普通高校自動化專業(yè)嵌入式技術(shù)教學(xué)思考

王 威

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南鄭州450052)

0 引言

自動化專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備什么樣的嵌入式系統(tǒng)知識結(jié)構(gòu),教育界已有“ARM+Linux、8051+匯編語言、MCU+C、DSP+C”等多種提法[1-3]。但是,自動化專業(yè)嵌入式測控技術(shù)的教學(xué)結(jié)構(gòu)是采用ARM+Linux,還是MCU+C,目前尚無統(tǒng)一的意見。

自動化專業(yè)嵌入式測控技術(shù)采用“MCU+C”的教學(xué)結(jié)構(gòu),更有利于學(xué)生能應(yīng)用已學(xué)的“MCU+C”知識,構(gòu)建一個典型的小型自動化測控系統(tǒng)。比如設(shè)計并制作一個具有一定精度、較高穩(wěn)定度要求和性價比的真實溫度測控儀,設(shè)計并制作一臺可實際運行的全自動智能賽車等。

自動化專業(yè)的教學(xué)必須突出嵌入式技術(shù)的“測控+系統(tǒng)”理念,也就是指測量、算法和執(zhí)行。因而必須注重檢測與傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法、控制理論和程序設(shè)計、電力電子和測控對象的工程特性等。

1 嵌入式測控技術(shù)的教學(xué)層次

根據(jù)我們對本校自動化專業(yè)畢業(yè)生近五年的跟蹤調(diào)查,發(fā)現(xiàn)學(xué)生畢業(yè)后真正從事嵌入式測控技術(shù)的大約占10-25%(包括MCU PLC DSP等應(yīng)用系統(tǒng))。根據(jù)近九年的教學(xué)實踐,我們將自動化專業(yè)嵌入式測控技術(shù)的教學(xué)分為如下三個層次。

(1)認知能力型

要求學(xué)生熟悉嵌入式測控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和方案,對嵌入式測控技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)有較深入地了解和認識;了解嵌入式測控硬件平臺(熟悉一種8位MCU)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),能夠讀懂嵌入式測控硬件電路和軟件程序(C語言);熟悉基于8位MCU的嵌入式軟件、硬件開發(fā)流程,能夠編寫簡單嵌入式測控程序。這一層次面向所有學(xué)生,可以采用課程學(xué)分的形式實施。

(2)掌握能力型

要求學(xué)生熟悉嵌入式測控技術(shù)的幾種典型技術(shù)方案,對嵌入式測控技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)有較深入的認識和使用;掌握一種嵌入式測控硬件平臺(一種PLC或8位MCU)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),能夠分組設(shè)計嵌入式測控硬件電路和軟件C程序;熟悉基于8位MCU的嵌入式軟件和硬件開發(fā)流程,能夠分組設(shè)計并制作完成課程設(shè)計,可以進行基于 8位MCU的畢業(yè)課題設(shè)計,也可作為全國大賽和創(chuàng)新學(xué)分的非主力參賽隊員。可以采用課程設(shè)計制和創(chuàng)新學(xué)分的教學(xué)形式實施。這一層次面向40-50%的對嵌入式測控技術(shù)有興趣的學(xué)生。

(3)研發(fā)能力型

要求學(xué)生熟悉嵌入式測控技術(shù)的多種技術(shù)方案,對嵌入式測控技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)有深入的認識和使用;掌握兩種嵌入式測控硬件平臺(8位和16/32位MCU)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),能夠設(shè)計嵌入式測控硬件電路和編寫軟件程序(C語言);熟悉基于16位MCU或32位MCU的嵌入式軟件和硬件開發(fā)流程。最終能夠獨立設(shè)計并制作完成一個真實測控裝置?？刹捎庙椖恐?、全國大賽和創(chuàng)新學(xué)分的形式進行教學(xué),可作為全國大賽和創(chuàng)新學(xué)分的主力參賽隊員。這一層次面向?qū)η度胧綔y控技術(shù)有較強興趣的學(xué)生。

2 嵌入式測控技術(shù)的MCU選型

自動化本科教學(xué)是基于8位MCU,還是基于16位MCU是大家共同關(guān)心的問題。我們根據(jù)多年的實踐體會到:自動化專業(yè)的嵌入式測控技術(shù)的基礎(chǔ)教學(xué)以選較新型的8位機為宜。新型8位機(例如HCS08系列)的難度和資源可以安排在36學(xué)時理論教學(xué)+36學(xué)時課程設(shè)計內(nèi),完成認知和掌握兩個層次的教學(xué)。

