“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”課程實踐教學探索

楊學存　杜京義

摘要：針對大學生在嵌入式實踐能力的培養(yǎng)問題，對“嵌入式原理與設(shè)計”課程的實踐教學進行了探索，重點對學生在課內(nèi)實驗、課程設(shè)計、創(chuàng)新訓練項目和畢業(yè)設(shè)計等方面進行實踐鍛煉，該方法從2008年應用以來，已取得了較好地教學效果，學生的實踐動手能力得以提高。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；實踐；創(chuàng)新訓練項目；課程設(shè)計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）29-0146-02

目前，我國對嵌入式領(lǐng)域人才的需求日益旺盛。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應用，包括工業(yè)自動化、醫(yī)療儀器設(shè)備、智能家居、智慧城市和航天航空領(lǐng)域。例如神州飛船和長征火箭中有很多嵌入式系統(tǒng)，神州飛船從原來神州一號到神州十號，還有登月探測器嫦娥一號到嫦娥三號，其系統(tǒng)中都有大量的嵌入式系統(tǒng)。并且，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生活、工作和娛樂方式，使人們的生活更加豐富多彩。在生活中，所有帶有一點“智能”的家電，例如電腦電冰箱、電腦電飯煲、電腦豆?jié){機等都是嵌入式系統(tǒng)，另外，日常常見的IPAD、照相機、攝像機、打印機、智能手機等都是嵌入式系統(tǒng)[1]。為此，國內(nèi)外各大院校也紛紛開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)方面的課程，并且在教學中把培養(yǎng)學生的實踐動手能力放在首位。

本文對西安科技大學電氣與控制學院自動化專業(yè)《嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計》實驗課程的教學特點進行了分析，提出了嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計的課程實驗教學方法，實踐證明，該方法大大提高了學生的實踐動手能力，為以后能成為真正的嵌入式人才打下了重要基礎(chǔ)。

一、“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”課程簡介

1.從嵌入式系統(tǒng)定義和特點。嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)。或者可以簡單定義為嵌入到對象體系中的專用計算機應用系統(tǒng)即為嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)包含有三個特點，即嵌入性、內(nèi)含計算機和專用性。

2.嵌入式系統(tǒng)的組成。系統(tǒng)包含硬件和軟件，其中硬件包含嵌入式處理器和外圍硬件設(shè)備，軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用程序[2]。嵌入式系統(tǒng)集系統(tǒng)的應用軟件與硬件于一體。嵌入式系統(tǒng)的嵌入式處理器可以分為以下幾大類：嵌入式微處理器，嵌入式微控制器，嵌入式DSP處理器和嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有：嵌入式Linux，Win CE，VxWorks和μC/OS-II。

二、“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”課程實踐項目

1.課內(nèi)實驗。課內(nèi)實驗是讓學生熟悉實驗教學系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境，完成基礎(chǔ)實驗的編程和驗證工作。所使用的開發(fā)板是周立功公司的LPC2131的開發(fā)套件，能完成一些硬件的基礎(chǔ)實驗。包括GPIO口輸入輸出實驗、外部中斷實驗、定時器實驗、UART實驗、I2C實驗、SPI實驗、PWM脈沖寬度調(diào)制、AD/DA實驗、RTC實時時鐘實驗、低功耗實驗等。通過基礎(chǔ)實驗的學習，學生掌握ARM7的開發(fā)環(huán)境的使用和ARM7的硬件的功能[3]。然后把UC/OS-II操作系統(tǒng)也作為程序設(shè)計的一部分，在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計用戶程序，使學生熟悉嵌入式開發(fā)環(huán)境，全面了解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程，在實踐中鍛煉設(shè)計和開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的能力。

