獨立學院基于STM32的嵌入式系統(tǒng)設計實驗教學研究與實踐

陳蕾+鄧晶

摘要：本文主要探討獨立學院嵌入式系統(tǒng)設計課程的實踐教學模式。首先，分析了嵌入式系統(tǒng)設計課程的教學現(xiàn)狀，論述了開設基于STM32的嵌入式系統(tǒng)設計課程的重要性與必要性。其次，研究STM32實驗環(huán)境搭建、實驗內(nèi)容設置以及教學方法與考核方式等。三年的教學實踐表明，堅持開放式與傳統(tǒng)式相結合的實驗教學模式與科學合理的考核方式，不僅可以提高學生的主動性，也可以有效提高教學質(zhì)量。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；STM32；實驗教學；獨立學院

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）25-0181-03

一、引言

幾十年來，以8位/16位微處理器為核心的微機原理與接口技術一直是電子信息類專業(yè)的專業(yè)必修課，在低端應用中，它們還是有很大的應用市場的。但是近年來，以ARM為核心的32位處理器迅速發(fā)展，憑借其高性能、低功耗等特性成為主流微控制器產(chǎn)品，也成為物聯(lián)網(wǎng)的重要技術支撐，市場對掌握32位微控制器應用的人才需求尤為強烈。為適應市場對人才知識技能的要求，各大高校相繼開設了32位嵌入式系統(tǒng)課程，由于STM32結構復雜，涉及知識面廣，所以當初主要是面向研究生開設的。隨著以ARM為核心的STM32的誕生，相關集成開發(fā)環(huán)境和固件庫的支持以及STM32開發(fā)板功能的完善，筆者嘗試在獨立學院中開設該課程。雖然獨立學院學生的基礎相對薄弱，但是通過合理設置該課程的教學大綱并優(yōu)化教學方法，還是可以達到良好的教學效果的。另外，在全國以及各省的大學生電子設計大賽中，傳統(tǒng)的MCS-51單片機已經(jīng)不能滿足要求，越來越多的學生需要用STM32來解決控制問題。筆者發(fā)現(xiàn)，開設基于STM32的嵌入式系統(tǒng)設計課程，對學生參加電子設計大賽，完成畢業(yè)設計，提高科研能力以及增加就業(yè)機會等都具有非常大的促進作用。

二、嵌入式系統(tǒng)設計課程的特點

嵌入式系統(tǒng)，是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)”。而根據(jù)英國電器工程師協(xié)會的定義，嵌入式系統(tǒng)為“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置”。目前國內(nèi)普遍認同的嵌入式系統(tǒng)定義為：“嵌入式系統(tǒng)被定義為以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等具有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)”。一般而言，嵌入式系統(tǒng)的結構可以包括四個部分：嵌入式處理器、存儲器、通用設備接口和I/O接口以及軟件。

嵌入式系統(tǒng)技術發(fā)展很快，從最早的微處理器（MPU），發(fā)展到微控制器（MCU），再到片上系統(tǒng)（SoC），嵌入式系統(tǒng)的結構越來越復雜。隨著芯片技術的發(fā)展，使得單個芯片集成多種接口，處理能力變得更強，因而也能滿足更廣泛的應用需求。其實單靠課堂的時間是不可能讓學生完全掌握嵌入式系統(tǒng)技術的所有功能的，但是可以讓學生入門，掌握嵌入式系統(tǒng)的一般開發(fā)過程，為其今后更深入地學習有關嵌入式系統(tǒng)技術打下堅實的基礎。

嵌入式系統(tǒng)的綜合性很強，它涉及到的基礎課程主要包括：電工與電路基礎、數(shù)字電子技術基礎、模擬電子技術基礎、信號與系統(tǒng)、通信原理、自動控制原理、計算機程序設計、計算機原理、操作系統(tǒng)、微機接口技術等。通過該課程的學習，要求學生一方面要了解嵌入式系統(tǒng)的硬件結構與各種接口的功能；另一方面也要求學生掌握利用固件庫編寫控制程序的方法。

由于嵌入式系統(tǒng)主要是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的，因此嵌入式系統(tǒng)技術必須與具體應用相結合才能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢?？傊?，嵌入式系統(tǒng)技術是一門實踐性很強的課程，只靠看書是無法理解透徹的，必須要經(jīng)過大量的實際操作才能學好。在嵌入式系統(tǒng)技術的相關實驗中，學生通過反復地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題，不僅可以深入理解嵌入式系統(tǒng)技術的相關原理，而且也有助于學生真正地掌握嵌入式系統(tǒng)的應用技術。而合理的實驗項目設計，則可以幫助學生由淺入深地逐步掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)技術。

