基于項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實驗教學研究與設計

湖北民族學院科技學院 李曉艷 向麗萍 徐 建

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基于項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實驗教學研究與設計

湖北民族學院科技學院 李曉艷 向麗萍 徐 建

【摘要】針對目前高校中嵌入式系統(tǒng)實踐教學存在的一系列問題，本文探索并提出了以工程項目驅(qū)動的實驗教學模式。根據(jù)嵌入式實驗教學目的，設計了具體可行的實驗項目。學生通過完成該系統(tǒng)的設計和開發(fā)，可以充分掌握嵌入式系統(tǒng)的工作原理以及工程項目的開發(fā)流程，教學實踐表明，效果良好。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；項目驅(qū)動；實踐教學

1　前言

近幾年來，隨著嵌入式技術(shù)的廣泛應用，對嵌入式技術(shù)人才的需求急劇增長，直接推動了嵌入式技術(shù)成為高校計算機課程體系的核心課程。嵌入式系統(tǒng)是一個多技術(shù)融合的研究領(lǐng)域，包含了嵌入式微處理器、嵌入式軟件設計、實時操作系統(tǒng)、低功耗計算、系統(tǒng)可靠性設計、設計方法學、嵌入式系統(tǒng)設計工具、嵌入式多處理器系統(tǒng)設計、網(wǎng)絡化嵌入式系統(tǒng)、接口和混合信號系統(tǒng)等諸多知識點［1］，課程的實踐性強，在教學中僅僅依靠有限的課堂理論教學和一些驗證性實驗是無法將嵌入式技術(shù)的開發(fā)和工程應用結(jié)合起來，不能提高學生的創(chuàng)新實踐能力，也無法滿足企業(yè)的用人需求。

為了解決這些問題，我們探索并提出以項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實踐教學模式， 通過實際工程項目來培養(yǎng)學生對嵌入式系統(tǒng)的硬件基本體系和結(jié)構(gòu)、嵌入式軟件開發(fā)流程、系統(tǒng)調(diào)試等知識的掌握，使學生具備基本的嵌入式項目開發(fā)知識和能力。

2　嵌入式實驗現(xiàn)狀

2.1嵌入式系統(tǒng)實驗教學的目標和特點

嵌入式系統(tǒng)是理論與實踐結(jié)合密切的課程， 理論框架是重要的，但實踐的重要性更為突出，其主要特點有：（1）實踐性。嵌入式系統(tǒng)與實際應用緊密相連，其設計有很強的實踐性，教學中沒有完備的實踐環(huán)節(jié)，嵌入式系統(tǒng)課程學習就猶如紙上談兵［2］；（2）軟硬件高度結(jié)合。一個完整的嵌入式系統(tǒng)需要在軟硬件基礎(chǔ)之上工作［3］，其中底層硬件是實驗的基礎(chǔ)平臺，嵌入式操作系統(tǒng)是重點，嵌入式系統(tǒng)的應用程序設計是關(guān)鍵；（3）知識和技術(shù)更新速度快。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日新月異，因此在實驗內(nèi)容和實驗設備上，都必須不斷發(fā)展更新。

2.2嵌入式系統(tǒng)實踐教學的現(xiàn)狀

目前多數(shù)院校都延用舊有的嵌入式系統(tǒng)實驗教學，但效果欠佳。首先，實驗安排中，驗證性實驗過多，單一性基礎(chǔ)實驗多，綜合性開發(fā)實驗少；其次，實驗缺乏系統(tǒng)性，傳統(tǒng)的實驗教學總是按相關(guān)課程講授順序來安排實驗，這樣能夠很好地為課程理論教學服務，但各個實驗相互之間沒有關(guān)聯(lián)，使學生很難通過實驗對嵌入式系統(tǒng)設計有一個直觀、整體的認識。以本校嵌入式實驗為例，實驗中雖然安排了操作系統(tǒng)移植，驅(qū)動開發(fā)，應用開發(fā)等一系列實驗，但每個實驗都是單一的驗證性實驗，無法將整個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程串連起來，造成學生學完課程之后任然不懂如何應用，拿到一個實際的工程項目后茫然不知如何下手；最后，嵌入式實驗設置與實驗室資源配置不合理。嵌入式技術(shù)跟實際應用緊密結(jié)合，且技術(shù)更新速度快，這就造成部分實驗設備落后，難以與快速發(fā)展的嵌入式硬件與軟件開發(fā)同步；實驗資源長期閑置，利用率低。

