楊澤林+何莉+陳亮文

摘 要： 設(shè)計了以ARM LPC2148 MCU為核心的ARM嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件設(shè)計包含了最小系統(tǒng)、串行通信及程序下載接口電路，矩陣鍵盤和可以用作中斷輸入的獨立按鍵、字符和點陣LCD等組成的輸入/輸出人機界面接口；軟件設(shè)計配備了系統(tǒng)的教學(xué)例程、完整的Proteus電路原理圖和相關(guān)硬件模塊的應(yīng)用程序包。實踐證明，該教輔系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)課程的課堂教學(xué)、實驗教學(xué)以及學(xué)生課外競賽科研等都起到了很好的輔助作用，能很好地幫助學(xué)生學(xué)習掌握嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，并有助于學(xué)生自主學(xué)習能力和工程素質(zhì)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： ARM嵌入式系統(tǒng)； 教學(xué)輔助系統(tǒng)； 教學(xué)實踐； 自主學(xué)習能力

中圖分類號：TP368；G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）03-40-04

Abstract： This paper introduces a teaching assistant system for ARM embedded system course based on ARM LPC2148 MCU. The system hardware design includes the minimum system， the serial communication and program download interface circuits， the matrix-keyboard and the independent keys used as the interrupt input， and the character LCD and dot-matrix LCD interface. The software design includes the standard project template of ARM embedded system， complete Proteus circuit schematic and the application package for the related hardware modules. Proved by the teaching practice， the teaching assistant system plays a good supporting role in the classroom teaching of embedded system courses， and in the experiment and practice training of embedded system courses， and in the students' extracurricular scientific researching. It also effectively helps students learning to master the technology of embedded system， and helps to the students' autonomous learning ability and engineering quality training.

Key words： ARM embedded system； teaching assistant system； teaching practice； autonomous learning ability

0 引言

隨著嵌入式軟件技術(shù)的發(fā)展，高校對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)日益重視[1-5]。國內(nèi)很多高校在電子類、儀器類、計算機類等專業(yè)都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程。其課程特點：①軟硬件技術(shù)相結(jié)合，專業(yè)性、綜合性強；②嵌入式系統(tǒng)是將計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合，實用性強。③門檻高，要求學(xué)生具有相應(yīng)的專業(yè)基礎(chǔ)素質(zhì)及自主學(xué)習能力。其教學(xué)大綱要求通過課程學(xué)習，學(xué)生能夠掌握基本的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和調(diào)試方法。但是在實際教學(xué)中往往發(fā)現(xiàn)“學(xué)生理論學(xué)習理解困難，實驗過程與理論知識融合困難以及課程綜合設(shè)計能力差”等問題，而且目前的實驗裝置普遍追求功能強大，實驗內(nèi)容廣，配置高檔等指標，使得裝置的軟硬件復(fù)雜，忽視了學(xué)生的實際情況，學(xué)生很難在課時內(nèi)實現(xiàn)對裝置的理解掌握以及達到課程的教學(xué)目的要求。

根據(jù)我校的實際情況，考慮學(xué)生學(xué)習的個體差異，本著簡單易懂，實用方便原則，緊密結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，細分教學(xué)例程，研發(fā)設(shè)計了ARM嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)輔助系統(tǒng)，學(xué)生和教師每人一套。該系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)課程基礎(chǔ)階段的輔助教學(xué)裝置，既可以在理論課堂上幫助教師很好地展現(xiàn)授課內(nèi)容，又可以在實驗和課程設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中作為便攜的實用開發(fā)工具，幫助學(xué)生切實地掌握ARM嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)，提高學(xué)生的工程實踐動手能力。

1 教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

如圖1所示，該教學(xué)輔助系統(tǒng)以經(jīng)典的ARM7 LPC2148/38 MCU為學(xué)習對象，分為核心板和擴展板兩部分，配有串口通信/ISP下載控制接口，USB接口等常用接口，擴展有矩陣鍵盤，可以用作中斷輸入的獨立按鍵，字符/點陣LCD顯示接口等輸入/輸出人機界面接口。系統(tǒng)基本功能齊全，所有引腳及電源均有引出，體積小，攜帶方便，便于學(xué)生自主擴展應(yīng)用。