三、實驗平臺的搭建

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗主要依賴實驗室，所有的實驗必須在實驗室中才能完成。但是，一般情況下，實驗室不會對學生隨時開放，導致學生只能在規(guī)定的課堂時間內(nèi)做實驗，而當實驗中遇到的問題一時無法解決的時候，學生就必須等到下次實驗課才能解決。

基于STM32的嵌入式實驗硬件平臺主要包括PC機、JLINK仿真器（可選）、開發(fā)板，如圖1所示。其中，開發(fā)板價格便宜，體積小，方便攜帶，可以每人一塊。教師可以在第一次實驗前發(fā)給學生，學生也可以在課余時間繼續(xù)學習，在學期結束時由教師再收上來。同時，開發(fā)板功能強大，通常具有很多種外設，功能模塊如圖2所示。根據(jù)不同的開發(fā)板，學生可以設計開發(fā)出基礎型、設計型、綜合型、創(chuàng)新型等多種不同類型的實驗項目。

基于STM32的軟件實驗平臺選用與51單片機一樣的集成開發(fā)環(huán)境Keil MDK-ARM，在程序設計過程中，若使用庫函數(shù)編程，則需預先到官網(wǎng)下載STM32的固件庫。學生可以像開發(fā)51單片機一樣，創(chuàng)建STM32的工程、編寫源代碼、生成目標文件，最后將調(diào)試好的程序下載到開發(fā)板中具體運行。

四、實驗內(nèi)容的設置

1.嵌入式系統(tǒng)課程教學目標。嵌入式系統(tǒng)設計以ST公司的32位基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32為核心，主要介紹嵌入式系統(tǒng)的定義、特點和發(fā)展，ARM Cortex-M3體系結構，片上外設資源與STM32固件庫等相關基礎知識，要求學生能夠學會嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)技術和系統(tǒng)綜合設計方法，為今后從事嵌入式系統(tǒng)方面的應用與研究的學生打下堅實的基礎。本課程的具體教學目標主要有以下幾項：（1）掌握嵌入式系統(tǒng)的基礎知識；學習ARM Cortex-M3體系結構；學習STM32 MCU的結構、STM32最小系統(tǒng)、片內(nèi)外設資源和外部引腳功能，學習嵌入式系統(tǒng)硬件的設計方法；（2）學習STM32的軟件開發(fā)技術，掌握利用嵌入式C語言設計STM32程序的方法；（3）學習嵌入式系統(tǒng)硬件設計技術，掌握STM32最小系統(tǒng)硬件和外圍擴展單元設計，并能夠綜合運用嵌入式系統(tǒng)軟件和硬件設計技術解決實際工程中遇到的問題；（4）學習ARM Keil集成開發(fā)環(huán)境的使用方法，熟練使用STM32開發(fā)板，并在此基礎上完成規(guī)定的基礎型、設計型以及綜合創(chuàng)新型實驗。

2.實驗項目設計。為了達成嵌入式設計課程的教學目標，筆者在實際的實驗教學過程中設計了以下一些不同類型的實驗項目：（1）基礎型實驗。①這個基礎型實驗主要是基于固件庫的工程模板的建立。筆者要求學生在自己的電腦上安裝好開發(fā)軟件，建立STM32工程，在工程中添加庫函數(shù)，編寫源代碼，創(chuàng)建目標文件。②GPIO端口直接輸入/輸出實驗。筆者要求學生掌握GPIO工作方式的配置方法、GPIO函數(shù)的功能等，同時編程實現(xiàn)了根據(jù)按鍵控制LED以不同的方式點亮。（2）設計型實驗。①筆者在設計型實驗中主要進行的是外部中斷應用實驗，在這個實驗中，筆者要求學生掌握外部中斷的工作方式，EXTI和NVIC相關函數(shù)功能與使用方法，能夠編寫中斷初始化程序與中斷服務程序，實現(xiàn)按鍵中斷控制數(shù)碼顯示。②定時器應用實驗。在這個實驗中，筆者要求學生掌握定時器的工作方式、定時時間常數(shù)的配置，編寫程序實現(xiàn)秒計時、計時暫停、清零等功能。③串口通信實驗。在這個實驗中，筆者要求學生掌握STM32串口結構與通信原理，能夠編程實現(xiàn)STM32與PC機之間的數(shù)據(jù)傳送。④A/D轉換實驗。在這個實驗中，筆者要求學生掌握A/D轉換器的工作原理，掌握ADC初始化配置，ADC中斷，數(shù)據(jù)采集等程序設計技術，能夠將模擬電壓值顯示在數(shù)碼管上，同時通過串口上傳到PC機。（3）綜合創(chuàng)新型實驗。①綜合創(chuàng)新型實驗主要是基于nRF24L01模塊的近距無線通信系統(tǒng)來設計的。在這個實驗中，筆者要求學生了解近距無線數(shù)據(jù)傳輸原理，掌握24L01的工作原理與特點，掌握24L01的程序設計與應用技術。在具體的實驗操作中，兩人一組，分別實現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，并能在顯示器上進行顯示。②基于MF RC522模塊的RFID讀寫器設計。在這個實驗中，筆者要求學生了解RFID的工作原理與特點，了解和掌握RFID的程序設計方法，能夠應用MF RC522 RFID模塊，設計一個RFID讀寫器，實現(xiàn)對電子標簽的讀寫操作，如可讀取校園卡的ID等。

