高職院校嵌入式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究

李　偉　門(mén)　佳　余　森

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，河南南陽(yáng)　473000)

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高職院校嵌入式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究

李偉門(mén)佳余森

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程系，河南南陽(yáng)473000)

摘要文章分析了嵌入式技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，提出了建設(shè)嵌入式實(shí)驗(yàn)室選購(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)需要注意的事項(xiàng)。針對(duì)現(xiàn)階段高等院校嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)及在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出了一套分層次的“驗(yàn)證——模仿——?jiǎng)?chuàng)新”嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)實(shí)施方案，同時(shí)提出了幾種提高學(xué)生實(shí)踐技能的手段，培養(yǎng)學(xué)生面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞嵌入式系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；教學(xué)改革

嵌入式技術(shù)的推廣應(yīng)用是目前IT設(shè)計(jì)行業(yè)最熱門(mén)的領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用無(wú)所不在，社會(huì)對(duì)嵌入式技術(shù)人才的需求也日益高漲。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)嵌入式人才缺口每年為50萬(wàn)人左右[1]。高校是培養(yǎng)高新技術(shù)人才的搖籃，推廣先進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，培養(yǎng)具備嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的復(fù)合型專(zhuān)業(yè)人才已是大勢(shì)所趨。然而，目前在各院校中，嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是較為薄弱的環(huán)節(jié)，存在一些問(wèn)題，因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

高職院校嵌入式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)主要涉及實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選購(gòu)、制定實(shí)驗(yàn)課程體系、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)涵建設(shè)四部分。其中實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)建設(shè)主要包含計(jì)算機(jī)、交換機(jī)等基礎(chǔ)硬件的配置、相關(guān)軟件的購(gòu)買(mǎi)、實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)規(guī)劃等，已較為成熟和完善，不再贅述，下面分別對(duì)其他三個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)討論。

1嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選購(gòu)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備在嵌入式技術(shù)這種偏重于實(shí)踐的課程教學(xué)中是必不可少的，如果沒(méi)有合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與之配套，其設(shè)計(jì)技術(shù)將很難掌握。然而選擇適用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備并不是一件容易的事情，近年來(lái)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備的廠商不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品型號(hào)眾多，這就需要有一些適宜的準(zhǔn)則以供參考[2]。

1.1滿足軟硬件協(xié)同實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的硬件包括CPU、ROM、RAM、各種接口的齊全程度，供電電壓、走線布局的合理性。其中Nand Flash、Nor Flash和SDRAM的容量一定要特別關(guān)注。硬件實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)自己的項(xiàng)目要求或者功能需求進(jìn)行相應(yīng)的硬件模塊和接口、外設(shè)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件層實(shí)驗(yàn)主要涉及操作系統(tǒng)剪切移植和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)；應(yīng)用軟件層實(shí)驗(yàn)主要是利用API接口函數(shù)編寫(xiě)應(yīng)用程序。能夠熟練地進(jìn)行嵌入式應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，對(duì)于學(xué)生找工作幫助很大。

1.2CPU模塊、操作系統(tǒng)可更換

市場(chǎng)上主流的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基本上都是在體系結(jié)構(gòu)不變的情況下，支持多個(gè)型號(hào)的CPU芯片。比如北京博創(chuàng)公司推出的ARM9/Xscale經(jīng)典三核心教學(xué)科研平臺(tái)支持PXA270核心CPU及S3C2410、S3C2440核心CPU的全部功能，兼顧了ARM平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)教學(xué)計(jì)劃、進(jìn)度需要、以及學(xué)生的基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)換。另外大多數(shù)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠運(yùn)行WindowsCE、uCLinux、uCOS-II等操作系統(tǒng)，并且在每一種操作系統(tǒng)下均能夠提供成套的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這樣做的好處是節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，提高設(shè)備的利用率。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備需開(kāi)發(fā)板和實(shí)驗(yàn)箱結(jié)合

