項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐模式探討

田華,宗曉萍,劉鑫

摘要：實(shí)踐環(huán)節(jié)在嵌入式學(xué)習(xí)中占有非常重要的地位，針對(duì)目前我院嵌入式實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，制定了相應(yīng)的改革措施，提出項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室開放模式，并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；實(shí)驗(yàn)室開放；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）06-0277-03

近年來隨著嵌入式產(chǎn)品在軍事、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，具備嵌入式開發(fā)技術(shù)在學(xué)生就業(yè)過程中顯示出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式技術(shù)是一種軟、硬件高度結(jié)合的新興技術(shù)，既涉及到芯片體系結(jié)構(gòu)問題，又涉及到操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映學(xué)習(xí)內(nèi)容多、難度大、不易掌握。實(shí)踐環(huán)節(jié)在嵌入式學(xué)習(xí)中占有非常重要的地位，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力等方面，具有理論教學(xué)不可替代的作用。隨著我?！敖虒W(xué)質(zhì)量工程”建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)改革的不斷深入，如何深化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，成為嵌入式實(shí)踐教學(xué)中值得思考和探索的問題。

一、嵌入式實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

1.實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足，綜合性實(shí)驗(yàn)少。我院嵌入式實(shí)驗(yàn)課程安排18學(xué)時(shí)，包括3個(gè)體系結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和3個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生通過這6個(gè)實(shí)驗(yàn)可以初步掌握ARM體系結(jié)構(gòu)芯片的基本部件的功能以及Linux操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開發(fā)流程。實(shí)驗(yàn)課程深化了學(xué)生課堂所學(xué)的理論知識(shí)，但實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)不足導(dǎo)致一些綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法在實(shí)驗(yàn)課上完成。

2.開放內(nèi)容單一，能力提升受限。開放嵌入式實(shí)驗(yàn)室可以部分緩解想深入研究嵌入式技術(shù)的學(xué)生的需求。學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間預(yù)約進(jìn)入嵌入式實(shí)驗(yàn)室，登記相關(guān)信息及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，保證自身及設(shè)備安全的情況下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。這種開放模式對(duì)豐富和深化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的嵌入式開發(fā)能力起到了一定的推動(dòng)作用。但也會(huì)普遍出現(xiàn)實(shí)踐內(nèi)容只是簡(jiǎn)單復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)提供的獨(dú)立項(xiàng)目，仍然缺乏綜合項(xiàng)目的訓(xùn)練和提升。

二、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室開放

1.開放模式的基本思路。為了明確學(xué)生的實(shí)踐任務(wù)目標(biāo)，提高嵌入式開發(fā)能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作的科學(xué)素質(zhì)，在嵌入式實(shí)驗(yàn)室開放過程中逐漸建立起一種以項(xiàng)目為依托的實(shí)驗(yàn)室開放模式。其基本思路是把教師的科技課題或大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目適當(dāng)調(diào)整后作為實(shí)驗(yàn)室開放課題。感興趣的學(xué)生通過報(bào)名分組結(jié)隊(duì)，在明確項(xiàng)目全局任務(wù)的情況下，各隊(duì)負(fù)責(zé)不同模塊的具體任務(wù)。為避免各隊(duì)受固定任務(wù)局限，不了解環(huán)節(jié)銜接及項(xiàng)目整體進(jìn)度，采取定期集中匯報(bào)，加強(qiáng)隊(duì)間溝通的項(xiàng)目管理方法。在實(shí)驗(yàn)室管理方面，為了充分發(fā)揮嵌入式實(shí)驗(yàn)室作用，并保障其安全運(yùn)行，根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)室確定了“師生共管，學(xué)生為主”的管理模式，教師負(fù)責(zé)研究方向的把握，篩選愛好嵌入式開發(fā)、責(zé)任心強(qiáng)的學(xué)生負(fù)責(zé)開放實(shí)驗(yàn)室的日常管理，并制定切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理監(jiān)督制度。

2.項(xiàng)目實(shí)施案例。明確實(shí)驗(yàn)室開放基本思路后，嵌入式實(shí)驗(yàn)室兩年來共引入教師承擔(dān)的各級(jí)項(xiàng)目及學(xué)生承擔(dān)的校院級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)。下面以學(xué)生完成的校級(jí)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目“基于S3C6410的嵌入式圖像處理系統(tǒng)”，說明所提項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)施效果。

