電子類本科專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

摘要：分析當(dāng)前高校電子類本科專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的問題，結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域?qū)η度胧轿⑻幚砥鞯男枨蠛蛯W(xué)生自身特點(diǎn)，闡述如何改進(jìn)基于ARM Cortex-M核的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，提出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，為學(xué)生提供一種更有效和更系統(tǒng)地掌握嵌入式系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)方法的途徑。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；Cortex-M

0 引 言

電子類本科專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生掌握以嵌入式微處理器為控制核心的電子系統(tǒng)整機(jī)開發(fā)能力。學(xué)生不僅要掌握嵌入式處理器的工作原理和編程方法，更重要的是能夠全面地掌握模數(shù)混合、軟硬結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)整體開發(fā)思路、開發(fā)方法和開發(fā)流程。這就要求嵌入式系統(tǒng)配套的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、形式多樣，具有大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)的工程實(shí)例，能夠?qū)⑶度胧介_發(fā)技術(shù)的各種技巧和方法融人實(shí)驗(yàn)過程中。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅掌握了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本方法、技巧和手段，更著重培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立研究的習(xí)慣，從而具備創(chuàng)新性地開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的能力。

1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中存在的問題

隨著ARM處理器應(yīng)用的迅速發(fā)展，高校針對(duì)ARM體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)積累了大量成熟的教學(xué)資源，包括硬件設(shè)計(jì)資料、教材、開源外設(shè)驅(qū)動(dòng)軟件庫、通訊協(xié)議棧、開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境等。以ARM Cortex-M為代表的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已成為電子信息工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的主流，逐步取代了傳統(tǒng)的51系列實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但ARM Cortex-M芯片結(jié)構(gòu)比51系列復(fù)雜，軟件開發(fā)中涉及的內(nèi)容也較多，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)很難掌握其精髓。在完成實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)后，教師通過對(duì)學(xué)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大量學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中只是驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)手冊(cè)上的原理和代碼，沒有深入理解處理器內(nèi)部模塊、外圍硬件電路和軟件編程之間的關(guān)聯(lián)性，沒有真正掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，課程結(jié)束后無法進(jìn)行模數(shù)混合和軟硬結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)整體開發(fā)。這種情況在硬件相關(guān)課程中普遍存在。文獻(xiàn)[2]中提到與過去學(xué)生不同的是，當(dāng)代學(xué)生普遍缺乏鉆研精神和耐心，過于依賴軟件。缺乏鉆研精神在嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中體現(xiàn)在學(xué)生往往依賴實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，不愿意深入思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后所蘊(yùn)藏的基本原理和相互之間的關(guān)聯(lián)性，無法做到舉一反三；缺乏耐心體現(xiàn)在學(xué)生總是希望通過簡(jiǎn)單的步驟就能看到結(jié)果，而嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要理解繁瑣的配置流程并閱讀枯燥的數(shù)據(jù)手冊(cè)，學(xué)生往往會(huì)半途而廢；過度依賴軟件導(dǎo)致出現(xiàn)“軟件比硬件更加重要”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，學(xué)生越來越不愿意“干粗活”，在實(shí)驗(yàn)過程中依賴集成開發(fā)界面和軟件仿真，忽略了示波器、萬用表、焊臺(tái)等在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要作用。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沒計(jì)和改進(jìn)

目前基于ARM Cortex-M系列處理器的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)大部分都放棄了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱模式，而使用集仿真器與目標(biāo)板于一體的開發(fā)板。開發(fā)板提供了ARM Cortex-M所有硬件資源、詳細(xì)的程序代碼和編程手冊(cè)，對(duì)于教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)都非常方便；但開發(fā)板完善的設(shè)計(jì)也是造成上述問題原因之一，學(xué)生使用開發(fā)板在實(shí)驗(yàn)過程中幾乎不會(huì)遇到問題，也就不會(huì)想辦法解決各種問題，而這與真正嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程正好相反。

針對(duì)上述問題，在以ARM Cortex-M3為核心的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，我們既保留開發(fā)板的學(xué)習(xí)和驗(yàn)證功能讓學(xué)生能夠順利上手，又特意為學(xué)生制造了一些“障礙”，在部分實(shí)驗(yàn)中只有學(xué)生解決這些“障礙”才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為驗(yàn)證部分和設(shè)計(jì)部分：驗(yàn)證部分的設(shè)計(jì)與普通開發(fā)板相同，電路功能完整，實(shí)驗(yàn)手冊(cè)中提供完整的實(shí)驗(yàn)流程和詳細(xì)代碼；設(shè)計(jì)部分引出了處理器的IO端口，各個(gè)外設(shè)模塊只提供了IO端口、VDD和GND信號(hào)，且IO端口與外設(shè)模塊之間的地址線、數(shù)據(jù)線和控制信號(hào)線并沒有連接，實(shí)驗(yàn)手冊(cè)中只提供該外設(shè)模塊實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路和程序流程，學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自己動(dòng)手連接電路，并根據(jù)連接的電路編寫程序。顯然，學(xué)生要完成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)必須對(duì)處理器內(nèi)部功能、外圍硬件電路和程序流程有充分的理解，如果學(xué)生選擇的硬件連接方式不同，其編寫的程序也就各不相同，但都能夠達(dá)到相同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。?shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)組織

