基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

摘 要：嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是嵌入式課程教學(xué)環(huán)節(jié)不可或缺的部分，該環(huán)節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高，需要具有廣闊的知識(shí)面和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)有的嵌入式實(shí)驗(yàn)課程既枯燥又難以讓學(xué)生掌握設(shè)計(jì)精髓，更難以做到與社會(huì)需求相契合，本文認(rèn)為，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)是解決此問題的主要方法之一。針對(duì)系統(tǒng)理論與實(shí)踐之間的矛盾，論文利用實(shí)驗(yàn)室提供的嵌入式教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)劃分為幾個(gè)模塊，然后對(duì)每個(gè)模塊的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。通過基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)驗(yàn)，使大部分學(xué)生能夠熟練掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。英文教學(xué)實(shí)踐證明，嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)改革能夠更好與國際先進(jìn)技術(shù)和規(guī)范接軌，顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐

能力。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；英文教學(xué)；數(shù)據(jù)采集；實(shí)踐能力；Linux操作系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-0-02

0 引 言

嵌入式行業(yè)是微電子技術(shù)發(fā)展的主要載體[1]，國家針對(duì)重要戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)出臺(tái)了支持政策，其中就包括嵌入式計(jì)算機(jī)和軟件行業(yè)[2]。近年來，隨著嵌入式行業(yè)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)也得到了極大提升，迅速從軟件配置管理（SCM）過渡到數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和高級(jí)精簡指令集處理器（ARM），且被廣泛應(yīng)用到手機(jī)制造、醫(yī)療設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫鎇3-5]，進(jìn)一步促進(jìn)其他行業(yè)的發(fā)展[6-7]。

與此同時(shí)，相關(guān)技術(shù)人才緊缺是亟需解決的問題，為了滿足社會(huì)各界的需求，很多高校都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)模式陳舊所造成的實(shí)際應(yīng)用效果較差已成為教學(xué)工作中的主要難點(diǎn)之一[8]。教學(xué)模式的改革采用英文教材和英文教學(xué)，將部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容移植到理論部分，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以實(shí)際項(xiàng)目為核心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，在項(xiàng)目逐步完成的同時(shí)，訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力。

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)比較復(fù)雜，涉及的知識(shí)、理論和實(shí)踐都很廣泛[9]。學(xué)生需要通過理論、具體設(shè)計(jì)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)等過程進(jìn)行學(xué)習(xí)，掌握嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)和技術(shù)。傳統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不適用于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，這使得嵌入式教學(xué)很容易進(jìn)入誤區(qū)。因此，對(duì)嵌入式課程進(jìn)行探究式教學(xué)改革尤為重要，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需要的高素質(zhì)工程人才是所有高校的首要任務(wù)。

此外，學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)需要廣泛的知識(shí)和嫻熟的操作技能，學(xué)生可以在掌握一定理論知識(shí)的基礎(chǔ)上通過實(shí)踐更有效地掌握知識(shí)點(diǎn)。因此，通過在實(shí)踐中解決實(shí)際問題，可以進(jìn)一步鞏固知識(shí)，養(yǎng)成理論向?qū)嶋H轉(zhuǎn)化，實(shí)際推動(dòng)知識(shí)學(xué)習(xí)的良好學(xué)習(xí)新風(fēng)向。

1 嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于單調(diào)

目前的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)之間幾乎無相關(guān)性。單個(gè)實(shí)驗(yàn)可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)嵌入式基礎(chǔ)知識(shí)的理解，使學(xué)生容易上手操作，但不能滿足社會(huì)對(duì)嵌入式工程師的要求[10]，這種教學(xué)模式限制了學(xué)生的思維創(chuàng)造性。

1.2 學(xué)生過分依賴教師

發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)理工科實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生存在過度依賴教師的問題。大多數(shù)學(xué)生重復(fù)教師的操作，只記錄和整理所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于遇到的問題通常無法找到解決辦法，甚至對(duì)實(shí)驗(yàn)原理知之甚少。這種教學(xué)模式下培養(yǎng)的學(xué)生一旦遇到自己未遇見的情況，通常不知所措。

1.3 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備陳舊，缺乏良好的實(shí)驗(yàn)討論環(huán)境

由于實(shí)驗(yàn)室研究與社會(huì)需求嚴(yán)重脫節(jié)，使得學(xué)生畢業(yè)后無法適應(yīng)社會(huì)技術(shù)的發(fā)展。

2 嵌入式系統(tǒng)課程

本文在理論教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，提出由簡到繁的兩級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，滿足不同階段的實(shí)驗(yàn)要求。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的主要目的是拓展思維，針對(duì)具體的課題，學(xué)生需要根據(jù)課題的要求抽象出主要功能，然后在理論上滿足項(xiàng)目需求。該方法著重于理論硬件/軟件的仿真協(xié)同設(shè)計(jì)。該方法結(jié)合工程實(shí)際和嵌入式設(shè)計(jì)理論，可逐級(jí)進(jìn)行兩個(gè)層次的設(shè)計(jì)，如圖1所示。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是基于簡單的編程語言學(xué)習(xí)和驗(yàn)證模擬，沒有做嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的附加功能開發(fā)，更不會(huì)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)行開發(fā)。采用嵌入式英語實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，任務(wù)用英語描述，最大程度貼近語法和編程操作。