項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容：該項(xiàng)目以S3C6410嵌入式開發(fā)板為硬件平臺(tái)，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)環(huán)境，通過設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序及圖像采集、顯示和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葢?yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)（開發(fā)板）和上位機(jī)（PC機(jī)）同步實(shí)時(shí)顯示采集圖像的功能。

（1）系統(tǒng)硬件平臺(tái)，本設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集，對(duì)硬件平臺(tái)有一定的要求，即除了要具備較高的工作主頻和豐富的外圍電路擴(kuò)展接口外，還要具備編解碼多媒體的能力，要有足夠的內(nèi)存資源用于圖像處理，同時(shí)還必須要具備網(wǎng)絡(luò)接口。所以選擇了基于ARM920T內(nèi)核的S3C6410芯片作為處理器，此外系統(tǒng)還包括兩片三星K4X1G163PQ組成256M的Mobile DDR內(nèi)存、一片三星K9GAG08U0E的2G固態(tài)硬盤、NEC的4.3寸LCD、ZC301P的640*480像素的攝像頭、三個(gè)Uart和10/100M自適應(yīng)DM9000以太網(wǎng)卡以及電源模塊等部件構(gòu)成嵌入式硬件環(huán)境。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）嵌入式Linux下視頻采集、顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸程序，本設(shè)計(jì)構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng)過程中，使用U-Boot作為Boot loader，使用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核Linux 2.6.38經(jīng)過內(nèi)核的配置裁剪作為嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核，使用工具Busybox制作的根文件系統(tǒng)。嵌入式Linux系統(tǒng)為視頻圖像采集、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和本地視頻顯示提供了方便的編程接口，其中包括針對(duì)硬件編解碼的操作接口、軟件編解碼庫、Qt圖形庫支持等等。在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序模塊要完成不同的功能，但是各模塊間又存在共享資源，所以程序設(shè)計(jì)為多線程的工作方式，使用互斥量和條件變量消除線程間對(duì)共享資源的競(jìng)爭(zhēng)問題。多線程方式提高了程序運(yùn)行速率，實(shí)現(xiàn)了并發(fā)操作。程序中分為三個(gè)線程：圖像采集線程、LCD圖像顯示線程和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸線程，主進(jìn)程作為線程管理。遠(yuǎn)程接收端工作于x86體系PC機(jī)上，使用Qt編程實(shí)現(xiàn)圖像化界面應(yīng)用程序，顯示嵌入式設(shè)備采集的視頻。在Linux2.6.38內(nèi)核里，攝像頭驅(qū)動(dòng)接口為Video4Linux2，這種接口定義了多種攝像頭工作方式，包括camera capture、camera tune、camera encoder等。Frame buffer是內(nèi)核驅(qū)動(dòng)提供的顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用它提供給用戶的接口很容易實(shí)現(xiàn)圖像在LCD上的顯示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸使用UNIX網(wǎng)絡(luò)套接字，使用兩條TCP連接實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)同步。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

（3）按系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行學(xué)生任務(wù)劃分，程序設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)的基本功能模塊劃分為4部分，由四組學(xué)生分別承擔(dān)：①攝像頭圖像捕獲。攝像頭操作主要在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)，其中包括：攝像頭參數(shù)設(shè)置啟動(dòng)硬件JPEG壓縮，圖像緩存隊(duì)列建立，圖像幀的出隊(duì)和再入隊(duì)以及對(duì)攝像頭隊(duì)列狀態(tài)的select操作。②嵌入式設(shè)備上LCD圖像顯示。本設(shè)計(jì)圖像格式為JPEG，而嵌入式設(shè)備上只能直接顯示RGB或者YVU格式圖像。在獲取到圖像幀后，通過Linux內(nèi)置多媒體庫對(duì)圖像解碼為RGB后再和SMDK6410顯示控制器格式匹配，最終實(shí)現(xiàn)LCD上的圖像顯示。③以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)主要目的是用嵌入式設(shè)備采集圖像，在遠(yuǎn)端PC上進(jìn)行獲取，傳輸方式選擇為以太網(wǎng)。本模塊主要實(shí)現(xiàn)了針對(duì)本設(shè)計(jì)圖像傳輸?shù)幕赥CP應(yīng)用層協(xié)議。其中也包括了socket連接請(qǐng)求、數(shù)據(jù)發(fā)送、出錯(cuò)處理等。④PC端在Qt creator環(huán)境下使用C++編寫圖像顯示程序。該程序分為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收和圖像解碼顯示兩部分。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收部分主要是對(duì)從兩條Socket連接中收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)做協(xié)議解析，從TCP流內(nèi)提取完整單幀圖像；圖像顯示部分使用了QPixmap類，內(nèi)存里完整的圖像幀直接由該類成員函數(shù)處理，降低了圖像解碼中的復(fù)雜程度。④系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

