STM32嵌入式系統實驗教學方案的設計與實踐

黃培燦　趙鐵柱　陶銘

摘要：嵌入式系統與工程應用緊密結合，對學生的實踐動手能力有很高要求，而實驗教學是提高學生實踐動手能力的關鍵環節。雖然目前大多數嵌入式系統課程教學采用了理論與實踐雙結合的教學模式，但在實驗教學上依然存在著實驗平臺與工程應用脫節、教學內容不能滿足應用開發的需求，以及教學方法落后等問題。為此設計了STM32嵌入式系統的實驗教學方案。實踐證明，該方案對提高學生的實踐動手能力有很大的幫助。

關鍵詞：嵌入式系統;實驗教學;實踐動手能力;STM32

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）08-112-03

0 引言

嵌入式系統是一種專用計算機系統，有著廣闊的市場前景，已廣泛應用于通信、交通、工業控制、消費電子以及國防武器裝備中。在市場對嵌入式系統技術人才的需求日益增加的形勢下，國內許多高校都開設了嵌入式系統技術相關課程，旨在培養嵌入式系統方面的技術人才[1]。

嵌入式系統與工程應用緊密結合，對開發者的實踐動手能力有很高要求，嵌入式系統實驗教學應當把學生的實踐動手能力培養作為核心的教學目標。為了提高學生的實踐動手能力，對嵌入式系統實驗教學方案進行重新設計是一項很有必要和意義的工作。

1 現狀分析

嵌入式系統是軟硬件結合的計算機系統，涉及電子學、計算機體系結構、實時操作系統以及軟件設計開發等眾多專業知識。目前大多數嵌入式系統課程教學是采用理論與實踐結合的教學模式，然而在實驗教學上依然存在著以下突出問題：

（1）實驗教學平臺陳舊并缺少基礎儀器儀表使用培訓

嵌入式系統實驗教學，通常是以圍繞一種微控制器制定教學內容，因此微控制器的選型至關重要。目前相對陳舊的實驗平臺大多基于C51系列單片機或ARM9核的嵌入式微處理器，導致所學的內容不能滿足實際工程應用開發的技術要求嘲。另外缺乏對萬用表、示波器與邏輯分析儀等基礎工具的使用訓練，不僅不利于學生理解實驗結果和原理，也錯失了鍛煉學生運用工具解決實際問題能力的好機會，也不符合工程應用開發所需技能要求。

（2）教學內容與工程應用開發的需求不一致

實驗項目的設計大多數為了驗證理論知識，沒有針對工程應用開發所需能力和知識進行合理設計。各實驗項目的內在聯系較少，缺少知識銜接，不利于形成整體知識框架，導致知識綜合運用能力不足。另外，綜合性和設計性實驗項目的缺乏也不利于實踐動手能力培養[3]。

（3）教學方法落后與教學資源不足

實驗教學通常沿用理論教學的方法，即使用黑板、投影儀和PPT，在教學過程中用少量的實驗學時講授本次實驗所需的知識，然后讓學生動手完成實驗[4]。由于嵌入式系統實驗教學大多數涉及硬件操作，這種教學方法明顯不適合嵌入式系統的實驗教學。嵌入式系統的知識面非常廣，內容也不易理解，僅靠課堂時間難以掌握。如果沒有提供充足和優質的教學資源供課后學習，其教學效果難以達到預期目標。

2 基于STM32的實驗教學方案設計

開展基于STM32的實驗教學改革就是緊緊圍繞著培養學生實踐動手能力的核心任務實施一系列的改革措施。微控制器作為嵌入式系統教學的核心，是聯系理論知識和實踐應用開發能力的紐帶，在培養學生實踐動手能力方面起到關鍵}生作用。選擇STM32系列微控制器作為實驗教學平臺的核心，一方面是因為STM32系列微控制器所采用的ARM Cortex-M3內核是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的，是ARM公司新一代的指令集架構;另一方面是因為STM32系列微控制器功能強大、功耗低、產品型號豐富，應用非常廣泛，更符合實際應用需求情況。

改革的措施包括：①構建基于STM32的實驗教學體系;②采用線上線下結合的方式，讓學生可提前學習、課后可繼續學習;③把常用儀器儀表的使用培訓融入到實驗教學項目，幫助學生快速掌握其使用方法;④建立常用電子模塊資源庫，拓展學生知識廣度，促進學生對技術的積累。

3 方案內容和實施過程

（1）構建基于STM32的實驗教學體系

選擇合適的實驗平臺。STM32系列微控制器是意法半導體（ST）公司生產的32位基于Cortex M3核的微控制器，主頻最高可達72MHz，最高可配置64KBSRAM和512KB FLASH，而且內部集成了豐富的片上外設，包括5個USART、3個SPI、2個12C、3個12位ADC以及1個CAN[5]，該系列微控制器在諸多領域都占據了主導的市場地位，非常適合作為實驗平臺的核心用于實驗教學。基于以上情況最終選擇了基于STM32Fl03ZET6微控制器的開發板作為實驗平臺。

