基于AppInventor嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研發(fā)

黃世玲 李素玲 左仁合 李光平

摘 要：通過分析傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程教學(xué)存在的問題，提出了電氣電子信息技術(shù)類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程教學(xué)改革的建議與措施。在介紹了App Inventor開發(fā)工具的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)給出了該開發(fā)工具與Android設(shè)備相結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革內(nèi)容。分析了傳統(tǒng)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足，根據(jù)課程改革后的內(nèi)容研發(fā)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）04-0106-03

Abstract： Through analyzing the problems existing in the traditional embedded system development course teaching， the suggestions and measures for the teaching reform of the embedded system development course of the electronic information technology are put forward. In this paper， the advantages of AppInventor development tools are introduced， and the teaching reform of embedded system based on the combination of the development tool and Android device is given. The deficiency of the traditional embedded experiment platform is analyzed， and the innovation experiment platform is developed according to the content of the curriculum reform.

Keywords： embedded； teaching reform； experimental teaching

引言

嵌入式設(shè)備主要有消費(fèi)類電子產(chǎn)品、工業(yè)控制機(jī)器人、醫(yī)學(xué)電子和智能家居等智能設(shè)備產(chǎn)品[1]。隨著人們生活水平的提高，智能設(shè)備產(chǎn)品在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛，因此，嵌入式領(lǐng)域人才需求也不斷的增加。為滿足人才需求，許多本科類甚至高職類高校均把嵌入式系統(tǒng)課程列入計(jì)算機(jī)、通信和電子電氣類等專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中。嵌入式系統(tǒng)課程有著所涉及的知識(shí)范圍廣、難度較大、知識(shí)更新速度快以及開發(fā)方式種類多樣性等特點(diǎn)[2]。因此，有必要對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程進(jìn)行改革，有針對(duì)性的選擇教學(xué)內(nèi)容，以培養(yǎng)適合相應(yīng)崗位的嵌入式領(lǐng)域人才。本文主要針對(duì)應(yīng)用型本科電氣電子類專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容存在問題提出改革的思路，并設(shè)計(jì)研發(fā)了一套創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)裝置。

一、傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在問題與改革思路

（一）傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容存在的問題分析

嵌入式系統(tǒng)由嵌入式軟件系統(tǒng)和嵌入式硬件系統(tǒng)構(gòu)成，是可獨(dú)立工作的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[3]。嵌入式硬件系統(tǒng)課程體系主要包括數(shù)字電路、模擬電路以及單片機(jī)等課程，內(nèi)容相對(duì)固定。嵌入式軟件系統(tǒng)內(nèi)容廣泛，主要包括應(yīng)用于工業(yè)控制，需要實(shí)時(shí)性操作比較強(qiáng)的Linux、WinCE以及uc/os等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的Android、iOS和Symbian等系統(tǒng)[4]。對(duì)于非計(jì)算機(jī)類學(xué)生來說不管學(xué)習(xí)哪種嵌入式軟件系統(tǒng)都難以真正的掌握。應(yīng)用型本科電子電氣類專業(yè)一般只開設(shè)C語言編程，而軟件系統(tǒng)除了底層的開發(fā)涉及到C語言，其他的開發(fā)都要求要C++/JAVA語言的基礎(chǔ)，非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生很難真正掌握嵌入式軟件系統(tǒng)[5]。

（二）實(shí)踐教學(xué)存在問題

目前，大部分開設(shè)有嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程的高校都會(huì)購買嵌入式硬件實(shí)驗(yàn)箱，并結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。這種模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下不足：首先，設(shè)備相對(duì)復(fù)雜。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往是基于ARM芯片的硬件設(shè)備，對(duì)于沒有ARM硬件知識(shí)的學(xué)生很難系統(tǒng)地掌握相關(guān)實(shí)踐內(nèi)容[6]。其次，學(xué)生動(dòng)手與思考機(jī)會(huì)少。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)只是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只要會(huì)簡單的程序下載，就能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的效果，這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并沒有給機(jī)會(huì)學(xué)生去深入思考并設(shè)計(jì)一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。最后，由于經(jīng)費(fèi)問題高校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新速度遠(yuǎn)跟不上課程內(nèi)容發(fā)展速度，從而導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容得不到快速更新，學(xué)生所學(xué)知識(shí)不能滿足崗位的發(fā)展需求[7]。