本文通過具體案例，對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐運(yùn)行模式進(jìn)行了的可行性分析。課題組同學(xué)以實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目為依托，通過全程參與、協(xié)同合作，增強(qiáng)了開拓創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了科研意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，為今后從事科學(xué)研究工作奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室開放是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充和提升，隨著高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深入以及高校創(chuàng)新人才實(shí)踐技能要求的逐漸提升，探討有效的實(shí)踐教學(xué)方式將成為持續(xù)的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周勤，張微，溫光浩.高校實(shí)驗(yàn)室工作的探究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（11）：371-374.

[2]陳淑潔.實(shí)驗(yàn)室開放模式的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011（21）：31-34.

基金項(xiàng)目：河北大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目基金資助（2012029）。河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院教改項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介：田華（1973-），女，工學(xué)碩士，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。endprint

摘要：實(shí)踐環(huán)節(jié)在嵌入式學(xué)習(xí)中占有非常重要的地位，針對(duì)目前我院嵌入式實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，制定了相應(yīng)的改革措施，提出項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室開放模式，并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；實(shí)驗(yàn)室開放；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）06-0277-03

近年來隨著嵌入式產(chǎn)品在軍事、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，具備嵌入式開發(fā)技術(shù)在學(xué)生就業(yè)過程中顯示出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式技術(shù)是一種軟、硬件高度結(jié)合的新興技術(shù)，既涉及到芯片體系結(jié)構(gòu)問題，又涉及到操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映學(xué)習(xí)內(nèi)容多、難度大、不易掌握。實(shí)踐環(huán)節(jié)在嵌入式學(xué)習(xí)中占有非常重要的地位，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力等方面，具有理論教學(xué)不可替代的作用。隨著我校“教學(xué)質(zhì)量工程”建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)改革的不斷深入，如何深化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，成為嵌入式實(shí)踐教學(xué)中值得思考和探索的問題。

一、嵌入式實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

1.實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足，綜合性實(shí)驗(yàn)少。我院嵌入式實(shí)驗(yàn)課程安排18學(xué)時(shí)，包括3個(gè)體系結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和3個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生通過這6個(gè)實(shí)驗(yàn)可以初步掌握ARM體系結(jié)構(gòu)芯片的基本部件的功能以及Linux操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開發(fā)流程。實(shí)驗(yàn)課程深化了學(xué)生課堂所學(xué)的理論知識(shí)，但實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)不足導(dǎo)致一些綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法在實(shí)驗(yàn)課上完成。

2.開放內(nèi)容單一，能力提升受限。開放嵌入式實(shí)驗(yàn)室可以部分緩解想深入研究嵌入式技術(shù)的學(xué)生的需求。學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間預(yù)約進(jìn)入嵌入式實(shí)驗(yàn)室，登記相關(guān)信息及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，保證自身及設(shè)備安全的情況下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。這種開放模式對(duì)豐富和深化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的嵌入式開發(fā)能力起到了一定的推動(dòng)作用。但也會(huì)普遍出現(xiàn)實(shí)踐內(nèi)容只是簡(jiǎn)單復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)提供的獨(dú)立項(xiàng)目，仍然缺乏綜合項(xiàng)目的訓(xùn)練和提升。

