《嵌入式系統(tǒng)》DIY自主實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方法研究

崔軍　高華　張?jiān)旅鳌≮w鵬

摘 要： 嵌入式系統(tǒng)課程是一門實(shí)踐性要求很高的電子類專業(yè)基礎(chǔ)課程。本文嘗試總結(jié)一套指導(dǎo)學(xué)生如何在學(xué)習(xí)課程的同時(shí)快速地制作課程實(shí)驗(yàn)板并完成課程設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，該方法對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生素質(zhì)是很顯著的。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng) ARM μC/OS-Ⅲ

引言

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)很寬泛的概念，我們一般將以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)。近十年來，隨著當(dāng)前各行各業(yè)對(duì)單片機(jī)能力的要求越來越高，如主頻高、功耗低、外設(shè)多、互連方便、支持操作系統(tǒng)等，嵌入式處理器市場(chǎng)正在32位化，ARM芯片以其高性價(jià)比取代51芯片成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新寵，同時(shí)μC/OS-Ⅲ嵌入式操作系統(tǒng)因源碼獲取方便成為嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)的首選對(duì)象。

在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：（1）學(xué)生拘泥于嵌入式軟硬件知識(shí)細(xì)節(jié)，不能從嵌入式產(chǎn)品的系統(tǒng)層面和設(shè)計(jì)過程中整體地動(dòng)態(tài)地了解、理解和掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)；（2）學(xué)生太過依賴學(xué)院實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的嵌入式實(shí)驗(yàn)箱或自己購買的嵌入式開發(fā)板，不敢或很少嘗試設(shè)計(jì)并制作自己的嵌入式開發(fā)板；（3）學(xué)生對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)了解有限，忽視相關(guān)開發(fā)工具的使用與掌握。

本文將從嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)板DIY（Do It Yourself）開始，探索課程實(shí)驗(yàn)板DIY自主實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方法，嘗試通過適當(dāng)?shù)倪m度的DIY實(shí)驗(yàn)操作指導(dǎo)，訓(xùn)練學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和有限的成本下制作自己的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)一步自主探索學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)知識(shí)的興趣。

1.研究目標(biāo)與關(guān)鍵問題

1.1研究目標(biāo)

依據(jù)《嵌入式系統(tǒng)》課程教學(xué)內(nèi)容，研究課程實(shí)驗(yàn)板DIY教學(xué)方法，制定課程實(shí)驗(yàn)板DIY指導(dǎo)手冊(cè)，指導(dǎo)學(xué)生逐步DIY自主制作自己的課程實(shí)驗(yàn)板，讓學(xué)生在實(shí)踐課程實(shí)驗(yàn)板DIY過程中親身領(lǐng)會(huì)并掌握嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方法，并最終基于ARM Cortex-M3微處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III搭建嵌入式系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)，完成課程實(shí)驗(yàn)并定制特色功能。

1.2關(guān)鍵問題

（1）如何讓學(xué)生快速設(shè)計(jì)、投板、焊接并調(diào)試自己的ARM實(shí)驗(yàn)板，并且時(shí)間和成本可控。

（2）如何讓學(xué)生在自己的ARM實(shí)驗(yàn)板上主動(dòng)探索來完成課程實(shí)驗(yàn)，并且及時(shí)總結(jié)相關(guān)問題和對(duì)應(yīng)的解決方案。

2.《嵌入式系統(tǒng)》DIY實(shí)踐

借助當(dāng)前便利的電路板PCB制作與生產(chǎn)工藝，在課程實(shí)驗(yàn)板DIY指導(dǎo)手冊(cè)幫助下，指導(dǎo)學(xué)生逐步完成課程實(shí)驗(yàn)板DIY實(shí)踐。

值得一提的是，當(dāng)前電路板PCB打樣雙面板價(jià)格50元/款起，尺寸大小10cm*10cm以內(nèi)，完全滿足課程實(shí)驗(yàn)板制作要求。

2.1實(shí)踐任務(wù)布置

在《嵌入式系統(tǒng)》授課之初，強(qiáng)調(diào)嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)踐的重要性，引導(dǎo)學(xué)生思索如何動(dòng)手實(shí)踐。然后發(fā)布課程設(shè)計(jì)任務(wù)，要求自己動(dòng)手制作ARM最小系統(tǒng)板，運(yùn)行μC/OS-III操作系統(tǒng)，滿足課程各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)要求，定制開發(fā)自己的特色功能。

