产生很多种教育模式，网络教育是其中较为成功的一种。它突破了传统教学时间和空间的局限性，是一种能够超出校园，向更多地区辐射的开放式教学模式。高校可充分利用自身学科优势和教育资源的优势，通过网络传播方式或者卫星传播方式，将最优秀的教学资源传播到四面八方；学习者则不必在教室里中被动进行学习，可按照自己的方式在任意时间进行主动学习。
网络学习是一种非常成功的学习模式，它给学习者的学习带来了极大的便利，使学习者不必在校园里进行学习，在一定程度上突破了时间和空间的局限性，学习者可以自己选择学习时间，进行自主学习。但是由于现有的网络教学系统需要依赖于计算机，如果没有计算机，网络教学将无法实现，从某种意义上讲，限制了使用者的使用。
为了解决这一问题，本文设计了一款基于嵌入式系统的无线网络教学终端，系统采用无线网络方式连接互联网，学生可以在无线局域网的任意位置或者使用3G通信网络，在任意时间和任意地点，进行自主学习或与教师进行交流。本系统具有体积小巧、携带方便、移动性强、功耗低等优点。
2 无线网络学习终端系统结构
ARM嵌入式处理器是由英国ARM公司设计的高性能、低功耗的32位精简指令集处理器，其应用遍及汽车、消费电子、成像、网络集无线等诸多领域，目前基于ARM技术的处理器已经占据32位精简指令集处理器的85%以上。本系统以主频为667 MHz的ARM11处理器S3C6410为核心。与其他同类处理器相比，S3C6410处理器可为用户提供一个低成本、低功耗、高性能的多媒体应用解决方案。它采用由AXI、AHB和APB组成的64/32位内部总线架构，内部集成了许多强大的硬件加速器和一个多格式的编解码器，支持MPEG4/H.263/H.264等多种格式的编解码。
为了降低系统的成本和提高处理器的总体功能，S3C6410片内集成了很多硬件外设，如Camera接口、TFT24位液晶显示控制器、存储器管理单元、IIS总线接口、USB主从设备、SD主设备等。
系统硬件电路由S3C6410处理器、SDRAM、Nand Flash、电源电路、USB电路、LCD电路、声卡电路、网卡电路以及SD卡电路等几部分构成。SDRAM为系统的内存，与个人计算机一样，其功能是运行操作系统和用户应用程序；Nand Flash为系统的固态存储介质，用于存储系统所有程序，包括bootloader、Linux操作系统、用户GUI、文件系统以及用户的应用程序；电源电路为系统提供工作电源，采用锂电池供电；USB电路为通用USB接口，可连接USB无线网卡、3G网卡及U盘等USB设备；LCD电路为系统提供7寸LCD电容触摸液晶屏；声卡电路的功能是为系统提供双通道立体声的声卡，具有录放功能；网卡电路是为系统提供Wi-Fi网卡，可以随时随地接入到无线局域网中；SD卡电路的功能是为系统提供大容量的外置存储介质。
3 系统软件部分设计
对于系统的软件部分，采用U-boot作为系统的Bootloader，Linux3.0操作系统，YAFFS2文件系统，Qqotpia用户图像接口等。
U-Boot是遵循GPL条款的开放源码的Bootloader项目，由德国DENX软件工程中心负责开发维护。U-Boot的工作模式分为启动加载模式和下载模式两种。其中启动加载模式是Bootloader的正常工作模式，它将操作系统从Flash中加载到SDRAM中运行，整个过程是上电自动完成的。
Linux是一种开源的、免费使用的和自由传播的操作系统，是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它支持32位和64位处理器，继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。目前Linux操作系统已广泛应用于基于ARM的嵌入式系统中，本系统采用的Linux版本为3.0。