在實驗項目的設置上綜合考慮了知識點與實際應用需求相匹配[6]，從有利于學習與應用的角度綜合考慮，在編排上循序漸進、注意知識的銜接，共設計了9個實驗項目，合計22學時。大體上把實驗項目分為五大部分：①基礎實驗，通過對GPIO口的讀寫操作來實現流水燈和按鍵功能，目的是為了熟悉嵌入式系統軟件開發環境，掌握STM32的中斷處理機制及系統啟動過程;②片上外設驅動實驗，主要介紹微控制器內部集成的ADC和定時器的工作原理及其相關寄存器的配置方法;③通信實驗，介紹異步串行通信（UART）與同步串行通信（12C）兩種基本通信方式的特點、接口、通信協議和實現方法;④嵌入式操作系統實驗，以uCOSII為例，介紹嵌入式操作系統的原理、移植步驟和應用開發方法;⑤綜合性和設計性實驗，讓學生熟悉整個嵌入式系統的開發流程和綜合運用所學知識解決應用開發問題。實驗教學計劃表如表l所示。

（2）建立線上教學平臺優化教學流程和整合教學資源

通過建立線上教學平臺提供教學視頻點播和教學資源共享下載的服務。由于嵌入式系統實驗教學的內容非常豐富，且涉及硬件的各種操作;學生如果沒有完成課前預習和課后復習，就很難掌握全部教學內容。為了解決這個問題，特別錄制了實驗教學視頻，采用多場景整合的方式同步呈現硬件操作和電腦屏幕操作過程，更清楚地展示實驗步驟。線上教學平臺的應用縮短了在課堂上的內容講述時間，使得有更多的時間用來開展討論和答疑活動，活躍了教學氣氛，提高了教學效率。另外，利用線上教學平臺，教學資源也得到了有效管理和充分共享。

（3）把常用儀器儀表的使用培訓融入實驗教學項目

把常用儀器儀表的使用培訓融入到具體的實驗教學項目中，例如把萬用表的使用方法安排在ADC實驗中進行介紹，把示波器的使用方法穿插在GPIO接口和STM32中斷實驗中進行講解，把邏輯分析儀作為協議分析的重要工具在串行通信、I2C通信以及溫濕度傳感器數據采集等實驗中作充分的應用展示。這些工具在教學中的運用可大大加深學生對實驗原理的理解，使學生快速掌握這些儀器儀表的使用。

（4）建立常用電子模塊資源庫

嵌入式系統設計需應用許多電子模塊和零部件。掌握常用的電子模塊和零部件的規格、性能指標及用法，是進行應用開發的前置條件，也是用人單位所看重的知識能力要求。通過對常用的電子模塊等進行收集、分類和資料整理，建立了一個資源庫，依托在線教學與資源共享平臺，為學生提供了快速掌握常用的電子模塊和零部件相關知識的有效途徑。

4 教學方案實施效果

原來的嵌入式系統實驗教學方案是基于ARM9微處理器實驗平臺開展的。學生普遍反映該微處理器的結構復雜、軟件開發難度高，難以掌握核心的嵌入式系統技術。由于其成本高、配套硬件電路復雜，所以應用范圍有限，尤其不適合許多學生創新項目和畢業設計項目。使用這個方案的實驗教學效果不佳，學生的實際動手能力得不到有效提高。自實施新的實驗教學方案以來，不僅學生再也沒有反映以上問題，而且基于STM32的嵌入式系統設計方案在學生的創新項目和畢業設計項目中被大量使用。學生參與學術科技作品競賽的積極性明顯提高了，獲獎的數量也大幅度增加。畢業后從事嵌入式系統應用開發工作的學生數量也呈明顯增長態勢。

5 結束語

根據嵌入式系統與工程應用緊密結合的特點，針對目前在嵌入式系統實驗教學中存在的一些問題，以提高學生實踐動手能力為核心教學目標，重新設計了嵌入式系統實驗教學方案。該方案內容包括構建基于STM32的實驗教學體系、利用線上教學平臺優化教學流程和整合教學資源、把常用儀器儀表的使用培訓融入實驗教學項目以及建立常用電子模塊資源庫等一系列措施。實踐證明，本方案對提高學生的實踐動手能力有很大的促進作用。由于嵌入式系統應用非常廣泛，應用需求的增加及變化加速了技術的迭代，也對嵌入式系統技術人才提出了更高的知識和能力要求，因此嵌入式系統的教學目標、內容和方法也應得到及時的改革。

參考文獻（References）：

[1]鄧小武.嵌入式系統教學模式的探索與實踐[J].物聯網技術，2017.7（7）：117-120

[2]劉威，常瑞，謝耀濱.面向系統能力培養的嵌入式系統課程教學模式改革與實踐[J].計算機教育，2019.1：39-43.47

[3]付建梅，任國鳳，鄧雅媛.電子信息專業嵌入式系統的創新實驗教學改革模式[J]計算機教育，2018.6：76-78

[4]胡青，余嘉，蘇玉剛.面向實踐動手能力培養的嵌入式實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2017.34（9）：160-163

[5]徐曉霞.基于STM32的電壓采集系統設計[J].電子設計工程.2019.27（17）：76-79

[6]張輝，何青，劉錚.嵌入式系統實驗教學改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2016.38（1）：135-137

基金項目：2017年度校級教學研究與改革項目（教務[20171102號）;廣東省教育科學規劃課題（2018GXJK189）;廣東省研究生教育創新計劃項目（2019JGXM93）;廣東省教育廳高等教育教學改革項目（粵教高函[2018]1號）

作者簡介：黃培燦（1983-），男，廣東東莞人，漢族，實驗師，主要研究方向：嵌入式系統課程教學與實驗室管理。