二、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室開放

1.開放模式的基本思路。為了明確學(xué)生的實(shí)踐任務(wù)目標(biāo)，提高嵌入式開發(fā)能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作的科學(xué)素質(zhì)，在嵌入式實(shí)驗(yàn)室開放過程中逐漸建立起一種以項(xiàng)目為依托的實(shí)驗(yàn)室開放模式。其基本思路是把教師的科技課題或大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目適當(dāng)調(diào)整后作為實(shí)驗(yàn)室開放課題。感興趣的學(xué)生通過報(bào)名分組結(jié)隊(duì)，在明確項(xiàng)目全局任務(wù)的情況下，各隊(duì)負(fù)責(zé)不同模塊的具體任務(wù)。為避免各隊(duì)受固定任務(wù)局限，不了解環(huán)節(jié)銜接及項(xiàng)目整體進(jìn)度，采取定期集中匯報(bào)，加強(qiáng)隊(duì)間溝通的項(xiàng)目管理方法。在實(shí)驗(yàn)室管理方面，為了充分發(fā)揮嵌入式實(shí)驗(yàn)室作用，并保障其安全運(yùn)行，根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)室確定了“師生共管，學(xué)生為主”的管理模式，教師負(fù)責(zé)研究方向的把握，篩選愛好嵌入式開發(fā)、責(zé)任心強(qiáng)的學(xué)生負(fù)責(zé)開放實(shí)驗(yàn)室的日常管理，并制定切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理監(jiān)督制度。

2.項(xiàng)目實(shí)施案例。明確實(shí)驗(yàn)室開放基本思路后，嵌入式實(shí)驗(yàn)室兩年來共引入教師承擔(dān)的各級(jí)項(xiàng)目及學(xué)生承擔(dān)的校院級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)。下面以學(xué)生完成的校級(jí)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目“基于S3C6410的嵌入式圖像處理系統(tǒng)”，說明所提項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)施效果。

項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容：該項(xiàng)目以S3C6410嵌入式開發(fā)板為硬件平臺(tái)，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)環(huán)境，通過設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序及圖像采集、顯示和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葢?yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)（開發(fā)板）和上位機(jī)（PC機(jī)）同步實(shí)時(shí)顯示采集圖像的功能。

（1）系統(tǒng)硬件平臺(tái)，本設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集，對(duì)硬件平臺(tái)有一定的要求，即除了要具備較高的工作主頻和豐富的外圍電路擴(kuò)展接口外，還要具備編解碼多媒體的能力，要有足夠的內(nèi)存資源用于圖像處理，同時(shí)還必須要具備網(wǎng)絡(luò)接口。所以選擇了基于ARM920T內(nèi)核的S3C6410芯片作為處理器，此外系統(tǒng)還包括兩片三星K4X1G163PQ組成256M的Mobile DDR內(nèi)存、一片三星K9GAG08U0E的2G固態(tài)硬盤、NEC的4.3寸LCD、ZC301P的640*480像素的攝像頭、三個(gè)Uart和10/100M自適應(yīng)DM9000以太網(wǎng)卡以及電源模塊等部件構(gòu)成嵌入式硬件環(huán)境。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）嵌入式Linux下視頻采集、顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸程序，本設(shè)計(jì)構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng)過程中，使用U-Boot作為Boot loader，使用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核Linux 2.6.38經(jīng)過內(nèi)核的配置裁剪作為嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核，使用工具Busybox制作的根文件系統(tǒng)。嵌入式Linux系統(tǒng)為視頻圖像采集、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和本地視頻顯示提供了方便的編程接口，其中包括針對(duì)硬件編解碼的操作接口、軟件編解碼庫、Qt圖形庫支持等等。在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序模塊要完成不同的功能，但是各模塊間又存在共享資源，所以程序設(shè)計(jì)為多線程的工作方式，使用互斥量和條件變量消除線程間對(duì)共享資源的競(jìng)爭(zhēng)問題。多線程方式提高了程序運(yùn)行速率，實(shí)現(xiàn)了并發(fā)操作。程序中分為三個(gè)線程：圖像采集線程、LCD圖像顯示線程和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸線程，主進(jìn)程作為線程管理。遠(yuǎn)程接收端工作于x86體系PC機(jī)上，使用Qt編程實(shí)現(xiàn)圖像化界面應(yīng)用程序，顯示嵌入式設(shè)備采集的視頻。在Linux2.6.38內(nèi)核里，攝像頭驅(qū)動(dòng)接口為Video4Linux2，這種接口定義了多種攝像頭工作方式，包括camera capture、camera tune、camera encoder等。Frame buffer是內(nèi)核驅(qū)動(dòng)提供的顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用它提供給用戶的接口很容易實(shí)現(xiàn)圖像在LCD上的顯示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸使用UNIX網(wǎng)絡(luò)套接字，使用兩條TCP連接實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)同步。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

