云桌面下嵌入式技術(shù)課程實驗環(huán)境建設(shè)與教學模式探索

姚 睿，崔 江，周翟和，儲劍波，孔德明，陸 熊，王曉琳，王友仁

云桌面下嵌入式技術(shù)課程實驗環(huán)境建設(shè)與教學模式探索

姚 睿，崔 江，周翟和，儲劍波，孔德明，陸 熊，王曉琳，王友仁

（南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211106）

為提高嵌入式技術(shù)實驗教學效果，基于桌面云構(gòu)建了嵌入式技術(shù)創(chuàng)新實踐硬件實驗平臺，開發(fā)了虛擬實驗系統(tǒng)，研究了桌面云下虛實結(jié)合的實驗教學模式，探索了基于桌面云的開放共享的互聯(lián)網(wǎng)+實驗教學模式，以及理論、實驗和網(wǎng)絡(luò)教學交叉融合的教學架構(gòu)。研究成果可用于嵌入式技術(shù)課程教學，提高學生嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、工程實踐和科技創(chuàng)新能力，并可為互聯(lián)網(wǎng)+教育背景下實驗教學提供參考。

嵌入式技術(shù)；實驗環(huán)境；教學模式；云桌面

在互聯(lián)網(wǎng)+教育背景下，依托云計算技術(shù)實現(xiàn)實驗設(shè)備向廣大師生和社會人員開放已成為未來高校實驗室建設(shè)的發(fā)展方向。云桌面技術(shù)是云計算的典型應(yīng)用，可通過瘦客戶端或其他任何與網(wǎng)絡(luò)相連的設(shè)備訪問跨平臺的應(yīng)用程序及整個客戶桌面[1]。云桌面具有低成本、虛擬化、高可靠性、高可擴展性等特性，學生可不受設(shè)備和時空的限制，隨時隨地自主進行探究式實驗和學習，因此必將在實驗教學和管理中發(fā)揮越來越重要的作用。

嵌入式系統(tǒng)是當前IT 產(chǎn)業(yè)的熱點，在消費電子、電信設(shè)備、工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療電子等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)許多高校相繼為本科生和研究生開設(shè)了DSP、ARM、單片機、FPGA等嵌入式技術(shù)課程，都是實踐性很強的應(yīng)用性課程。實驗對培養(yǎng)學生在嵌入式技術(shù)方面的工程應(yīng)用與科技創(chuàng)新能力至關(guān)重要，但目前大部分課程以理論教學為主, 實驗教學為輔；且多采用市場上現(xiàn)成的開發(fā)板或?qū)嶒炏溥M行實物實驗，不僅離不開硬件設(shè)備，而且只能進行簡單的設(shè)計性實驗，不利于學生工程實踐與科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。另外，受實驗場所、設(shè)備、學時的限制，難以滿足學生（特別是90后和00后大學生）對隨時隨地隨心教與學的自主探究式學習環(huán)境的迫切需求[2]。

因此，本文基于南京航空航天大學自動化學院嵌入式系統(tǒng)實驗室的服務(wù)器+瘦客戶機云桌面環(huán)境，建設(shè)嵌入式技術(shù)實驗環(huán)境，探索云桌面環(huán)境下嵌入式技術(shù)實驗教學模式。

1 基于云桌面的嵌入式技術(shù)實驗環(huán)境建設(shè)

1.1 云桌面環(huán)境建設(shè)

嵌入式技術(shù)實驗需要PC支撐，其性能直接影響實驗效果；但是實驗室原有PC采用傳統(tǒng)模式部署，性能落后，且軟件更新不方便，建設(shè)成本高[3]（每個終端需配備高性能PC硬件，價格昂貴且更新?lián)Q代快），升級維護困難[4]（每臺PC需安裝所有軟件，系統(tǒng)臃腫、軟件共享性差），應(yīng)用軟件使用受限[5]（不同軟件及同一軟件不同版本沖突，新版本軟件和操作系統(tǒng)占用系統(tǒng)資源高、部分軟件對操作系統(tǒng)兼容性差而導致系統(tǒng)性能落后），且教學資源共享性差[6]（需物理PC機方可實驗，難以實現(xiàn)異地遠程開放式、移動式、共享性學習），不利于個性化教與學[6]（師生的個性化教、學數(shù)據(jù)無法保存，個性化教學改革嘗試需要每臺終端重復拷貝而造成大量時間浪費）。

