ARM嵌入式教輔系統(tǒng)的教學(xué)實踐

楊澤林，　何　莉

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,重慶 400054)

0　引　言

隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來廣泛，高校對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)日益重視。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，為幫助學(xué)生更好的理解和學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)，理論教學(xué)的輔助手段多是Proteus仿真軟件[1-2]和課內(nèi)實驗。但是在實際教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)仍存在以下幾點問題: ①學(xué)生理論學(xué)習(xí)理解掌握困難。由于該課程所涉及的知識點較多，許多概念比較抽象，對于大多數(shù)初次接觸嵌入式系統(tǒng)且相應(yīng)基礎(chǔ)較差的學(xué)生而言，普遍反映嵌入式系統(tǒng)是最難學(xué)的課程之一；②學(xué)生實驗過程與理論教學(xué)知識融合困難，課程綜合設(shè)計能力差。目前許多學(xué)校選用的實驗裝置普遍追求功能強大，實驗內(nèi)容廣，項目難，配置高檔，使得裝置的軟硬件復(fù)雜[3]，初學(xué)學(xué)生不易上手,忽視了學(xué)生的實際情況，很難完成在課時內(nèi)對裝置的消化吸收和課程的教學(xué)目標(biāo)要求；③硬件上沒有實作擴展空間，實驗內(nèi)容多是驗證性程序應(yīng)用實驗，不能親生經(jīng)歷硬件的實作與軟硬件調(diào)試過程，缺乏自主性和體驗感，實驗過程懵懵懂懂；④實驗裝置的目標(biāo)MCU大多不能與Proteus仿真軟件匹配，出現(xiàn)課堂教學(xué)與實驗裝置不能無縫銜接的尷尬局面。到后續(xù)課程綜合設(shè)計時，少有能獨立實踐動手操作完成的學(xué)生。

因此，根據(jù)我校的實際情況，配合教學(xué)需要，并考慮學(xué)生學(xué)習(xí)的個體差異，本著簡單易懂，實用方便原則[4]，研發(fā)設(shè)計了以ARM LPC2138 為目標(biāo)MCU的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)輔助系統(tǒng)，學(xué)生教師一人一套。以該教輔系統(tǒng)為支撐，精心設(shè)計教學(xué)范例和實驗例程，以引導(dǎo)學(xué)生入門，打好基礎(chǔ)為目的，改革教學(xué)方法[5-7]，采用“引導(dǎo)-模仿-實踐”漸進式教學(xué)模式，使該系統(tǒng)成為學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)階段有力的教學(xué)輔助工具，在理論課堂教學(xué)上幫助任課教師很好地展現(xiàn)授課內(nèi)容；同時作為學(xué)生在課程實驗和課程設(shè)計中的必備裝置，直接應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)課程的實驗教學(xué)和課程設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)中。實踐表明：該系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中，結(jié)合例程分解、項目驅(qū)動[8]等教學(xué)方法，對教學(xué)的輔助效果十分明顯，特別是對后續(xù)課程設(shè)計、課外實踐等環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量的提高有很大的幫助。

1　教學(xué)輔助系統(tǒng)

ARM嵌入式教學(xué)輔助系統(tǒng)以經(jīng)典的ARM7 LPC2148/38 MCU[9]為學(xué)習(xí)對象，分為核心板和擴展板兩部分，如圖1所示。核心板包括ARM7處理器最小系統(tǒng)，配以串口通信/ISP下載控制接口，USB接口,電源模塊電路等。擴展板包括矩陣鍵盤、可以用作中斷輸入的獨立按鍵、字符和點陣LCD顯示接口、A/D采集電壓產(chǎn)生等輸入/輸出人機界面及引腳擴展。整個系統(tǒng)基本功能齊全，所有引腳及電源均引出，無需額外配接電源，便于與電腦配接，體積小，攜帶方便，非常便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)與擴展應(yīng)用實踐。

