嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計的線上項目式教學(xué)方法

徐 磊，屈 磊，劉 瑜

（安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，安徽合肥 230601）

嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計是高校硬件類的綜合性應(yīng)用訓(xùn)練課程。如何提高學(xué)生的嵌入式工程實(shí)踐能力和設(shè)計能力，適應(yīng)嵌入式行業(yè)要求，是實(shí)際教學(xué)中面臨的新課題[1]。由新冠疫情引發(fā)的線上教學(xué)暴露出了課程資源準(zhǔn)備不充分、師生互動未達(dá)到預(yù)期效果、缺乏良好的教學(xué)設(shè)計、學(xué)生自我管理難以把控等問題[2-3]。另外，線上教學(xué)無法提供該課程所需的硬件平臺，進(jìn)一步增加了開展難度。因此，研究嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計的線上教學(xué)方法具有重要意義。

項目式教學(xué)是在教師引導(dǎo)下，設(shè)置一些實(shí)際或虛擬項目，把該課程中所要講授的基礎(chǔ)知識和基本原理及與其對應(yīng)的實(shí)踐部分融合在一起。通過項目的實(shí)施完成教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)項目主動獲取相關(guān)知識[4]。該教學(xué)方法能夠為該課程教學(xué)效果的提升提供有力支持。Proteus平臺將硬件系統(tǒng)軟件化，能夠模擬硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，并能夠?qū)崟r驗證程序的正確性[5]。因此，該平臺的使用能夠為課程的線上教學(xué)提供硬件支持。近年來，STM32單片機(jī)在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和比賽中，逐漸成為了熱門首選。但其基于標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)的開發(fā)方式與51等8位單片機(jī)開發(fā)方式截然不同，抽象、復(fù)雜的引腳和時鐘配置提高了入門難度。近兩年，Proteus開始提供對STM32F1和STMS2F4單片機(jī)的虛擬仿真支持，ST公司開發(fā)并不斷優(yōu)化STM32CubeMX軟件，使用其進(jìn)行界面化代碼初始化，在大大降低入門難度的同時，提升了軟件設(shè)計效率。

嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計的線上教學(xué)開展可關(guān)聯(lián)當(dāng)前的產(chǎn)學(xué)研項目，采用基于Proteus、STM32CubeMx和Keil for ARM的STM32新型聯(lián)合開發(fā)方式，創(chuàng)建和講解運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)解決復(fù)雜工程問題的新型案例。以“Proteus中基于STM32的單總線溫濕度和傳感器故障檢測的終端設(shè)計”為例，詳細(xì)介紹線上項目式教學(xué)方法的設(shè)計和實(shí)施過程。

1 實(shí)驗要求

掌握單總線傳感器的工作原理、硬件電路設(shè)計和軟件編程。在Proteus 虛擬仿真環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)對DHT11傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)采集和故障情況診斷，并通過虛擬終端或PC機(jī)串口調(diào)試助手進(jìn)行結(jié)果顯示。

（1）熟悉溫濕度傳感器DHT11的器件特性和工作原理。重點(diǎn)理解單總線協(xié)議，并用C語言程序表示協(xié)議時序圖。明確DHT11的斷路、短路故障類型。

（2）硬件電路設(shè)計。安裝Proteus 軟件，進(jìn)行Proteus 中STM32 單片機(jī)的選型和基礎(chǔ)仿真參數(shù)配置，搭建STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)的虛擬仿真平臺。在此基礎(chǔ)上，增加串行口通信器件和DHT11傳感器，并設(shè)計DHT11故障類型（斷路、短路）的模擬電路。

（3）軟件設(shè)計。安裝STM32CubeMx、Keil for ARM、虛擬串口、串口調(diào)試助手等軟件。根據(jù)硬件電路設(shè)計，針對GPIO 模擬單總線時序和串行口通信，實(shí)現(xiàn)STM32CubeMx 基于圖形界面的代碼初始化。完成Keil for ARM基于HAL（硬件抽象層）庫的串行口通信，并根據(jù)實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)程序設(shè)計。

2 教學(xué)設(shè)計

2.1 實(shí)驗原理

DHT11的單總線時序圖如圖1所示。單片機(jī)發(fā)送一次開始信號，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式。等待主機(jī)開始信號結(jié)束，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40 bit的數(shù)據(jù)。更為具體的技術(shù)參數(shù)可參考DHT11的技術(shù)文檔。由圖1可以看出，DHT11是否響應(yīng)輸出可以作為其是否發(fā)生故障的判斷條件。在故障情況下，通過讀引腳，并根據(jù)引腳電平來進(jìn)一步判斷故障類型是斷路還是短路。

