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嵌入式系统虚拟仿真平台及实验

嵌入式系统虚拟仿真平台及实验

作者：

田润泽罗飞丁炜超陈琳

来源：

《软件导刊》2020年第02期

        摘要：

嵌入式系统实验课程存在硬件知识和动手操作门槛，造成学习效率低、教学效果差等问题。

为解决这些问题，以Unity3D为开发工具，构建一种嵌入式系统的虚拟仿真平台，借由Unity3D游戏引擎，模拟嵌入式实验操作环境，建模嵌入式实验设备，并借助该虚拟仿真平台完成嵌入式系统实验。

该虚拟仿真平台能够有效提供嵌入式Linux课程所需的实验环境和实验方法。

基于虚拟仿真平台的嵌入式虚拟实验系统可有效降低嵌入式系统实验课程的学习难度并提升教学效果。

        关键词：

Unity3D;嵌入式系统;虚拟仿真;模型构建;场景构建

        DOI：

10.11907/rjdk.192076开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

        中图分类号：

G434文献标识码：

A文章编号：

1672-7800（2020）002-0240-04

        英标：

VirtualSimulationPlatformandExperimentsofEmbeddedSystems

        英作：

TIANRun-ze，LUOFei，？

DINGWei-chao，？

CHENLin

        英单：

（SchoolofInformationandEngineering，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200237，China）

        Abstract：

Thecurrentsituationofexperimentalcurriculumofembeddedsystemsinuniversitiesshouldbechanged，becausetheexperimentalcoursesofembeddedsystemshavethethresholdofhardwareknowledgeandthecorrespondingoperation，resultinginlowlearningefficiencyandpoorteachingeffect.Therefore，thispaperutilizesUnity3Dasthedevelopmenttooltoconstructavirtualsimulationplatformforembeddedsystems.TheUnitygameengineisusedtosimulatetheoperatingenvironmentofembeddedexperiment，wheretheembeddedexperimentalequipmentismodeled.Theexperimentofembeddedsystemsisfurthercarriedoutbasedonthevirtualsimulationplatform.ItisshownthatthevirtualsimulationplatformcaneffectivelyprovidetheexperimentalenvironmentandmethodsforembeddedLinux.Theresultsindicatethatthevirtualsimulationplatformcaneffectivelysolvethedifficultiesofembeddedexperimentalcourse，reducethelearningdifficultyofembeddedsystemsandimproveteachingeffect.

        KeyWords：

Unity3D;embeddedsystems;virtualsimulation;modelbuilding;scenariobuilding

        0引言

        随着计算机技术的快速发展，嵌入式技术应用日益广泛，关于嵌入式课程的学习越发重要。

但是随着大学课程的深入，学生们受限于精力，准备嵌入式课程的时间越来越少[1-3];同时嵌入式课程本身就是软硬件相结合，内容多且系统性较强，具有一定难度[4-5]。

现实中往往存在这样一种现象：

学生深知嵌入式课程的重要性，但苦于准备时间少，课程学习难度大，使得学习成果不尽如人意[6-7]。

然而，高校所能提供的技术远远跟不上嵌入式技术的发展，学生即使能合格完成高校课程任务，但也很难满足企业需求。

        为了解决嵌入式实验课程所面临的问题，需要探讨新的嵌入式系统实验方法。

WoongYang等[7]提供了一个Web框架来连接物理和虚拟环境，并且能够在物理和虚拟环境之间自由切换;JamesDevine[8]为嵌入式系统开发提供了一种新的开发平台;杨昕欣等[9]采用开源仿真器QEMU设计了虚拟仿真教学实验，为嵌入式系统操作系统原理、嵌入式系统编程基础、Linux驱动开发以及嵌入式开发等教学内容提供了良好支撑;张志勇等[10]使用PROTEUS仿真实现嵌入式系统开发课程虚拟仿真实验平台，进行软件设计和电路仿真;况立群等[11]提出将虚拟仿真技术引入嵌入式系统课程群的实践教学环节，使得许多原来由硬件才能完成的功能，都能依靠软件实现，即“以虚代实”“以软代硬”“虚实结合”，构建了与真实环境一致的虚拟仿真实践教学平台;杨昕欣等[12]基于主流虚拟现实头显设备设计了嵌入式相关实验，其中，基础实验提供基本开发能力训练，自主实验为学生提供发挥创意的空间;刘小花等[13]在虚拟仿真实验教学平台建设和运行过程中，根据信息电子类实验课程教学特點和需要达到的实验效果，从实践教学内容、教学模式、人才培养以及教学资源建设等方面，提出了信息电子仿真平台可持续发展策略。