YAFFS是第一个专门为NAND Flash固态存储器设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备；并且是在GPL协议下发布的一种开源、免费的文件系统，它是基于日志的文件系统，提供磨损平衡和掉电恢复的健壮性，是目前已在Linux、WINCE等嵌入式操作系统中应用最为广泛的一种文件系统。
为方便学习者操作，系统采用Qtopia2.0作为图形用户接口。Qtopia是Trolltech公司专为嵌入式Linux操作系统而开发的综合应用平台，现已被诺基亚公司收购。Qtopia包含完整的应用层、灵活的用户界面、窗口操作系统、应用程序启动程序以及开发框架，包括窗口操作系统、游戏和多媒体、工作辅助应用程序、同步框架、PIM应用程序和Internet应用程序等众多功能，非常方便学习者使用。
4 系统硬件电路设计
系统硬件电路的设计主要包括存储器硬件电路设计、电源硬件电路设计、USB硬件电路设计、LCD硬件电路设计、声卡硬件电路设计、网卡硬件电路设计等。本文主要对系统的存储器电路、声卡电路和网卡电路的设计方法进行研究，其他电路S3C6410内部集成相应的控制器，只需要引出相应接口即可，故不再赘述。
存储器硬件电路设计 系统中有三种存储器：DDRAM、Nand Flash和SD卡。DDRAM为系统的内存，系统中一切运算都是在内存中运行。系统采用三星公司的K4X1G163PE芯片作为系统的DDR内存，该芯片单片容量为128 M，系统采用两片，构成256 M。为提供稳定的3.3 V电源，需要在芯片电源引脚连接容量分别为10 μF和100 nF的滤波电容，其功能是滤掉电路中的高频干扰和低频干扰。 Nand Flash芯片为一种固态存储介质，其特点是具有较快的读速度，且成本低廉，因此适用作嵌入式系统的固态存储单元。系统采用三星公司生产的K9WAG08 Nand Flash芯片，容量为2 G，其数据宽度为8位，块擦写时间为2 ms，且据有硬件数据保护功能和上电自动引导功能，其用于存储系统软件和应用程序。
声卡硬件电路设计 系统采用音频界著名的WOLFSON公司生产的WM9715L芯片，该芯片是一款专为移动平台开发的高度集成度、低功耗、性价比高的音频处理器。
网卡硬件电路设计 网卡电路是本系统的一个重要部分，为提高系统的使用灵活性，系统提供两种网络连接方式，即使用Wi-Fi无线网络连接方式和移动3G无线网络连接方式。Wi-Fi无线网络连接方式，系统内部集成Wi-Fi无线网卡，采用目前应用比较广泛的Marvell公司生产的88W8686芯片。3G无线网络连接方式，主要采用市场上的3G USB无线网卡，直接连接到的系统自带的USB接口上即可。系统支持移动、电信和联通三种制式的3G信号，目前系统所支持的3G网卡型号为：中兴A356（适于中国移动）、中兴AC581（适于中国电信）和华为EC167（适于中国电信）。
5 总结
本文设计了一款基于嵌入式系统的网络学习终端，具有功耗低、移动性强、携带方便、价格低廉等优点。可应用于网络教学，学生可以在无线校园网络内任意位置进行自主学习，与教师进行交互，不受任何学习时间、学习地点的限制。将本系统应用于教学实践，不但可以提高学生的学习效率和学习积极性，还具有很高的经济价值。
参考文献
[1]贾伟，王正勇.基于S3C6410A的USB多点视频图像[J].采集系统设计，2013（3）：168-171.
[2]潘永才，蹇安安，陶云峰，等.基于S3C6410的机房智能监控系统设计[J].物联网技术，2012（12）：23-25.
[3]周健昌，李振兴.基于S3C6410的u-boot分析与移植[J].电子设计工程，2012（17）：53-56.
[4]陈晓雷，杨永五，邓蕾，等.基于S3C6410的客车车载监控系统终端设计[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2012（1）：76-78.
[5]雷丰中，刘鹏.基于S3C6410的多媒体系统设计[J].电视技术，2011（11）：24-27.
[6]尤盈盈，孟利民.构建嵌入式linux交叉编译环境[J].计算机与数字工程，2006（6）：30-32.
