一種分層式嵌入式課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)方法

文 斌，任 彬，阮道清

（成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，四川 成都 650225）

一種分層式嵌入式課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)方法

文 斌，任 彬，阮道清

（成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，四川 成都 650225）

通過設(shè)計(jì)硬件分層實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，改變嵌入式課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅在實(shí)驗(yàn)箱上做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法限制了學(xué)生的發(fā)散思維能力、創(chuàng)新能力和動手能力，也不符合CDIO教育理念。為此，設(shè)計(jì)硬件分層的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)只提供實(shí)驗(yàn)要求和穩(wěn)定可靠的有電源管理、通信接口、調(diào)試接口、I/O接口的核心控制模塊，不事先給定實(shí)驗(yàn)程序，由學(xué)生根據(jù)個(gè)人喜好來設(shè)計(jì)軟件和硬件，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)新精神。同時(shí)，也避免由于硬件知識和調(diào)試經(jīng)驗(yàn)不足，帶來器件與模塊的損壞，也大大增加了實(shí)驗(yàn)的成功率，提高了學(xué)生主動參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的興趣。

實(shí)驗(yàn)板;嵌入式設(shè)計(jì);分層

1 概述

大多數(shù)工科高等院引進(jìn)CDIO教育[1]教學(xué)模式后，加大了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)[2]中的師資和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入，分配大量資金購買嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，創(chuàng)建專門的嵌入式課程體系實(shí)驗(yàn)室。但在這種嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)了以下幾個(gè)問題：

1）嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)不管是MCS51系統(tǒng)，還是ARM教學(xué)系統(tǒng)均是在學(xué)校購置的實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行。通過幾屆學(xué)生后，實(shí)驗(yàn)箱的維護(hù)難度加大。更由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，廠家核心模塊的淘汰，很多實(shí)驗(yàn)箱都無法使用，也影響了課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2）在固定的實(shí)驗(yàn)箱[3]上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更改較難。

3）由于核心模塊的接口固定或是一體化的硬件平臺，新的電子技術(shù)和微處理器無法更好融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

這種箱式的硬件實(shí)驗(yàn)平臺，無法更大限度地培養(yǎng)學(xué)生動手能力。學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)都成了驗(yàn)證式的實(shí)驗(yàn)，對于硬件相關(guān)知識缺乏訓(xùn)練。同時(shí)，為了加大動手能力培養(yǎng)又專門開設(shè)《電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目》和《嵌入式綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目》等實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。老師只提要求，從設(shè)計(jì)方案到實(shí)現(xiàn)全由學(xué)生自己完成。由于微控器管腳多、防靜電要求高、管腳間距小，學(xué)生焊接和硬件調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的不足，核心的微控器損壞嚴(yán)重；更由于學(xué)生電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足，一些較貴的功能器件也造成損壞，均難以回收。這無疑增加了學(xué)校每年實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的投入，造成了不必要的浪費(fèi)。

為此，提出一種新的硬件設(shè)計(jì)方法，將微控制器核心層與應(yīng)用層分開。核心層是一個(gè)相對穩(wěn)定、可靠的模塊，其接口設(shè)計(jì)可兼容高、中、低檔微控器，這種開放靈活的核心模塊設(shè)計(jì)與固定的實(shí)驗(yàn)箱相比，其升級、更換、維護(hù)都非常方便；應(yīng)用層由學(xué)生自己完成，包括學(xué)生自主功能設(shè)計(jì)、原理圖設(shè)計(jì)和PCB板圖繪制，最后通過硬件調(diào)試和軟件測試完成整個(gè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。相對固定實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活多變，學(xué)生可根據(jù)自己的愛好來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也很容易更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

這種分層的硬件平臺實(shí)驗(yàn)中，統(tǒng)一發(fā)放帶電源輸出和電源保護(hù)的，有調(diào)試和通信接口的核心功能模塊；學(xué)生在應(yīng)用層設(shè)計(jì)時(shí)，只根據(jù)核心層的接口要求設(shè)計(jì)功能，降低了設(shè)計(jì)和硬件調(diào)試難度。增加了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的成功率，提高了學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣，也符合CDIO工程項(xiàng)目教育理念，通過做中學(xué)的方式，有效地開展嵌入式課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)原理與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)原理