        以上方法都未在嵌入式系统硬件方面提供虚拟仿真，因而不能有效降低嵌入式系统硬件知识门槛，进而不能有效解决嵌入式系统实验教学所面临的问题。

本文以Unity3D技术为基础，通过构架一种嵌入式系统虚拟仿真平台，进行嵌入式系统实验教学研究，改进了嵌入式系统中的实验教学过程。

        1嵌入式系统虚拟仿真平台

        嵌入式系统实验的主要内容包括：

依托ARM目标板，基于嵌入式Linux技术，完成嵌入式Linux交叉开发环境配置、嵌入式开发机与目标板的物理连接、嵌入式Linux内核的编译和下载烧写等。

        为了解决矛盾，笔者进行了教学改革实践探索，不仅构建新型嵌入式课程模式，而且将新型虚拟仿真技术运用于嵌入式课程。

嵌入式虚拟仿真平台研究内容如下：

（1）依照参数化建模方式。

通过Magicavoxel[14]插件进行电脑、机箱、仿真器以及串口建模，再将这些模型导入Unity3D，设置为预设物体，然后导出使用。

（2）在Unity3D中，设置以上模型为刚体[15-16]，满足一定的物理特性，并且通过碰撞检测分析判断串口选择是否正确以及是否连接成功。

        （3）仿照Linux的工作目录搭建游戏，体验者运用Linux环境下的所有命令，都将产生与实际一致的结果。

        根据嵌入式系统实验内容，嵌入式虚拟仿真平台设计方案如下：

用户（实验人员）首先进入一个场景中，场景中存在文本信息账号密码输入框，使用者按照要求输入学号，点击确认并验证正确之后将进行场景跳转，进入第二个场景;第二个场景存在3个模块，分别为：

环境配置、物理连接以及下载烧写，当然还存在退出按键，退出之后用户退出登录，回到第一个场景，分别点击第二个场景的3个模块进入对应场景中进行实验，但是按照虚拟仿真的原则，下载烧写模块应当在环境配置和物理连接完成之后才能进行，否则实验将发生错误。

上述虚拟仿真平台方案如图1所示，在进行模块选择时必须先行选择环境配置或者物理连接，完成之后才能选择下载烧写，全部完成之后退出系统即可。

        2模型构建

        结合嵌入式实验采用Cortex-A8ARM硬件资源，对该资源进行模型构建，其结构如图2所示。

此模型运用MagicaVoxel插件构建，该插件可以将构建好的模型以obj格式导入Unity中，在Unity游戏引擎中开发嵌入式系统实验所需的物理环境。

        模型构建分为两部分：

宏观构建和微观构建。

宏观构建是指从宏观上把握实际硬件资源的形状、大小，然后分层构建，也即根据此硬件资源的特征，首先绘制一个实验机箱大小的蓝色长方体作为机箱底部，同时此硬件底部上方不仅仅有各种各样的接口，还存在FS210_DEV_V5，因此需要在蓝色长方体中间部位绘制一个小型长方体作为此部分，然后根据硬件资源的每一个部分进行宏观建模，完成整体模型构建。

微观构建是指针对每一个部分独有的特征而构建，此过程用到的物体包括长方体、圆形体以及单独的点，涉及的操作包括拼接及剪裁。

结合具体部分进行描述：

音频输入、麦克风、TV输入就是长方体与正方体的拼接，其中还进行了剪裁，用于体现接口特征;USBHOST、串口、电源输入主要涉及删减操作，按照实体形状进行删减，雕镂出符合形状的接口;JTAG接口、KEY6*6接口的建模涉及删减及拼接操作，删减体现在构建长方体之后需删减长方体的顶层部分，拼接是将删减的长方体与点模型进行拼接，JTAG接口将两者分为不同的颜色，方便区分。

HS-SD卡的建模也涉及拼接及删减，但是构建更加复杂，观察实物特征发现，HS-SD卡是半镂空的，主要是外壳，内部并不是实心的。

因此，在建模时首先应该构建一个长方体，然后进行删减操作，把实心的元素删掉，同时长方体顶部存在U型图案，也可以删减部分小块，使其呈现U型图案。

最后，HS-SD卡还存在着翘起来的部分，将其用小长方体代替，然后将两者拼接成一个物体，便完成此模型构建。

在建模时还需注意，不是所有接口都需要完全建模，存在一些接口没有用到，并且比较小，不需要完全建模，也即忽略次要因素，对主要部分进行建模，体现了抽象的思想。

        在提供在线实验平台的基础上，将提供的新型实验模式通过Unity引擎构建于虚拟实验室管理层，将产生新型嵌入式实验方法——基于嵌入式虚拟仿真平台的嵌入式实验，该方法通过Unity构建嵌入式实验所需的物理环境，通过MagicaVoxel插件进行硬件资源建模，最终搭建虚拟嵌入式实验环境。