文獻(xiàn)[5]中討論了嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)過程中教學(xué)內(nèi)容的安排，將一些容易掌握并能夠引發(fā)學(xué)生注意力、容易看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的章節(jié)安排在前面，以一種先易后難、先外后內(nèi)的方式編排教學(xué)內(nèi)容。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上將驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行穿插安排，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)側(cè)重于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)處理器功能模塊的理解和簡(jiǎn)單應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)手冊(cè)給出了具體程序代碼并配有較詳細(xì)的注釋，學(xué)生在理解并完成驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排如表1所示。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排中，所有的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)都和前一個(gè)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)有所關(guān)聯(lián)，但又加入了新的內(nèi)容。

（1）在實(shí)驗(yàn)3“ARM匯編語言實(shí)驗(yàn)”中，要求學(xué)生使用ARM匯編語言實(shí)現(xiàn)LED流水燈功能，而學(xué)生在實(shí)驗(yàn)2中已經(jīng)驗(yàn)證過使用C語言編寫的LED流水燈功能代碼，因此會(huì)緩解學(xué)生對(duì)編寫ARM匯編語言程序的畏難情緒。一部分學(xué)生會(huì)調(diào)出實(shí)驗(yàn)2中的C語言代碼觀察反匯編的結(jié)果，提取其中匯編語言部分，再補(bǔ)充匯編偽指令；也有一部分學(xué)生會(huì)依據(jù)C語言中的程序流程，根據(jù)自己的理解來編寫匯編代碼。

（2）在實(shí)驗(yàn)5“I2C實(shí)驗(yàn)”中，學(xué)生已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)4了解了串行通訊協(xié)議的思想。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中處理器的IO引腳沒有和E2PROM芯片相連，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可以選擇使用處理器的I2C引腳來連接，也可以選擇使用其他空閑GPIO端口來連接，然后模擬I2C協(xié)議。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要使用示波器來觀察I2C引腳上的波形是否符合芯片通信所要求的I2C協(xié)議。該實(shí)驗(yàn)過程并不復(fù)雜，但有效地鍛煉了學(xué)生軟、硬件相結(jié)合的能力，即在示波器的指導(dǎo)下調(diào)試程序。由于各個(gè)學(xué)生選擇的信號(hào)線連接方式不同，學(xué)生最后提交的程序設(shè)計(jì)思路和代碼也不同，有效地避免了實(shí)驗(yàn)過程中相互抄襲的現(xiàn)象。

（3）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容有較強(qiáng)的綜合性，要求學(xué)生以Cortex-M處理器為核心設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的音頻采集系統(tǒng)：將從麥克風(fēng)采集的音頻通過揚(yáng)聲器回放。該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生使用面包板搭建兩個(gè)運(yùn)算放大電路，一個(gè)電路是麥克風(fēng)采集的聲音調(diào)整到Cortcx-M處理器ADC輸入所要求的范圍，另一個(gè)電路是將Cortex-M處理器DAC所輸出的信號(hào)調(diào)整到足以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)中需要用到前面8個(gè)實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)學(xué)過的內(nèi)容，如編程驅(qū)動(dòng)Cortex-M處理器的定時(shí)器、DMA通道、ADC、DAC、串口通信等模塊，又需要匹配模擬電路和數(shù)字電路。學(xué)生在程序調(diào)試過程中需要使用信號(hào)發(fā)生器、示波器、萬用表、焊接工具等作為輔助，有效地提升了學(xué)生對(duì)模數(shù)混合的嵌入式系統(tǒng)設(shè)汁的掌握，加深了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)整體開發(fā)思路、開發(fā)方法和開發(fā)流程的理解。部分能力較強(qiáng)學(xué)生能夠結(jié)合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集進(jìn)程和音頻流輸出進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)共享和同步，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核由老師現(xiàn)場(chǎng)檢查和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分組成。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前必須先預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)上的內(nèi)容并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告中硬件原理和程序流程分析。完成實(shí)驗(yàn)后老師現(xiàn)場(chǎng)檢查并提問，根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果和問題的吲答情況打分，分值占實(shí)驗(yàn)成績(jī)的60%。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生再根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行分析和總結(jié)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)占40%實(shí)驗(yàn)報(bào)告的設(shè)計(jì)以考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解及對(duì)問題的思考為原則，盡量減少書寫工作，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最終目的是培養(yǎng)學(xué)生能夠根據(jù)應(yīng)用需求獨(dú)立完成嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)。中南民族大學(xué)的“嵌入式系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)按照以上體系運(yùn)作了兩年，取得了較好的效果，學(xué)生普遍反映在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)了“真本領(lǐng)”，為學(xué)生學(xué)習(xí)其他后續(xù)課程、參與創(chuàng)新活動(dòng)和學(xué)科競(jìng)賽奠定了良好的基礎(chǔ)。兩年來學(xué)生參與的以Cortex-M系列為處理器平臺(tái)的學(xué)科競(jìng)賽取得了較好的成績(jī)：3人次獲湖北省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽湖北省一等獎(jiǎng)；3人次獲得全國電子設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)。在嵌入式系統(tǒng)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，社會(huì)對(duì)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和動(dòng)手能力的要求越來越高，我們?cè)诮窈蟮膶?shí)驗(yàn)教學(xué)中仍然要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步提高學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

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