基于虛擬技術(shù)的嵌入式實(shí)訓(xùn)室研究與建設(shè)

劉娜

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，　遼寧　丹東　118009）

基于虛擬技術(shù)的嵌入式實(shí)訓(xùn)室研究與建設(shè)

劉娜

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧丹東118009）

嵌入式技術(shù)相關(guān)課程實(shí)踐性強(qiáng)，需要在嵌入式實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行大量實(shí)踐教學(xué)。大部分嵌入式實(shí)訓(xùn)室由計(jì)算機(jī)和ARM實(shí)驗(yàn)箱組成。此類實(shí)訓(xùn)室有很多問題，如資金投入大，設(shè)備陳舊，型號單一，無法升級，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容狹窄等。因此本文提出一種基于軟件虛擬的實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案，解決存在的問題，節(jié)約資金，升級容易，極大改善了實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

虛擬技術(shù)；嵌入式；實(shí)訓(xùn)室

近年幾乎所有電子設(shè)備都有嵌入式系統(tǒng)的影子，研發(fā)嵌入式系統(tǒng)及其產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)前熱點(diǎn)之一。各高職校相繼開設(shè)相關(guān)課程，嵌入式技術(shù)是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，課程中的實(shí)踐教學(xué)尤為重要，因此必須建立嵌入式實(shí)訓(xùn)室。我校在建設(shè)嵌入式實(shí)訓(xùn)室時(shí)，首先根據(jù)專業(yè)崗位設(shè)置課程體系及實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃實(shí)訓(xùn)室，以滿足嵌入式技術(shù)專業(yè)的基本要求［1］。

目前各高校的嵌入實(shí)訓(xùn)室大都是通過購買實(shí)驗(yàn)平臺或?qū)嶒?yàn)箱來構(gòu)建，但是由于嵌入式設(shè)備種類繁多，再加上資金有限，一個(gè)實(shí)訓(xùn)室不可能概況所有各類嵌入式設(shè)備。目前在嵌入式實(shí)踐教學(xué)還存在很多問題，針對這些問題，本文介紹一種基于Proteus軟件、Keil μVision3和labview的嵌入式實(shí)訓(xùn)室虛擬平臺的構(gòu)建方案解決這些問題。

一、嵌入式實(shí)踐教學(xué)目前存在的問題

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資大，限制規(guī)模

嵌入式教學(xué)需要大量的硬件設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、仿真器、編程器、開發(fā)板和實(shí)驗(yàn)箱等，購置成本高，限制了實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)規(guī)模；嵌入式技術(shù)發(fā)展快，設(shè)備很容易落伍，需要二次投入資金［2］。

（二）教學(xué)方式陳舊，效果不好

由于設(shè)備不足，型號更新緩慢，大多數(shù)嵌入式技術(shù)課程教學(xué)以理論教學(xué)為主，輔助一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)也多是進(jìn)行驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上嵌入式技術(shù)課程實(shí)踐性非常強(qiáng)，實(shí)踐教學(xué)中需要很多硬件，如電腦、仿真機(jī)、實(shí)驗(yàn)電路、編程器及必要電子元器件等。一般理論課堂即便演示，效果也不好。最好就在設(shè)備充足的實(shí)訓(xùn)室，按理實(shí)一體的教學(xué)方式，學(xué)生驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)踐分階段進(jìn)行教學(xué)［3］。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，難于自行設(shè)計(jì)

授課過程中采用多媒體進(jìn)行演示，學(xué)生只有感性認(rèn)識；實(shí)驗(yàn)過程中，由于實(shí)驗(yàn)箱是個(gè)半成品，實(shí)驗(yàn)器材已經(jīng)焊好，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊；教師將所做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖孪纫?guī)定好，學(xué)生只能按照給定的步驟，調(diào)試下載程序，運(yùn)行機(jī)器看是否能夠達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。這種方式學(xué)生只是被動(dòng)接受，不能激發(fā)學(xué)員的主動(dòng)性和積極性［4］。

（四）實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，型號落后

傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)訓(xùn)室建立成本高，一般高校很難做到人手一套實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅不足，而且落后。就算有相關(guān)設(shè)備，由于嵌入式技術(shù)的發(fā)展迅速，設(shè)備的不斷老化，實(shí)驗(yàn)儀器也會(huì)很快落后，難以滿足嵌入式課程需求［5］。

