謝 東,丁方莉,鮑尚東,崔雪英,宋鴻儒

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

基于案例驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)的改革

謝 東,丁方莉,鮑尚東,崔雪英,宋鴻儒

(銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000)

針對嵌入式系統(tǒng)課程傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法的不足，對基于案例驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)的改革進(jìn)行了有益的探索。首先分析了適用于嵌入式系統(tǒng)案例化教學(xué)實驗平臺的硬、軟件設(shè)計方法，再對嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)案例的實施進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。實踐表明，嵌入式系統(tǒng)案例化實驗教學(xué)模式的改革值得進(jìn)一步研究和推廣。

嵌入式系統(tǒng)；實驗教學(xué)；教學(xué)平臺；教學(xué)案例

嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制、智能家電、汽車與醫(yī)療電子以及國防和航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，社會上對嵌入式系統(tǒng)專門人才的需求也日益增多。為此，國內(nèi)許多高校在最近幾年開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，并將其作為工科電類專業(yè)的一門重要課程。由于開課時間不長，嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)過程中面臨以下幾個方面的問題。

1.嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)牽涉到電子、通信、計算機(jī)、自動化等相關(guān)知識的應(yīng)用，各電類專業(yè)在教學(xué)中往往未從專業(yè)角度進(jìn)行教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，從而不能滿足不同專業(yè)的學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)要求。

2.嵌入式系統(tǒng)是一門實用性、操作性很強(qiáng)的課程，但在具體教學(xué)過程中，很多學(xué)校偏重理論教學(xué)，實踐教學(xué)課時數(shù)不到總課時數(shù)的三分之一，且實驗教學(xué)設(shè)備僅能做一些驗證性實驗，缺乏設(shè)計性實驗，無法培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力，致使學(xué)生畢業(yè)后缺乏獨(dú)立開發(fā)的技能。

3.實驗的形式比較單調(diào)，抑制了學(xué)生自主創(chuàng)新的學(xué)習(xí)動力，致使學(xué)生因為對實驗缺乏興趣而馬虎應(yīng)對，這樣學(xué)生對整個知識體系的理解只停留在表面，很難掌握知識細(xì)節(jié)。

針對上述問題，本文在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中進(jìn)行了基于案例驅(qū)動的實驗教學(xué)改革的探索，圍繞案例驅(qū)動的教學(xué)理念構(gòu)建了嵌入式系統(tǒng)的實驗平臺。通過案例教學(xué)，學(xué)生的動手能力有了明顯提高。

一、嵌入式系統(tǒng)案例化教學(xué)實驗平臺的設(shè)計

要實施嵌入式系統(tǒng)案例化實驗教學(xué)的改革，必須具備有利于案例化教學(xué)的開發(fā)實驗平臺。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)平臺不同，其實驗、實訓(xùn)等功能模塊的設(shè)置要符合案例化教學(xué)的要求，通過該平臺可使學(xué)生更快地掌握嵌入式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，增加學(xué)生嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)驗。

1.實驗平臺硬件的設(shè)計

為滿足案例化教學(xué)的需求，選擇以ARM9微處理器芯片作為控制核心，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺，圖1為該平臺硬件的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 教學(xué)平臺硬件的總體結(jié)構(gòu)

圖1所示硬件平臺的控制核心為三星公司生產(chǎn)的32位嵌入式微處理器S3C2440，它釆用ARM920T內(nèi)核，兼容標(biāo)準(zhǔn)的Linux操作系統(tǒng)。S3C2440外圍存儲電路為64Mbit SDRAM存儲器KM416S4030C 和32Mbit的Flash存儲芯片SST39VF320。Flash存儲芯片用來存儲Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核以及應(yīng)用程序，而系統(tǒng)啟動時，S3C2440將Flash芯片中的有關(guān)程序調(diào)入SDRAM中運(yùn)行。鍵盤和顯示器用于實現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互，鍵盤采用4×4行列按鍵，顯示器采用12864LCD液晶屏。在網(wǎng)絡(luò)接口中，以太網(wǎng)的MAC控制器采用臺灣DAVICOM公司生產(chǎn)的DM9161，它符合IEEE 802.3U標(biāo)準(zhǔn)，能自適應(yīng)10/100M網(wǎng)絡(luò)，通過RJ-45接頭使本系統(tǒng)與交換機(jī)或路由器連通。系統(tǒng)軟件調(diào)試采用10針的JTAG接口，串行接口釆用的是九針RS-232異步串口。

圖1下方虛框內(nèi)的部分為學(xué)生參與開發(fā)的用于實驗案例教學(xué)的各個功能模塊，不同專業(yè)、不同水平層次的學(xué)生可選用不同的功能模塊。