針對上述問題，以“遠程、開放、共享、創(chuàng)新”為核心理念，采用虛擬服務(wù)器+瘦客戶機的架構(gòu)，構(gòu)建了包含在虛擬化平臺物理宿主服務(wù)器和35臺瘦客戶機的桌面云環(huán)境，為嵌入式技術(shù)實驗環(huán)境建設(shè)提供了基礎(chǔ)支撐，該實驗室見圖1。

圖1 桌面云環(huán)境的嵌入式系統(tǒng)實驗室

新環(huán)境下云桌面運行在宿主服務(wù)器的虛擬機中，操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件運行所需計算和存儲資源均由服務(wù)器提供，瘦客戶機終端計算功能弱化，僅充當交互設(shè)備。瘦客戶機終端一般不需升級硬件，故障率和維護維修成本低，且初始化后無需維護操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，有效克服了傳統(tǒng)PC部署方式的弊端。另外，基于桌面云改造現(xiàn)有實驗系統(tǒng)，還可為用戶提供軟終端、智能終端等移動接入，打造一種便捷高效的實驗教學方式。

1.2 基于云桌面的嵌入式技術(shù)實驗環(huán)境建設(shè)

1.2.1 硬件平臺建設(shè)

為了在云桌面環(huán)境下更好地培養(yǎng)學生的工程實踐與科技創(chuàng)新能力，提高學生分析和解決實際問題的能力，結(jié)合行業(yè)應(yīng)用背景和科研成果，采取購置、二次開發(fā)、自主開發(fā)結(jié)合的方式，打造新的DSP、ARM、FPGA等嵌入式技術(shù)創(chuàng)新實踐硬件實驗平臺，部分自主開發(fā)的平臺如圖2所示。

圖2 部分自主開發(fā)的硬件實驗平臺實物圖

該嵌入式技術(shù)創(chuàng)新實踐硬件實驗平臺由可插拔的控制器核心板、模塊化的常用外設(shè)擴展板以及創(chuàng)新實踐擴展模塊構(gòu)成。核心板和擴展板在電路上各自獨立，通過標準接插件連接；各關(guān)鍵引腳和信號均通過測試孔引出，方便實驗連線。

核心板即最小硬件系統(tǒng)板，可作為開發(fā)板獨立使用，也可插入外設(shè)擴展板中、構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)實驗箱。以DSP為例，選擇控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣的美國德州儀器（TI）DSP控制器的定點、浮點和小封裝3個系列中的典型芯片TMS320F2812、F28335和F28027，分別開發(fā)了相應(yīng)核心板，它們可共用外圍實驗板，方便使用和維護[7]。

外設(shè)擴展板包括嵌入式控制器片內(nèi)外設(shè)的擴展接口和其他常用標準外設(shè)接口。以DSP實驗平臺為例，其片內(nèi)外設(shè)接口包括用于GPIO的8×8 LED點陣和8路撥碼開關(guān)，ADC輸入通道接口和0~3 V可調(diào)模擬電壓輸出，以及其他控制類、通信類外設(shè)的輸入和輸出接口，以方便學生對其片內(nèi)各外設(shè)進行應(yīng)用開發(fā)。標準外設(shè)接口包括數(shù)碼管顯示、液晶顯示、音頻輸入輸出、鍵盤、USB、以太網(wǎng)模塊等，以方便學生設(shè)計和實現(xiàn)DSP應(yīng)用系統(tǒng)，進一步培養(yǎng)學生的工程實踐和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計能力。

創(chuàng)新實踐擴展模塊則結(jié)合行業(yè)應(yīng)用背景和教師的科研成果開發(fā)[8]，一部分是包含嵌入式控制器的應(yīng)用系統(tǒng)，如基于DSP的電梯限速器測試儀檢定系統(tǒng)、基于ARM的機器人姿態(tài)系統(tǒng)測試平臺、基于FPGA的自修復直流電機控制系統(tǒng)；另一部分是不包含控制器的擴展模塊，需要與核心板和擴展板配合使用，如無線收發(fā)模塊、步進電機、直流電機、繼電器，溫度傳感器、壓力傳感器、微型打印機等。