1.1.1 ARM處理器

系統(tǒng)MCU采用ARM7系的一款經(jīng)典產(chǎn)品ARM LPC2148/38 MCU作為系統(tǒng)的核心CPU。其引腳少，功能模塊較為齊全，配有512KB的高速Flash存儲器和32KB的RAM，具有豐富的外設(shè)資源。它還含有向量中斷控制器，可配置中斷優(yōu)先級和向量地址，片內(nèi)Boot裝載程序可以實現(xiàn)ISP/IAP編程，具有空閑和掉電兩種低功耗模式，并且可通過外部中斷喚醒[6]。ARM LPC2138/48 MCU工作原理簡單且具有強大的處理和控制功能，同時在proteus仿真軟件和keill編程軟件中均支持該MCU，因此特別適合用于ARM嵌入式系統(tǒng)課程基礎(chǔ)階段的教學(xué)與學(xué)習。

1.1.2 串口通信接口及ISP電路

串口通信使用的是LPC2148/38 MCU的串口0。LPC2148/38 MCU的串口0是其主要組成部分之一，不僅可以用于學(xué)習與PC機的串行通訊，配以相應(yīng)的ISP電路后，PC機借助編程軟件還可以將應(yīng)用程序直接下載到MCU中，從而降低了教輔系統(tǒng)的使用要求，方便了實踐教學(xué)的需要。

1.1.3 USB接口及電源

為了使用方便，教輔系統(tǒng)直接利用PC機USB接口為其供電，無需額外配接電源。同時LPC2148 MCU自備有USB2.0從控制器，配以相應(yīng)的接口電路后，可以方便地進行關(guān)于USB的相關(guān)教學(xué)，有效地提高了系統(tǒng)功能資源的利用率。

1.1.4 輸入/輸出及引腳擴展

為了提高教輔系統(tǒng)的通用性、實用性和擴展性，同時兼顧教學(xué)案例的需要，在系統(tǒng)擴展板中設(shè)計了顯示接口、鍵盤輸入端口、A/D采集及調(diào)節(jié)電位器、LED及蜂鳴器輸出以及相應(yīng)的電源輸入輸出端口。在系統(tǒng)擴展板中將MCU的P1端口用于字符LCD（LM1602）與點陣LCD（QC12864）共用輸出，配合矩陣鍵盤輸入端口，以及AD采集及兩個電位器分別設(shè)計有相應(yīng)的教學(xué)案例，有效地降低了學(xué)生的使用難度，提高了學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的直觀理解。在擴展板上還通過插針引出了對應(yīng)的全部引腳和電源，極大地方便了學(xué)生對其他應(yīng)用硬件電路的設(shè)計，這也對教輔系統(tǒng)實現(xiàn)進一步的應(yīng)用開發(fā)使用提供了便捷。

1.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計工作主要體現(xiàn)在開發(fā)環(huán)境搭建、驅(qū)動開發(fā)，應(yīng)用開發(fā)及SDK程序的移植等方面。

1.2.1 開發(fā)環(huán)境搭建

該教輔系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境搭建主要是Proteus仿真軟件，Keill開發(fā)軟件，F(xiàn)lash Magic編程下載軟件安裝，以及項目工程的建立與配置，程序文件的新建與添加，工程的編譯與鏈接，電路原理圖的繪制，程序下載與仿真運行，程序糾錯等。這是學(xué)習嵌入式系統(tǒng)不可繞開的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，學(xué)生在實際學(xué)習過程中容易出錯，導(dǎo)致學(xué)習的自信心受挫。根據(jù)這一特點，除了在課程學(xué)習資料中細分教學(xué)例程講解、對關(guān)鍵步驟進行詳細注解外，還在教學(xué)過程中要求學(xué)生跟著教師逐步操作學(xué)習，而且寫出書面總結(jié)作業(yè)，確保學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)學(xué)習中能順利邁出這第一步。