2.實驗平臺軟件的設(shè)計

教學(xué)平臺軟件設(shè)計的重點是嵌入式操作系統(tǒng)的選擇，本教學(xué)平臺選用了適合于嵌入式開發(fā)的基于2.6內(nèi)核版本的Linux操作系統(tǒng)，構(gòu)成目前較先進(jìn)的ARM+Linux的嵌入式開發(fā)模式。

教學(xué)平臺軟件的設(shè)計主要是建立基于Linux的開發(fā)環(huán)境，其構(gòu)建方法如下。

首先建立交叉編譯環(huán)境。 受到硬件資源的限制，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)一般要借助于PC機(jī)，通過安裝交叉編譯器，在PC端編輯、編譯應(yīng)用程序后再經(jīng)鏈接生成相關(guān)可執(zhí)行文件，最后在嵌入式平臺上運(yùn)行。

其次是引導(dǎo)加載程序Bootloader的設(shè)計。Bootloader的作用是硬件設(shè)備初始化并建立內(nèi)存空間映射圖，從而使系統(tǒng)軟硬件環(huán)境被配置到一個合適的狀態(tài)，以利于操作系統(tǒng)的調(diào)用。在目前較流行的幾種bootloader中，本教學(xué)平臺選擇了功能強(qiáng)大且源代碼開放U-boot。通過編譯U-boot，將二進(jìn)制生成文件u-boot.bin燒錄到硬件平臺的Flash中，并將其設(shè)置為啟動檔，則復(fù)位后bootloader開始進(jìn)行相關(guān)程序的加載。

最后根據(jù)特定需求進(jìn)行Linux內(nèi)核配置與移植，以保證教學(xué)平臺性能的最優(yōu)化。主要包括以下三步。

第一步，下載內(nèi)核源碼，解壓后進(jìn)行相關(guān)功能的配置。主要配置功能有可加載模塊支持、系統(tǒng)類型、總線支持、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持、設(shè)備支持和文件系統(tǒng)等。

第二步，配置設(shè)備驅(qū)動程序。為CPU外圍的網(wǎng)絡(luò)、串行通信等接口以及開發(fā)的各實驗功能模塊配置相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。

第三步，配置文件系統(tǒng)的驅(qū)動支持并制作根文件系統(tǒng)。本教學(xué)平臺文件系統(tǒng)采用yaffs2格式，通過配置Flash驅(qū)動可滿足yaff2s文件系統(tǒng)，而根文件系統(tǒng)采用的是 root_qtopia-20100108.tar.gz。

二、嵌入式系統(tǒng)課程實驗教學(xué)案例的研究

1． 案例教學(xué)法簡介

案例教學(xué)法是以借助具體案例的實踐教學(xué)代替理論講解，引導(dǎo)學(xué)生對具有特定工程背景的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析、討論并找出問題解決途徑的一種教學(xué)方法，它是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和處理問題能力的一種有效手段。

案例教學(xué)中教師講解要少，應(yīng)扮演學(xué)習(xí)輔助者的角色，在選擇案例時應(yīng)突出以下幾點要求。

(1) 現(xiàn)實性，所選案例是來自生活的真實案例；

(2) 相關(guān)性，所選案例緊扣教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生對所學(xué)理論知識加深理解并提高解決實際問題的能力；

(3) 綜合性,學(xué)生需要綜合運(yùn)用多種知識與靈活的技巧來處理問題；

(4) 直觀性，案例要客觀生動而非一堆事例、數(shù)據(jù)的羅列；

(5) 可判定性，要考慮學(xué)生的實際水平。

2．嵌入式系統(tǒng)課程實驗教學(xué)案例的實施

下面以電氣自動化專業(yè)為例，介紹嵌入式系統(tǒng)課程實驗教學(xué)案例的實施過程。

首先是選擇合適的實驗教學(xué)案例。通過對案例化教學(xué)的深入研究，筆者考慮從以下幾個方面著手，進(jìn)行教學(xué)案例的選取。

(1) 教學(xué)案例的選擇應(yīng)具有層次性和針對性，既要符合學(xué)生當(dāng)前的研究水平，又要與學(xué)生所學(xué)的專業(yè)相結(jié)合；

(2) 教學(xué)案例能幫助學(xué)生加深對嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識的理解，并能體現(xiàn)知識的連續(xù)性與延展性；

(3) 教學(xué)案例應(yīng)成為嵌入式理論與實際問題的一個結(jié)合點與著力點，而不能變成某個科研課題的簡化；

(4) 教學(xué)案例應(yīng)簡化復(fù)雜的工程背景介紹，側(cè)重嵌入式技術(shù)工程應(yīng)用方法的闡釋，以體現(xiàn)逐步遞進(jìn)、循環(huán)深入的科學(xué)研究過程。

