“三元素、四模塊”嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目化教學(xué)平臺(tái)研究與構(gòu)建

陳偉 嚴(yán)奎 劉靜

摘? 要：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展日新月異，針對(duì)現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)箱陳舊、專業(yè)類實(shí)訓(xùn)內(nèi)容行業(yè)脫節(jié)、項(xiàng)目化教學(xué)課題單一等問題，論文以“理論、實(shí)踐、創(chuàng)新”三大元素為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊”四種嵌入式系統(tǒng)單元，層次化、系統(tǒng)化地構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、專業(yè)類實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、專業(yè)類項(xiàng)目化教學(xué)平臺(tái)，并將其擴(kuò)展應(yīng)用于學(xué)科電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、省級(jí)大學(xué)生項(xiàng)目等科研活動(dòng)中。實(shí)踐證明，學(xué)生能夠深入了解工程模塊化架構(gòu)體系、熟練掌握嵌入式系統(tǒng)新技術(shù)、新工具的使用方法，自主設(shè)計(jì)、調(diào)試等綜合開發(fā)能力得到了有效提高，知識(shí)體系更加契合企業(yè)專業(yè)需求。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)設(shè)備;實(shí)訓(xùn)平臺(tái);傳感器;項(xiàng)目化教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2021）39-0058-03

電子信息技術(shù)作為高新技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)和核心，已滲透到社會(huì)的各行各業(yè)，培養(yǎng)高質(zhì)量的電子信息類專業(yè)人才，對(duì)推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有著重要的作用[1]。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)作為電子信息類專業(yè)核心組成部分，與電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)結(jié)合緊密，深厚的學(xué)科理論、扎實(shí)的實(shí)踐能力、較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)對(duì)電子信息類專業(yè)的畢業(yè)生今后的發(fā)展至關(guān)重要[2]。應(yīng)用型本科人才已成為我國(guó)高等教育主要的人才培養(yǎng)目標(biāo)之一[3]?！皩?shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、項(xiàng)目教學(xué)”作為嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)重要組成部分，對(duì)鞏固深化多學(xué)科理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、鍛煉分析、解決問題的能力起著決定性作用。

目前，嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊，實(shí)驗(yàn)器材沿用著至少五年以上的實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)課程沿用多年的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、知識(shí)結(jié)構(gòu)孤立;嵌入式系統(tǒng)專業(yè)類綜合實(shí)訓(xùn)上下脫節(jié)，設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足智能化、信息化行業(yè)發(fā)展需求，學(xué)習(xí)方法和工具遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫節(jié)于實(shí)際的工作生產(chǎn)環(huán)節(jié);嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目化教學(xué)單一，實(shí)施的載體、課題種類無法融合不同行業(yè)需求的創(chuàng)新性、創(chuàng)造性。

論文以“理論、實(shí)踐、創(chuàng)新”三大元素作為研究基礎(chǔ)[4]，設(shè)計(jì)并開發(fā)“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊”四種核心嵌入式單元，由簡(jiǎn)入繁、由淺入深，層次化、系統(tǒng)化地構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、專業(yè)類實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、專業(yè)類項(xiàng)目化教學(xué)平臺(tái)，并將嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)一步應(yīng)用于學(xué)科電子設(shè)計(jì)及競(jìng)賽、江蘇省研究生項(xiàng)目訓(xùn)練等科研活動(dòng)中，使學(xué)生了解工程項(xiàng)目模塊化架構(gòu)體系，熟練掌握嵌入式系統(tǒng)新技術(shù)、新工具的使用方法，提升自主設(shè)計(jì)、調(diào)試及測(cè)試等綜合開發(fā)能力，從而契合企業(yè)對(duì)電子類專業(yè)畢業(yè)生的專業(yè)需求。

一、“三元素、四模塊”總體架構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)作為現(xiàn)有電子信息類產(chǎn)業(yè)核心基礎(chǔ)技術(shù)，其融合電子、計(jì)算機(jī)、通信為一體，通過與不同行業(yè)場(chǎng)景結(jié)合，形成不同的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用案例。扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、工程項(xiàng)目化的實(shí)踐教學(xué)、創(chuàng)新的方法和理念，是培養(yǎng)企業(yè)需求人才的主要發(fā)展方向。

平臺(tái)架構(gòu)以“模擬電子線路”“數(shù)字電子及EDA技術(shù)”“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”等為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊”四大基礎(chǔ)模塊，結(jié)合“自動(dòng)化控制、信號(hào)與信息處理、物聯(lián)網(wǎng)”等專業(yè)、行業(yè)發(fā)展方向，引進(jìn)開源項(xiàng)目，改變現(xiàn)有的只重視基于實(shí)驗(yàn)箱的教學(xué)方法，摒棄目前已不實(shí)用的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，有效擴(kuò)展電子類綜合實(shí)踐課題的多樣性，營(yíng)造課堂外、線下項(xiàng)目化教學(xué)的氛圍環(huán)境。平臺(tái)架構(gòu)圖如圖1所示。

