嵌入式程序設計實訓教學探索

邊蓓蓓 許琳 秦鐘

摘要：為了深化培養應用型創新人才的教學方法改革，對計算機嵌入式開發實訓教學進行思考與探索，結合樹莓派實踐項目，提出全新的實踐教學模式。 關鍵詞：樹莓派;嵌入式;創新人才;實踐教學

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0122-02

1 引言

在建設成創新型國家目標的背景下，社會需求也隨之多元化，以“應用型創新人才”為主的人才需求也為高等學校實踐類型的課程實訓教學改革提供了明確的方向。本次嵌入式實踐教學探索依據本專業人才培養目標和教學特點，結合青軟實訓的基于樹莓派的智能小車實訓方案，旨在培養學生的應用能力和創新精神，為了進一步學習和就業打下基礎。

2 項目介紹

智能小車系統集成了環境感知、規劃決策、自動行駛等功能于一體，集中運用了嵌入式、傳感、信息、通信、控制等技術。項目使用嵌入式C語言或Python語言開發，樹莓派電腦板Raspberry Pi B搭載Raspbian操作系統，通過完成GPIO驅動電機，光電傳感器或超聲波傳感器循跡、避障、測距、云臺控制，紅外、WIFI、APP等控制功能，使學生熟悉嵌入式開發板硬件知識，掌握樹莓派的開發過程以及控制外圍設備的原理。

樹莓派小車效果圖如圖1所示。主控部分由樹莓派完成，負責感知系統信息的采集與分析，并根據分析結果控制小車的運行方向;感知部分由光電傳感器和超聲波傳感器等組成，進行小車運行軌跡的識別以及障礙物的探測;執行部分由直流電機來完成，控制小車的運行方向和速度。

3 實訓教學過程

采用集中周的教學方式，時長是2周或3周，可以根據情況適當增減獨立模塊。分組教學，每組3-4人，分工合作。

3.1實訓目的

在技術方面，學生掌握樹莓派操作系統的安裝與使用、嵌入式開發語言編程以及如何驅動外圍設備控制，同時，熟悉光電傳感器、超聲波傳感器在嵌入式領域中的應用，培養應用能力和創新思維;而在職業素養方面，本次實訓教學鍛煉學生問題解決能力、總結歸納能力，并培養團隊開發和協同工作的意識，提高溝通能力和自我表達能力，這也是專業人才的重要素養。

3.2實訓設備

核心板是樹莓派三代B型，采用1.2GHz 四核 Broadcom BCM2837 64位 ARMv8處理器，板載WiFi和低功耗藍，配備1GB RAM4，支持SD卡儲存操作系統和數據;搭配操作系統是樹莓派專用Raspbian（基于Debian）;車輪驅動是TB6612FNG電機驅動;循跡功能和避障功能使用紅外傳感器和超聲波傳感器;電源系統采用電池+LM2596S開關電源。

3.3實訓任務

項目主模塊分為主控模塊、循跡模塊、紅外避障模塊、超聲波避障模塊、攝像頭模塊;手機APP模塊分為行駛功能控制和配置界面。根據以上模塊，實訓任務可以分為以下幾個主要部分，每個部分分配2-8課時：

1）組裝小車：此內容可以根據課時選做。

2）開發環境安裝和配置：下載和燒寫raspbian操作系統，采用ssh方式和VNC方式遠程登錄并創建開發目錄。

3）實現蜂鳴器和報警功能：通過控制蜂鳴器進行報警，掌握wiringPi庫的使用。

4）實現小車直行和拐彎：智能小車的行駛控制包括直行、后退、左拐、右拐、停止等動作。四個電機用兩個TB6612FNG（IC1、IC2）進行驅動，IC1驅動小車的左前輪與右前輪，IC2驅動小車的左后輪與右后輪，四個車輪分別對應原理圖中的A路、B路、C路、D路，原理圖如圖2所示。

5）紅外模塊任務：當光電傳感器探測到物體即輸出脈沖，輸入到CPU中進行處理，再對電機驅動模塊進行控制小車運行，實現循跡、避障或遙控等功能。

6）超聲波模塊任務：超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時，最后可以根據聲速、時間測出距離。在測距的基礎上，再加入行駛控制，實現避障功能。

7）APP控制模塊任務：包括手機開發環境的安裝和配置、APP界面的設計、APP控制小車行駛等內容。

4.4實訓考核

從項目驗收和個人表現兩方面進行考核，項目驗收考核的內容包括代碼是否規范、是否有創新、可靠性、可維護性;個人表現包括出勤率，團隊配合能力，組長和組員互評，解決問題的能力，工作量的多少、難易程度等，個人成績可以由指導教師和組內成員共同給出。

4總結

嵌入式開發課程實訓不但鞏固學生的理論基礎，更鍛煉學生的實踐能力、自主學習能力和團隊合作及溝通能力，激發學生的創新精神，同時鼓勵學生積極參加課外科技創新活動，參加學科競賽，提高自身競爭力。另外，實訓項目中用到的樹莓派是一款成本低、功能全的微型電腦主板，具有較強的擴展和設計能力，是目前很流行的學習工具，這也為學生進一步的創新和實踐提供了有利條件。

參考文獻：

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