“嵌入式系統原理及應用”項目引導式實驗教學探究①

[摘 要] 傳統的“嵌入式系統原理及應用”課程實驗教學存在學時少、內容多，偏驗證性實驗為主，缺乏硬件平臺設計過程等缺點。通過采用項目引導式實驗實踐教學改革研究，通過合理構建嵌入式系統微小項目，采用實驗教師逐步引導的教學方式，將課程內容和知識體系以項目的形式融入實驗教學，提高了學生的學習興趣，培養了學生思考問題、解決問題的主動性。項目引導式實驗教學在提高學生的工程實踐能力和水平方面發揮了更加突出的作用。

[關 鍵 詞] 項目引導；實驗教學；嵌入式系統；教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）17-0006-02

“嵌入式系統原理及應用”課程是電子信息、計算機、物聯網、通信工程等專業的一門重要專業課。主要基于嵌入式微處理器和嵌入式操作系統，介紹嵌入式系統的基本原理和基本設計方法，為深入開展嵌入式系統應用與開發奠定良好的基礎。

課程一般通過理論教學與實驗教學相結合的方式，其中理論教學32學時，實驗教學16學時。課程所涉及知識點內容較多，而且比較繁雜。如何利用較少的學時對課程教學的內容系統化、條理化，特別是如何充分利用實驗教學，使學生掌握嵌入式系統的設計方法，促進理論知識的應用，培養實踐動手能力顯得尤為重要。

一、“嵌入式系統原理及應用”實驗教學中存在的問題

（一）學時少，內容多

實驗課程不同于課程設計，要在僅僅16個學時內完成嵌入式系統開發平臺的學習與使用、嵌入式系統接口設計、嵌入式操作系統的移植和嵌入式操作系統的移植的應用等相關實驗，需要對實驗內容進行整合，利用較少的學時，達到最好的效果，實現實驗教學的目標。

（二）驗證性實驗為主

很多高校的實驗設備主要是購置配套的嵌入式系統實驗箱，廠家提供所有實驗的源代碼。一般學生直接依照源代碼進行程序的設計、仿真和調試，有的甚至直接將源代碼拿過來編譯、下載到實驗箱，查看實驗結果。這無形中將原本的綜合性、設計性實驗變成了驗證性實驗，學生對實驗原理和設計過程很難深入理解和領會，實驗缺乏實踐動手能力和解決實際問題能力的培養。

（三）缺乏硬件平臺設計過程

因實驗采用現有的嵌入式系統實驗箱，整個硬件平臺已經由生產廠家設計、制作完成，在嵌入式系統原理及應用實驗課程中，缺乏硬件平臺設計過程，學生在實驗過程中，無法將程序設計與硬件平臺結合起來，使得理論學習變得抽象難懂，學生很難將理論知識與實際應用結合起來，也不利于提高和培養學生的學習興趣。

二、項目引導式實驗教學

項目引導式實驗教學，就是充分利用有限的課堂教學和實驗教學學時，構建若干典型實驗，每個實驗是以微小型項目的形式呈現，并將嵌入式系統原理及應用各主要知識點連接在一起，在已有硬件平臺和實驗例程的基礎上，在實驗指導教師的引導下，逐步設計實現新的項目功能。

項目引導式實驗的任務要求應該比課程設計的任務要求簡單，但需要考慮課程的特點和教學內容，將整個課程的內容以及實驗目標融入一個或者幾個實驗教學項目中，利用較少的學時，達到較好的教學效果。

三、項目引導式實驗教學實例

我院使用博創公司的實驗箱教學設備，硬件平臺含有三星公司的S3C44BOX與ZLG7289接口，外擴8位LED數碼管和17按鍵通用鍵盤等硬件資源。下面就以設計基于該實驗平臺的鍵盤和LED數碼管控制項目為例，介紹項目引導式實驗教學的構建。