二、模塊平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

（一）CPU處理模塊

CPU處理模塊以NXP i.MX6Ultrelite處理器為核心。i.MX6Ultrelite處理器采用性能優(yōu)越的ARM Cortex-A7內(nèi)核架構(gòu)，可提供快速的數(shù)據(jù)處理和流暢的界面顯示。核心處理單元帶有8路獨(dú)立UART、2路USB OTG、最高2路CAN總線、最高2路10M/100M以太網(wǎng)等通訊接口。板卡集成i.MX6G2C處理器、標(biāo)配256MB DDR3和256MB NAND Flash、硬件看門狗、硬件加密等功能，具備完整的最小系統(tǒng)功能。

（二）嵌入式系統(tǒng)模塊

嵌入式系統(tǒng)模塊是一款集實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、項(xiàng)目化教學(xué)功能于一體的控制主板。主板提供了多種功能接口，所有接口通過嚴(yán)格的抗干擾、抗靜電測(cè)試，可在零下40℃到零上80℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并采用雙Mini-PCIE接口設(shè)計(jì)，滿足各種條件實(shí)訓(xùn)、項(xiàng)目化教學(xué)應(yīng)用，可應(yīng)用于如智能網(wǎng)關(guān)、電力、重工、數(shù)據(jù)采集終端、工廠自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)備控制、智能交通、航海船舶、電梯物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)案例開發(fā)。

（三）數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊作為嵌入式控制系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)交互單元，分為有線通信、無線通信兩大模塊。有線通信模塊已經(jīng)集成在嵌入式系統(tǒng)模塊中，并向用戶提供完備的RS232、RS485、CAN、以太網(wǎng)通信手段。本模塊單元中，主要為系統(tǒng)設(shè)計(jì)全面的無線交互接口，從而擴(kuò)展專業(yè)類實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、項(xiàng)目化教學(xué)案例，為后續(xù)學(xué)科競(jìng)賽、科研活動(dòng)提供更多的創(chuàng)新元素。設(shè)計(jì)中采用SX1301射頻基帶芯片，SX1301是多通道高性能發(fā)射機(jī)/接收機(jī)，集成了LoRa集中器IP，設(shè)計(jì)使用隨機(jī)信道上的隨機(jī)擴(kuò)展因子同時(shí)接收多個(gè)LoRa數(shù)據(jù)包。該芯片針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化控制等行業(yè)應(yīng)用，旨在中央無線數(shù)據(jù)集中器和大量的無線端點(diǎn)之間建立可靠的連接。

三、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程

當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一方面是實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目沿用至少五年以上的實(shí)驗(yàn)箱，大部分實(shí)驗(yàn)芯片已經(jīng)更新?lián)Q代，實(shí)驗(yàn)器件難以購(gòu)買，造成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容維護(hù)成本高、維修困難，影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性判斷，使其產(chǎn)生厭學(xué)、敷衍等情緒，影響教學(xué)質(zhì)量。

另一方面教學(xué)手段老舊，現(xiàn)有的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程沿用多年的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)器件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?xiàng)目?jī)?nèi)容單一，且章節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)孤立。因?yàn)槭侄侮惻f，導(dǎo)致學(xué)生做完相關(guān)實(shí)驗(yàn)后，后續(xù)研究和工作中基本不會(huì)再去使用。

論文針對(duì)上訴問題，從嵌入式系統(tǒng)理論課程入手，梳理嵌入式系統(tǒng)BSP、Kernel、RootFs三大層次組織結(jié)構(gòu)，規(guī)劃各個(gè)部分主要內(nèi)容，形成了以硬件層為載體，系統(tǒng)、接口軟件為支撐，應(yīng)用層開發(fā)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的架構(gòu)圖。見圖2：

現(xiàn)有的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)更傾向以模塊化、層次化為主，通過接口硬件實(shí)驗(yàn)、軟件設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)、算法應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等方式，讓學(xué)生能夠更加透徹地了解器件內(nèi)部的工作原理，掌握現(xiàn)代嵌入式應(yīng)用開發(fā)流程和方法，能夠結(jié)合理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)案例實(shí)踐。研究通過多批次實(shí)驗(yàn)教學(xué)積累、不斷修訂實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)和撰寫了相關(guān)實(shí)用實(shí)訓(xùn)教程。