本設(shè)計(jì)完全不同于其他編程教學(xué)，將重點(diǎn)放在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)步驟上，便于學(xué)生更加深入地學(xué)習(xí)嵌入式設(shè)計(jì)的整體架構(gòu)。教學(xué)內(nèi)容圍繞基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)、編程語言學(xué)習(xí)和嵌入式系統(tǒng)芯片學(xué)習(xí)展開。教學(xué)目的是利用英語教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，拓寬理論教學(xué)的內(nèi)容，更好地連接和拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)?；A(chǔ)嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)不超過總課時(shí)的一半，然后根據(jù)項(xiàng)目選擇，在教師的帶領(lǐng)下，在剩余時(shí)間內(nèi)完成分組學(xué)習(xí)。在嵌入式系統(tǒng)的新課程體系中，整個(gè)系統(tǒng)可以將語言學(xué)習(xí)和硬件芯片學(xué)習(xí)融入課堂學(xué)習(xí)，將嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。

3 案例分析：溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)備通常由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行設(shè)備組成，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成[11]。硬件層包括嵌入式微處理器、內(nèi)存、通用設(shè)備接口和I/O接口。在嵌入式處理器的基礎(chǔ)上，增加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)電路，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的核心控制模塊。在硬件層和軟件層之間有中間層，也稱為硬件抽象層（HAL）或板級(jí)支持包（BSP）。中間層將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件隔離開來，系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序與上層無關(guān)。上層軟件開發(fā)人員不必關(guān)心底層硬件的結(jié)構(gòu)，這取決于BSP層Develop提供的接口。這一層通常包含底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)輸入/輸出操作和硬件設(shè)備配置。系統(tǒng)軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通用組件模塊組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)課程安排

大多數(shù)高校只安排了單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容，而直接在Linux系統(tǒng)上開發(fā)嵌入式系統(tǒng)會(huì)使大多數(shù)學(xué)生望而卻步。第一節(jié)實(shí)驗(yàn)課，在Windows環(huán)境下進(jìn)行嵌入式ADS1.2 ARM系統(tǒng)的開發(fā)，讓學(xué)生逐漸掌握控制處理器的外圍設(shè)備、uboot移植、操作系統(tǒng)移植、文件系統(tǒng)移植、GUI移植和驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)將所有學(xué)生分成三組，每組分別完成溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生已經(jīng)對(duì)UART、ADC、NAND、FLASH、LED、LCD、定時(shí)中斷模塊有了較好的理解。實(shí)驗(yàn)課程的目的是讓學(xué)生運(yùn)用自己已有的設(shè)計(jì)知識(shí)來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。

3.3 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)課上，使用S3C2440模塊、Linux操作系統(tǒng)和DS18B20溫度傳感器設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，利用S3C2440的通用I/O端口GPIO掛接多個(gè)DS18B20傳感器，完成對(duì)溫度傳感器時(shí)序的精確控制。系統(tǒng)硬件原理如圖2所示。

為了使用DS18B20傳感器，必須嚴(yán)格按照DS18B20的邏輯序列圖進(jìn)行控制；分別完成DS18B20的讀（寫）、函數(shù)和復(fù)位子函數(shù)的準(zhǔn)備；參見DS18B20手冊(cè)中的時(shí)序圖，使用重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations實(shí)現(xiàn)Linux驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本案例采用S3C2440作為單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)基于ARM-Linux系統(tǒng)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)案例具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、降低主機(jī)成本等優(yōu)點(diǎn)。

項(xiàng)目教學(xué)法是一種全實(shí)踐練習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛力。既體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用，又發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，更能體現(xiàn)高等教育的進(jìn)步與社會(huì)的接軌。

4 結(jié) 語

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生的理論和實(shí)踐能力要求很高。本課程不僅要求學(xué)生掌握多種編程語言（C語言、C++語言等）、計(jì)算機(jī)構(gòu)成原理、操作系統(tǒng)等，而且要求培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、解決問題的能力和實(shí)踐能力。通過教學(xué)改革，初步探索基礎(chǔ)工程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的微觀機(jī)制，同時(shí)也對(duì)教師提出了更高的要求。例如：教師需要具備較高的英語水平，教學(xué)覆蓋面廣，具有項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和熟練的焊接技術(shù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，該教學(xué)模式提高了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理解，使學(xué)生學(xué)會(huì)將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，轉(zhuǎn)化為學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

注：本文通訊作者為魏柯。

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