        3场景构建

        Unity3D中的场景相当于Web中的页面，区别是场景是3D的，立体显示所有信息，当构建UI文本时，场景与Web界面并无差异。

在此系统中，存在以下幾种场景：

模块选择、环境配置、物理连接、下载烧写。

        3.1模块选择场景

        使用者将自己的学号当作账号和密码进入虚拟仿真平台，通过验证之后进入此场景。

场景设计如下：

一个二维页面上包含一段文字及4个按钮，最上方为文字，记录着“本系统将虚拟仿真如下实验”，下方有两个并列为一行的按钮，分别为环境配置和物理连接，两者并列表示两者优先级是一致的，先进行哪一个都可以，下一行存在一个按钮，名称为下载烧写，表示上方两个实验完成之后才可以进行，最下方有一个按钮，点击之后将退出登录，返回到登录场景。

        3.2环境配置场景

        此场景主要由3部分组成：

输入框、输出框及按钮。

输入框是输入环境配置的指令，输入完成之后按键盘回车键，系统加以验证，并于输出框显示结果，其中一个按钮点击之后进入代码编辑阶段，输入代码验证即可，另外两个下方的按钮分别表示返回模块选择场景或者进入下一场景。

        3.3物理连接场景

        本场景是所有场景中最复杂的场景，在一个封闭的三维立体空间中，有一台实验桌，放置电脑以及嵌入式实验所需的硬件设备，实验桌前方有一个黑板，上面有硬件设备名称，本场景右上方存在两个按钮，分别表示返回模块选择场景或者进入下一场景。

        3.4uBoot烧写场景

        uBoot烧写是下载烧写在本系统中的烧写方式，因此下载烧写就是uBoot烧写，在本场景中也存在3部分：

输入框、输出框及按钮，但是不包括代码编辑按钮。

按照实验步骤输入指令并将显示正确结果，下方两个按钮分别表示返回模块选择场景或者进入下一场景。

        3.5结果输出

        结果输出存在于系统各模块，是验证实验结果是否正确的唯一方式。

模块一环境配置中，每输入一行指令会点击回车键验证是否正确，如果结果正确，会在输出框显示表示输出正确的值，有时显示指令正确，有时解析输入指令的含义，有时输出正确结果;模块二中，点击按钮将显示点击设备的详细信息，方便使用者进一步掌握实验器材的使用方式，在连接成功之后也会有具体显示效果表示连接完成;模块三中，点击任意按键设计为点击回车键，显示串口终端信息，之后Print指令也将配置好的信息显示在黑色输出文本框中，按照实验步骤进行将会于输出框中表明输入的指令是否正确，当输入的所有指令都正确时，将按照实验显示结果，然后结束实验。

        4实验方法

        构建基于虚拟仿真平台的嵌入式实验环境涵盖嵌入式Linux实验课程所需环境，不仅可以实现基础的交叉环境配置、下载烧写等，也可以充分发挥Unity引擎的优势，实现硬件资源的物理连接。

使用者登录到虚拟仿真平台，验证通过之后即可根据系统提供的模块进行实验，选择不同模块将进入不同的环境中，进而根据所学知识进行实验即可。

当然，各模块之间也存在着逻辑关系，在完成某些特定实验之后才可以正确进行其它实验，例如下载烧写模块必须在环境配置以及物理连接模块之后进行，在环境配置或者物理连接模块未完成之前下载烧写模块会产生错误结果。

在实验过程中，教师随时监督、指导学生，学生不必担心走弯路而致使实验时间完全浪费。

同时，学生也可以按照自行设计的方法反复实验，直至得出正确答案，具体实验方法及结果展示如下：

        环境配置模块测试需按照环境配置步骤进行。

环境配置步骤是：

①新建一个目录;②进入到工作目录（/home/ecust/workplace，解压交叉编译工具链文件（toolchain-4.5.1-farsight.tar.bz2）;③代码编辑;④在当前bash环境下读取并执行～/.bashrc中的命令;⑤测试。

按照步骤，就输入指令进行逐一对比、分析，如表1所示。

        表1中的预计效果及实际效果的前两行中，在真实环境下不会出现操作正确的输出，此处是系统为了让使用者更加清楚地知道自己的指令是否存在问题而加上的;第三行至最后一行是对输入指令的解析，让使用者理解起来更加简单。

如果显示arm-linux-gcc等编译命令，则配置环境成功（或者运行：

arm-none-linux-gnueabi-gcc-v，不报错，则安装成功）。

        环境配置部分的实际输出如图3-图5所示。

实验结果表明，用户可以通过嵌入式系统的虚拟仿真平台完成嵌入式系统实验，从而减少了用户因不熟悉硬件知识而造成的学习困难，进而能够大幅度提高教学效果。

        5结语

        本文基于Unity3D技术对Cortex-A8ARM实验系统进行建模，进而构建嵌入式系统实验所需的模块选择、环境配置、物理连接、下载烧写等嵌入式实验场景，从而提出一种面向嵌入式系统实验课程的新方案——基于嵌入式虚拟仿真平台的嵌入式虚拟实验系统，该方法有效解决了嵌入式课程花费时间多、创新性小、实验环境不足、实验设备稀少等问题，并且经过系统设计发现，只需加以完善，该方法完全可以应用于构建高校新型嵌入式实验课程。

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        （责任编辑：

孙娟）