為了使理論教學和實踐教學更好的結(jié)合起來，提高學生的動手能力，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)課程的主要特點，我們嘗試著基于項目驅(qū)動的教學模式。項目驅(qū)動化教學，就是以項目為載體，將課程講授的知識點穿插于其中，注重課程理論體系的完整性，達到理論實踐一體化、傳授知識與培養(yǎng)能力一體化、“教、學、做”一體化的培養(yǎng)工程人才的教學方法，這種教學模式比較適合那些實踐性較強的課程［4～5］。

3　實驗項目背景及總體構(gòu)架

基于項目驅(qū)動的實踐教學，將其工程背景設計為一種基于嵌入式技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)借助計算機圖像處理、模式識別等技術(shù)，可以在無人值守的情況下，實時檢測監(jiān)控場景下的運動目標，從而觸發(fā)報警行為，如蜂鳴器報警、抓拍和錄像等，客戶端也能在瀏覽器中查看到監(jiān)控畫面。運動目標檢測，就是將監(jiān)控中的運動目標從背景圖像中識別出來。設計運動檢測目的是用來實現(xiàn)智能視頻監(jiān)控功能。

3.1系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)的基本組成主要包括圖像采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊（動態(tài)目標檢測）、數(shù)據(jù)顯示模塊（播放器）和報警模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1　智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

整個實驗項目包含的主要知識點有：linux嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建、linux設備驅(qū)動、linux應用程序開發(fā)。

我們根據(jù)項目所需求的知識點將整個工程項目分解為4部分實驗，在實驗內(nèi)容安排上，拋棄了傳統(tǒng)實驗教學中的面面俱到的方式，完全以項目為中心，有選擇的將理論知識融入到各個實驗部分，使得學生既能通過實驗加深對理論知識的理解，又能掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個流程。

3.2硬件設計

硬件是實驗基礎(chǔ)平臺，在設計中主要涉及到各種芯片（嵌入式微處理器、存儲器、接口部件等）與外設部件的連接，學生需要了解嵌入式處理器，存儲器以及各種外部接口的基本知識。但針對計算機專業(yè)，我們將教學重點放在軟件部分，因此我們直接選擇已有的嵌入式系統(tǒng)實驗平臺。選擇這個工程項目作為實驗背景，是因為所需要的硬件資源較少，可以充分利用已有的實驗設備。實驗平臺選擇了英蓓特公司的EMBV210平臺，處理器為ARM Cortex-A8 S5PV210，主頻達到了1GHz，并搭載512MB Nand Flash，1GB DDR SDRAM，搭配一個USB攝像頭和一個音箱。

3.3基礎(chǔ)實驗

搭建開發(fā)環(huán)境是一個應用系統(tǒng)設計的基本，尤其是嵌入式系統(tǒng)中涉及到交叉編譯這個概念，很多學生無法理解。我們在部分實驗中安排了搭建嵌入式開發(fā)的軟硬件環(huán)境實驗，如系統(tǒng)引導程序（Bootloader）移植、Linux操作系統(tǒng)的移植、交叉編譯環(huán)境搭建、開源圖像庫OpenCV的移植等。這些實驗的目的在于能夠培養(yǎng)學生對于嵌入式系統(tǒng)有關(guān)特性的理解，并且可以深入到嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核中進行操作系統(tǒng)方面的調(diào)用和測試，使得學生了解關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的基本有關(guān)操作，以及有關(guān)嵌入式操作系統(tǒng)進程、線程、內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的編程，并且為之后的高級應用設計打下基礎(chǔ)。