核心板和外設(shè)擴展板配套使用，臺套數(shù)與云桌面終端數(shù)相當；創(chuàng)新實踐擴展模塊則臺套數(shù)較少，在實驗過程中學生可以結(jié)合自己的興趣進行選擇。

1.2.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

在嵌入式技術(shù)創(chuàng)新實踐綜合硬件實驗平臺的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計了系統(tǒng)的主控制模塊和各功能模塊的應(yīng)用范例，開發(fā)了相應(yīng)的基礎(chǔ)實驗和綜合設(shè)計實驗，以及提供學生進行創(chuàng)新設(shè)計所需的各種外設(shè)的支撐驅(qū)動程序，并編寫了相應(yīng)的實驗指導書，以滿足學生對嵌入式技術(shù)的工程應(yīng)用與創(chuàng)新設(shè)計需求。

基礎(chǔ)實驗?zāi)軌蚴箤W生掌握開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用、軟件編程開發(fā)方法，熟悉各片內(nèi)外設(shè)模塊的工作原理和應(yīng)用、開發(fā)方法。綜合性實驗要求學生綜合應(yīng)用本學科知識和相應(yīng)實驗條件，完成系統(tǒng)級的復雜實驗，以 培養(yǎng)學生進行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計和開發(fā)的能力。

2 云桌面嵌入式技術(shù)實驗環(huán)境下教學模式探索

2.1 虛實結(jié)合的實驗教學模式探索

針對目前實驗設(shè)備、場地、課時等受限狀況，在硬件實驗平臺基礎(chǔ)上，嘗試了虛擬實驗平臺的開發(fā)，并探索了虛實結(jié)合的實踐教學模式。

2.1.1 虛擬實驗平臺開發(fā)

為提高信息化背景下高校實驗教學質(zhì)量和實踐育人水平，教育部從2017年起開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作[9]。虛擬實驗可讓學生在計算機上進行電路仿真和分析，檢驗設(shè)計方案的正確性和可行性，為高效的實物實驗打好基礎(chǔ)；虛擬實驗室的組建則可使學生隨時隨地利用網(wǎng)絡(luò)進行虛擬實驗。因此，虛擬實驗作為傳統(tǒng)實驗的補充，越來越受高校和科研機構(gòu)的重視，已成為改革實驗教學方式、提高教學質(zhì)量的重要手段[10]。

為此，我們積極探索虛擬實驗系統(tǒng)和實驗室的開發(fā)和建設(shè)，以DSP技術(shù)為突破點，利用Proteus、CCS和LabVIEW構(gòu)建了如圖3所示的虛擬仿真實驗系 統(tǒng)[11]。此外，還設(shè)計并開發(fā)了常用實驗儀器的虛擬儀器，以及模擬和數(shù)字電路虛擬實驗系統(tǒng)。

以DSP虛擬實驗系統(tǒng)為例，整個系統(tǒng)分為基礎(chǔ)實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗3個模塊，每個模塊均為獨立的實驗子系統(tǒng)，可完成特定實驗內(nèi)容。基礎(chǔ)實驗?zāi)苁箤W生掌握虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)硬件電路模型搭建和程序開發(fā)方法，熟悉各片內(nèi)外設(shè)的工作原理和應(yīng)用、開發(fā)方法。綜合設(shè)計實驗可培養(yǎng)學生應(yīng)用系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計和開發(fā)的能力。創(chuàng)新設(shè)計實驗支持學生自主選擇數(shù)字信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字控制系統(tǒng)、自動化儀表、機電測控系統(tǒng)等專題內(nèi)容進行設(shè)計和仿真。該系統(tǒng)可使學生在沒有硬件實驗系統(tǒng)的情況下，根據(jù)自身需求搭建所需硬件電路模型，并對DSP芯片進行編程開發(fā)，達到學習DSP原理和設(shè)計DSP應(yīng)用系統(tǒng)的目的。

