翟文正

（臺(tái)州學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院，浙江 臨海 317000）

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)強(qiáng)調(diào)理論化、知識(shí)化的授課方式，忽略了嵌入式技術(shù)發(fā)展快、涉及課程體系龐雜、實(shí)踐性應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，學(xué)生在課程結(jié)束后面對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用問題仍是無從下手。

當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)嵌入式人才的需求量不斷上升，如何開展好嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，培養(yǎng)合格的嵌入式工程師是對(duì)有效教學(xué)的考驗(yàn)。本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)課程特點(diǎn)，從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、提高學(xué)生創(chuàng)新能力的角度，探討項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用思路。

1 項(xiàng)目化嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法

（1）以項(xiàng)目為引導(dǎo)。項(xiàng)目是教學(xué)活動(dòng)的核心，以項(xiàng)目統(tǒng)一多種實(shí)踐環(huán)節(jié)，作為全程教學(xué)的載體，隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，教與學(xué)的過程隨之進(jìn)行。（2）以需求學(xué)理論。將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)融入到項(xiàng)目各環(huán)節(jié)，由項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)生自覺主動(dòng)探求解決之道，做到有的放矢［1］。（3）以實(shí)踐為主導(dǎo)。邊干邊學(xué)，以干促學(xué)［2］。（4）以學(xué)生為中心，教師在整個(gè)教學(xué)過程中起組織和指導(dǎo)作用。

學(xué)生通過完成項(xiàng)目，最大限度地學(xué)習(xí)和掌握了有關(guān)嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)和應(yīng)用方法，并使之在理論與實(shí)踐的結(jié)合達(dá)到了較高層次的升華。

2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的選材是項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法得以實(shí)施的首要問題，教師的縱、橫向課題，承接的對(duì)外服務(wù)，畢業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)秀作品，經(jīng)典教學(xué)項(xiàng)目或企業(yè)的成功案例，學(xué)生自擬的題目都可作為課程教學(xué)的主線。

見表1所示的層次化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，從基本入手，逐步綜合，直到做大項(xiàng)目的實(shí)施過程，可使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣逐漸提高，工程設(shè)計(jì)能力得以加強(qiáng)。

表1 層次化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)Table 1 Hierarchicalexperimentalproject design

表1示例了部分嵌入式項(xiàng)目教學(xué)實(shí)例，可通過工程實(shí)踐、電子設(shè)計(jì)大賽等方式收集整理并逐步積累。

2.2 項(xiàng)目實(shí)踐

指導(dǎo)教師應(yīng)具備實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，能借鑒并運(yùn)用項(xiàng)目化教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生。

首先，組織學(xué)生對(duì)具體項(xiàng)目需求分析，確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，提煉出設(shè)計(jì)規(guī)格說明書；為縮短項(xiàng)目開發(fā)周期，可分組軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)并行開發(fā)；系統(tǒng)集成階段，將軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成后聯(lián)調(diào)，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤，最后對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)測(cè)是否滿足功能要求。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱，開發(fā)板（學(xué)生親手DIY），各種虛擬仿真工具，如Keil、Proteus可支持大部分單片機(jī)開發(fā)的虛擬仿真，SkyEye可模擬多種基于ARM的完整的嵌入式系統(tǒng)，Qurtus/ISE可編程邏輯開發(fā)工具，基于模型的嵌入式設(shè)計(jì)環(huán)境SimuLink以及狀態(tài)圖建模工具Stateflow等都可作為項(xiàng)目化嵌入式實(shí)踐教學(xué)的有效載體。

2.4 考核方式

成績(jī)考核以“作品”+“答辯”方式，注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐過程的評(píng)價(jià)。

3 案例分析

下面以“智能溫控器”為例說明項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法教學(xué)的實(shí)施過程。

3.1 項(xiàng)目任務(wù)

該項(xiàng)目是地方企業(yè)委托開發(fā)的電熱板溫度控制模塊，要求實(shí)現(xiàn)多路多段溫度時(shí)間精確控制。項(xiàng)目教學(xué)要求：

（1）根據(jù)嵌入式最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和項(xiàng)目結(jié)構(gòu)圖繪制出實(shí)時(shí)溫度采集及根據(jù)既定算法控制動(dòng)作的電路原理圖；

（2）能正確利用電路板及相應(yīng)芯片完成硬件電路的搭接、調(diào)試；

（3）軟件開發(fā)滿足設(shè)計(jì)要求；

（4）完成系統(tǒng)調(diào)試，完善控制系統(tǒng)的控制功能，提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性；