1.1　ARM處理器

圖1教輔系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)MCU采用的是ARM7系的一款經(jīng)典產(chǎn)品ARM LPC2148/38 MCU。ARM LPC2148/38 MCU引腳少，工作原理簡單且具有強大的處理和控制功能，含有豐富的外設(shè)資源，以及可以實現(xiàn)系統(tǒng)ISP/IAP編程，功能較為齊全。同時在Proteus仿真軟件和Keil編程軟件中均支持該MCU，因此特別適合作為ARM嵌入式系統(tǒng)課程基礎(chǔ)階段的教學(xué)與學(xué)習(xí)實踐。

1.2　串口通信及ISP下載控制接口

串口通信使用的是LPC2148/38 MCU的串口0。 LPC2148/38 MCU的串口0是ARM處理器的主要組成部分之一，不僅可以用于學(xué)習(xí)與PC機的串行通訊，配以相應(yīng)的ISP電路后，PC機借助ARM集成開發(fā)編程軟件還可以將應(yīng)用程序直接下載到MCU中進行應(yīng)用實踐，降低了教輔系統(tǒng)的使用要求，方便了實踐教學(xué)的需要。

1.3　USB接口及電源

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USB相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容；為了使用方便，教輔系統(tǒng)利用USB接口供電，串口下載程序，有效地利用了它的功能資源。

1.4　輸入/輸出及引腳擴展

作為教輔系統(tǒng)的共性功能，幾乎在所有的應(yīng)用學(xué)習(xí)以及程序調(diào)試中都會使用到相應(yīng)的I/O接口。因此將P1端口用于字符LCD(LM1602)與點陣LCD(QC12864)的共用輸出，配合矩陣鍵盤輸入端口，同時設(shè)計相應(yīng)例程在課堂上講授和練習(xí)，適當(dāng)降低了學(xué)生自學(xué)時的使用難度，提高實踐的應(yīng)用效率。同時將所有引腳及電源在擴展板上通過插針引出，極大地方便學(xué)生接入其他擴展應(yīng)用的硬件。

1.5　系統(tǒng)軟件及例程SDK

教輔系統(tǒng)的軟件教學(xué)主要是對Poteus仿真軟件[10]、Keill集成開發(fā)軟件[11]、Flash Magic編程下載等3個工具軟件的認(rèn)識，內(nèi)容涉及到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，電路原理圖的匯制，程序下載與仿真運行、改錯等應(yīng)用工程模板。例程SDK包含了LPC 2138/48MCU所有初始化控制函數(shù)，常見的人機接口輸入輸出函數(shù)等內(nèi)容，供設(shè)計者調(diào)用使用，屬于高級應(yīng)用范疇。例程SDK的學(xué)習(xí)和應(yīng)用是幫助學(xué)生更好地進入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)的有效方式，因此，例程設(shè)計至關(guān)重要，不僅是對課程教學(xué)內(nèi)容的驗證，加深和鞏固對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的認(rèn)識，也是引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)培養(yǎng)開發(fā)創(chuàng)新能力的橋梁。例程SDK開發(fā)運用單元模塊知識進行設(shè)計，遵循從基礎(chǔ)開始，由簡到難，從小模塊到大系統(tǒng)保證例程開發(fā)連續(xù)性，應(yīng)用與原理并存的原則，設(shè)計嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)范例。該教輔系統(tǒng)不僅提供了LPC2138/48 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)量很好。

