田润泽 罗飞 丁炜超 陈琳

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：Virtual Simulation Platform and Experiments of Embedded Systems

英作：TIAN Run-ze， LUO Fei，？DING Wei-chao，？CHEN Lin

英单：（School of Information and Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China）

Abstract： The current situation of experimental curriculum of embedded systems in universities should be changed， because the experimental courses of embedded systems have the threshold of hardware knowledge and the corresponding operation， resulting in low learning efficiency and poor teaching effect. Therefore， this paper utilizes Unity3D as the development tool to construct a virtual simulation platform for embedded systems. The Unity game engine is used to simulate the operating environment of embedded experiment， where the embedded experimental equipment is modeled. The experiment of embedded systems is further carried out based on the virtual simulation platform. It is shown that the virtual simulation platform can effectively provide the experimental environment and methods for embedded Linux. The results indicate that the virtual simulation platform can effectively solve the difficulties of embedded experimental course， reduce the learning difficulty of embedded systems and improve teaching effect.

Key Words：Unity3D;embedded systems;virtual simulation;model building; scenario building

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。Woong Yang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;James Devine[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。

3.4 uBoot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-A8 ARM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）