按上述幾個方面的要求，筆者選擇“家庭智能報警器的設(shè)計”作為嵌入式系統(tǒng)課程實驗教學(xué)的案例。本教學(xué)案例給學(xué)生布置的具體設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一個紅外報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過網(wǎng)絡(luò)把獲取的外人進(jìn)入房間的信息傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控者Web瀏覽器上，使得監(jiān)控者能夠?qū)抑星闆r及時作出反映。選擇該實驗教學(xué)案例的理由，一方面是因為它綜合運(yùn)用了檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)等電氣自動化專業(yè)相關(guān)課程的知識，能培養(yǎng)學(xué)生對課堂所學(xué)知識的綜合運(yùn)用能力，并能實現(xiàn)知識的連續(xù)性與延展性；一方面是因為該教學(xué)案例的技術(shù)難度符合學(xué)生的實際設(shè)計與研究水平，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手技能，能夠為學(xué)生畢業(yè)后從事嵌入式產(chǎn)品開發(fā)打下一個良好基礎(chǔ)。

教學(xué)案例確定后，教師應(yīng)對學(xué)生分組，組織和引導(dǎo)各組學(xué)生分別開展設(shè)計工作，完成相關(guān)的實驗任務(wù)。下面是其中一組學(xué)生設(shè)計的家庭智能報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件包括兩個部分，一個是提供給學(xué)生的實驗教學(xué)平臺的核心cpu板，一個是本次案例教學(xué)中學(xué)生自己設(shè)計的紅外報警功能模塊，整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 實驗教學(xué)案例的的硬件結(jié)構(gòu)

圖2中虛框內(nèi)的部分為紅外報警功能模塊，D1、D2為由LED發(fā)光二極管構(gòu)成的指示燈，TX和RX分別為紅外發(fā)射管和紅外接收管。當(dāng)紅外報警模塊輸入端“in”為高電平時，TX不發(fā)射紅外線，指示燈D1不亮；而當(dāng)輸入端“in”為低電平時，TX發(fā)射紅外線，指示燈D1被點亮。當(dāng)RX接收到紅外線時，紅外報警模塊的輸出端“out”輸出低電平，指示燈D2被點亮；而RX未接收到紅外線時，“out” 端輸出高電平，D2不亮。這樣，TX與RX之間的紅外光束被人遮擋時，則“out”端會輸出高電平，核心cpu板檢測到“out”端為高電平時會產(chǎn)生報警。

核心cpu板與紅外報警功能模塊之間通過cpu的GPI/O口進(jìn)行連接，這里設(shè)置S3C2440的GPB口與GPG口來實現(xiàn)紅外報警模塊與cpu的通信，為此需要對相應(yīng)的寄存器GPBCON、GPBDAT和GPGCON等進(jìn)行初始化設(shè)置，具體軟件編程如下：

#define GPBCON (*(volatile unsigned long *) 0x56000010)

#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *) 0x56000014)

#define GPGCON (*(volatile unsigned long *) 0x56000060)

#define GPGDAT (*(volatile unsigned long *) 0x56000064)

GPBCON=0x00000400; //設(shè)置GPB.5為輸出口

GPBDAT =0x00000000; // GPB.5輸出為0

GPGCON=0x00000000; //設(shè)置GPG口為輸入口

由上述編程可知，GPB口的第5位被設(shè)置為輸出口且輸出值為0，所以紅外報警模塊輸入端“in”為低電平，TX會發(fā)射紅外線，若無外人進(jìn)入過房間，RX一直會接收到紅外光，輸出端“out”會保持為低電平；而當(dāng)有人進(jìn)入過房間時，紅外光束會被人暫時遮擋，“out”端也會暫時輸出高電平，cpu的GPG口第5位與“out”端相連且已被設(shè)置為輸入端，這樣當(dāng)cpu讀到“out”端的高電平信號時會設(shè)置“房間有人進(jìn)入”的標(biāo)志。在實驗教學(xué)平臺中，嵌入式操作系統(tǒng)Linux提供的文件系統(tǒng)已經(jīng)包含了有人進(jìn)入房間和無人進(jìn)入房間的相關(guān)靜態(tài)網(wǎng)頁文件，當(dāng)監(jiān)控者在遠(yuǎn)端通過瀏覽器向紅外報警系統(tǒng)產(chǎn)生一個連接請求時，系統(tǒng)會根據(jù)是否設(shè)置了“房間有人進(jìn)入”標(biāo)志而向?qū)Ψ綖g覽器發(fā)送有人進(jìn)入的網(wǎng)頁或無人進(jìn)入的網(wǎng)頁，使得遠(yuǎn)端的監(jiān)控者能夠了解家中的安全情況。