2.課程設(shè)計。在學期末集中安排兩周的課程設(shè)計，主要完成以ARM處理器為核心的嵌入式最小系統(tǒng)及其擴展模塊設(shè)計。實驗設(shè)備采用ARM LPC2131開發(fā)版，考核方式為軟硬件驗收并提交課程設(shè)計報告。在學生熟悉了ARM的開發(fā)環(huán)境和基本的實驗程序之后，會讓學生自己動手設(shè)計課題，給學生布置多個課題，學生可根據(jù)興趣進行選擇，三人一組。如：基于ARM的步進電機細分驅(qū)動控制設(shè)計，自動窗簾控制器，多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于ARM的工程車控制系統(tǒng)設(shè)計，直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計等。

下面以紅外自動感應窗簾為例，介紹學生課設(shè)自己動手所做的工作。首先，學生根據(jù)課題功能的要求，確定系統(tǒng)控制方案。《自動窗簾控制器》課題要求系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境因素自動打開或關(guān)閉窗簾。因此學生可確定出如圖1所示的控制方案。系統(tǒng)包括LPC2131最小系統(tǒng)、溫度和光強檢測、鍵盤輸入、液晶輸出和步進電機驅(qū)動等模塊。

在此方案的基礎(chǔ)上設(shè)計系統(tǒng)硬件，進行器件選型和原理圖設(shè)計。溫度檢測選用DS18B20，光強檢測選用光敏電阻，鍵盤采用獨立按鍵，液晶顯示選用LCD1602，步進電機選用28BYJ-48型步進電機，其驅(qū)動選用ULN2003。由此得到的系統(tǒng)原理圖如圖2所示，并要求學生在此原理圖基礎(chǔ)上做出硬件實物。

而后就可以進行軟件的編程和調(diào)試了。軟件工作流程如圖3所示。

最后通過軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能，并撰寫課程設(shè)計報告。

3.創(chuàng)新訓練項目。在校大學生每年都可以參與申請大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，該類項目主要由4～5名學生完成，由一名老師指導[4，5]。創(chuàng)新訓練項目申請時要對項目實施的目的和意義、項目研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題、項目實施方案、主要技術(shù)指標和經(jīng)費預算等進行陳述。重點是項目研究內(nèi)容、擬解決的關(guān)鍵問題和項目實施方案。通過這種形式，學生不僅對項目的申請有了一定的認識，而且可以激發(fā)學生學習的興趣，由原來單純的依靠興趣來動手實踐，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q實際問題為目的的學習方式。這樣，可以讓學生以解決問題為驅(qū)動的方式來學習嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，與實際的工業(yè)企業(yè)問題更為接近，也可以為就業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。

4.畢業(yè)設(shè)計。此外，每年有大約四分之一的學生以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方面的題目作為他們的畢業(yè)設(shè)計課題，如，基于ARM的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式多功能輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式魚塘水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計、基于ARM的道路清掃車控制系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式語音控制機器人控制系統(tǒng)設(shè)計等等課題。學生通過畢業(yè)設(shè)計動手能力的訓練，進一步提高了解決實際問題的能力，增強了就業(yè)競爭力。

嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計課程是自動化專業(yè)的一門重要課程[6]，該課程通過課內(nèi)實驗、課程設(shè)計、創(chuàng)新訓練項目、畢業(yè)設(shè)計等方面實踐項目，不僅提高了學生的實踐動手能力，也提高了學生解決實際問題的能力，讓學生能有一技之長，增強了學生的就業(yè)競爭力，為學生成為企業(yè)需求的嵌入式應用型人才打下了重要的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]李振寧.嵌入式教學實驗系統(tǒng)的應用與研究[D].西安：長安大學，2005.

[2]曾潔瓊.ARM嵌入式系統(tǒng)實驗教學研究與探討[J].時代教育，2014，（6）：117，140.

[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實驗教程（二）[M].北京航空航天大學出版社，2005.

[4]王恒，張燕，鐘麗娜.“ARM控制器實用技術(shù)”課程教學探索[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，（6）：106-108.

[5]許童羽，陳春玲，孫國凱.面向卓越工程師培養(yǎng)目標的嵌入式系統(tǒng)課程實踐教學改革[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2013，（4）：74-76.

[6]譚會生.基于ARM嵌入式系統(tǒng)的研究性教學探討[J].中國電力教育，2012，（10）：70-71.