（五）設(shè)備種類繁多，無法做到全面

嵌入式系統(tǒng)所用的微控制器（簡稱MCU）種類繁多，目前主流MCU有傳統(tǒng)的51系列、AVR、PIC系列以及ARM類MCU。隨著社會(huì)對人才需求快速變化，高校的嵌入式技術(shù)類課程需要不斷調(diào)整，課程中核心器件也會(huì)改變，原來的實(shí)驗(yàn)設(shè)備將被完全廢棄，必須配備新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，造成教育資金的極大浪費(fèi)，如果專業(yè)轉(zhuǎn)型更會(huì)導(dǎo)致設(shè)備浪費(fèi)［6］。

總之，大多數(shù)高校在嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)的教學(xué)手段和方法方面存在很多不足，實(shí)訓(xùn)室建設(shè)也很難滿足高職院校教育科研與教學(xué)的需求。目前我校嵌入式實(shí)訓(xùn)室只有少量實(shí)驗(yàn)箱+計(jì)算機(jī)，當(dāng)務(wù)之急配置計(jì)算機(jī)，采用軟件技術(shù)建設(shè)虛擬實(shí)訓(xùn)室，這樣才能改進(jìn)目前實(shí)訓(xùn)室的現(xiàn)狀。因此本文提出以Proteus為核心，整合Keil μVision4，利用Labview開發(fā)工具，構(gòu)建嵌入式虛擬綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。

二、嵌入式教學(xué)體系

（一）理論課程體系

通過近幾年嵌入式人才需求報(bào)告的研究，針對嵌入式技術(shù)的特點(diǎn)及我校學(xué)生師資的實(shí)際情況，我們把崗位定在：研發(fā)助理工程師，硬件測試工程師，軟件測試工程師，系統(tǒng)功能測試工程師，硬件維修工程師和嵌入式產(chǎn)品銷售工程師，技術(shù)支持工程師等崗位。

對崗位深入分析后，我們得出嵌入式技術(shù)專業(yè)的知識體系：1.掌握基本的電路知識；2.掌握主流嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)與原理；3.掌握一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)；4.熟悉嵌入式軟件開發(fā)流程并至少做過一個(gè)嵌入式軟件項(xiàng)目。

嵌入式技術(shù)理論性和工程實(shí)踐性都很強(qiáng)，是公認(rèn)有一定難度的技術(shù)。對高職學(xué)生來說，一定要遵循認(rèn)知規(guī)律，由簡單到復(fù)雜，循序漸進(jìn)，合理選取理論和實(shí)踐內(nèi)容，與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，才有助于學(xué)生對嵌入式技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的理解與掌握。

我們的專業(yè)課程體系分為三個(gè)層次，第一層次通用基礎(chǔ)課程：包含通用的基礎(chǔ)知識與基本技能課程，適度的可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)課程；第二層次專業(yè)基礎(chǔ)知識與技能：包括嵌入式技術(shù)的專業(yè)基礎(chǔ)知識與技能（電子技術(shù)、單片機(jī)原理與接口、EDA技術(shù)、操作系統(tǒng)、C/C++、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）。第三層次：涉及相關(guān)應(yīng)用方向的領(lǐng)域知識。主要課程包括：主要專業(yè)課程包括：ARM系統(tǒng)開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)、智能家居等）主要以項(xiàng)目教學(xué)為主。后二個(gè)層次必須有實(shí)訓(xùn)室做支撐，通過對主要課程分析，得到嵌入式專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

（二）嵌入式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

嵌入式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容涉及ARM系統(tǒng)開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)、單片機(jī)原理、嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)等諸多知識內(nèi)容，多學(xué)科交叉，綜合性強(qiáng)，因而學(xué)習(xí)難度大。學(xué)生只有親自動(dòng)手編程、搭設(shè)硬件電路才有助于對嵌入式知識的理解和掌握。嵌入式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)應(yīng)符合由簡單到復(fù)雜、由單一到綜合的一般特點(diǎn)，既要考慮到學(xué)生的個(gè)性化特點(diǎn)，又要照顧到學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，因此實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容分四個(gè)階段。

1.驗(yàn)證性實(shí)踐

第一個(gè)階段，以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，了解嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)平臺和軟硬件開發(fā)環(huán)境與流程，熟悉嵌入式設(shè)備的正確使用方法，安全操作規(guī)程和基本的嵌入式編程方法，并學(xué)會(huì)熟練使用嵌入式系統(tǒng)編程語言，其目的是讓學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本知識，熟悉ARM硬件結(jié)構(gòu)和嵌入式操作系統(tǒng)，進(jìn)行ARM和嵌入式Linux相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2.技能訓(xùn)練實(shí)踐