將硬件平臺的邏輯控制模塊獨(dú)立，通過豐富的多功能接口與功能層連接。其原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件平臺分層實(shí)現(xiàn)原理

核心層是一個(gè)相對穩(wěn)定、可靠的模塊，其接口設(shè)計(jì)可兼容高、中、低檔微控器，這種開放靈活的核心模塊設(shè)計(jì)與固定的實(shí)驗(yàn)箱相比，其升級、更換、維護(hù)都非常方便；同時(shí)通過接口為功能層設(shè)計(jì)提供電源與通信接口降低了功能層硬件設(shè)計(jì)難度。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)方法

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)方法

嵌入式是軟硬件結(jié)合的產(chǎn)物，其中硬件設(shè)計(jì)必不可少。通過此實(shí)驗(yàn)板預(yù)留的接口學(xué)生可自行設(shè)計(jì)除核心邏輯模塊外的應(yīng)用電路，讓學(xué)生掌握硬件電路的設(shè)計(jì)方法和原理，掌握硬件設(shè)計(jì)工具的使用方法和步驟。在學(xué)習(xí)過程中真正做到理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合。核心邏輯模塊以STM32F103VET6為核心，同時(shí)它也是一個(gè)微控器的最小工作系統(tǒng)。其他主要包括所有IO引腳，向下提供3.3V、5V、12V直流穩(wěn)壓電源，USB轉(zhuǎn)串口等。其計(jì)原理如圖2所示，核心，其電源系統(tǒng)電路原理如圖3所示和接口電路原理如圖4所示。

圖2 核心邏輯原理

圖3 電源系統(tǒng)電路原理

圖4 主要接口電路原理

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)方法

嵌入式開發(fā)過程中，軟件的設(shè)計(jì)是核心部分。微型計(jì)算機(jī)原理這門學(xué)科是嵌入式軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并注重實(shí)踐，掌握好這門學(xué)科是學(xué)好嵌入式軟件設(shè)計(jì)的基石。本實(shí)驗(yàn)板提供的核心芯片為stm32f103，此芯片是ARM公司的cortex系列，通過學(xué)習(xí)這類芯片能更好的讓學(xué)生掌握高端芯片的使用，更接近實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)。學(xué)習(xí)軟件設(shè)計(jì)過程中主要分為三個(gè)方向?qū)W習(xí)。首先學(xué)習(xí)軟件開發(fā)項(xiàng)目工程模板搭建，其實(shí)學(xué)習(xí)核心芯片外設(shè)使用，最后學(xué)會整個(gè)軟件系統(tǒng)的調(diào)試。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)板為嵌入式開發(fā)量身定做,學(xué)生可在其上進(jìn)行靈活有效的搭建常用器件,貼近實(shí)際使用研發(fā)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡單明了,硬件系統(tǒng)及軟件完全對學(xué)生透明開放。通過基于嵌入式實(shí)驗(yàn)板的實(shí)驗(yàn),可以使學(xué)生深入了解嵌入式設(shè)計(jì)、調(diào)試和實(shí)現(xiàn)方法,加深學(xué)生對教材中知識的理解,提高學(xué)生編程能力,從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，同時(shí)減少了學(xué)校設(shè)備和器件的損壞，還提高了設(shè)備的可維護(hù)性。

[1]韓時(shí)琳,胡旭躍,?陳杰.實(shí)施CDIO工程教育的關(guān)鍵問題探討[J].中國電力教育,2014(2)∶5-6.

[2]徐玉,童長飛.CDIO工程教育模式下的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育,2013(5)∶109-115.

[3]鄭世玨,盧強(qiáng).基于嵌入式的移動學(xué)習(xí)教學(xué)試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)'和實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012(12)∶51-54.

TN911.22