我們曾采用Freescale的16位HCS12進行了MCU的基礎(chǔ)教學(xué),在學(xué)生學(xué)習(xí)MCU課程之前,僅具有“電子技術(shù)”和“C程序”的課程基礎(chǔ)的學(xué)生,經(jīng)過二年教學(xué)實踐,大部分僅達到了認知層次。2007年,我們改用HC08,后又改用HCS08,達到良好效果,使60%以上的學(xué)生可以達到掌握能力層次。2008年以后,由于就業(yè)市場的影響以及嵌入式技術(shù)應(yīng)用市場的發(fā)展,90%以上的自動化專業(yè)學(xué)生認識到嵌入式技術(shù)的重要性,選修了該類課程。

3 RTOS在嵌入式測控技術(shù)中的應(yīng)用

2008年,意法公司推出基于ARM-CORT EX體系的STM32系列MCU,許多高校教師希望能在自動化專業(yè)嵌入式測控技術(shù)類課程中引入RTOS,以提升智能產(chǎn)品的技術(shù)和減少開發(fā)周期。

嵌入式測控系統(tǒng)的小型應(yīng)用程序可以不用操作系統(tǒng)直接在集成電路上運行。由于新型8位機、16位機和32位機的大量應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜程度的提升,嵌入式測控系統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)的重要性日漸凸顯,必須保證程序執(zhí)行的實時性和可靠性,并減少開發(fā)時間,保證軟件質(zhì)量。我們擬在本科教學(xué)中引入S12+UC OSII(或FREE RTOS)作為開發(fā)平臺。我們期望能夠找到簡明教材和簡單系統(tǒng)作為RTOS的入門教學(xué)。

4 提升嵌入式技術(shù)課程教學(xué)效率

如果能夠建立自動化專業(yè)嵌入式測控技術(shù)類課程教學(xué)的協(xié)調(diào)機制,吸收產(chǎn)業(yè)界共同開展相關(guān)的教學(xué)研討,可以提升測控技術(shù)的教學(xué)效率,促進大學(xué)生的就業(yè)和創(chuàng)業(yè)。籍此推動國家級精品課程建設(shè),提升教學(xué)平臺和教學(xué)層次。

相對于電子、通信和信息類的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)體系,面向I/O的嵌入式測控技術(shù)類課程的教學(xué)體系和認識尚待深入探索,我們建議對如下五個問題展開討論。

①如何在自動化專業(yè)的教學(xué)中強化理論與實踐的結(jié)合;②如何讓更多的師生接受新型嵌入式測控新技術(shù);③如何持續(xù)在工科各專業(yè)推廣和開展全國大學(xué)生智能車比賽;④如何提升嵌入式測控技術(shù)的教學(xué)效率和教學(xué)效果;⑤如何縮短嵌入式測控技術(shù)教學(xué)與工業(yè)界和就業(yè)市場需求的距離。

2006年以來,通過近五年的發(fā)展,全國大學(xué)生智能車比賽吸引了越來越多的優(yōu)秀學(xué)生參與,已經(jīng)發(fā)展成為涉及自動控制、電子、計算機、機械、檢測技術(shù)和模式識別等諸多技術(shù)領(lǐng)域的全國性比賽。大賽的公平、公正和富有競爭的特質(zhì)鼓勵了全國眾多高校。培養(yǎng)了一大批具有一定的技術(shù)水平、較強的實踐能力和富有激情創(chuàng)新型人才。

我們通過本文,建議全國大學(xué)生智能競賽作如下的一些改革。

(1)由于比賽的規(guī)則強調(diào)速度,而事實上速度是有極限的。因此,這些規(guī)則導(dǎo)致普通高校的參與度受到了影響,也不利于新型MCU的普及和應(yīng)用。

(2)比賽的規(guī)則缺乏競技的分量,參賽的趣味性和多變性亟待提高。傳感器和執(zhí)行器的形式過于單一,光電組不準加鏡頭的規(guī)則執(zhí)行有較大的困難。

(3)物質(zhì)技術(shù)條件對比賽結(jié)果的影響比重較大,導(dǎo)致參賽方競相采用較高價格的激光、高性能16位MCU和高級驅(qū)動器電路等,在某種程度影響了學(xué)生認真深入的學(xué)習(xí)和應(yīng)用MCU的設(shè)計技術(shù),淡化了自動化專業(yè)“測控+系統(tǒng)”理念的深入實踐。建議改革為以8位和16位等分類比賽,可以擴大參賽數(shù)量和學(xué)生受益面。

(4)改革比賽分區(qū)方式,以便降低比賽的技術(shù)門檻和差旅開支,以便將有限的資金用于比賽的硬件和軟件投入。

[1] 段敬紅,王磊,等.嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)建設(shè)與實踐體系的建立[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,29(3)

[2] 俞建新.略論嵌入式系統(tǒng)的實驗教學(xué)[J].上海:實驗室研究與探索,2006,25(7)

[3] 張騰飛,顧亦然,王 瑾.電氣類專業(yè)嵌入式實踐教學(xué)內(nèi)容與方法的改革探索[J].北京:中國電力教育,2009,7