关键词 嵌入式系统；S3C6410；声卡；Wi-Fi
中图分类号：G434 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2014）10-0042-02
1 引言
随着通信技术、网络技术和计算机技术的迅猛发展及在教育教学中的广泛应用，使得传统黑板 粉笔的面对面教育已经无法满足学习者的需要，并由此产生很多种教育模式，网络教育是其中较为成功的一种。它突破了传统教学时间和空间的局限性，是一种能够超出校园，向更多地区辐射的开放式教学模式。高校可充分利用自身学科优势和教育资源的优势，通过网络传播方式或者卫星传播方式，将最优秀的教学资源传播到四面八方；学习者则不必在教室里中被动进行学习，可按照自己的方式在任意时间进行主动学习。
网络学习是一种非常成功的学习模式，它给学习者的学习带来了极大的便利，使学习者不必在校园里进行学习，在一定程度上突破了时间和空间的局限性，学习者可以自己选择学习时间，进行自主学习。但是由于现有的网络教学系统需要依赖于计算机，如果没有计算机，网络教学将无法实现，从某种意义上讲，限制了使用者的使用。
为了解决这一问题，本文设计了一款基于嵌入式系统的无线网络教学终端，系统采用无线网络方式连接互联网，学生可以在无线局域网的任意位置或者使用3G通信网络，在任意时间和任意地点，进行自主学习或与教师进行交流。本系统具有体积小巧、携带方便、移动性强、功耗低等优点。
2 无线网络学习终端系统结构
ARM嵌入式处理器是由英国ARM公司设计的高性能、低功耗的32位精简指令集处理器，其应用遍及汽车、消费电子、成像、网络集无线等诸多领域，目前基于ARM技术的处理器已经占据32位精简指令集处理器的85%以上。本系统以主频为667 MHz的ARM11处理器S3C6410为核心。与其他同类处理器相比，S3C6410处理器可为用户提供一个低成本、低功耗、高性能的多媒体应用解决方案。它采用由AXI、AHB和APB组成的64/32位内部总线架构，内部集成了许多强大的硬件加速器和一个多格式的编解码器，支持MPEG4/H.263/H.264等多种格式的编解码。
为了降低系统的成本和提高处理器的总体功能，S3C6410片内集成了很多硬件外设，如Camera接口、TFT24位液晶显示控制器、存储器管理单元、IIS总线接口、USB主从设备、SD主设备等。
系统硬件电路由S3C6410处理器、SDRAM、Nand Flash、电源电路、USB电路、LCD电路、声卡电路、网卡电路以及SD卡电路等几部分构成。SDRAM为系统的内存，与个人计算机一样，其功能是运行操作系统和用户应用程序；Nand Flash为系统的固态存储介质，用于存储系统所有程序，包括bootloader、Linux操作系统、用户GUI、文件系统以及用户的应用程序；电源电路为系统提供工作电源，采用锂电池供电；USB电路为通用USB接口，可连接USB无线网卡、3G网卡及U盘等USB设备；LCD电路为系统提供7寸LCD电容触摸液晶屏；声卡电路的功能是为系统提供双通道立体声的声卡，具有录放功能；网卡电路是为系统提供Wi-Fi网卡，可以随时随地接入到无线局域网中；SD卡电路的功能是为系统提供大容量的外置存储介质。
3 系统软件部分设计
对于系统的软件部分，采用U-boot作为系统的Bootloader，Linux3.0操作系统，YAFFS2文件系统，Qqotpia用户图像接口等。
U-Boot是遵循GPL条款的开放源码的Bootloader项目，由德国DENX软件工程中心负责开发维护。U-Boot的工作模式分为启动加载模式和下载模式两种。其中启动加载模式是Bootloader的正常工作模式，它将操作系统从Flash中加载到SDRAM中运行，整个过程是上电自动完成的。
Linux是一种开源的、免费使用的和自由传播的操作系统，是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它支持32位和64位处理器，继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。目前Linux操作系统已广泛应用于基于ARM的嵌入式系统中，本系统采用的Linux版本为3.0。