說清楚兩個(gè)限制：（1）必須使用ARM Cortex-M3微處理器和μC/OS-Ⅲ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；（2）必須在一學(xué)期內(nèi)完成（大約3個(gè)月）并且成本可控（100元左右）。

2.2實(shí)驗(yàn)板硬件制作

針對(duì)選定微處理器芯片（如ARM STM32F103），提供課程實(shí)驗(yàn)板原理圖，僅涉及最小系統(tǒng)板硬件（包括ARM芯片、晶振、SWD調(diào)試、USB供電模塊）和課程實(shí)驗(yàn)所需硬件支持（包括基于GPIO的LED和KEY，以及UART模塊）。芯片管腳全部基于排線引出，便于學(xué)生后續(xù)的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)?？紤]到學(xué)生可能初次進(jìn)行PCB制版，因此實(shí)驗(yàn)板PCB圖提供半成品，完成最后的布線。

當(dāng)然，學(xué)生完全可以部分或全部修改實(shí)驗(yàn)板原理圖和PCB圖，前提是學(xué)生必須有電路板制版經(jīng)歷。強(qiáng)烈建議初學(xué)者不要做太多的修改，而是完成剩下的PCB布線，并投板、焊板，進(jìn)而編程與調(diào)試。

本階段計(jì)劃時(shí)間兩周，可階段驗(yàn)收成果為：（1）絲印學(xué)生姓名的PCB空板；（2）焊接完成的ARM實(shí)驗(yàn)板。

2.3實(shí)驗(yàn)板程序練習(xí)

實(shí)驗(yàn)板程序分為兩部分，本著簡(jiǎn)單易學(xué)和循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)原則，依據(jù)《嵌入式系統(tǒng)》課程教學(xué)內(nèi)容，僅涉及LED、KEY和UART三個(gè)常見外設(shè)，訓(xùn)練內(nèi)容包括ARM裸板程序和操作系統(tǒng)程序兩部分，下表僅列舉部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在此過程中，為了調(diào)動(dòng)學(xué)生積極主動(dòng)性，可以實(shí)行一定的獎(jiǎng)勵(lì)措施，如通過額外的平時(shí)分鼓勵(lì)學(xué)生，將在硬件制作與軟件編程實(shí)踐過程中遇到的問題和對(duì)應(yīng)的解決辦法記錄下來，并通過教師確認(rèn)后集中發(fā)布給各位學(xué)生以參考。

本階段時(shí)間持續(xù)整個(gè)學(xué)期，可階段驗(yàn)收成果為課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.4特色功能實(shí)現(xiàn)

學(xué)生通過在ARM實(shí)驗(yàn)板硬件基礎(chǔ)上擴(kuò)展功能模塊，基于μC/OS-III任務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)自己的特色功能，如紅外測(cè)距、溫濕度采集、小車控制等，并完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。

課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容包括：（1）課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述，闡述目的、內(nèi)容和意義；（2）需求分析，闡述功能需求、技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)約束；（3）總體方案設(shè)計(jì)，涉及系統(tǒng)框圖、功能框圖、業(yè)務(wù)流程圖等；（4）硬件設(shè)計(jì)，涉及硬件框圖、器件選型、模塊電路圖等；（5）軟件設(shè)計(jì)，涉及軟件框圖、關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、核心模塊流程圖等；（6）系統(tǒng)測(cè)試，包括測(cè)試目的、測(cè)試步驟、測(cè)試結(jié)果、結(jié)果分析；（7）附錄，主要包括擴(kuò)展的功能原理圖和關(guān)鍵代碼。

本階段時(shí)間為學(xué)期的最后兩周，可階段驗(yàn)收成果為課程設(shè)計(jì)實(shí)物和報(bào)告。

結(jié)語

經(jīng)過近三年的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)踐，初步形成一套比較完整的自主實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方法和對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)板DIY指導(dǎo)手冊(cè)，已成功指導(dǎo)百余名學(xué)生制作自己的ARM實(shí)驗(yàn)板，并實(shí)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的特色功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]石海貝，任秀峰.淺談嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)[J].信息與電腦：理論版，2010（2）.

[2]江維，桑楠.面向高等教育的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2011（16）.

[3]王振華，劉慧芳.嵌入式軟件開發(fā)實(shí)踐教學(xué)改革與探索[J].教育教學(xué)論壇，2016（34）.

[4]楊曉敏，趙潤(rùn)林.《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》實(shí)踐教學(xué)改革研究[J].福建電腦，2016，32（8）.

[5]凌青華，韓飛，王長(zhǎng)寶.翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程中應(yīng)用初探[J].高教論壇，2016（8）.