嵌入式實(shí)驗(yàn)箱尺寸比較大，只能在實(shí)驗(yàn)室使用，不便移動(dòng)；系統(tǒng)復(fù)雜，外設(shè)接口類(lèi)型豐富；PCB板布局清晰，易于辨別，便于理解硬件電路，適合硬件學(xué)習(xí)，但是價(jià)格昂貴，通常在5000元以上，維護(hù)困難，很多部件接口利用率偏低，學(xué)生難于上手，往往出現(xiàn)畏懼心理。而且嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要為軟件實(shí)驗(yàn)，基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多，實(shí)習(xí)耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)箱的優(yōu)點(diǎn)難以發(fā)揮。開(kāi)發(fā)板的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單耐用，能滿足大部分實(shí)驗(yàn)需要；價(jià)格低廉；體積較小，便于隨身攜帶，可以讓學(xué)生帶出實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行相應(yīng)的學(xué)習(xí)與研究。所以，實(shí)驗(yàn)室選購(gòu)時(shí)建議同時(shí)結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，保證開(kāi)發(fā)板學(xué)生人手一臺(tái)的同時(shí)添置少量的實(shí)驗(yàn)箱。另外，可根據(jù)實(shí)際需要再選購(gòu)一些功能擴(kuò)展模塊，以便用于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[3]。

1.4文檔資料、實(shí)驗(yàn)手冊(cè)力求齊備

通常情況下，各廠商的設(shè)備軟硬件都比較完善，差別不大，問(wèn)題較大的是提供給用戶(hù)的文檔質(zhì)量。具體表現(xiàn)是：品種不足、與軟件不配套、內(nèi)容次序顛倒、描述含糊不清、有敷衍應(yīng)付之嫌，致使學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)困難重重，嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。一般而言，設(shè)備供應(yīng)商需要提供的文檔有：實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案；實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板的硬件設(shè)計(jì)原理圖；元器件的芯片手冊(cè)；操作系統(tǒng)源代碼和API的說(shuō)明；主機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE的系統(tǒng)安裝指導(dǎo)書(shū)；廠家提供的全套實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作指導(dǎo)書(shū)；產(chǎn)品質(zhì)量保證書(shū)；維修維護(hù)條列等。

1.5接口類(lèi)型按需選購(gòu)，不需求全

嵌入式軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目標(biāo)是操作系統(tǒng)層和應(yīng)用程序?qū)拥能浖_(kāi)發(fā)，而B(niǎo)SP中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)并非重點(diǎn)內(nèi)容，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)備不需要具備所有種類(lèi)的接口和外設(shè)。如果實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的外部接口非常齊備，除了常規(guī)的液晶屏、觸摸屏、SD卡、鍵盤(pán)、串口、USB口、以太網(wǎng)口、LED、JTAG口之外，還有攝像頭接口、各種傳感器、GPRS、GPS、3D陀螺儀等不常使用的模塊，則往往會(huì)因?yàn)槔寐实投@得浪費(fèi)。我們的原則是多數(shù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)只要把基礎(chǔ)的設(shè)備模塊弄懂了，掌握了模塊接口設(shè)計(jì)的通用方法，其他外部接口和部件都可以觸類(lèi)旁通、舉一反三。

1.6設(shè)備廠商的售后服務(wù)及時(shí)有效

高校在購(gòu)買(mǎi)嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備的時(shí)候，選擇的不僅是開(kāi)發(fā)板，而且是為自己提供服務(wù)的合作伙伴，所以我們建議選擇那些比較知名的、企業(yè)信譽(yù)良好的廠商，而不要一味地貪圖價(jià)格便宜而購(gòu)買(mǎi)技術(shù)服務(wù)力量弱的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這樣一旦出了問(wèn)題，不能及時(shí)有效地解決，會(huì)很大程度地影響教學(xué)質(zhì)量。供應(yīng)商經(jīng)營(yíng)狀況良好，維修及時(shí)，能夠提供長(zhǎng)期的技術(shù)支持服務(wù)，這是有益于嵌入式教學(xué)的。

除此之外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備還要盡量選用同一廠商的配套產(chǎn)品，避免不兼容的情況。供應(yīng)商能夠開(kāi)展師資培訓(xùn)，使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在短時(shí)間發(fā)揮效益，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)效益的發(fā)揮離不開(kāi)強(qiáng)有力的技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)支持。

2嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該成為培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)、合作精神的主課堂[4]。合理的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)最先進(jìn)的技術(shù)，同時(shí)激發(fā)實(shí)驗(yàn)激情和興趣。