圖3 DSP虛擬實驗系統(tǒng)界面

2.1.2 云平臺下虛實結(jié)合的實驗教學模式探索

嵌入式技術(shù)創(chuàng)新實踐硬件實驗平臺可為學生提供工程實踐能力和科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實物環(huán)境。但是，實物實驗受實際硬件臺套數(shù)和硬件環(huán)境制約，必須在實驗室中結(jié)合實物進行，不僅受限于實驗時間、地點和人數(shù)，而且頻繁使用和操作可能導致實驗設(shè)備損壞，建設(shè)和維修成本高，硬件局部故障會影響實驗效率。另外，學生進行創(chuàng)新設(shè)計受制于平臺硬件資源，不利于學生個性化創(chuàng)新創(chuàng)造力的充分發(fā)揮。相對于實物實驗，虛擬仿真實驗系統(tǒng)成本低廉，不需專門人員維護；且可擴展性更強，使用者可根據(jù)自己的意愿隨時改變相關(guān)電路結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮學生的個性化思維和創(chuàng)新潛力。因此，我們在云桌面環(huán)境下，充分發(fā)揮創(chuàng)新實踐硬件實驗平臺和虛擬實驗系統(tǒng)的優(yōu)勢，探索了虛實結(jié)合的實驗教學模式。

首先，在實驗室云桌面下，操作系統(tǒng)和系列課程硬件實驗所需軟件均安裝在宿主服務(wù)器上，為瘦客戶機終端提供與傳統(tǒng)PC無差異的虛擬桌面；瘦客戶機僅充當交互設(shè)備，與課程所需創(chuàng)新實踐硬件平臺配套使用。不僅保證了不同版本和不同操作系統(tǒng)的軟件的和諧運行，而且大大提高了系統(tǒng)軟件性能，使軟件開發(fā)和調(diào)試速度大大提高。其次，對于虛擬實驗系統(tǒng)，也只需將其安裝在服務(wù)器上，通過虛擬化桌面的形式提供給各終端桌面，有效解決了原來需要在每臺終端安裝虛擬實驗系統(tǒng)，受PC性能制約的問題，大大提高了開展虛擬實驗的速度。再次，將虛擬實驗和實物實驗兩種方式結(jié)合，將虛擬實驗作為實物實驗的有益補充，要求學生在進行實物實驗前首先進行虛擬實驗，搞清實驗原理、編程方法，并進行模擬仿真調(diào)試；然后進行實物實驗，進行實際驗證和比較，不僅有效降低了硬件實驗平臺的操作次數(shù)和損耗，而且由于虛擬實驗不受時間、地點的限制，解決了實驗內(nèi)容與教學學時之間的矛盾，提高了實驗效率。另外，我們還把虛擬實驗作為實物實驗的拓展，允許學生利用虛擬實驗仿真條件，根據(jù)自己的興趣設(shè)計和開發(fā)各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，給學生更大的自由發(fā)揮空間。通過虛實結(jié)合實驗和實踐，可使學生掌握嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法，提高學生的工程實踐與科技創(chuàng)新能力。

2.2 開放共享實驗教學機制的探索和設(shè)想

目前，實驗室的云桌面已可經(jīng)局域網(wǎng)在瘦客戶機終端進行訪問，實現(xiàn)基于云桌面的虛實結(jié)合的嵌入式技術(shù)實驗教學。未來將進一步探索云桌面下開放共享的實驗教學新機制，實現(xiàn)實驗教學資源的開放共享。可從以下4個方面采取措施：

首先，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)虛擬桌面的隨時隨地獲取。可分兩步實現(xiàn)：第一步是通過內(nèi)部高速無線網(wǎng)絡(luò)將訪問虛擬云桌面的終端擴展到大樓內(nèi)局域網(wǎng)用戶，允許大樓內(nèi)師生使用軟終端、智能終端等移動終端登錄授權(quán)虛擬桌面進行實驗[12]；第二步是與外網(wǎng)融合，允許通過外網(wǎng)加密通道登錄，以滿足授權(quán)用戶通過因特網(wǎng)遠程使用資源池軟件。

其次，要實現(xiàn)虛擬實驗資源的開放共享。在當前環(huán)境下，學生可通過瘦客戶機終端登錄虛擬實驗桌面；通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)虛擬桌面的隨時隨地獲取后，在桌面云技術(shù)的支撐下，學生可通過網(wǎng)絡(luò)登錄虛擬桌面，這樣不用到實驗室即可訪問虛擬實驗資源，隨時隨地進行遠程虛擬實驗。