（一）項目設計要求

1.熟悉ZLG7289芯片原理、與ARM7的硬件接口及硬件原理圖。

2.各功能按鍵的設計以及數碼管顯示控制。數碼管及按鍵結構圖如圖1所示。

功能要求：

“↑”：加一鍵。0到9循環加一。

“↓”：減一鍵。9到0循環減一。

“←”：左移鍵。控制數碼管閃亮的數據位左移一位，并加減可調，原設定的低位數據不變，移到最左端后，再按此按鍵，仍然為最左端數碼管閃爍可調。

“→”：右移鍵。控制的數碼管閃亮的數據位右移一位，并加減可調，原來閃亮的高位清零且不顯示，移到最右端后，再按此按鍵，仍然為右端數碼管閃爍可調。

“SET”：設置鍵。按下后，加、減、左移、右移控制按鍵起作用，亮著的最高位閃爍、可調；

“OK”：確定鍵。按下后，原來閃爍的位停止閃爍，且加、減、左移、右移控制按鍵不再起作用，原已設置的各位數據有效，保存到一個變量中，并通過串口將數據輸出到PC機。

（3）μC/OS-II嵌入式操作系統移植到ARM7。

（4）鍵盤和LED數碼管控制功能作為μC/OS-II的任務運行。同時將“SET”和“OK”按鍵功能的實現由條件控制調整為信號量控制。

（二）項目引導式實驗實施

1.利用理論課堂教學2學時以及實驗教學1學時的時間，給學生講解ZLG7289芯片原理、指令以及編程，結合實驗平臺硬件原理圖，講解與ARM7的硬件接口、按鍵的物理地址、鍵盤映射表、鍵值等內容，為下一步按鍵及數碼管功能控制實驗打下基礎，彌補缺乏硬件接口設計的不足。

2.采用逐步引導式、模塊化的程序設計。將鍵盤和LED數碼管控制程序按照功能分成不同模塊，如圖2所示。

項目中各模塊的提出只做功能上的要求，功能實現由簡單到復雜，引導學生逐步設計實現每個模塊的功能。為了培養學生的動手實踐能力和解決實際問題的能力，在項目功能引導時，不僅不限定具體算法，而且鼓勵同一功能的多種算法的討論和實現。對所出現的問題，引導學生獨立去思考、解決。

3.通過理論課講解μC/OS-II嵌入式操作系統移植的條件以及在ARM處理器上的移植，并通過實驗教學1學時，使學生掌握μC/OS-II移植的程序結構以及特點，實現操作系統在S3C44BOX處理器上的移植。

4.在完成μC/OS-II嵌入式操作系統移植以及系統學習μC/OS-II任務、調度、信號量等理論知識的基礎上，通過項目引導式實驗教學，完成μC/OS-II任務的創建和管理，掌握信號量的使用，并結合已完成的鍵盤和LED數碼管控制，將其作為μC/OS-II的任務運行起來，并利用信號量，實現“SET”和“OK”按鍵的功能，使學生更深入地理解嵌入式操作系統。

5.對實驗結果驗收，采用現場演示和現場提問相結合的方式進行考核，并結合實驗報告完成對項目的總結，并討論實驗中遇到的問題及解決措施，同時對項目引導式實驗提出好的建議和意見。

四、項目引導式實驗教學課程內容及學時分配

表中前兩個實驗為基礎驗證性實驗，主要在于學習嵌入式系統開發環境，熟悉整個硬件開發平臺。這部分內容雖然也可以結合到項目引導式試驗中去，但效果不如單獨分立出來明顯，因此單獨拿出了這4個學時。第三和第四個實驗雖然分為兩個實驗，但構成了同一個嵌入式系統的微小項目。

這里只是以“鍵盤和LED數碼管控制”為例。另外可以結合實驗系統平臺，構建“基于ARM的多通道儀表信號采集”“面向游戲圖形界面的LCD控制與應用”等多個項目引導式實驗，在實驗條件和師資允許的情況下，多個項目引導式實驗可以分組并行開展。

嵌入式系統原理及應用項目引導式實驗教學將工程實踐引入到實驗教學中，使抽象的理論知識與實際應用結合起來。很多學生對項目引導式實驗內容感到非常的有趣，并且對通過自己的努力得到的實驗結果非常的有成就感。這些大大提高了學生的學習興趣，培養了學生思考問題、解決問題的主動性，增強了學生實踐動手能力和對所學知識的應用能力。

項目引導式實驗教學通過有限的實驗學時，將嵌入式系統原理及應用課程的知識點以項目的形式提出，由實驗教師引導學生逐步深入，在努力提高學生的工程實踐能力和水平方面發揮更加突出的作用。

參考文獻：

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