第二個(gè)階段，采用精講精練的方式進(jìn)行。課前向?qū)W生提出明確的實(shí)驗(yàn)要求，并請學(xué)生提前預(yù)習(xí)，課堂對所涉及內(nèi)容進(jìn)行介紹，并要求學(xué)生能參照實(shí)踐指導(dǎo)書修改部分代碼，實(shí)驗(yàn)后要求檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并記入成績。這部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：ARM交通燈模擬實(shí)驗(yàn)，觸摸屏應(yīng)用，ARM的圖形界面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，基于ARM的多通道儀表信號采集等項(xiàng)目內(nèi)容，學(xué)生可以按照具有參考性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的調(diào)試與修改，在親自動(dòng)手調(diào)試的過程中，潛移默化地培養(yǎng)規(guī)范的開發(fā)習(xí)慣和分析解決問題的能力。

3.綜合應(yīng)用項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)

第三個(gè)階段綜合運(yùn)用學(xué)生在基礎(chǔ)技能部分所學(xué)，創(chuàng)造性地進(jìn)行綜合應(yīng)用。教師統(tǒng)一指定題目，在第二階段即給出題目與具體要求，要求學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)行構(gòu)思與準(zhǔn)備，最后組裝代碼，實(shí)現(xiàn)功能。教師在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中給予輔導(dǎo)與指導(dǎo)。主要實(shí)踐項(xiàng)目：嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)項(xiàng)目，嵌入式Android控制系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目等。

4.工程訓(xùn)練項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)

第四個(gè)階段，學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成電路圖設(shè)計(jì)、軟硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試以及PCB制作等整個(gè)過程。在實(shí)驗(yàn)室開放期間學(xué)生自主選擇感興趣的題目進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，或進(jìn)行綜合類的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，或進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，課外科技活動(dòng)等相關(guān)內(nèi)容。項(xiàng)目涉及ARM11、嵌入式Linux、物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式開發(fā)工具等知識，如智能家居的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目、專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)等。

三、嵌入式實(shí)驗(yàn)室組成

根據(jù)我系的嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程教學(xué)內(nèi)容，嵌入式實(shí)訓(xùn)室由四部分組成，如圖1所示。

圖1　嵌入式實(shí)訓(xùn)室構(gòu)成示意圖

（一）實(shí)物驗(yàn)證系統(tǒng)

ARM11實(shí)驗(yàn)箱用來學(xué)習(xí)ARM體系結(jié)構(gòu)與原理、嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐和智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程，ARM11？實(shí)驗(yàn)平臺上主要有ARM11核心模塊和各種接口資源，支持嵌入式Linux和Wince及Android等操作系統(tǒng)。

智能家居系統(tǒng)包括ARM控制的觸摸屏可以顯示并控制現(xiàn)場情況，zigbee無線通訊功能可以使單片機(jī)與控制機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?？梢詫?shí)現(xiàn)I2C協(xié)議的通訊功能實(shí)驗(yàn)，可以提供遙控、家電（空調(diào)，熱水器等）控制、照明控制、窗簾自控、防盜報(bào)警、可編程定時(shí)控制及計(jì)算機(jī)控制等多種實(shí)驗(yàn)功能。

（二）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

其中16臺計(jì)算機(jī)連接實(shí)驗(yàn)箱，安裝Vmware軟件和Ubuntu系統(tǒng)及嵌入式相關(guān)工具，聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為實(shí)物驗(yàn)證控制系統(tǒng)；全部41臺計(jì)算機(jī)安裝Proteus、Keil及Labview等軟件，聯(lián)網(wǎng)形成作為虛擬實(shí)訓(xùn)室的硬件系統(tǒng)。

（三）軟件系統(tǒng)

利用各種仿真控制軟件，通過操縱虛擬實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，也可以完成有關(guān)驗(yàn)證性、訓(xùn)練性、綜合性及工程訓(xùn)練性實(shí)踐活動(dòng)。虛擬軟件的使用改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，由以教師中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，使學(xué)生成為實(shí)訓(xùn)室的主人，自主操作實(shí)踐活動(dòng)，有利于培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手能力，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，與真實(shí)設(shè)備效果一致，方便更新設(shè)備型號的目的。

1.Proteus軟件

Proteus是Labcenter Electronic公司研發(fā)的多功能EDA軟件，是目前最完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)仿真平臺。支持多種型號的嵌入式微控制器，如MCS-51系列、ARM（LPC系列）、PIC系列等，以及常用的外圍芯片，并提供各種虛擬儀表，能仿真分析設(shè)計(jì)各種電路。

