STM32嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

黃培燦　趙鐵柱　陶銘

摘要：嵌入式系統(tǒng)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，對學(xué)生的實(shí)踐動手能力有很高要求，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高學(xué)生實(shí)踐動手能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)采用了理論與實(shí)踐雙結(jié)合的教學(xué)模式，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上依然存在著實(shí)驗(yàn)平臺與工程應(yīng)用脫節(jié)、教學(xué)內(nèi)容不能滿足應(yīng)用開發(fā)的需求，以及教學(xué)方法落后等問題。為此設(shè)計(jì)了STM32嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。實(shí)踐證明，該方案對提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力有很大的幫助。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)踐動手能力;STM32

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）08-112-03

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有著廣闊的市場前景，已廣泛應(yīng)用于通信、交通、工業(yè)控制、消費(fèi)電子以及國防武器裝備中。在市場對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)人才的需求日益增加的形勢下，國內(nèi)許多高校都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)課程，旨在培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)方面的技術(shù)人才[1]。

嵌入式系統(tǒng)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，對開發(fā)者的實(shí)踐動手能力有很高要求，嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)把學(xué)生的實(shí)踐動手能力培養(yǎng)作為核心的教學(xué)目標(biāo)。為了提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力，對嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很有必要和意義的工作。

1 現(xiàn)狀分析

嵌入式系統(tǒng)是軟硬件結(jié)合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，涉及電子學(xué)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、實(shí)時操作系統(tǒng)以及軟件設(shè)計(jì)開發(fā)等眾多專業(yè)知識。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)是采用理論與實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)模式，然而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上依然存在著以下突出問題：

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺陳舊并缺少基礎(chǔ)儀器儀表使用培訓(xùn)

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通常是以圍繞一種微控制器制定教學(xué)內(nèi)容，因此微控制器的選型至關(guān)重要。目前相對陳舊的實(shí)驗(yàn)平臺大多基于C51系列單片機(jī)或ARM9核的嵌入式微處理器，導(dǎo)致所學(xué)的內(nèi)容不能滿足實(shí)際工程應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)要求嘲。另外缺乏對萬用表、示波器與邏輯分析儀等基礎(chǔ)工具的使用訓(xùn)練，不僅不利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果和原理，也錯失了鍛煉學(xué)生運(yùn)用工具解決實(shí)際問題能力的好機(jī)會，也不符合工程應(yīng)用開發(fā)所需技能要求。

（2）教學(xué)內(nèi)容與工程應(yīng)用開發(fā)的需求不一致

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)大多數(shù)為了驗(yàn)證理論知識，沒有針對工程應(yīng)用開發(fā)所需能力和知識進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)在聯(lián)系較少，缺少知識銜接，不利于形成整體知識框架，導(dǎo)致知識綜合運(yùn)用能力不足。另外，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的缺乏也不利于實(shí)踐動手能力培養(yǎng)[3]。

（3）教學(xué)方法落后與教學(xué)資源不足

實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常沿用理論教學(xué)的方法，即使用黑板、投影儀和PPT，在教學(xué)過程中用少量的實(shí)驗(yàn)學(xué)時講授本次實(shí)驗(yàn)所需的知識，然后讓學(xué)生動手完成實(shí)驗(yàn)[4]。由于嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多數(shù)涉及硬件操作，這種教學(xué)方法明顯不適合嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。嵌入式系統(tǒng)的知識面非常廣，內(nèi)容也不易理解，僅靠課堂時間難以掌握。如果沒有提供充足和優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源供課后學(xué)習(xí)，其教學(xué)效果難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2 基于STM32的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

開展基于STM32的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革就是緊緊圍繞著培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力的核心任務(wù)實(shí)施一系列的改革措施。微控制器作為嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的核心，是聯(lián)系理論知識和實(shí)踐應(yīng)用開發(fā)能力的紐帶，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力方面起到關(guān)鍵}生作用。選擇STM32系列微控制器作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的核心，一方面是因?yàn)镾TM32系列微控制器所采用的ARM Cortex-M3內(nèi)核是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的，是ARM公司新一代的指令集架構(gòu);另一方面是因?yàn)镾TM32系列微控制器功能強(qiáng)大、功耗低、產(chǎn)品型號豐富，應(yīng)用非常廣泛，更符合實(shí)際應(yīng)用需求情況。

改革的措施包括：①構(gòu)建基于STM32的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系;②采用線上線下結(jié)合的方式，讓學(xué)生可提前學(xué)習(xí)、課后可繼續(xù)學(xué)習(xí);③把常用儀器儀表的使用培訓(xùn)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，幫助學(xué)生快速掌握其使用方法;④建立常用電子模塊資源庫，拓展學(xué)生知識廣度，促進(jìn)學(xué)生對技術(shù)的積累。