1.2.2 例程開發(fā)

例程開發(fā)是幫助學(xué)生更好地進入嵌入式系統(tǒng)技術(shù)學(xué)習的有效方式，既是理論課堂授課的范例教學(xué)，也是實踐教學(xué)的應(yīng)用例程。因此，例程設(shè)計至關(guān)重要，它不僅是對課程教學(xué)內(nèi)容的驗證，也能使學(xué)生加深和鞏固對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的認識，是合理組織教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計教學(xué)例案、幫助引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習提高實踐創(chuàng)新能力的主要方式。例程開發(fā)設(shè)計按照單元模塊知識架構(gòu)以及系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用的連續(xù)性，遵循“從基礎(chǔ)開始，由簡而難，從小模塊到大系統(tǒng)，應(yīng)用與原理并存”的原則，設(shè)計了教學(xué)基礎(chǔ)例程與教學(xué)綜合例程?；贏RM嵌入式教輔系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)用例程有10個，涉及了對系統(tǒng)的基本認識、驗證以及基本使用等工程應(yīng)用實踐的各個方面，如表1所示。

教學(xué)綜合例程主要是將ARM LPC2148硬件資源、教學(xué)案例及其他應(yīng)用所涉及內(nèi)容的驅(qū)動程序，應(yīng)用程序集合在一起，供學(xué)生閱讀和參考，方便學(xué)生在練習中模仿和借鑒，幫助學(xué)生逐步過渡到獨立自主應(yīng)用開發(fā)階段。同時，通過綜合教輔案例，為學(xué)生建立嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的規(guī)范與好的應(yīng)用習慣打下基礎(chǔ)?；贏RM嵌入式教輔系統(tǒng)設(shè)計了近30余道綜合訓(xùn)練題目，學(xué)生可在綜合實驗和課程設(shè)計環(huán)節(jié)自主選擇訓(xùn)練，進度快的學(xué)生也可在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)揮，提高嵌入式產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計能力。

2 教學(xué)應(yīng)用

ARM嵌入式系統(tǒng)相較于其他單片機應(yīng)用技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)而言，ARM芯片資源豐富，實際應(yīng)用廣泛，具有綜合性、實踐性強的特點，學(xué)生不容易理解和掌握。因此在教學(xué)中要以應(yīng)用為主，強調(diào)體系結(jié)構(gòu)及實用的設(shè)計開發(fā)技術(shù)等工程實踐概念，基于教輔系統(tǒng)配以相應(yīng)的例程項目及實踐，結(jié)合項目驅(qū)動式教學(xué)模式[7-8]，在課堂教學(xué)、實驗教學(xué)以及課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)中進行項目分解講授，直觀、實用，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習，由淺入深，由易到難，由基礎(chǔ)到綜合，切實讓學(xué)生從硬件到軟件，再從軟件到硬件實現(xiàn)對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的完整認識。

2.1 課堂教學(xué)應(yīng)用

在課堂教學(xué)中，以應(yīng)用為主，借助教輔系統(tǒng)，幫助學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)的特點，理解嵌入式系統(tǒng)的基本構(gòu)成（微處理器、存儲器、外設(shè)驅(qū)動和I/O接口、電源管理、硬件調(diào)試等）；認識嵌入式操作系統(tǒng)，知道操作系統(tǒng)內(nèi)核，能夠?qū)?nèi)核進行移植、修改和裁減；掌握某一種嵌入式操作系統(tǒng)，能夠構(gòu)建嵌入式軟件的開發(fā)環(huán)境，編寫一些基本的嵌入式設(shè)備的驅(qū)動程序等。同時，在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，重新調(diào)整學(xué)時分配，部分引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以例程教學(xué)和項目開發(fā)驅(qū)動教學(xué)內(nèi)容的更新，課堂教學(xué)更多的輔以實際范例演示講解和回答學(xué)生在課外實踐環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題，提高學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的認識和掌握程度。在Proteus仿真軟件和教輔系統(tǒng)的支持下，加大實際編程訓(xùn)練內(nèi)容，針對講授內(nèi)容獨立設(shè)計立足于基本概念原理的例程，根據(jù)學(xué)生個體差異提出不同的任務(wù)要求，至少要求學(xué)生能跟著教師操作演示，在訓(xùn)練過程中再學(xué)習和升華講授的知識。