五、實驗教學方法與考核

在嵌入式技術實驗教學過程中，筆者始終強調(diào)要以學生作為實驗的中心，同時采用開放式與傳統(tǒng)式相結合的實驗教學模式，要求學生在自己的筆記本電腦上搭建好STM32開發(fā)環(huán)境，且學生可以將開發(fā)板帶走。此外，教師可以將嵌入式技術相關實驗的實驗目的與要求提前發(fā)布，鼓勵學生在課前完成實驗，充分調(diào)動學生的積極性和創(chuàng)造性。實驗課上，教師主要負責的是指導答疑、成果檢查、當場提問并打分。通過現(xiàn)場提問這種方式，既能讓學生之間互相學習，又能讓其他學生進行有效地監(jiān)督，保障最終成績的公平公正。另外，筆者在嵌入式技術實驗的教學環(huán)節(jié)中采用的是全過程考核方式，考核內(nèi)容主要包括以下幾個方面：（1）實驗項目完成情況（占30%）：考察完成的進度、每項實驗要求的完成情況以及創(chuàng)新成果等。（2）回答問題表現(xiàn)（占30%）：考察對實驗內(nèi)容的熟悉程度以及相關基本知識的掌握情況。（3）實驗報告質(zhì)量（占40%）：主要考察學生撰寫實驗報告的結構清晰程度、內(nèi)容的正確性與完整性等。

六、結語

隨著嵌入式技術的快速發(fā)展和社會對嵌入式研發(fā)人才需求的不斷增加，嵌入式系統(tǒng)教學團隊十分重視嵌入式系統(tǒng)實驗課程的教學研究和教學改革。經(jīng)過幾年的教學實踐，結合獨立學院學生的特點，筆者建立了基于STM32的嵌入式系統(tǒng)設計課程實驗教學體系，確定了比較合理的實驗項目與考核評價方式，并采用了開放式與傳統(tǒng)式相結合的教學方式，最終的結果就是嵌入式技術課程的選課人數(shù)不斷增加并獲得了學生的好評。通過實踐課程的學習，學生嵌入式系統(tǒng)的應用開發(fā)能力得到了一定的培養(yǎng)和提高。作為一門綜合性強、內(nèi)容多、側重應用、內(nèi)容更新快的應用技術課程，嵌入式技術教學需要在實踐教學環(huán)節(jié)進行更深入地探索，更好地促進學生應用能力的培養(yǎng)，并不斷提高嵌入式技術課堂的教學質(zhì)量，為學生參加電子設計大賽、完成畢業(yè)設計以及今后工作奠定良好的理論基礎和實踐基礎。

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Research and Practice on Experiment Teaching of Embedded System Design Based on STM32 in Independent College

CHEN Lei1，2，DENG Jing2

（1.Department of Electronic and Information Engineering，Wenzheng College，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215104，China；2.School of Electronic and Information Engineering，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215021，China）

Abstract：This paper mainly discusses the practice teaching mode of embedded system design in the independent college. Firstly，this paper analyzes the current teaching status of embedded system design course，and discusses the importance and necessity of setting up the embedded system design course based on STM32. Secondly，this paper researched the STM32 experimental platform，experimental content，teaching method，and evaluation system and so on. The three-years teaching practice shows that both the students' initiative and the teaching quality can be effectively improved by combining open-type experimental teaching mode with traditional one，and using scientific and reasonable appraisal method.

Key words：embedded system；STM32；experimental teaching；independent college