針對(duì)高職院校嵌入式技術(shù)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)，總結(jié)出一套“驗(yàn)證——模仿——?jiǎng)?chuàng)新”嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)實(shí)施方案，將嵌入式實(shí)驗(yàn)分解為三個(gè)階段：教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，其中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)包括大學(xué)生興趣小組、各類(lèi)嵌入式競(jìng)賽、教師科研項(xiàng)目等，如圖1所示。三個(gè)階段由淺入深，循序漸進(jìn)，第一階段學(xué)基礎(chǔ)，第二階段精方向，第三階段重實(shí)踐。

圖1　嵌入式實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系

2.1教學(xué)實(shí)驗(yàn)

教學(xué)實(shí)驗(yàn)是以課內(nèi)單元實(shí)驗(yàn)為主的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單，有充分的資料可以查詢(xún)，各類(lèi)參考書(shū)也較為完善。涵蓋寬廣，涉及與嵌入式相關(guān)的各類(lèi)課程，如圖2所示。

在硬件層面，學(xué)生要熟悉ARM原理、單片機(jī)技術(shù)、電子電路設(shè)計(jì)等；在中間層，學(xué)習(xí)BootLoader等板級(jí)支持包知識(shí)；在軟件層，學(xué)習(xí)Linux操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)；在功能層，需要學(xué)習(xí)各種編程語(yǔ)言，如C/C++語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表1，通過(guò)對(duì)這些實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手操作，學(xué)生可以掌握嵌入式編程的基本方法，熟悉ARM處理器的工作方式，了解操作系統(tǒng)控制硬件設(shè)備的原理。

圖2　嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及的相關(guān)課程

ARM編程ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境;ARM匯編指令編寫(xiě)結(jié)構(gòu)化程序。Linux環(huán)境C語(yǔ)言編程交叉編譯工具;Makefile文件;C程序中調(diào)用匯編指令;GNUC基本規(guī)則。ARM基本接口配置ARM內(nèi)部存儲(chǔ)空間;中斷原理,ARM中斷編程;UDP/UART/CAN/IIC的結(jié)構(gòu)和通信原理;RTC原理及設(shè)計(jì)。操作系統(tǒng)移植嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái);Linux在ARM處理器上的移植;操作系統(tǒng)內(nèi)核編譯;編輯和燒寫(xiě)boot-Loader。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)嵌入式Linux應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);多進(jìn)程多線程編程;文件操作編程;網(wǎng)絡(luò)編程。設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)流程;編寫(xiě)字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。圖形界面開(kāi)發(fā)QT實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。

2.2課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)以模仿實(shí)驗(yàn)為主。有了前一個(gè)階段的對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)訓(xùn)練和分析解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，在課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)階段采取開(kāi)放模式，從系統(tǒng)層面對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)、所掌握技能的進(jìn)行綜合運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題的能力[5]。

在設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生可以自行選擇一個(gè)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用課題，也可由教師根據(jù)需要指定。學(xué)生根據(jù)課題要求獨(dú)立查閱資料、進(jìn)行需求分析、方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件編程及測(cè)試，并撰寫(xiě)詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。通過(guò)設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠系統(tǒng)地掌握一個(gè)完整的嵌入式項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全過(guò)程，有助于學(xué)生順利地適應(yīng)將來(lái)的工作崗位。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，極大激發(fā)了學(xué)生自主探究的興趣，拓展了學(xué)生創(chuàng)造性思維有效提高了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新能力。

2.3創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)通常是一個(gè)綜合型研究開(kāi)發(fā)課題，要求學(xué)生以項(xiàng)目興趣小組為單位在一個(gè)學(xué)期時(shí)間內(nèi)團(tuán)結(jié)協(xié)作完成一個(gè)完整的實(shí)際嵌入式課題開(kāi)發(fā)。鼓勵(lì)學(xué)生盡可能地發(fā)散思維，結(jié)合自身的專(zhuān)業(yè)，根據(jù)自己的想法靈活設(shè)計(jì)或者由實(shí)驗(yàn)室推薦一些實(shí)用新穎的課題，這些題目可來(lái)自大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)大賽、教師承擔(dān)的省市自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、中小企業(yè)橫向項(xiàng)目等，以各專(zhuān)業(yè)知識(shí)為嵌入，設(shè)計(jì)出綜合實(shí)用的嵌入式系統(tǒng)，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用嵌入式技術(shù)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神、合作意識(shí)，見(jiàn)表2。