2.2 課程實驗應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)是一個綜合性、實踐性強的軟硬件設(shè)計開發(fā)平臺，實驗教學(xué)是重要環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)是嵌入式系統(tǒng)課堂教學(xué)的重要延伸。在實驗教學(xué)中以教輔系統(tǒng)為載體設(shè)計實驗內(nèi)容，配合課堂教學(xué)，能更好地幫助學(xué)生建立對嵌入式系統(tǒng)的完整認識。實驗教學(xué)除了設(shè)計有基礎(chǔ)的ARM嵌入式教學(xué)內(nèi)容，如應(yīng)用開發(fā)入門實驗、基礎(chǔ)接口和顯示實驗，還有提高的ARM嵌入式教學(xué)內(nèi)容，如音頻、麥克風、SD卡、觸摸屏等擴展接口實驗，UART驅(qū)動與應(yīng)用、LCD驅(qū)動及應(yīng)用、USB接口、PWM驅(qū)動及應(yīng)用等等，基本滿足目前嵌入式系統(tǒng)初級階段的教學(xué)需求。經(jīng)過實際教學(xué)應(yīng)用證明：借助該教輔系統(tǒng)進行實驗教學(xué)，學(xué)生能有效地認識掌握嵌入式系統(tǒng)實驗裝置的開發(fā)環(huán)境及軟硬件設(shè)計方法，理解對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標，提高了學(xué)習主動性和實踐動手能力。

2.3 課程設(shè)計應(yīng)用

在課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，以教輔系統(tǒng)為支撐設(shè)計了近30組綜合訓(xùn)練內(nèi)容，如電子日歷制作、音樂播放器、直流電機調(diào)速、正弦波示波器、條碼掃描顯示等，供學(xué)生自主選擇。由于該系統(tǒng)不僅提供了LPC2148/38的所有硬件資源，還提供了有關(guān)輸入/輸出的SDK，大大節(jié)省了ARM基礎(chǔ)軟硬件平臺搭建的時間，使學(xué)生將主要精力和時間放在應(yīng)用開發(fā)上，課程設(shè)計的效果和質(zhì)量明顯得以提高，而且學(xué)生還可在此教輔系統(tǒng)基礎(chǔ)上自行研發(fā)應(yīng)用項目，參與各級課外科研競賽活動，效果良好。學(xué)生借助于該教輔系統(tǒng)進行綜合應(yīng)用學(xué)習，可掌握和鞏固嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的基本原理，掌握了32位ARM單片機和嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用的基本技術(shù)，能夠完成一些簡單的項目研發(fā)，他們走出校園能盡快適應(yīng)相應(yīng)的工作崗位。

3 結(jié)束語

該教輔系統(tǒng)已經(jīng)在我校測控專業(yè)兩屆學(xué)生的教學(xué)中投入使用。該教輔系統(tǒng)將課堂教學(xué)、課程實驗、課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)無縫連接在一起，并可直接應(yīng)用于其他課外實踐的開發(fā)應(yīng)用中，使得嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)體系具有更好的系統(tǒng)性、實用性和連續(xù)性，基本解決了嵌入式系統(tǒng)課程難教、難學(xué)、難懂的系列問題。同時該教輔系統(tǒng)也使得嵌入式系統(tǒng)課程的課堂教學(xué)更加具體形象化，互動性更好，實驗教學(xué)內(nèi)容更加豐富，學(xué)生設(shè)計制作參與性更強，明顯改善了學(xué)生以往對理論知識學(xué)習的茫然和不明確性，以及對實驗裝置的畏難情緒，提高了對理論學(xué)習和實驗的興趣，培養(yǎng)和鍛煉了自主學(xué)習能力和工程實踐能力。

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