基于口袋實(shí)驗(yàn)的嵌入式教學(xué)設(shè)計(jì)探討

劉小虎 熊義勇

摘要：口袋式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有便攜性和擴(kuò)展性，首先進(jìn)行了口袋式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)。由于口袋實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模塊有限，如何利用有限的實(shí)驗(yàn)?zāi)K來提升學(xué)生的實(shí)際動手能力，給出了教學(xué)設(shè)計(jì)方案，采用了問題式、層次推進(jìn)的教學(xué)實(shí)施方案，教學(xué)效果表明，口袋實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案能夠取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：口袋實(shí)驗(yàn);便攜性;擴(kuò)展性;軟件;層次推進(jìn)

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）05-0206-03

嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)核心目的是讓學(xué)生掌握嵌入式的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。顯然，僅僅通過有限的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時，是不能滿足要求的。采用口袋式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以將口袋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)帶到圖書館或者宿舍來完成軟件調(diào)試的學(xué)習(xí)，從而擴(kuò)展了學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)實(shí)踐活動。由于口袋式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，硬件的尺寸和功率消耗都必須受到約束，所以，首先必須對常用的嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行有效的裁剪，盡量保留嵌入式最基礎(chǔ)和最核心的模塊嘲。其次，如何基于最精簡的口袋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如何開展有效的教學(xué)活動，顯然非常關(guān)鍵，筆者根據(jù)多年的授課體會，總結(jié)出來一種層次推進(jìn)的教學(xué)實(shí)施方案。同時口袋式實(shí)驗(yàn)還用于學(xué)員的課外學(xué)科競賽，取得了不錯的教學(xué)效果。

1硬件設(shè)計(jì)方案

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)是，它是一種積木式的組合方式，嵌入式課程所涉及的主要模塊包括，GPIO模塊，定時器模塊，中斷模塊，PWM模塊，UART模塊、CAN模塊，以太網(wǎng)模塊。傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容非常多，同時也非常全面，以STM32單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)箱為例，包括了接近50個實(shí)驗(yàn)，涵蓋內(nèi)容從基本的GPIO、通用定時器到高級的DMA、ESMC等高級模塊。模塊越多，試驗(yàn)箱的尺寸不可避免的變大。即便是同一個模塊，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也偏多偏全，如12C模塊的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，—般的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會包括12C存儲器實(shí)驗(yàn)，12C擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，及12C液晶顯示實(shí)驗(yàn)，顯然過多的實(shí)驗(yàn)?zāi)K增大了實(shí)驗(yàn)平臺的尺寸，同時對實(shí)驗(yàn)平臺的供電也提高了要求。口袋式嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺，立足于嵌入式的基本模塊，方便學(xué)生在課后自主時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，為此，對嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括：（1）GPIO輸出基本實(shí)驗(yàn);（2）基于定時器的GPl0輸出實(shí)驗(yàn);（3）基于查詢的GPIO輸入實(shí)驗(yàn);（4）基于中斷的GPIO輸入實(shí)驗(yàn);（5）PWM控制實(shí)驗(yàn);（6）ADC采集實(shí)驗(yàn);（7）12C實(shí)驗(yàn);（8）uART實(shí)驗(yàn);（9）CAN通訊實(shí)驗(yàn);（10）以太網(wǎng)通訊實(shí)驗(yàn)。

針對上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，硬件模塊除了最小系統(tǒng)外，還包括流水燈模塊、按鍵模塊、電位器、液晶屏、CAN模塊和以太網(wǎng)模塊?？诖角度胧较到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1CPU模塊

ARM教學(xué)用芯片非常多，我們采用STM32F103系列，采用該芯片作為教學(xué)對象，主要是該芯片的教學(xué)范例非常多，其復(fù)雜程度適合于初學(xué)者，同時該芯片的價格比較便宜，適合初學(xué)者購買。為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)，將教學(xué)主要涉及的引腳包括GPIO/PWM/12C/ADC/UART，對于其他引腳，僅僅在CPU的四周引出，方便學(xué)生課堂外的科研活動的擴(kuò)展。擴(kuò)展的引腳如圖2所示。

1.2電源模塊

電源模塊對于口袋式系統(tǒng)非常關(guān)鍵，首先功耗不能太高，一般按照500毫安設(shè)計(jì)，其次，口袋實(shí)驗(yàn)都是基于3.3VTTL電平，因此只需要輸出3.3V即可。其次要考慮供電的方便性和安全性，因此考慮采用USB供電，由于仿真器也可以輸出3.3V，為了兼顧仿真器的供電，采用了簡單的跳線方案，具體的電源模塊供電如圖3所示。

1.3流水燈模塊

GPIO的學(xué)習(xí)是嵌入式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，通過該模塊可以讓學(xué)生快速走人嵌入式的大門，但是，傳統(tǒng)的嵌入式GPIO實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單個LED的閃爍實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過于簡單，對學(xué)生沒有一定的吸引力，為此設(shè)計(jì)8個LED的流水燈實(shí)驗(yàn)，依次點(diǎn)亮相應(yīng)的LED即可以產(chǎn)生流水燈的效果。流水燈模塊的電路如圖4所示。