2　教學(xué)實踐

2.1　教學(xué)模式

ARM嵌入式系統(tǒng)課程所涉及的知識面廣，原理性、專業(yè)性、綜合性、前沿性都比較強，ARM芯片資源豐富，實際應(yīng)用廣泛，軟硬件技術(shù)綜合應(yīng)用性強，學(xué)生理解掌握不容易。因此在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，部分引入翻轉(zhuǎn)課堂理念[12]，調(diào)整學(xué)時分配，以案例教學(xué)和項目驅(qū)動教學(xué)提高學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)原理和應(yīng)用的認(rèn)識和掌握。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“理論結(jié)合實踐，專業(yè)結(jié)合應(yīng)用”，以教輔系統(tǒng)為支撐建立起“引導(dǎo)-模仿-實踐”的漸進式教學(xué)模式，如圖2所示。以應(yīng)用為主組織教學(xué)內(nèi)容，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；以教輔系統(tǒng)為支撐設(shè)計相應(yīng)的例程項目及范例實踐，分解講授，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，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)軟硬件開發(fā)技術(shù)的完整認(rèn)識，初步具備嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用的基本技能。

圖2　基于教輔系統(tǒng)的教學(xué)構(gòu)架

2.2　教學(xué)方法

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)課程的特點，以教輔系統(tǒng)為支撐，設(shè)計相應(yīng)的例程項目和教學(xué)范例實踐，從“基礎(chǔ)模塊訓(xùn)練-小項目例程模仿-簡單應(yīng)用設(shè)計-開發(fā)擴展提高”4個層次逐步展開教學(xué)。①在教學(xué)初期以嵌入式產(chǎn)品實例介紹嵌入式系統(tǒng)的實際應(yīng)用及發(fā)展前景，讓學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)有一定的初步印象，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。在這里，可以采用一種“倒推式”教學(xué)法[13]，即以某個實際嵌入式產(chǎn)品為例，如采用D/A或PWM實現(xiàn)的音樂播放器，將其倒推分解到產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程，并將其歸屬到課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容單元模塊(GPIO、定時器、A/D 、D/A、PWM及VIC中斷等)。在課程教學(xué)中，以產(chǎn)品的模塊為核心教學(xué)范例，組織教學(xué)內(nèi)容，對相應(yīng)的教學(xué)模塊進行范例教學(xué)及實踐，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的基本技能。②ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計應(yīng)用環(huán)境，即編程仿真軟件、工程建立和配置等軟件教學(xué)，是嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)不可繞開的第一步，學(xué)生在實際學(xué)習(xí)過程中極其容易出錯，導(dǎo)致學(xué)習(xí)的自信心受挫。因此以教輔系統(tǒng)為支撐，在課堂教學(xué)和實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，充分利用教輔系統(tǒng)編制了一組實用的例程SDK和教學(xué)范例[14]，如GPIO類的LCD、矩陣鍵盤等模塊含源代碼的SDK，串行通訊類的短信收發(fā)遠(yuǎn)程控制，PWM、D/A類的音樂播放器、A/D類的簡易頻譜分析儀及溫度測量等范例設(shè)計供學(xué)生程序閱讀、練習(xí)模仿。將采用匯編語言和C語言設(shè)計的教學(xué)例程SDK對實踐范例進行步驟分解，并對關(guān)鍵步驟進行了詳細(xì)注解，在課堂上要求學(xué)生跟著教師逐步模仿、操作、實踐學(xué)習(xí)，而且寫出書面的總結(jié)體會，確保學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)中能順利邁出這第一步。教師在授課中分解各例程，讓學(xué)生分模塊模仿應(yīng)用學(xué)習(xí)，在模仿中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中提高。③加強實踐訓(xùn)練。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，編寫了相應(yīng)的實踐訓(xùn)練項目，如計算器設(shè)計、電子日歷制作、動畫顯示(廣告)屏、正弦波示波器、直流電動機調(diào)速、步進電動機調(diào)速、條碼掃描顯示、音樂播放器、SD卡文件讀寫、RFID IC卡讀寫器等項目。這些教學(xué)實踐訓(xùn)練項目不僅包含了課程理論知識的內(nèi)容，而且涉及程序的編寫，系統(tǒng)設(shè)計的流程等嵌入式技術(shù)要求。在實踐項目訓(xùn)練過程中，要求學(xué)生從能跟著教師操作演示逐步實現(xiàn)以教輔系統(tǒng)為基礎(chǔ)，輔以必要的簡單硬件設(shè)計制作，分組自選項目并獨立完成相應(yīng)項目的應(yīng)用開發(fā)設(shè)計；在訓(xùn)練項目實踐過程中不斷再學(xué)習(xí)和升華講授的知識。④將課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)和課外學(xué)生競賽、科研活動等作為嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)的延伸和提高。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)可以由老師指定或?qū)W生根據(jù)個人喜好選擇題目，1或2人一組，設(shè)計一些相對綜合的應(yīng)用設(shè)計項目，進一步加深學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的認(rèn)識，并培養(yǎng)一定的嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)應(yīng)用設(shè)計能力。