（三）教學(xué)改革思路

隨著移動(dòng)智能設(shè)備的不斷發(fā)展，我們當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入了APP時(shí)代，而APP等應(yīng)用軟件的開發(fā)主要是基于android、IOS和Symbian等操作系統(tǒng)[8]。據(jù)市場分析機(jī)構(gòu)Strategy Anaiytics的統(tǒng)計(jì)Android操作系統(tǒng)近兩年的全球市場份額一直穩(wěn)居第一位，2014年Android操作系統(tǒng)的全球市場份額已達(dá)84.6%，而iOS操作系統(tǒng)為11.9%，Windows Phone操作系統(tǒng)為2.7%[9]。這足以說明Android操作系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)崗位人才需要量巨大。我校在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程改革中選用Android操作系統(tǒng)開發(fā)等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，為解決電氣電子類專業(yè)學(xué)生編程只有C語言基礎(chǔ)的問題，選用了App Inventor開發(fā)工具對(duì)Android操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，無需更高級(jí)的計(jì)算機(jī)語言編程基礎(chǔ)，降低了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的難度。

本文基于App Inventor的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程內(nèi)容安排如表1所示，包括了四個(gè)部分，總共64學(xué)時(shí)，采用一體化教學(xué)手段，在實(shí)驗(yàn)室上課，老師作簡單原理講解和任務(wù)布置后學(xué)生立即動(dòng)手實(shí)踐操作。以任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法為主要手段，有效提高學(xué)習(xí)積極性。課程內(nèi)容中設(shè)置了軟件開發(fā)與硬件系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)容，能使學(xué)生全面了解智能設(shè)備系統(tǒng)的組成與原理。實(shí)驗(yàn)設(shè)備只需要一臺(tái)安卓系統(tǒng)的手機(jī)就能完成，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)不過分的依賴實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研發(fā)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)部分。上位機(jī)主要由Android系統(tǒng)終端設(shè)備構(gòu)成；下位機(jī)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、WIFI模塊、藍(lán)牙模塊、超聲波測距模塊、LCD屏、溫濕度模塊、RGB彩燈、直流電機(jī)控制和繼電器模塊組成。采用App Inventor開發(fā)工具開發(fā)基于Android系統(tǒng)的APP軟件，APP能通過WIFI或藍(lán)牙通訊方式與下位機(jī)硬件進(jìn)行通信。下位機(jī)通過KEIL開發(fā)環(huán)境編寫C51驅(qū)動(dòng)程序，通過串口下載方式下載程序控制相應(yīng)的外設(shè)。

（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)。采用型號(hào)為STC12C5A60S2單片機(jī)，該CPU為單時(shí)鐘（1T）單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，片上1280B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，60K的用戶應(yīng)用程序空間，雙串口。

（2）WIFI模塊。采用ESP8266串口WIFI模塊，支持AP，STA，AP+STA三種模式，該模塊與單片機(jī)系統(tǒng)的串口1進(jìn)行通信。

（3）藍(lán)牙模塊。采用無線藍(lán)牙串口透傳HC-06模塊，該模塊與單片機(jī)系統(tǒng)的串口2進(jìn)行通信。

（4）超聲波測距模塊。采用HC-SR04超聲波模塊，精度達(dá)0.3CM，通過單片機(jī)IO口控制模塊發(fā)出40K超聲波，接收到回波時(shí)該模塊自動(dòng)讓相應(yīng)的IO口輸出高電平，通過計(jì)算該IO口高電平時(shí)間方式來算出距離。

（5）LCD屏。采用LCD12684點(diǎn)陣型液晶顯示器，該顯示器可以顯示波形、漢字以及圖形等內(nèi)容。

（6）溫濕度模塊。采用型號(hào)為DHT11傳感器，濕度測量范圍：20%-95%，誤差5%；溫度測量范圍：0-50度，誤差2度。

（7）RGB彩燈。采用 WS2812B-4位RGB LED全彩驅(qū)動(dòng)4位彩燈模塊，單片機(jī)采用單線IO口向WS2813B發(fā)送24位RGB數(shù)據(jù)，完成彩燈顏色變換控制。

（8）直流電機(jī)控制。采用小功能三極管8050和8550組成H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)通過PWM波形控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過紅外光電傳感器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。

（9）繼電器模塊。設(shè)置了4位繼電器控制模塊。通過單片機(jī)IO口控制繼電器的通斷，該模塊用于控制220V的燈光和電磁密碼鎖實(shí)驗(yàn)。

三、結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)是一門內(nèi)容更新速度快、綜合性強(qiáng)、內(nèi)容廣泛、實(shí)踐性強(qiáng)的課程。本文針對(duì)電氣電子類專業(yè)課程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了該專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程的改革方向，并根據(jù)改革的課程內(nèi)容研發(fā)了一種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文的改革方法和措施已經(jīng)在我校電子信息專業(yè)的嵌入式課程教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐，并起到了積極的作用。在改革過程中分析了當(dāng)前課程存在的問題，并提出符合應(yīng)用型本科培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)型人才目標(biāo)的課程改革措施，提高學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新能力的同時(shí)，減輕學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)難度大的困難。

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