（3）按系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行學(xué)生任務(wù)劃分，程序設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)的基本功能模塊劃分為4部分，由四組學(xué)生分別承擔(dān)：①攝像頭圖像捕獲。攝像頭操作主要在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)，其中包括：攝像頭參數(shù)設(shè)置啟動(dòng)硬件JPEG壓縮，圖像緩存隊(duì)列建立，圖像幀的出隊(duì)和再入隊(duì)以及對(duì)攝像頭隊(duì)列狀態(tài)的select操作。②嵌入式設(shè)備上LCD圖像顯示。本設(shè)計(jì)圖像格式為JPEG，而嵌入式設(shè)備上只能直接顯示RGB或者YVU格式圖像。在獲取到圖像幀后，通過Linux內(nèi)置多媒體庫對(duì)圖像解碼為RGB后再和SMDK6410顯示控制器格式匹配，最終實(shí)現(xiàn)LCD上的圖像顯示。③以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)主要目的是用嵌入式設(shè)備采集圖像，在遠(yuǎn)端PC上進(jìn)行獲取，傳輸方式選擇為以太網(wǎng)。本模塊主要實(shí)現(xiàn)了針對(duì)本設(shè)計(jì)圖像傳輸?shù)幕赥CP應(yīng)用層協(xié)議。其中也包括了socket連接請(qǐng)求、數(shù)據(jù)發(fā)送、出錯(cuò)處理等。④PC端在Qt creator環(huán)境下使用C++編寫圖像顯示程序。該程序分為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收和圖像解碼顯示兩部分。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收部分主要是對(duì)從兩條Socket連接中收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)做協(xié)議解析，從TCP流內(nèi)提取完整單幀圖像；圖像顯示部分使用了QPixmap類，內(nèi)存里完整的圖像幀直接由該類成員函數(shù)處理，降低了圖像解碼中的復(fù)雜程度。④系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

本文通過具體案例，對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐運(yùn)行模式進(jìn)行了的可行性分析。課題組同學(xué)以實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目為依托，通過全程參與、協(xié)同合作，增強(qiáng)了開拓創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了科研意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，為今后從事科學(xué)研究工作奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室開放是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充和提升，隨著高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深入以及高校創(chuàng)新人才實(shí)踐技能要求的逐漸提升，探討有效的實(shí)踐教學(xué)方式將成為持續(xù)的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周勤，張微，溫光浩.高校實(shí)驗(yàn)室工作的探究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（11）：371-374.

[2]陳淑潔.實(shí)驗(yàn)室開放模式的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011（21）：31-34.

基金項(xiàng)目：河北大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目基金資助（2012029）。河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院教改項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介：田華（1973-），女，工學(xué)碩士，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。endprint

摘要：實(shí)踐環(huán)節(jié)在嵌入式學(xué)習(xí)中占有非常重要的地位，針對(duì)目前我院嵌入式實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，制定了相應(yīng)的改革措施，提出項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室開放模式，并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；實(shí)驗(yàn)室開放；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）06-0277-03

近年來隨著嵌入式產(chǎn)品在軍事、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，具備嵌入式開發(fā)技術(shù)在學(xué)生就業(yè)過程中顯示出較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式技術(shù)是一種軟、硬件高度結(jié)合的新興技術(shù)，既涉及到芯片體系結(jié)構(gòu)問題，又涉及到操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍反映學(xué)習(xí)內(nèi)容多、難度大、不易掌握。實(shí)踐環(huán)節(jié)在嵌入式學(xué)習(xí)中占有非常重要的地位，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力等方面，具有理論教學(xué)不可替代的作用。隨著我校“教學(xué)質(zhì)量工程”建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)改革的不斷深入，如何深化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，成為嵌入式實(shí)踐教學(xué)中值得思考和探索的問題。

一、嵌入式實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

1.實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足，綜合性實(shí)驗(yàn)少。我院嵌入式實(shí)驗(yàn)課程安排18學(xué)時(shí)，包括3個(gè)體系結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和3個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生通過這6個(gè)實(shí)驗(yàn)可以初步掌握ARM體系結(jié)構(gòu)芯片的基本部件的功能以及Linux操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開發(fā)流程。實(shí)驗(yàn)課程深化了學(xué)生課堂所學(xué)的理論知識(shí)，但實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)不足導(dǎo)致一些綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法在實(shí)驗(yàn)課上完成。