在該教學(xué)案例中，系統(tǒng)僅設(shè)計出一路紅外信號的探測，實用性不強(qiáng)。為進(jìn)一步深化該案例的教學(xué)，可鼓勵有興趣的學(xué)生設(shè)計開發(fā)更為實用的嵌入式產(chǎn)品，能夠?qū)穸?、溫度、煙霧濃度等多種信號進(jìn)行采集與傳送。在多路監(jiān)測的系統(tǒng)中如何采集和傳送實時數(shù)據(jù)有一定的技術(shù)難度，這樣可以進(jìn)一步地培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

在案例化教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)是一種主動行為，學(xué)生需要搜尋大量資料以獲取相關(guān)信息，并經(jīng)過自己獨(dú)立的思考與實踐才能獲得成功。本案例實施過程中學(xué)生的工作任務(wù)安排如下。

(1) 資料收集與準(zhǔn)備

學(xué)生根據(jù)所提供的案例材料查閱、搜尋相關(guān)的資料以獲取必要的信息，并積極思考案例材料中給出的一些思考題，對案例中提出的問題形成初步的解決方案。

(2) 分組討論與決策

每8人分為一組，各小組分開討論。各組中每人都可根據(jù)對案例的理解發(fā)表不同意見，提出自己的一種解決方案；小組成員共同討論各方案的優(yōu)缺點，并總結(jié)、歸納出一種最優(yōu)方案。

(3) 方案的集中討論

在指導(dǎo)教師組織下，各小組選派一人作為代表，對于案例的分析與處理發(fā)表意見，并提出本小組的解決方案。發(fā)言完畢后要接受其他小組人員訊問并且作出解釋。對于意見較集中的問題與處理方式，要求各小組對此展開重點討論，最終各小組給出一種合理的解決方案。

(4) 方案的實施與總結(jié)

分組討論與集中討論結(jié)束后，學(xué)生完成紅外報警系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計與調(diào)試工作。最后進(jìn)行歸納與總結(jié)，撰寫出案例分析報告，報告的內(nèi)容包括案例簡介、對案例中所提問題的分析過程與解決方案、方案選擇的理由、從案例得出的結(jié)論等。

結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)課程的實驗教學(xué)通常只做一些驗證性的實驗，無法激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因而教學(xué)效果往往不夠理想。為此，本文針對基于案例驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)改革進(jìn)行了探索與實踐，首先構(gòu)建了有利于案例教學(xué)的嵌入式系統(tǒng)實驗平臺，并根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點與實際能力引入了相關(guān)的實驗教學(xué)的案例。自開展基于案例驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)改革以來，學(xué)生普遍反映對該課程的性質(zhì)與作用有了更深刻的認(rèn)識，學(xué)習(xí)的興趣有了明顯提高；學(xué)生獨(dú)立思考能力、綜合運(yùn)用知識能力和實踐動手能力有明顯的增強(qiáng)，同時還培養(yǎng)了團(tuán)隊合作精神和創(chuàng)新意識?？傊?，案例教學(xué)法作為可以提高教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)教學(xué)效果的一種教學(xué)新模式，值得進(jìn)一步的研究和推廣。

[1]白玉.嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程案例教學(xué)模式的研究與探索[J].教育教學(xué)論壇，2015(3)：155-156.

[2]王曉迪，孫建國，武俊鵬，等. 以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)的計算機(jī)硬件實驗教學(xué)的研究與探索[J]. 實驗室科學(xué)，2013(1)：92-95.

[3]彭道剛，李輝，夏飛. 基于項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育，2013(28)：92-93.

[4]馮濟(jì)琴，朱革，陳古波.ARM 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法研究及實踐探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012(7)：63-65.

[5]賀安坤，薛進(jìn)，宋長青.嵌入式系統(tǒng)專業(yè)實踐教學(xué)的研究 [J].實驗室科學(xué)，2012(4)：161-164.

[6]張志勇，于繁華.基于CDIO嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課程教學(xué)改革探析[J].長春師范大學(xué)學(xué)報，2016(4)：119-122.

Class No.:G642.0 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

Case-Driven Reform of Embedded System Experiment Teaching

Xie Dong, Ding Fangli, Bao Shangdong, Cui Xueying, Song Hongru

(Department of Electrical Engineering, Tongling University, Tongling, Anhui 244000，China)

Aiming at the deficiency of traditional experimental teaching method of embedded system. The reform of case-driven experimental teaching of embedded system is made. The hardware and software design methods of the embedded system experiment platform applied to the case teaching are analyzed, and the implementation of the embedded system experiment teaching case is analyzed in detail. The practice shows that the reform of the embedded system case-based experimental teaching mode deserves further research and promotion.

embedded system; experimental teaching; teaching platform; teaching case

謝東，博士，副教授，銅陵學(xué)院。研究方向：嵌入式技術(shù)、新能源發(fā)電。

安徽省高校自然科學(xué)基金重點資助項目(編號：KJ2015A245) 。

1672-6758(2017)05-0009-4

G642.0

A