項目驅動法在嵌入式系統(tǒng)實踐教學中的探索

翟文正

（臺州學院 數(shù)學與信息工程學院，浙江 臨海 317000）

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學強調理論化、知識化的授課方式，忽略了嵌入式技術發(fā)展快、涉及課程體系龐雜、實踐性應用性強的特點，學生在課程結束后面對實際的工程應用問題仍是無從下手。

當前市場對嵌入式人才的需求量不斷上升，如何開展好嵌入式系統(tǒng)教學，培養(yǎng)合格的嵌入式工程師是對有效教學的考驗。本文結合嵌入式系統(tǒng)課程特點，從激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生自主學習、提高學生創(chuàng)新能力的角度，探討項目驅動教學法在嵌入式系統(tǒng)課程實踐教學中的應用思路。

1 項目化嵌入式系統(tǒng)教學方法

（1）以項目為引導。項目是教學活動的核心，以項目統(tǒng)一多種實踐環(huán)節(jié)，作為全程教學的載體，隨著項目的推進，教與學的過程隨之進行。（2）以需求學理論。將相關知識點融入到項目各環(huán)節(jié)，由項目驅動學生自覺主動探求解決之道，做到有的放矢［1］。（3）以實踐為主導。邊干邊學，以干促學［2］。（4）以學生為中心，教師在整個教學過程中起組織和指導作用。

學生通過完成項目，最大限度地學習和掌握了有關嵌入式系統(tǒng)的知識和應用方法，并使之在理論與實踐的結合達到了較高層次的升華。

2 項目驅動法的應用

2.1 項目設計

項目的選材是項目驅動教學法得以實施的首要問題，教師的縱、橫向課題，承接的對外服務，畢業(yè)設計優(yōu)秀作品，經(jīng)典教學項目或企業(yè)的成功案例，學生自擬的題目都可作為課程教學的主線。

見表1所示的層次化實驗項目設計，從基本入手，逐步綜合，直到做大項目的實施過程，可使學生的學習興趣逐漸提高，工程設計能力得以加強。

表1 層次化實驗項目設計Table 1 Hierarchicalexperimentalproject design

表1示例了部分嵌入式項目教學實例，可通過工程實踐、電子設計大賽等方式收集整理并逐步積累。

2.2 項目實踐

指導教師應具備實際項目經(jīng)驗，能借鑒并運用項目化教學方法引導學生。

首先，組織學生對具體項目需求分析，確定設計任務和設計目標，提煉出設計規(guī)格說明書；為縮短項目開發(fā)周期，可分組軟硬件協(xié)同設計并行開發(fā)；系統(tǒng)集成階段，將軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成后聯(lián)調，發(fā)現(xiàn)并改進單元設計過程中的錯誤，最后對設計好的系統(tǒng)進行評測是否滿足功能要求。

2.3 實驗設備

嵌入式系統(tǒng)實驗箱，開發(fā)板（學生親手DIY），各種虛擬仿真工具，如Keil、Proteus可支持大部分單片機開發(fā)的虛擬仿真，SkyEye可模擬多種基于ARM的完整的嵌入式系統(tǒng)，Qurtus/ISE可編程邏輯開發(fā)工具，基于模型的嵌入式設計環(huán)境SimuLink以及狀態(tài)圖建模工具Stateflow等都可作為項目化嵌入式實踐教學的有效載體。

2.4 考核方式

成績考核以“作品”+“答辯”方式，注重對學生實踐過程的評價。

3 案例分析

下面以“智能溫控器”為例說明項目驅動法教學的實施過程。

3.1 項目任務

該項目是地方企業(yè)委托開發(fā)的電熱板溫度控制模塊，要求實現(xiàn)多路多段溫度時間精確控制。項目教學要求：

（1）根據(jù)嵌入式最小系統(tǒng)設計思路和項目結構圖繪制出實時溫度采集及根據(jù)既定算法控制動作的電路原理圖；

（2）能正確利用電路板及相應芯片完成硬件電路的搭接、調試；

（3）軟件開發(fā)滿足設計要求；

（4）完成系統(tǒng)調試，完善控制系統(tǒng)的控制功能，提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性；