2.開放內(nèi)容單一，能力提升受限。開放嵌入式實(shí)驗(yàn)室可以部分緩解想深入研究嵌入式技術(shù)的學(xué)生的需求。學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間預(yù)約進(jìn)入嵌入式實(shí)驗(yàn)室，登記相關(guān)信息及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，保證自身及設(shè)備安全的情況下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。這種開放模式對(duì)豐富和深化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的嵌入式開發(fā)能力起到了一定的推動(dòng)作用。但也會(huì)普遍出現(xiàn)實(shí)踐內(nèi)容只是簡(jiǎn)單復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)提供的獨(dú)立項(xiàng)目，仍然缺乏綜合項(xiàng)目的訓(xùn)練和提升。

二、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室開放

1.開放模式的基本思路。為了明確學(xué)生的實(shí)踐任務(wù)目標(biāo)，提高嵌入式開發(fā)能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作的科學(xué)素質(zhì)，在嵌入式實(shí)驗(yàn)室開放過程中逐漸建立起一種以項(xiàng)目為依托的實(shí)驗(yàn)室開放模式。其基本思路是把教師的科技課題或大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目適當(dāng)調(diào)整后作為實(shí)驗(yàn)室開放課題。感興趣的學(xué)生通過報(bào)名分組結(jié)隊(duì)，在明確項(xiàng)目全局任務(wù)的情況下，各隊(duì)負(fù)責(zé)不同模塊的具體任務(wù)。為避免各隊(duì)受固定任務(wù)局限，不了解環(huán)節(jié)銜接及項(xiàng)目整體進(jìn)度，采取定期集中匯報(bào)，加強(qiáng)隊(duì)間溝通的項(xiàng)目管理方法。在實(shí)驗(yàn)室管理方面，為了充分發(fā)揮嵌入式實(shí)驗(yàn)室作用，并保障其安全運(yùn)行，根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)嵌入式實(shí)驗(yàn)室確定了“師生共管，學(xué)生為主”的管理模式，教師負(fù)責(zé)研究方向的把握，篩選愛好嵌入式開發(fā)、責(zé)任心強(qiáng)的學(xué)生負(fù)責(zé)開放實(shí)驗(yàn)室的日常管理，并制定切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理監(jiān)督制度。

2.項(xiàng)目實(shí)施案例。明確實(shí)驗(yàn)室開放基本思路后，嵌入式實(shí)驗(yàn)室兩年來共引入教師承擔(dān)的各級(jí)項(xiàng)目及學(xué)生承擔(dān)的校院級(jí)項(xiàng)目5項(xiàng)。下面以學(xué)生完成的校級(jí)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目“基于S3C6410的嵌入式圖像處理系統(tǒng)”，說明所提項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)施效果。

項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容：該項(xiàng)目以S3C6410嵌入式開發(fā)板為硬件平臺(tái)，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)環(huán)境，通過設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序及圖像采集、顯示和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葢?yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)（開發(fā)板）和上位機(jī)（PC機(jī)）同步實(shí)時(shí)顯示采集圖像的功能。