3.4驅(qū)動程序?qū)嶒?/p>

嵌入式系統(tǒng)跟普通微型計算機不同，它是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)”，在實際應用中它需要操作各種各樣的外部設備，在系統(tǒng)中驅(qū)動程序作為內(nèi)核的一部分提供對設備操作的支持，主要針對開發(fā)平臺上的多種接口：I2C、SPI、IO、A/D、中斷等，程序主要包括設備的打開和釋放、設備的讀寫、設備的控制管理等。嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動程序?qū)嶒炛饕寣W生們掌握各種典型外設的驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)模式和規(guī)則，以及嵌入式驅(qū)動程序開發(fā)的基本流程。本系統(tǒng)要完成視頻監(jiān)控和報警，需要實現(xiàn)的驅(qū)動程序包括USB攝像頭驅(qū)動和聲卡驅(qū)動。由于操作系統(tǒng)內(nèi)核中己經(jīng)支持多種類型的攝像頭和聲卡，所以在實際開發(fā)中只需根據(jù)具體的型號進行相關(guān)的修改和擴充，就能夠適應不同種類的驅(qū)動環(huán)境。

3.5高級應用程序設計實驗

高級應用的實驗內(nèi)容主要包括2個方面：圖形界面編程和高級應用程序的移植。圖形界面采用具有良好發(fā)展前景的Qt/E，學生能夠在此基礎(chǔ)上使用Linux自帶的工具進行C++編程來完成實驗內(nèi)容；另外，Linux有豐富的開源軟件資源，可以把許多成熟的軟件移植到嵌入式平臺上，節(jié)省開發(fā)時間和精力。在這個系統(tǒng)中可移植的軟件包含播放器和運動檢測程序等。

4　總結(jié)

本文從嵌入式系統(tǒng)實踐教學的現(xiàn)狀出發(fā)，分析了目前實踐教學所存在的問題，并提出以實際項目為基礎(chǔ)，由簡入難，將嵌入式系統(tǒng)理論知識分解到具體的嵌入式系統(tǒng)實驗中，建立起一個完整開發(fā)流程。學生通過完成該系統(tǒng)的設計和開發(fā)，可以充分了解嵌入式系統(tǒng)的工作原理以及在實際工程項目中的開發(fā)和應用方法［6］。提高學生創(chuàng)新能力是一個長期的過程，我們將繼續(xù)探索理論教學和實驗教學一體化的方法，不斷的豐富實踐教學內(nèi)容，獲取更多的實踐項目。

參考文獻

［1］章民融，徐亞鋒.嵌入式教學關(guān)鍵點的研究和嵌入式實驗教學平臺的設計［J］.計算機應用與軟件，2009，26（3）：160-162.

［2］劉雍，馬玉春，汪文彬，等.項目驅(qū)動在嵌入式系統(tǒng)實驗教學改革中的初探［J］.中國科教創(chuàng)新導刊，2014（13）：23-24.

［3］鄭寧漢，陶品，宋思超.嵌入式實驗系統(tǒng)設計原則的一些探討［J］.計算機教育，2014（5）：118-121.

［4］李妍.項目化教學在嵌入式系統(tǒng)實踐課程中的探索［J］.實驗室科學，2012，15（5）：27-29.

［5］張騰飛，王保云.基于問題設計的嵌入式實踐創(chuàng)新人才境況體系研究［J］.人才培養(yǎng)改革，2013，22：56-58.

［6］譚筠梅，王履程，藍天.基于工程項目引領(lǐng)的嵌入式系統(tǒng)實驗設計［J］.實驗科學與技術(shù)，2014，12（6）：101-103.

基金項目：湖北民族學院科技學院教學研究項目（KY201112，KYJY201507，KY201111）湖北民族學院教學研究重點項目（2014JY005）。

通訊作者：徐建。