（5）最后撰寫項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告。

3.2 項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施

組織學(xué)生對(duì)題目深入分析和探討，并對(duì)所有設(shè)計(jì)方案評(píng)審和論證。劃分系統(tǒng)為圖1所示的幾個(gè)部分，讓學(xué)生對(duì)項(xiàng)目規(guī)模有了整體認(rèn)識(shí)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

教師通過給學(xué)生分析項(xiàng)目需求、項(xiàng)目切入點(diǎn)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方法、項(xiàng)目實(shí)施基礎(chǔ)后，即可按小組任務(wù)分工，由學(xué)生制定項(xiàng)目工作計(jì)劃，確定工作步驟和程序，教師以導(dǎo)師形式全程跟蹤。

3.2.1 硬件小組：硬件電路的搭接

小組開發(fā)面臨的首要問題就是主控芯片選型，采用8位單片機(jī)還是高性能嵌入式控制器，提議從性能、價(jià)格、易用性、開發(fā)支持等方面全面比較。如NXP的LPC1114，一款基于ARM Cortex-M0內(nèi)核的32位微控制器［3］，能以8位單片機(jī)的價(jià)位獲得32位處理器的性能，片上32KB Flash，8KB SRAM大小，內(nèi)部集成ADC模塊，已被廣泛應(yīng)用于高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，較適宜本項(xiàng)目需求。

確定了主控核心，學(xué)生通過查閱處理器Datasheet分別設(shè)計(jì)出電源電路、復(fù)位系統(tǒng)、時(shí)鐘電路，實(shí)現(xiàn)一個(gè)ARM最小系統(tǒng)，再依次根據(jù)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)出其它功能模塊。經(jīng)教師認(rèn)可即可由原理圖列出所需元器件清單，接下來根據(jù)接線圖進(jìn)行硬件電路的搭接與調(diào)試。此過程考驗(yàn)了學(xué)生學(xué)用電子與電路知識(shí)、主流EDA工具掌握情況，也是對(duì)微機(jī)接口、單片機(jī)原理等學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的考驗(yàn)。

3.2.2 軟件小組：軟件設(shè)計(jì)

教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)模塊化設(shè)計(jì)，將軟件開發(fā)分解成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊由小組成員分別完成，如按鍵設(shè)置模塊、按鍵掃描模塊、數(shù)碼顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等?？紤]到溫度控制的精準(zhǔn)度要求，設(shè)計(jì)中引入Fuzzy-PID智能控制算法。整個(gè)軟件開發(fā)建議采用主流的開發(fā)工具及嵌入式C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

圖2 軟件開發(fā)任務(wù)劃分Fig.2 Task partitioning in software development

3.2.3 聯(lián)調(diào)

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行沒能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，則說明程序或者硬件有錯(cuò)誤，教師應(yīng)及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生分析問題，仔細(xì)查找錯(cuò)誤根源，最終達(dá)到預(yù)期的效果。

3.3 項(xiàng)目擴(kuò)展

小組根據(jù)自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力完成項(xiàng)目?jī)?nèi)容，最后進(jìn)行集中討論，提出合理可行的項(xiàng)目擴(kuò)展方案，比如：（1）移植μC-OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)到LPC1114，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度。（2）利用串口通信功能，與PC上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)溫度信息的數(shù)據(jù)采集。（3）擴(kuò)展為溫度檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)Zigbee技術(shù)組成無線網(wǎng)絡(luò)等。

3.4 項(xiàng)目總結(jié)

歸納總結(jié)項(xiàng)目開發(fā)中應(yīng)用的知識(shí)點(diǎn)和技能、遇到的難點(diǎn)及解決方法，文檔整理，做好項(xiàng)目開發(fā)最后一個(gè)環(huán)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討了一種項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的方法，給出其應(yīng)用的思路。通過項(xiàng)目引導(dǎo)給學(xué)生確立目標(biāo)，激發(fā)熱情；利用項(xiàng)目需求來引導(dǎo)和增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)的熱情和主動(dòng)性；通過項(xiàng)目實(shí)踐來提高學(xué)生的動(dòng)手能力。然而，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法還依賴于良好的學(xué)習(xí)氛圍、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和強(qiáng)大的師資力量，指導(dǎo)教師也需要根據(jù)實(shí)際情況，在實(shí)踐中不斷進(jìn)行研究、積累和創(chuàng)新才能培養(yǎng)出社會(huì)所需要的高素質(zhì)嵌入式技術(shù)人才。

［1］李寧，宋薇.項(xiàng)目化嵌入式教學(xué)方法研究［J］．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(2)

［2］解志堅(jiān)，張紅燕.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才培養(yǎng)的路徑［J］．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(36)

［3］王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例開發(fā)——ARM與μC/OS-Ⅱ［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2002.9