再次，要對硬件實驗平臺進行網(wǎng)絡(luò)拓展，使其可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程操作。可通過虛擬儀器技術(shù)將硬件實驗平臺與軟件操作面板結(jié)合，通過軟件操作面板遠程操控，實現(xiàn)對硬件實驗平臺的操作與實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)采集。這樣，學生可以通過互聯(lián)網(wǎng)將實驗參數(shù)指令發(fā)送給硬件實驗平臺，實驗結(jié)果以圖表、動畫、示意圖等形式反饋給學生，實現(xiàn)真正意義上的遠程物理實驗。

基于云桌面實現(xiàn)實驗教學資源開放共享后，可逐步實現(xiàn)實驗室和實驗教學資源面向社會開放。在桌面云、課程學習網(wǎng)站、虛擬實驗和遠程實物實驗等支撐下，探索線上線下教學相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化互聯(lián)網(wǎng)+教學新模式，構(gòu)建理論教學、實踐教學和網(wǎng)絡(luò)教學交叉融合的教學架構(gòu)。

3 結(jié)語

本文基于桌面云環(huán)境，構(gòu)建了嵌入式技術(shù)創(chuàng)新實踐硬件實驗平臺，開發(fā)了虛擬實驗系統(tǒng)，研究了桌面云下虛實結(jié)合的實驗教學環(huán)境和教學模式，并進一步探索了基于桌面云的開放共享的實驗教學模式，以及理論教學、實踐教學和網(wǎng)絡(luò)教學交叉融合的教學架構(gòu)。利用互聯(lián)網(wǎng)+實驗系統(tǒng)開展實驗教學，可避免實驗場所的限制，提供安全可靠的綜合和創(chuàng)新設(shè)計實驗，有效提高教學質(zhì)量。

本研究成果可直接用于電氣工程及其自動化、自動化、測控技術(shù)及儀器、生物醫(yī)學工程等專業(yè)的本科生嵌入式技術(shù)與應(yīng)用課程的實驗教學中，也可用于電氣工程、電子信息、控制科學與工程、儀器科學與技術(shù)、機電自動化工程等專業(yè)的研究生相關(guān)課程教學中，能有效提高學生嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用水平，增強創(chuàng)新設(shè)計和工程實踐能力；并可為互聯(lián)網(wǎng)+教育背景下的實驗教學及實驗設(shè)備的遠程開放共享提供參考。

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Construction of experimental environment and exploration of teaching mode for Embedded Technology course under cloud desktop

YAO Rui, CUI Jiang, ZHOU Zhaihe, CHU Jianbo, KONG Deming, LU Xiong, WANG Xiaolin, WANG Youren

(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

In order to improve the experimental teaching effect of embedded technology, and based on the desktop cloud, a hardware experimental platform of embedded technology innovation practice is set up, a virtual experiment system is developed, the experimental teaching mode of combining virtual and real desktop cloud is studied, and the opening and sharing Internet + experimental teaching mode based on desktop cloud and the framework of theoretical, experimental and network teaching are explored. The research results can be used in the teaching of the Embedded Technology course to improve students’ ability of embedded application system design and their engineering practice and technological innovation ability, which provides reference for experimental teaching under the background of Internet + education.

embedded technology; experimental environment; teaching mode; cloud desktop

TP368.1; G642.0

A

1002-4956(2019)07-0050-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.014

2019-01-02

江蘇省高等教育教改研究立項課題“基于云桌面的電氣工程與自動化實驗中心品質(zhì)提升的探索與實踐”；南京航空航天大學教育教學改革項目“面向云平臺的嵌入式課程群實驗教學改革”；南京航空航天大學研究生教育教學改革研究項目“構(gòu)建云桌面模式下的‘嵌入式系統(tǒng)’實驗基地，提升學生創(chuàng)新實踐能力”資助

姚睿（1974—），女，河南南陽，博士，副教授，主要從事DSP技術(shù)與應(yīng)用、模擬電子技術(shù)、進化硬件理論與技術(shù)、嵌入式測控系統(tǒng)自修復技術(shù)方面的教學和科研.E-mail: yaorui@nuaa.edu.cn