（1）系統(tǒng)硬件平臺(tái)，本設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集，對(duì)硬件平臺(tái)有一定的要求，即除了要具備較高的工作主頻和豐富的外圍電路擴(kuò)展接口外，還要具備編解碼多媒體的能力，要有足夠的內(nèi)存資源用于圖像處理，同時(shí)還必須要具備網(wǎng)絡(luò)接口。所以選擇了基于ARM920T內(nèi)核的S3C6410芯片作為處理器，此外系統(tǒng)還包括兩片三星K4X1G163PQ組成256M的Mobile DDR內(nèi)存、一片三星K9GAG08U0E的2G固態(tài)硬盤、NEC的4.3寸LCD、ZC301P的640*480像素的攝像頭、三個(gè)Uart和10/100M自適應(yīng)DM9000以太網(wǎng)卡以及電源模塊等部件構(gòu)成嵌入式硬件環(huán)境。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）嵌入式Linux下視頻采集、顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸程序，本設(shè)計(jì)構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng)過程中，使用U-Boot作為Boot loader，使用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核Linux 2.6.38經(jīng)過內(nèi)核的配置裁剪作為嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核，使用工具Busybox制作的根文件系統(tǒng)。嵌入式Linux系統(tǒng)為視頻圖像采集、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和本地視頻顯示提供了方便的編程接口，其中包括針對(duì)硬件編解碼的操作接口、軟件編解碼庫、Qt圖形庫支持等等。在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序模塊要完成不同的功能，但是各模塊間又存在共享資源，所以程序設(shè)計(jì)為多線程的工作方式，使用互斥量和條件變量消除線程間對(duì)共享資源的競(jìng)爭(zhēng)問題。多線程方式提高了程序運(yùn)行速率，實(shí)現(xiàn)了并發(fā)操作。程序中分為三個(gè)線程：圖像采集線程、LCD圖像顯示線程和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸線程，主進(jìn)程作為線程管理。遠(yuǎn)程接收端工作于x86體系PC機(jī)上，使用Qt編程實(shí)現(xiàn)圖像化界面應(yīng)用程序，顯示嵌入式設(shè)備采集的視頻。在Linux2.6.38內(nèi)核里，攝像頭驅(qū)動(dòng)接口為Video4Linux2，這種接口定義了多種攝像頭工作方式，包括camera capture、camera tune、camera encoder等。Frame buffer是內(nèi)核驅(qū)動(dòng)提供的顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用它提供給用戶的接口很容易實(shí)現(xiàn)圖像在LCD上的顯示。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸使用UNIX網(wǎng)絡(luò)套接字，使用兩條TCP連接實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)同步。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

（3）按系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行學(xué)生任務(wù)劃分，程序設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)的基本功能模塊劃分為4部分，由四組學(xué)生分別承擔(dān)：①攝像頭圖像捕獲。攝像頭操作主要在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)，其中包括：攝像頭參數(shù)設(shè)置啟動(dòng)硬件JPEG壓縮，圖像緩存隊(duì)列建立，圖像幀的出隊(duì)和再入隊(duì)以及對(duì)攝像頭隊(duì)列狀態(tài)的select操作。②嵌入式設(shè)備上LCD圖像顯示。本設(shè)計(jì)圖像格式為JPEG，而嵌入式設(shè)備上只能直接顯示RGB或者YVU格式圖像。在獲取到圖像幀后，通過Linux內(nèi)置多媒體庫對(duì)圖像解碼為RGB后再和SMDK6410顯示控制器格式匹配，最終實(shí)現(xiàn)LCD上的圖像顯示。③以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)主要目的是用嵌入式設(shè)備采集圖像，在遠(yuǎn)端PC上進(jìn)行獲取，傳輸方式選擇為以太網(wǎng)。本模塊主要實(shí)現(xiàn)了針對(duì)本設(shè)計(jì)圖像傳輸?shù)幕赥CP應(yīng)用層協(xié)議。其中也包括了socket連接請(qǐng)求、數(shù)據(jù)發(fā)送、出錯(cuò)處理等。④PC端在Qt creator環(huán)境下使用C++編寫圖像顯示程序。該程序分為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收和圖像解碼顯示兩部分。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收部分主要是對(duì)從兩條Socket連接中收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)做協(xié)議解析，從TCP流內(nèi)提取完整單幀圖像；圖像顯示部分使用了QPixmap類，內(nèi)存里完整的圖像幀直接由該類成員函數(shù)處理，降低了圖像解碼中的復(fù)雜程度。④系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

本文通過具體案例，對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐運(yùn)行模式進(jìn)行了的可行性分析。課題組同學(xué)以實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目為依托，通過全程參與、協(xié)同合作，增強(qiáng)了開拓創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了科研意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，為今后從事科學(xué)研究工作奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室開放是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充和提升，隨著高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深入以及高校創(chuàng)新人才實(shí)踐技能要求的逐漸提升，探討有效的實(shí)踐教學(xué)方式將成為持續(xù)的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周勤，張微，溫光浩.高校實(shí)驗(yàn)室工作的探究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（11）：371-374.

[2]陳淑潔.實(shí)驗(yàn)室開放模式的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011（21）：31-34.

基金項(xiàng)目：河北大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目基金資助（2012029）。河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院教改項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介：田華（1973-），女，工學(xué)碩士，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。endprint