四、專業(yè)類綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

當(dāng)前，專業(yè)類嵌入式綜合實(shí)訓(xùn)上下脫節(jié)，一是新方法與新工具脫節(jié)，電子信息類專業(yè)與電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信和信息技術(shù)等結(jié)合緊密，設(shè)計(jì)方法和工具日新月異[5];二是理論課實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)脫節(jié)，理論課實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容一致性差，實(shí)訓(xùn)課程涉及的相關(guān)理論課工具、軟件等完全不匹配，甚至有些工具和軟件已經(jīng)過時(shí)多年，影響教學(xué)質(zhì)量。

針對(duì)上述問題，嵌入式綜合實(shí)訓(xùn)案例總結(jié)提煉相關(guān)專業(yè)技術(shù)要點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，緊扣智能化、信息化專業(yè)需求，結(jié)合國(guó)家相關(guān)專業(yè)類競(jìng)賽，形成專業(yè)特色的實(shí)訓(xùn)案例。研究以“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊”為基礎(chǔ)平臺(tái)，構(gòu)建實(shí)訓(xùn)裝置，成功應(yīng)用于“物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”“邊緣計(jì)算實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”“自動(dòng)化檢測(cè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”“數(shù)據(jù)采集與分析實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”等，依托于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，進(jìn)一步拓展模塊化教學(xué)覆蓋面，促使學(xué)生學(xué)習(xí)的方法和工具更加貼近于實(shí)際的工作生產(chǎn)環(huán)節(jié)。通過多批次案例教學(xué)積累、不斷修訂應(yīng)用教學(xué)案例，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)和撰寫相關(guān)應(yīng)用手冊(cè)。

五、項(xiàng)目化教學(xué)平臺(tái)

創(chuàng)新性的項(xiàng)目化課題需要多樣化的實(shí)現(xiàn)載體，根據(jù)項(xiàng)目需求，模塊化的構(gòu)建系統(tǒng)功能，學(xué)生可以選擇不同的組件通過不同的方法實(shí)現(xiàn)課題需求。目前，大部分項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)載體單一，實(shí)現(xiàn)方式方案單一，導(dǎo)致班級(jí)方案雷同現(xiàn)象較多，極大地影響了學(xué)生的自主性。此外，項(xiàng)目教學(xué)多以教師為中心，由老師統(tǒng)一布置講解項(xiàng)目化教學(xué)課題內(nèi)容、方法，學(xué)生被動(dòng)接受實(shí)踐教學(xué)知識(shí)，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的提升有限。

針對(duì)上述問題，嵌入式項(xiàng)目化教學(xué)平臺(tái)緊密結(jié)合行業(yè)發(fā)展需求，邀請(qǐng)行業(yè)技術(shù)專家，將相關(guān)典型應(yīng)用抽象化、小型化為項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)課題。項(xiàng)目化教學(xué)平臺(tái)還可以引進(jìn)開源項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生參與國(guó)內(nèi)、國(guó)際開源社區(qū)項(xiàng)目，通過對(duì)項(xiàng)目需求、系統(tǒng)架構(gòu)、軟/硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)部署等進(jìn)行團(tuán)隊(duì)化訓(xùn)練，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

六、結(jié)論

通過設(shè)計(jì)、制作“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊”四種嵌入式系統(tǒng)單元，系統(tǒng)化地構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、專業(yè)類實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、專業(yè)類項(xiàng)目化教學(xué)平臺(tái)，并將其應(yīng)用于學(xué)科電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、省級(jí)大學(xué)生項(xiàng)目等活動(dòng)中。有助于學(xué)生更加深入了解工程模塊化架構(gòu)體系、更加熟練掌握嵌入式系統(tǒng)新技術(shù)、新工具的使用方法，學(xué)生的自主設(shè)計(jì)、調(diào)試及測(cè)試等綜合開發(fā)能力都能夠得到有效提高，知識(shí)體系也更加契合企業(yè)專業(yè)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 溫秀平，陳巍，黃家才，等. 基于項(xiàng)目化教學(xué)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式與考核評(píng)價(jià)方法研究[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2021（13）：137-138+144.

[2] 于迎霞. 高校電子信息類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實(shí)踐探索——以新疆大學(xué)為例[J]. 高教論壇，2018（03）：22-27.

[3] 史金飛，鄭鋒，邵波，等. 能力導(dǎo)向的應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新——南京工程學(xué)院項(xiàng)目教學(xué)迭代方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 高等工程教育研究，2020（02）：106-112+153.

[4] 溫秀平，解乃軍，黃家才，等. “三維度、四層次、進(jìn)階式”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目化教學(xué)課程體系構(gòu)建與實(shí)施[J]. 工業(yè)和信息化教育，2021（07）：5-9.

[5] 何曉紅. 電子信息專業(yè)課程設(shè)置及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的探討[J]. 硅谷，2009（21）：164.

（薦稿人：陳巍，南京工程學(xué)院工程中心教授）

（責(zé)任編輯：淳潔）