1.4通訊模塊

為了方便學(xué)生掌握串口通訊，同時還得考慮串口調(diào)試的便利性，拋棄了傳統(tǒng)的MAX3232和DB9的接口電路方案，采用了CH341的串口芯片，電路如圖5所示。

2教學(xué)方案設(shè)計(jì)

嵌入式教學(xué)，涉及的知識點(diǎn)多，如此多的教學(xué)模塊，到底按照一個什么樣的一個思路開展呢，基于口袋實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，筆者采用層次推進(jìn)的措施，首先通過流水燈模塊的實(shí)驗(yàn)，來學(xué)生掌握基本的GPO操作，對于GPIO的學(xué)習(xí)，建議將GPIO分解為兩步，即首先學(xué)習(xí)簡單的通用輸出的操作，而且為了增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，對8個LED依次點(diǎn)亮，稍微增加學(xué)生完成任務(wù)的難度。并且借助流水燈模塊的學(xué)習(xí)，還可以讓學(xué)生熟悉開發(fā)軟件的操作，并且重點(diǎn)是開發(fā)軟件的調(diào)試方法。然后，進(jìn)行按鍵的查詢編程，按鍵的響應(yīng)則用LED來指示。由于按鍵的查詢編程比較簡單，增加2個按鍵的查詢編程，并增加查詢的時間長度，通過該實(shí)驗(yàn)可以提現(xiàn)查詢編程的缺點(diǎn)，就是不能快速響應(yīng)，因此推進(jìn)到中斷的編程，通過中斷來陜速響應(yīng)按鍵的電平變化，由于中斷是嵌入式學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，因此后面的實(shí)驗(yàn)還要重復(fù)練習(xí)中斷。掌握了GPIO和中斷后，增加定時器模塊，還是用流水燈模塊，但是要求使用通用定時器，可以讓學(xué)生體會通用定時器的優(yōu)點(diǎn)。通過以上學(xué)習(xí)，學(xué)生就可以進(jìn)行基本的嵌入式開發(fā)了。以此為基礎(chǔ)，再增加一些難度，編寫呼吸燈的實(shí)驗(yàn)，通過定時器來完成燈的亮度控制，由于該編程非常繁瑣，所以，采用PWM模塊再次進(jìn)行呼吸燈的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對定時器和PWM兩種編程進(jìn)行比對。PWM是嵌入式的高階應(yīng)用，在掌握了這個模塊以后，就可以進(jìn)行模擬量采集的實(shí)驗(yàn)，這里僅僅是采集電位器的電壓，為了增加難度，用這個電位器的值控制PwM的占空比，進(jìn)行控制呼吸燈，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)采樣的興趣。然后進(jìn)行12C模塊的學(xué)習(xí)，為了提升學(xué)生的獲得感，采用了液晶屏模塊，讓學(xué)生體會12c模塊的強(qiáng)大功能。所有這些掌握了以后，開始進(jìn)行通訊模塊的學(xué)習(xí)，包括uART通訊，CAN通訊和以太網(wǎng)通訊，由于通訊協(xié)議很枯燥，因此通訊模塊的測試可以結(jié)合前面采樣模塊的學(xué)習(xí)進(jìn)行，將采集的結(jié)果通過通訊發(fā)送到電腦，可以讓學(xué)生更加直觀的體會通訊模塊。

3口袋嵌入式系統(tǒng)的課外應(yīng)用

嵌入式應(yīng)用技術(shù)課程，重點(diǎn)是如何應(yīng)用嵌入式技術(shù)進(jìn)行自主開發(fā)，把它應(yīng)用到各種實(shí)際裝置中。由于口袋式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時，雖然僅僅提供了很少的開發(fā)模塊，但是卻將芯片的絕大部分引腳進(jìn)行了外擴(kuò)，它除了完成教學(xué)和實(shí)驗(yàn)功能外，還可以作為工程原型機(jī)，進(jìn)行工程開發(fā)及驗(yàn)證微控制的各種功能。學(xué)生可以利用該系統(tǒng)參與教研室的各項(xiàng)科研項(xiàng)目中，同時還可以利用該平臺進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，以及各類學(xué)科競賽，包括電子設(shè)計(jì)競賽和大學(xué)生智能汽車競賽等活動中。我校學(xué)生利用該系統(tǒng)作為核心板，參加2018年大學(xué)生智能汽車競賽獲取了賽區(qū)二等獎。如圖6所示為智能汽車的圖片。

4結(jié)語

嵌入式的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)是動手實(shí)踐，采用口袋實(shí)驗(yàn)方案，可以在課外繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)是實(shí)驗(yàn)，采用層次遞進(jìn)的教學(xué)方式，先簡單在復(fù)雜，適合學(xué)生迅速掌握嵌入式的開發(fā)方法。同時，口袋式教學(xué)系統(tǒng)還可以服務(wù)于學(xué)生的學(xué)科競賽活動，因此，它是一種比較好的教學(xué)實(shí)踐活動。