電子類本科專業嵌入式系統實驗教學改革探討

摘要：分析當前高校電子類本科專業嵌入式系統實驗教學中普遍存在的問題，結合應用領域對嵌入式微處理器的需求和學生自身特點，闡述如何改進基于ARM Cortex-M核的嵌入式系統實驗教學平臺設計方案，提出相應的實驗教學方法，為學生提供一種更有效和更系統地掌握嵌入式系統原理和設計方法的途徑。

關鍵詞：嵌入式系統；實驗教學；實驗平臺；Cortex-M

0 引 言

電子類本科專業嵌入式系統實驗教學的重點是培養學生掌握以嵌入式微處理器為控制核心的電子系統整機開發能力。學生不僅要掌握嵌入式處理器的工作原理和編程方法，更重要的是能夠全面地掌握模數混合、軟硬結合的嵌入式系統整體開發思路、開發方法和開發流程。這就要求嵌入式系統配套的實驗內容豐富、形式多樣，具有大量的基礎實驗和相應的工程實例，能夠將嵌入式開發技術的各種技巧和方法融人實驗過程中。通過實驗，學生不僅掌握了嵌入式系統開發的基本方法、技巧和手段，更著重培養了自主學習、獨立研究的習慣，從而具備創新性地開發嵌入式系統的能力。

1 現有實驗環節中存在的問題

隨著ARM處理器應用的迅速發展，高校針對ARM體系結構已經積累了大量成熟的教學資源，包括硬件設計資料、教材、開源外設驅動軟件庫、通訊協議棧、開源實時操作系統和開發環境等。以ARM Cortex-M為代表的嵌入式系統實驗教學平臺已成為電子信息工程專業嵌入式系統教學的主流，逐步取代了傳統的51系列實驗平臺，但ARM Cortex-M芯片結構比51系列復雜，軟件開發中涉及的內容也較多，學生在有限的時間內很難掌握其精髓。在完成實驗環節后，教師通過對學生的調查發現，大量學生在實驗過程中只是驗證了實驗手冊上的原理和代碼，沒有深入理解處理器內部模塊、外圍硬件電路和軟件編程之間的關聯性，沒有真正掌握嵌入式系統設計的方法，課程結束后無法進行模數混合和軟硬結合的嵌入式系統整體開發。這種情況在硬件相關課程中普遍存在。文獻[2]中提到與過去學生不同的是，當代學生普遍缺乏鉆研精神和耐心，過于依賴軟件。缺乏鉆研精神在嵌入式系統實驗教學過程中體現在學生往往依賴實驗手冊，不愿意深入思考實驗現象背后所蘊藏的基本原理和相互之間的關聯性，無法做到舉一反三；缺乏耐心體現在學生總是希望通過簡單的步驟就能看到結果，而嵌入式系統實驗需要理解繁瑣的配置流程并閱讀枯燥的數據手冊，學生往往會半途而廢；過度依賴軟件導致出現“軟件比硬件更加重要”的錯誤認識，學生越來越不愿意“干粗活”，在實驗過程中依賴集成開發界面和軟件仿真，忽略了示波器、萬用表、焊臺等在嵌入式系統設計中的重要作用。

2 實驗平臺沒計和改進

目前基于ARM Cortex-M系列處理器的嵌入式系統實驗教學平臺大部分都放棄了傳統實驗箱模式，而使用集仿真器與目標板于一體的開發板。開發板提供了ARM Cortex-M所有硬件資源、詳細的程序代碼和編程手冊，對于教師教學和學生學習都非常方便；但開發板完善的設計也是造成上述問題原因之一，學生使用開發板在實驗過程中幾乎不會遇到問題，也就不會想辦法解決各種問題，而這與真正嵌入式系統設計過程正好相反。

針對上述問題，在以ARM Cortex-M3為核心的嵌入式系統實驗平臺設計中，我們既保留開發板的學習和驗證功能讓學生能夠順利上手，又特意為學生制造了一些“障礙”，在部分實驗中只有學生解決這些“障礙”才能達到實驗目的。

實驗平臺將實驗內容分為驗證部分和設計部分：驗證部分的設計與普通開發板相同，電路功能完整，實驗手冊中提供完整的實驗流程和詳細代碼；設計部分引出了處理器的IO端口，各個外設模塊只提供了IO端口、VDD和GND信號，且IO端口與外設模塊之間的地址線、數據線和控制信號線并沒有連接，實驗手冊中只提供該外設模塊實驗的設計思路和程序流程，學生需要根據實驗要求自己動手連接電路，并根據連接的電路編寫程序。顯然，學生要完成設計型實驗必須對處理器內部功能、外圍硬件電路和程序流程有充分的理解，如果學生選擇的硬件連接方式不同，其編寫的程序也就各不相同，但都能夠達到相同的實驗目的。實驗平臺的硬件結構如圖1所示。

