楊學(xué)存　杜京義

摘要：針對(duì)大學(xué)生在嵌入式實(shí)踐能力的培養(yǎng)問(wèn)題，對(duì)“嵌入式原理與設(shè)計(jì)”課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了探索，重點(diǎn)對(duì)學(xué)生在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行實(shí)踐鍛煉，該方法從2008年應(yīng)用以來(lái)，已取得了較好地教學(xué)效果，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力得以提高。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；實(shí)踐；創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目；課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）29-0146-02

目前，我國(guó)對(duì)嵌入式領(lǐng)域人才的需求日益旺盛。嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，包括工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療儀器設(shè)備、智能家居、智慧城市和航天航空領(lǐng)域。例如神州飛船和長(zhǎng)征火箭中有很多嵌入式系統(tǒng)，神州飛船從原來(lái)神州一號(hào)到神州十號(hào)，還有登月探測(cè)器嫦娥一號(hào)到嫦娥三號(hào)，其系統(tǒng)中都有大量的嵌入式系統(tǒng)。并且，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生活、工作和娛樂(lè)方式，使人們的生活更加豐富多彩。在生活中，所有帶有一點(diǎn)“智能”的家電，例如電腦電冰箱、電腦電飯煲、電腦豆?jié){機(jī)等都是嵌入式系統(tǒng)，另外，日常常見(jiàn)的IPAD、照相機(jī)、攝像機(jī)、打印機(jī)、智能手機(jī)等都是嵌入式系統(tǒng)[1]。為此，國(guó)內(nèi)外各大院校也紛紛開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)方面的課程，并且在教學(xué)中把培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力放在首位。

本文對(duì)西安科技大學(xué)電氣與控制學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)《嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，實(shí)踐證明，該方法大大提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，為以后能成為真正的嵌入式人才打下了重要基礎(chǔ)。

一、“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)”課程簡(jiǎn)介

1.從嵌入式系統(tǒng)定義和特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計(jì)完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。術(shù)語(yǔ)嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個(gè)完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個(gè)嵌入式系統(tǒng)。或者可以簡(jiǎn)單定義為嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)即為嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)包含有三個(gè)特點(diǎn)，即嵌入性、內(nèi)含計(jì)算機(jī)和專用性。

2.嵌入式系統(tǒng)的組成。系統(tǒng)包含硬件和軟件，其中硬件包含嵌入式處理器和外圍硬件設(shè)備，軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序[2]。嵌入式系統(tǒng)集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件于一體。嵌入式系統(tǒng)的嵌入式處理器可以分為以下幾大類：嵌入式微處理器，嵌入式微控制器，嵌入式DSP處理器和嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）。常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有：嵌入式Linux，Win CE，VxWorks和μC/OS-II。

二、“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)”課程實(shí)踐項(xiàng)目

1.課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的編程和驗(yàn)證工作。所使用的開(kāi)發(fā)板是周立功公司的LPC2131的開(kāi)發(fā)套件，能完成一些硬件的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。包括GPIO口輸入輸出實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、UART實(shí)驗(yàn)、I2C實(shí)驗(yàn)、SPI實(shí)驗(yàn)、PWM脈沖寬度調(diào)制、AD/DA實(shí)驗(yàn)、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)、低功耗實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握ARM7的開(kāi)發(fā)環(huán)境的使用和ARM7的硬件的功能[3]。然后把UC/OS-II操作系統(tǒng)也作為程序設(shè)計(jì)的一部分，在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)用戶程序，使學(xué)生熟悉嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境，全面了解嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程，在實(shí)踐中鍛煉設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的能力。

2.課程設(shè)計(jì)。在學(xué)期末集中安排兩周的課程設(shè)計(jì)，主要完成以ARM處理器為核心的嵌入式最小系統(tǒng)及其擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用ARM LPC2131開(kāi)發(fā)版，考核方式為軟硬件驗(yàn)收并提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。在學(xué)生熟悉了ARM的開(kāi)發(fā)環(huán)境和基本的實(shí)驗(yàn)程序之后，會(huì)讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)課題，給學(xué)生布置多個(gè)課題，學(xué)生可根據(jù)興趣進(jìn)行選擇，三人一組。如：基于ARM的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，自動(dòng)窗簾控制器，多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于ARM的工程車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

下面以紅外自動(dòng)感應(yīng)窗簾為例，介紹學(xué)生課設(shè)自己動(dòng)手所做的工作。首先，學(xué)生根據(jù)課題功能的要求，確定系統(tǒng)控制方案。《自動(dòng)窗簾控制器》課題要求系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境因素自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉窗簾。因此學(xué)生可確定出如圖1所示的控制方案。系統(tǒng)包括LPC2131最小系統(tǒng)、溫度和光強(qiáng)檢測(cè)、鍵盤輸入、液晶輸出和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊。

在此方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件，進(jìn)行器件選型和原理圖設(shè)計(jì)。溫度檢測(cè)選用DS18B20，光強(qiáng)檢測(cè)選用光敏電阻，鍵盤采用獨(dú)立按鍵，液晶顯示選用LCD1602，步進(jìn)電機(jī)選用28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)選用ULN2003。由此得到的系統(tǒng)原理圖如圖2所示，并要求學(xué)生在此原理圖基礎(chǔ)上做出硬件實(shí)物。

而后就可以進(jìn)行軟件的編程和調(diào)試了。軟件工作流程如圖3所示。

最后通過(guò)軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能，并撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。

3.創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。在校大學(xué)生每年都可以參與申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，該類項(xiàng)目主要由4～5名學(xué)生完成，由一名老師指導(dǎo)[4，5]。創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申請(qǐng)時(shí)要對(duì)項(xiàng)目實(shí)施的目的和意義、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題、項(xiàng)目實(shí)施方案、主要技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)費(fèi)預(yù)算等進(jìn)行陳述。重點(diǎn)是項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容、擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題和項(xiàng)目實(shí)施方案。通過(guò)這種形式，學(xué)生不僅對(duì)項(xiàng)目的申請(qǐng)有了一定的認(rèn)識(shí)，而且可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，由原來(lái)單純的依靠興趣來(lái)動(dòng)手實(shí)踐，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q實(shí)際問(wèn)題為目的的學(xué)習(xí)方式。這樣，可以讓學(xué)生以解決問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與實(shí)際的工業(yè)企業(yè)問(wèn)題更為接近，也可以為就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.畢業(yè)設(shè)計(jì)。此外，每年有大約四分之一的學(xué)生以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的題目作為他們的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，如，基于ARM的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式多功能輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式魚塘水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、基于ARM的道路清掃車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式語(yǔ)音控制機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等等課題。學(xué)生通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)動(dòng)手能力的訓(xùn)練，進(jìn)一步提高了解決實(shí)際問(wèn)題的能力，增強(qiáng)了就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)課程是自動(dòng)化專業(yè)的一門重要課程[6]，該課程通過(guò)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)等方面實(shí)踐項(xiàng)目，不僅提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，也提高了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，讓學(xué)生能有一技之長(zhǎng)，增強(qiáng)了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，為學(xué)生成為企業(yè)需求的嵌入式應(yīng)用型人才打下了重要的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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