以智能小車為載體的嵌入式課程體系設(shè)計(jì)

章飛 吳年祥 錢禮閏

摘要：本文主要探討了以智能小車為載體的嵌入式項(xiàng)目化課程教學(xué)體系的設(shè)計(jì)構(gòu)想與實(shí)踐效果。本文通過(guò)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽項(xiàng)目為基礎(chǔ)，分析了其與嵌入式課程需要掌握的知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系，分解出一系列的教學(xué)項(xiàng)目模塊。然后再將這些分解出的簡(jiǎn)單模塊組合成一個(gè)完整的智能小車。這樣做不但可以讓學(xué)生熟悉各知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用方法，還可以提高學(xué)生的動(dòng)手設(shè)計(jì)能力，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：嵌入式智能小車;STM32微控制器;課程體系設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G420? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）23-0183-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of Embedded Course Based on Intelligent Car

ZHANG Fei， WU Nian-xiang， QIAN Li-run

（Anhui Vocational College of Defense Technology，Luan 237011， China）

Abstract：this paper mainly discusses the design conception and practical effect of the embedded project course teaching system based on the intelligent vehicle.Based on the intelligent automobile competition project of college students， this paper analyzes the relationship between it and the knowledge points to be mastered in the embedded course， and decompositions a series of teaching project modules.Then these simple modules are combined into a complete intelligent car.Do so not only can let the student be familiar with the application method of each knowledge point， still can improve the student's begin to design ability， achieve better teaching effect thereby.

Key words：embedded intelligent car; STM32 microcontroller;curriculum system design

1 引言

1.1 嵌入式技術(shù)和課程概述

嵌入式技術(shù)是現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，和人工智能一起作為智能機(jī)器人領(lǐng)域的核心技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才已經(jīng)成為智能型社會(huì)人才需求的熱點(diǎn)。嵌入式技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，嵌入式芯片被大量應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。目前，嵌入式技術(shù)課程已在部分院校作為電類專業(yè)核心課程開設(shè)。本文所指的嵌入式技術(shù)課程指的是以32位微控制器為主的包括硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)和操作系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容的課程。由于本課程實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，教學(xué)中應(yīng)該強(qiáng)調(diào)實(shí)踐動(dòng)手能力。

1.2 課程教學(xué)中面臨的問(wèn)題和改革探討

由于嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，芯片中寄存器太多，學(xué)生很難在較短的時(shí)間內(nèi)熟悉，學(xué)生普遍感到難以掌握。本課程體系的設(shè)計(jì)，借助中國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽的內(nèi)容，結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)的軟硬件技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)體系和課程內(nèi)容，能較好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。也能較好的推動(dòng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。本課程改革的主要目的一是解決學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式技術(shù)課程中遇到的困難。在課程改革體系建立后，將會(huì)使學(xué)生能更好地掌握嵌入式技術(shù)各模塊的技術(shù)應(yīng)用。

嵌入式技術(shù)是競(jìng)賽用智能小車設(shè)計(jì)與開發(fā)的核心，在這門課程的教學(xué)體系中，將智能小車控制系統(tǒng)分解成模塊，設(shè)計(jì)以這些模塊功能作為小項(xiàng)目的課程體系設(shè)計(jì)，力求使每位學(xué)生能在原有的基礎(chǔ)上得到提高和發(fā)展。

2 課程體系設(shè)計(jì)

研究嵌入式技術(shù)課程項(xiàng)目教學(xué)方案，以全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽為藍(lán)本，結(jié)合教學(xué)中的微控制器芯片和公司實(shí)際的案例，建立適合教學(xué)的嵌入式技術(shù)項(xiàng)目化課程教學(xué)體系。

2.1 硬件系統(tǒng)

本課程教學(xué)形式采用的是項(xiàng)目一體化教學(xué)方式，使用的智能車硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：

其中紅外傳感模塊主要用于道路的循跡，藍(lán)牙模塊用于和上位機(jī)通信，通過(guò)上位機(jī)來(lái)控制小車轉(zhuǎn)向及運(yùn)行。

1） 矩陣鍵盤

矩陣鍵盤使用的地方比較多，像銀行取款機(jī)等地方使用的都是矩陣鍵盤，采用4X4的矩陣式鍵盤，不但可以節(jié)約GPIO口，而且可以訓(xùn)練學(xué)生具備驅(qū)動(dòng)矩陣鍵盤的實(shí)踐能力。