3 方案內(nèi)容和實(shí)施過程

（1）構(gòu)建基于STM32的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

選擇合適的實(shí)驗(yàn)平臺。STM32系列微控制器是意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的32位基于Cortex M3核的微控制器，主頻最高可達(dá)72MHz，最高可配置64KBSRAM和512KB FLASH，而且內(nèi)部集成了豐富的片上外設(shè)，包括5個USART、3個SPI、2個12C、3個12位ADC以及1個CAN[5]，該系列微控制器在諸多領(lǐng)域都占據(jù)了主導(dǎo)的市場地位，非常適合作為實(shí)驗(yàn)平臺的核心用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)?；谝陨锨闆r最終選擇了基于STM32Fl03ZET6微控制器的開發(fā)板作為實(shí)驗(yàn)平臺。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置上綜合考慮了知識點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用需求相匹配[6]，從有利于學(xué)習(xí)與應(yīng)用的角度綜合考慮，在編排上循序漸進(jìn)、注意知識的銜接，共設(shè)計(jì)了9個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，合計(jì)22學(xué)時。大體上把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為五大部分：①基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，通過對GPIO口的讀寫操作來實(shí)現(xiàn)流水燈和按鍵功能，目的是為了熟悉嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境，掌握STM32的中斷處理機(jī)制及系統(tǒng)啟動過程;②片上外設(shè)驅(qū)動實(shí)驗(yàn)，主要介紹微控制器內(nèi)部集成的ADC和定時器的工作原理及其相關(guān)寄存器的配置方法;③通信實(shí)驗(yàn)，介紹異步串行通信（UART）與同步串行通信（12C）兩種基本通信方式的特點(diǎn)、接口、通信協(xié)議和實(shí)現(xiàn)方法;④嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，以uCOSII為例，介紹嵌入式操作系統(tǒng)的原理、移植步驟和應(yīng)用開發(fā)方法;⑤綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生熟悉整個嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程和綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決應(yīng)用開發(fā)問題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃表如表l所示。

（2）建立線上教學(xué)平臺優(yōu)化教學(xué)流程和整合教學(xué)資源

通過建立線上教學(xué)平臺提供教學(xué)視頻點(diǎn)播和教學(xué)資源共享下載的服務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容非常豐富，且涉及硬件的各種操作;學(xué)生如果沒有完成課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，就很難掌握全部教學(xué)內(nèi)容。為了解決這個問題，特別錄制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，采用多場景整合的方式同步呈現(xiàn)硬件操作和電腦屏幕操作過程，更清楚地展示實(shí)驗(yàn)步驟。線上教學(xué)平臺的應(yīng)用縮短了在課堂上的內(nèi)容講述時間，使得有更多的時間用來開展討論和答疑活動，活躍了教學(xué)氣氛，提高了教學(xué)效率。另外，利用線上教學(xué)平臺，教學(xué)資源也得到了有效管理和充分共享。

（3）把常用儀器儀表的使用培訓(xùn)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

把常用儀器儀表的使用培訓(xùn)融入到具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，例如把萬用表的使用方法安排在ADC實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行介紹，把示波器的使用方法穿插在GPIO接口和STM32中斷實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行講解，把邏輯分析儀作為協(xié)議分析的重要工具在串行通信、I2C通信以及溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集等實(shí)驗(yàn)中作充分的應(yīng)用展示。這些工具在教學(xué)中的運(yùn)用可大大加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解，使學(xué)生快速掌握這些儀器儀表的使用。

（4）建立常用電子模塊資源庫

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需應(yīng)用許多電子模塊和零部件。掌握常用的電子模塊和零部件的規(guī)格、性能指標(biāo)及用法，是進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的前置條件，也是用人單位所看重的知識能力要求。通過對常用的電子模塊等進(jìn)行收集、分類和資料整理，建立了一個資源庫，依托在線教學(xué)與資源共享平臺，為學(xué)生提供了快速掌握常用的電子模塊和零部件相關(guān)知識的有效途徑。

4 教學(xué)方案實(shí)施效果

原來的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案是基于ARM9微處理器實(shí)驗(yàn)平臺開展的。學(xué)生普遍反映該微處理器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軟件開發(fā)難度高，難以掌握核心的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。由于其成本高、配套硬件電路復(fù)雜，所以應(yīng)用范圍有限，尤其不適合許多學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。使用這個方案的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳，學(xué)生的實(shí)際動手能力得不到有效提高。自實(shí)施新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案以來，不僅學(xué)生再也沒有反映以上問題，而且基于STM32的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在學(xué)生的創(chuàng)新項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中被大量使用。學(xué)生參與學(xué)術(shù)科技作品競賽的積極性明顯提高了，獲獎的數(shù)量也大幅度增加。畢業(yè)后從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工作的學(xué)生數(shù)量也呈明顯增長態(tài)勢。

5 結(jié)束語

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合的特點(diǎn)，針對目前在嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問題，以提高學(xué)生實(shí)踐動手能力為核心教學(xué)目標(biāo)，重新設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。該方案內(nèi)容包括構(gòu)建基于STM32的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、利用線上教學(xué)平臺優(yōu)化教學(xué)流程和整合教學(xué)資源、把常用儀器儀表的使用培訓(xùn)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以及建立常用電子模塊資源庫等一系列措施。實(shí)踐證明，本方案對提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力有很大的促進(jìn)作用。由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，應(yīng)用需求的增加及變化加速了技術(shù)的迭代，也對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)人才提出了更高的知識和能力要求，因此嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容和方法也應(yīng)得到及時的改革。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]鄧小武.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017.7（7）：117-120

[2]劉威，常瑞，謝耀濱.面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)模式改革與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2019.1：39-43.47

[3]付建梅，任國鳳，鄧雅媛.電子信息專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式[J]計(jì)算機(jī)教育，2018.6：76-78

[4]胡青，余嘉，蘇玉剛.面向?qū)嵺`動手能力培養(yǎng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017.34（9）：160-163

[5]徐曉霞.基于STM32的電壓采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程.2019.27（17）：76-79

[6]張輝，何青，劉錚.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016.38（1）：135-137

基金項(xiàng)目：2017年度校級教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（教務(wù)[20171102號）;廣東省教育科學(xué)規(guī)劃課題（2018GXJK189）;廣東省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2019JGXM93）;廣東省教育廳高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（粵教高函[2018]1號）

作者簡介：黃培燦（1983-），男，廣東東莞人，漢族，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室管理。