2.Keil μVision3

Keil μVision系列集成開發(fā)環(huán)境（IDE），是國內(nèi)流行的嵌入式軟件開發(fā)平臺。為了更好地支持32位微處理器的開發(fā)，機(jī)交互界面友好，編譯器性能優(yōu)異，編譯代碼大小、執(zhí)行速率及系統(tǒng)的穩(wěn)定性均領(lǐng)先于同類產(chǎn)品，以下簡稱Keil。

3.Labview

Labview由NI公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC的程序開發(fā)環(huán)境，是用圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序相對容易，主要用于數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用開發(fā)，很容易進(jìn)行嵌入式界面的應(yīng)用軟件開發(fā)。

總之，嵌入式實(shí)訓(xùn)室建設(shè)全面考慮我校實(shí)際情況，可以模擬的設(shè)備類型多，便于項(xiàng)目開發(fā)，便于日后轉(zhuǎn)型與升級，節(jié)約資金，一勞永逸。既能夠滿足教學(xué)的需要，又能夠滿足老師進(jìn)行科研的需要；也容易根據(jù)學(xué)生的個(gè)人能力與興趣進(jìn)行單獨(dú)培養(yǎng)；為學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新，提供了良好的實(shí)踐環(huán)境。

四、應(yīng)用實(shí)例

（一）proteus和keil開發(fā)ARM系統(tǒng)應(yīng)用程序過程

1.安裝了TCP/IP協(xié)議、Proteus和Keil等軟件。

2.安裝了實(shí)現(xiàn)Proteus和Keil聯(lián)調(diào)的ARM調(diào)試器插件（VDMARM.DLL）。

3.修改keil安裝目錄下Tools.ini文件，加入TDRV8=BIN/VDMARM.DLL（“Proteus ARM Driver”）

4.打開proteus，點(diǎn)擊菜單“Debug”，選中“Use Romote Debuger Monitor”。畫好測試電路如圖2。

圖2　proteus測試硬件電路

5.在keil建立工程，編寫文件，設(shè)置Project菜單的“Option for Target”，在“Debug”選項(xiàng)卡中“Proteus ARM Driver”，設(shè)置通信接口。

6.編譯通過后，點(diǎn)擊仿真執(zhí)行開始按鈕，觀察proteus仿真電路現(xiàn)象。

（二）Labview開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序

1.確認(rèn)安裝了Labview2012，Labview2012 Touch Panel Module，Microsoft ActiveSync三個(gè)軟件。

2.在Labview中創(chuàng)建工程，新建的終端和設(shè)備為Touch Panel Windows CE 5.0 Device，添加測試內(nèi)容，添加VI程序到項(xiàng)目，編譯形成可執(zhí)行文件，找到Touch Panel Tutorial.exe，拷貝執(zhí)行文件到ARM11實(shí)驗(yàn)箱中，測試程序界面如圖3。

圖3　Labview測試程序

五、使用效果

為驗(yàn)證虛擬實(shí)訓(xùn)室的使用效果，針對兩種實(shí)訓(xùn)環(huán)境，在12級13級學(xué)生做了調(diào)查問卷。

表1　學(xué)生問卷調(diào)查表

從表中看出學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)室非常喜歡。教學(xué)過程中，能滿足不同層次學(xué)生需求，因材施教，鍛煉了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

六、結(jié)論

實(shí)踐證明，該虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺幾乎完成全部嵌入式實(shí)踐教學(xué)，能仿真多數(shù)嵌入式硬件系統(tǒng)；隨著技術(shù)發(fā)展，虛擬平臺可以不斷升級，不需要硬件投入；虛擬平臺不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)儀器和元器件缺乏帶來的問題，零耗材和零儀器損壞，系統(tǒng)維護(hù)方便；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面，系統(tǒng)軟硬件調(diào)試方便，便于學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有效地提高了學(xué)生分析解決實(shí)際工程問題的綜合能力。

［1］呂雪峰，趙軍芬.嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模式研究與應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007，（10）.

［2］曲學(xué)樓，王富昕.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地的建設(shè)與探索［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，（25）.

［3］李珍香.《嵌入式系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討［J］.福建電腦，2009，（1）.

［4］賴曉晨，劉文杰.高校嵌入式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，（6）.

［5］李霞等.實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，（3）.

［6］殷蘇民等.基于Proteus的ARM虛擬開發(fā)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，（5）.

（責(zé)任編輯：卓如）

TP368.1

A

1671-802X（2016）01-0072-04

2015-12-26

劉娜（1967-），女，遼寧丹東人，副教授，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)、單片機(jī)研究及教學(xué)。E-mail：36177689@qq.com.

遼寧機(jī)電基金項(xiàng)目（JYLX2015005）