圖1 單總線時序圖

2.2 Proteus中的硬件設(shè)計

給出一個實(shí)驗參考電路原理圖，如圖2所示。由圖2可以看出，該電路包含STM32單片機(jī)，具體型號為STM32F103R6；包含串口通信器件COMPIM；包含示波器，用以觀察單總線協(xié)議時序；包含虛擬終端，用以顯示溫濕度數(shù)據(jù)和故障檢測結(jié)果（安裝虛擬串口，串口調(diào)試助手功能與虛擬終端相同）；包含不同故障類型的DHT11模擬電路，并可通過開關(guān)SW1進(jìn)行器件的選擇連通。斷路故障模擬電路中DHT11的數(shù)據(jù)線與PC0之間始終是斷開狀態(tài)。短路故障模擬電路中DHT11的數(shù)據(jù)線與地線之間始終是連接狀態(tài)。

圖2 實(shí)驗參考電路原理圖

2.3 軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，這里給出一個實(shí)驗參考軟件流程圖，如圖3所示。DHT11.c和DHT11.h是重點(diǎn)設(shè)計對象。需要按照實(shí)驗要求，根據(jù)實(shí)驗原理并遵照HAL 庫函數(shù)使用規(guī)范進(jìn)行具體設(shè)計。圖3 中的STM32單片機(jī)初始化采用STM32CubeMX以圖形界面的方式進(jìn)行，經(jīng)過引腳功能和時鐘系統(tǒng)配置后的初始化代碼直接導(dǎo)出為Keil for ARM的工程文件。引腳功能配置如圖4所示。

圖3 實(shí)驗參考軟件流程圖

圖4 STM32CubeMX中引腳功能配置

3 實(shí)驗效果

DHT11 正常連接時示波器中顯示單總線時序波形，虛擬終端顯示正常連接情況的溫濕度數(shù)值，如圖5所示。對于故障情況，示波器無時序波形，虛擬終端的故障分析結(jié)果顯示可自由設(shè)計。DHT11 在斷路、短路故障情況下的演示效果圖分別如圖6和圖7所示。

圖5 DHT11正常連接情況的演示效果圖

圖6 DHT11斷路故障時的演示效果圖

圖7 DHT11短路故障時的演示效果圖

4 教學(xué)實(shí)施進(jìn)程

實(shí)驗課程的教學(xué)周數(shù)為4 周（1 學(xué)期共18 周），即12～15周，具體實(shí)施過程如下。

（1）選題的確定。不占用實(shí)際教學(xué)周數(shù)，提前向?qū)W生提供6 個以上實(shí)驗題目及任務(wù)、所需基礎(chǔ)知識的說明，方便學(xué)生進(jìn)行充分地選題調(diào)研和基礎(chǔ)積累。

（2）過程指導(dǎo)。①前期，對于第一階段的基礎(chǔ)仿真、聯(lián)調(diào)平臺的搭建，各組具有相同性，在第12 周完成講解。②中期，對于第二階段各組實(shí)驗題目的設(shè)計，各不相同，在13～15周進(jìn)行單獨(dú)指導(dǎo)。③后期，給出實(shí)驗報告格式和內(nèi)容上的規(guī)范要求，在第15 周進(jìn)行實(shí)驗報告撰寫的指導(dǎo)。

（3）實(shí)驗考核。學(xué)生最終成績最高為100 分，主要由平時成績（占30%）、實(shí)驗報告成績（占40%）和PPT答辯成績（30%）組成，每一部分的成績最高為100分。

5 結(jié)束語

結(jié)合項目式教學(xué)的優(yōu)勢，本文采用Proteus 仿真軟件對嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計進(jìn)行項目式教學(xué)研究。在實(shí)施過程中學(xué)生利用Proteus仿真軟件進(jìn)行項目的設(shè)計和仿真，把理論和實(shí)踐結(jié)合起來，使得教學(xué)內(nèi)容更形象化，同時節(jié)省制作成本。通過本課程的學(xué)習(xí)和配套的系列實(shí)驗，學(xué)生能夠熟悉STM32 單片機(jī)系統(tǒng)的基本分析和設(shè)計規(guī)范，自行設(shè)計小型單片機(jī)控制系統(tǒng)，掌握開發(fā)系統(tǒng)級和工業(yè)級產(chǎn)品的方法、思路和手段。