YAFFS是第一个专门为NAND Flash固态存储器设计的嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备；并且是在GPL协议下发布的一种开源、免费的文件系统，它是基于日志的文件系统，提供磨损平衡和掉电恢复的健壮性，是目前已在Linux、WINCE等嵌入式操作系统中应用最为广泛的一种文件系统。
为方便学习者操作，系统采用Qtopia2.0作为图形用户接口。Qtopia是Trolltech公司专为嵌入式Linux操作系统而开发的综合应用平台，现已被诺基亚公司收购。Qtopia包含完整的应用层、灵活的用户界面、窗口操作系统、应用程序启动程序以及开发框架，包括窗口操作系统、游戏和多媒体、工作辅助应用程序、同步框架、PIM应用程序和Internet应用程序等众多功能，非常方便学习者使用。
4 系统硬件电路设计
系统硬件电路的设计主要包括存储器硬件电路设计、电源硬件电路设计、USB硬件电路设计、LCD硬件电路设计、声卡硬件电路设计、网卡硬件电路设计等。本文主要对系统的存储器电路、声卡电路和网卡电路的设计方法进行研究，其他电路S3C6410内部集成相应的控制器，只需要引出相应接口即可，故不再赘述。
存储器硬件电路设计 系统中有三种存储器：DDRAM、Nand Flash和SD卡。DDRAM为系统的内存，系统中一切运算都是在内存中运行。系统采用三星公司的K4X1G163PE芯片作为系统的DDR内存，该芯片单片容量为128 M，系统采用两片，构成256 M。为提供稳定的3.3 V电源，需要在芯片电源引脚连接容量分别为10 μF和100 nF的滤波电容，其功能是滤掉电路中的高频干扰和低频干扰。 Nand Flash芯片为一种固态存储介质，其特点是具有较快的读速度，且成本低廉，因此适用作嵌入式系统的固态存储单元。系统采用三星公司生产的K9WAG08 Nand Flash芯片，容量为2 G，其数据宽度为8位，块擦写时间为2 ms，且据有硬件数据保护功能和上电自动引导功能，其用于存储系统软件和应用程序。
声卡硬件电路设计 系统采用音频界著名的WOLFSON公司生产的WM9715L芯片，该芯片是一款专为移动平台开发的高度集成度、低功耗、性价比高的音频处理器。
网卡硬件电路设计 网卡电路是本系统的一个重要部分，为提高系统的使用灵活性，系统提供两种网络连接方式，即使用Wi-Fi无线网络连接方式和移动3G无线网络连接方式。Wi-Fi无线网络连接方式，系统内部集成Wi-Fi无线网卡，采用目前应用比较广泛的Marvell公司生产的88W8686芯片。3G无线网络连接方式，主要采用市场上的3G USB无线网卡，直接连接到的系统自带的USB接口上即可。系统支持移动、电信和联通三种制式的3G信号，目前系统所支持的3G网卡型号为：中兴A356（适于中国移动）、中兴AC581（适于中国电信）和华为EC167（适于中国电信）。
5 总结
本文设计了一款基于嵌入式系统的网络学习终端，具有功耗低、移动性强、携带方便、价格低廉等优点。可应用于网络教学，学生可以在无线校园网络内任意位置进行自主学习，与教师进行交互，不受任何学习时间、学习地点的限制。将本系统应用于教学实践，不但可以提高学生的学习效率和学习积极性，还具有很高的经济价值。
参考文献
[1]贾伟，王正勇.基于S3C6410A的USB多点视频图像[J].采集系统设计，2013（3）：168-171.
[2]潘永才，蹇安安，陶云峰，等.基于S3C6410的机房智能监控系统设计[J].物联网技术，2012（12）：23-25.
[3]周健昌，李振兴.基于S3C6410的u-boot分析与移植[J].电子设计工程，2012（17）：53-56.
[4]陈晓雷，杨永五，邓蕾，等.基于S3C6410的客车车载监控系统终端设计[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2012（1）：76-78.
[5]雷丰中，刘鹏.基于S3C6410的多媒体系统设计[J].电视技术，2011（11）：24-27.
[6]尤盈盈，孟利民.构建嵌入式linux交叉编译环境[J].计算机与数字工程，2006（6）：30-32.