3 實驗環節組織

文獻[5]中討論了嵌入式系統課程教學過程中教學內容的安排，將一些容易掌握并能夠引發學生注意力、容易看到實驗現象的章節安排在前面，以一種先易后難、先外后內的方式編排教學內容。我們在此基礎上將驗證型實驗和設計型實驗進行穿插安排，驗證型實驗側重于加強學生對處理器功能模塊的理解和簡單應用，實驗手冊給出了具體程序代碼并配有較詳細的注釋，學生在理解并完成驗證型實驗的基礎上進行設計型實驗。實驗項目安排如表1所示。

在實驗項目安排中，所有的設計型實驗都和前一個驗證型實驗有所關聯，但又加入了新的內容。

（1）在實驗3“ARM匯編語言實驗”中，要求學生使用ARM匯編語言實現LED流水燈功能，而學生在實驗2中已經驗證過使用C語言編寫的LED流水燈功能代碼，因此會緩解學生對編寫ARM匯編語言程序的畏難情緒。一部分學生會調出實驗2中的C語言代碼觀察反匯編的結果，提取其中匯編語言部分，再補充匯編偽指令；也有一部分學生會依據C語言中的程序流程，根據自己的理解來編寫匯編代碼。

（2）在實驗5“I2C實驗”中，學生已經通過實驗4了解了串行通訊協議的思想。這個實驗中處理器的IO引腳沒有和E2PROM芯片相連，學生在實驗中可以選擇使用處理器的I2C引腳來連接，也可以選擇使用其他空閑GPIO端口來連接，然后模擬I2C協議。在實驗過程中，學生需要使用示波器來觀察I2C引腳上的波形是否符合芯片通信所要求的I2C協議。該實驗過程并不復雜，但有效地鍛煉了學生軟、硬件相結合的能力，即在示波器的指導下調試程序。由于各個學生選擇的信號線連接方式不同，學生最后提交的程序設計思路和代碼也不同，有效地避免了實驗過程中相互抄襲的現象。

（3）課程設計內容有較強的綜合性，要求學生以Cortex-M處理器為核心設計一個簡單的音頻采集系統：將從麥克風采集的音頻通過揚聲器回放。該實驗要求學生使用面包板搭建兩個運算放大電路，一個電路是麥克風采集的聲音調整到Cortcx-M處理器ADC輸入所要求的范圍，另一個電路是將Cortex-M處理器DAC所輸出的信號調整到足以驅動揚聲器發出聲音。學生在該實驗中需要用到前面8個實驗中已經學過的內容，如編程驅動Cortex-M處理器的定時器、DMA通道、ADC、DAC、串口通信等模塊，又需要匹配模擬電路和數字電路。學生在程序調試過程中需要使用信號發生器、示波器、萬用表、焊接工具等作為輔助，有效地提升了學生對模數混合的嵌入式系統設汁的掌握，加深了學生對嵌入式系統整體開發思路、開發方法和開發流程的理解。部分能力較強學生能夠結合實時操作系統實現數據采集進程和音頻流輸出進程之間的數據共享和同步，具有較強的實用價值。

學生的實驗成績考核由老師現場檢查和實驗報告兩部分組成。學生在實驗前必須先預習實驗手冊上的內容并撰寫實驗報告中硬件原理和程序流程分析。完成實驗后老師現場檢查并提問，根據學生實驗效果和問題的吲答情況打分，分值占實驗成績的60%。實驗結束后學生再根據實驗情況進行分析和總結，實驗報告成績占40%實驗報告的設計以考察學生對實驗原理的理解及對問題的思考為原則，盡量減少書寫工作，實驗報告的結構如圖2所示。

4 結語

嵌入式系統實驗教學的最終目的是培養學生能夠根據應用需求獨立完成嵌入式系統的軟、硬件設計和開發。中南民族大學的“嵌入式系統”實驗教學按照以上體系運作了兩年，取得了較好的效果，學生普遍反映在實驗過程中學了“真本領”，為學生學習其他后續課程、參與創新活動和學科競賽奠定了良好的基礎。兩年來學生參與的以Cortex-M系列為處理器平臺的學科競賽取得了較好的成績：3人次獲湖北省大學生電子設計大賽湖北省一等獎；3人次獲得全國電子設計大賽一等獎。在嵌入式系統飛速發展的大環境下，社會對學生的知識結構和動手能力的要求越來越高，我們在今后的實驗教學中仍然要不斷總結經驗，優化實驗平臺設計和實驗內容，提升實驗教學質量，進一步提高學生在專業領域內的就業競爭力。

參考文獻：

[2]Tsividis Y.Turning students on to the circuits[J].Circuits and System Magazine，2009，9（1）：58-63.

[5]鄧春健，李文生，楊亮，等.“ARM嵌入式系統”課程教學方法研究[J].計算機教育，2010（3）：94-96