表2　創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)列表

這些實(shí)驗(yàn)更貼近實(shí)際工程項(xiàng)目，采用的一些技術(shù)可能超出教材范圍，研究性更強(qiáng)。學(xué)生可以多人結(jié)合成項(xiàng)目組，按照企業(yè)實(shí)際的開(kāi)發(fā)模式，在軟件工程理論的指導(dǎo)下有計(jì)劃地完成項(xiàng)目的每一個(gè)步驟[6]，項(xiàng)目的實(shí)施可以采用瀑布模型或者迭代模型。對(duì)于能夠順利完成實(shí)驗(yàn)且成績(jī)優(yōu)異的學(xué)生，教師可指導(dǎo)學(xué)生撰寫(xiě)科技論文。

3嵌入式實(shí)驗(yàn)室內(nèi)涵建設(shè)

3.1實(shí)驗(yàn)室的層次定位

高職院校人才培養(yǎng)有別于本科院校，以培養(yǎng)職業(yè)崗位能力為主。所以在嵌入式實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中要具有高職特色，可根據(jù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)與專(zhuān)業(yè)實(shí)力等學(xué)校主客觀因素，確定自身嵌入式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的定位。

我們把我校培養(yǎng)的嵌入式人才定位在嵌入式助理工程師，主要從事的崗位有嵌入式研發(fā)助理工程師，硬件測(cè)試工程師，軟件測(cè)試工程師，硬件維修工程師和嵌入式產(chǎn)品銷(xiāo)售工程師，技術(shù)支持工程師等崗位。

3.2師資培養(yǎng)

嵌入式技術(shù)實(shí)踐性強(qiáng)，需要一支專(zhuān)業(yè)知識(shí)扎實(shí)、教學(xué)能力突出、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)豐富的“雙師型”師資隊(duì)伍。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)教師的培養(yǎng)，可以與企業(yè)合作，邀請(qǐng)嵌入式系統(tǒng)工程師來(lái)校指導(dǎo)，擔(dān)任部分設(shè)計(jì)課程的指導(dǎo)，彌補(bǔ)教師工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)不足的缺點(diǎn)；為年輕教師提供更多培訓(xùn)與學(xué)習(xí)交流機(jī)會(huì)，選派骨干教師到“華清遠(yuǎn)見(jiàn)”等專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行培訓(xùn)，或到企業(yè)中頂崗鍛煉，積累工程經(jīng)驗(yàn)，掌握行業(yè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)。

3.3開(kāi)展校企合作

自2010年起我校與北京中科天博軟件公司等多家優(yōu)秀企業(yè)建立了良好的合作關(guān)系，在與這些企業(yè)的合作過(guò)程中，進(jìn)行了多個(gè)項(xiàng)目的合作開(kāi)發(fā)，學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)和合作精神得到了很好的鍛煉，讓學(xué)生提前感受到企業(yè)文化，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)精神。

4結(jié)語(yǔ)

嵌入式技術(shù)是當(dāng)今信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，高職院校舉辦好嵌入式課程必須依靠實(shí)踐，因而必須重視實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。結(jié)合我校嵌入式技術(shù)教學(xué)目標(biāo)，探索了嵌入式技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，構(gòu)建了分層次的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系，經(jīng)過(guò)不斷實(shí)踐，取得了較為明顯的效果。

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯：譚銀元)

Research on the Construction of Embedded

Laboratory in Higher Vocational Colleges

LI Wei，MEN Jia，YU Sen

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

Abstract:This essay analyzes the characteristic of embedded technology, and explains in detail the selection of experimental equipment for constructing embedded system laboratory. Based on problems existing in training of embedded system talents and the teaching process, this essay puts forward a program for constructing a classified “verification-imitation-innovation” experimental course system, and proposes several methods for improving students’ practical skills and creativity in engineering project.

Key words:Embedded System; Laboratory Construction; Teaching Reform

作者簡(jiǎn)介：李偉，男，碩士，助教，主要研究領(lǐng)域：嵌入式技術(shù)。

收稿日期：2014-10-11

中圖分類(lèi)號(hào)G712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1671-8100(2015)02-0133-04