2） 液晶顯示模塊

本課題的顯示模塊采用2.8英寸的TFT液晶顯示器。在這個(gè)模塊中，可以教會(huì)學(xué)生編寫液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)程序，鍛煉學(xué)生在嵌入式開發(fā)中使用液晶顯示器的能力。

3） 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，此模塊工作電壓5V，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓范圍為4.5V-36V，接線柱輸出，方便連接電機(jī)，由STM32的GPIO控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止。

4） 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊主要用于數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。通過(guò)藍(lán)牙模塊可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊。

5） 紅外傳感模塊

紅外傳感器利用物體對(duì)紅外線的反射性質(zhì)來(lái)進(jìn)行避障和循跡。如果沒(méi)有障礙物，發(fā)射的紅外線會(huì)隨傳播距離衰減，直到消失。如果有障礙物，紅外線會(huì)被反射回傳感器接收頭。傳感器檢測(cè)到此信號(hào)，就可以確認(rèn)有障礙物，并傳送信號(hào)給MCU，MCU處理后，發(fā)出躲避障礙物的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)避障功能。

6） 超聲波傳感器模塊

超聲波傳感器主要鍛煉學(xué)生使用此模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)送、接收和控制功能。讓學(xué)生了解超聲波傳感器的原理和編程實(shí)現(xiàn)控制的方法。

2.2 總體架構(gòu)

大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽用小車控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示：

2.3 嵌入式課程體系設(shè)計(jì)方案

根據(jù)智能小車的硬件結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)它的各模塊進(jìn)行分解并對(duì)應(yīng)嵌入式課程需要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了圖3所示的課程教學(xué)體系。

2.4 嵌入式技術(shù)課程實(shí)施方案

在課程的初始階段，需要在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)各模塊的工作原理和驅(qū)動(dòng)程序的編寫方法，這一階段跟通常項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施的方法一致。在本校的教學(xué)過(guò)程中，項(xiàng)目化教學(xué)的方式已經(jīng)發(fā)揮了積極的作用。

在課程進(jìn)行綜合性的開發(fā)階段，讓學(xué)生分組完成設(shè)計(jì)。在這種模式下，學(xué)生可以對(duì)智能車的設(shè)計(jì)分任務(wù)實(shí)施，可以這樣劃分任務(wù)：擅長(zhǎng)電路分析和設(shè)計(jì)的同學(xué)完成電路原理圖的設(shè)計(jì)與繪制，擅長(zhǎng)編程的同學(xué)編寫MCU驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)手能力強(qiáng)的同學(xué)可以完成硬件電路的焊接、調(diào)試與小車的組裝。這種分工可以發(fā)揮學(xué)生的特長(zhǎng)，小組成員間也形成了互動(dòng)，可以培養(yǎng)學(xué)生分工合作的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

3 總結(jié)

本文首先討論了嵌入式技術(shù)目前的情況和課程在教學(xué)中出現(xiàn)的一些問(wèn)題;其次設(shè)想將嵌入式技術(shù)課程以智能小車為載體來(lái)進(jìn)行教學(xué)體系的設(shè)計(jì);然后具體講解智能小車的硬件結(jié)構(gòu)和軟件框架。分解出一系列的項(xiàng)目模塊。然后再將這些模塊組合成一個(gè)完整的智能小車，不但可以讓學(xué)生熟悉各知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用方法，還可以提高學(xué)生的動(dòng)手設(shè)計(jì)能力，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果。通過(guò)長(zhǎng)期的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，如果案例過(guò)于簡(jiǎn)潔并脫離實(shí)際，學(xué)生將無(wú)法體會(huì)如何將知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中;如果案例過(guò)于接近真實(shí)產(chǎn)品，學(xué)生就會(huì)把大量的時(shí)間關(guān)注在與課程無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)中。最好先通過(guò)簡(jiǎn)單案例讓學(xué)生把概念搞清楚，再逐步完成較真實(shí)的項(xiàng)目，以智能小車車為案例的項(xiàng)目化教學(xué)體系可以滿足這些要求。希望通過(guò)此文與更多教學(xué)專家進(jìn)行探討與交流，提高應(yīng)用技術(shù)教育的教學(xué)質(zhì)量。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】