（5）最后撰寫項目設計報告。

3.2 項目教學實施

組織學生對題目深入分析和探討，并對所有設計方案評審和論證。劃分系統(tǒng)為圖1所示的幾個部分，讓學生對項目規(guī)模有了整體認識。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System block diagram

教師通過給學生分析項目需求、項目切入點、項目設計方法、項目實施基礎后，即可按小組任務分工，由學生制定項目工作計劃，確定工作步驟和程序，教師以導師形式全程跟蹤。

3.2.1 硬件小組：硬件電路的搭接

小組開發(fā)面臨的首要問題就是主控芯片選型，采用8位單片機還是高性能嵌入式控制器，提議從性能、價格、易用性、開發(fā)支持等方面全面比較。如NXP的LPC1114，一款基于ARM Cortex-M0內核的32位微控制器［3］，能以8位單片機的價位獲得32位處理器的性能，片上32KB Flash，8KB SRAM大小，內部集成ADC模塊，已被廣泛應用于高集成度和低功耗的嵌入式應用領域，較適宜本項目需求。

確定了主控核心，學生通過查閱處理器Datasheet分別設計出電源電路、復位系統(tǒng)、時鐘電路，實現(xiàn)一個ARM最小系統(tǒng)，再依次根據(jù)結構框圖設計出其它功能模塊。經(jīng)教師認可即可由原理圖列出所需元器件清單，接下來根據(jù)接線圖進行硬件電路的搭接與調試。此過程考驗了學生學用電子與電路知識、主流EDA工具掌握情況，也是對微機接口、單片機原理等學科知識點的考驗。

3.2.2 軟件小組：軟件設計

教師引導學生學會模塊化設計，將軟件開發(fā)分解成幾個相對獨立的模塊由小組成員分別完成，如按鍵設置模塊、按鍵掃描模塊、數(shù)碼顯示模塊、A/D轉換模塊等。考慮到溫度控制的精準度要求，設計中引入Fuzzy-PID智能控制算法。整個軟件開發(fā)建議采用主流的開發(fā)工具及嵌入式C語言進行程序設計。

圖2 軟件開發(fā)任務劃分Fig.2 Task partitioning in software development

3.2.3 聯(lián)調

當系統(tǒng)運行沒能達到預期目標，則說明程序或者硬件有錯誤，教師應及時引導學生分析問題，仔細查找錯誤根源，最終達到預期的效果。

3.3 項目擴展

小組根據(jù)自身的知識結構和能力完成項目內容，最后進行集中討論，提出合理可行的項目擴展方案，比如：（1）移植μC-OS實時操作系統(tǒng)到LPC1114，實現(xiàn)多任務調度。（2）利用串口通信功能，與PC上位機通信，實現(xiàn)溫度信息的數(shù)據(jù)采集。（3）擴展為溫度檢測網(wǎng)絡節(jié)點，所有檢測節(jié)點Zigbee技術組成無線網(wǎng)絡等。

3.4 項目總結

歸納總結項目開發(fā)中應用的知識點和技能、遇到的難點及解決方法，文檔整理，做好項目開發(fā)最后一個環(huán)節(jié)。

4 結語

本文探討了一種項目驅動的嵌入式系統(tǒng)實踐教學的方法，給出其應用的思路。通過項目引導給學生確立目標，激發(fā)熱情；利用項目需求來引導和增強學生對理論學習的熱情和主動性；通過項目實踐來提高學生的動手能力。然而，以項目驅動的嵌入式系統(tǒng)課程教學方法還依賴于良好的學習氛圍、實驗環(huán)境和強大的師資力量，指導教師也需要根據(jù)實際情況，在實踐中不斷進行研究、積累和創(chuàng)新才能培養(yǎng)出社會所需要的高素質嵌入式技術人才。

［1］李寧，宋薇.項目化嵌入式教學方法研究［J］．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010(2)

［2］解志堅，張紅燕.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才培養(yǎng)的路徑［J］．湖南農業(yè)大學學報，2010(36)

［3］王田苗.嵌入式系統(tǒng)設計及實例開發(fā)——ARM與μC/OS-Ⅱ［M］．北京：清華大學出版社，2002.9