2.3　教學(xué)案例

表1　“音樂播放器”教學(xué)案例的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)要求，以教學(xué)輔助系統(tǒng)為支撐，教師精心組織了“音樂播放器”項目案例[15-16]的教學(xué)內(nèi)容如表1所示。在整個案例教學(xué)內(nèi)容設(shè)計中，每個訓(xùn)練子例程在課程教學(xué)中提供了相應(yīng)的基本的SDK，首先由老師結(jié)合課程理論知識進行SDK分解講授，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用；然后學(xué)生可根據(jù)自己的喜好改變對應(yīng)的SDK，實現(xiàn)個性化的小設(shè)計和個別調(diào)節(jié)，比如音樂的曲目切換方式，音樂的音量音調(diào)調(diào)節(jié)等；學(xué)生借此理解ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的內(nèi)容和設(shè)計方法之后，可以開展新的提升項目訓(xùn)練。該項目案例教學(xué)設(shè)計4個學(xué)時，部分引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以“教師講解引導(dǎo)-學(xué)生實踐-學(xué)生課外作業(yè)及實踐-課堂收集教師點評”為主要的教學(xué)方法，實踐證明該教學(xué)案例設(shè)計獲得了很好的教學(xué)效果。項目案例化教學(xué)是目前普遍采用的一種教學(xué)改革手段，在編寫項目案例時不是簡單地給出程序代碼和注釋供學(xué)生閱讀，而是按照費米思維(定律)向?qū)W生展示項目的分解與集成、切入點、實施步驟與過程等開發(fā)技術(shù)，達到“授之以漁”的目的。以音樂播放器為例，該案例涉及到了項目分析和技術(shù)分解、嵌入式系統(tǒng)程序架構(gòu)搭建、接口技術(shù)、定時器應(yīng)用、中斷技術(shù)及中斷應(yīng)用等概念；包含了LPC2148/38 GPIO、VIC中斷控制器、A/D、定時器、串行通信等內(nèi)部硬件模塊的初始化與使用，點陣/字符LCD、矩陣鍵盤等外部硬件的使用等；在教學(xué)案例設(shè)計上可以組織設(shè)計4個訓(xùn)練子例程：①GPIO輸入/輸出例程，實現(xiàn)音樂的起停，歌曲切換；②定時器可調(diào)周期方波輸出實例，實現(xiàn)音樂輸出的節(jié)拍調(diào)節(jié)；③A/D、D/A模擬電壓輸入輸出驗證實例(采樣驗證，音入音出)，而且D/A輸出也可與兩個定時器配合實現(xiàn)音樂播放，自制音樂文件；④PWM脈沖寬度調(diào)制方式，利用脈沖周期改變音調(diào)，利用脈沖占空比變化改變音量，自制音樂文件；最后還可以在此基礎(chǔ)上針對個別掌握比較好的同學(xué)，提出更高層次的設(shè)計要求，比如車載高清音樂播放器的設(shè)計，基于APE/FLAC數(shù)字音樂文件的音樂播放器的設(shè)計，以及音響效果的處理等，讓學(xué)生得到進一步的工程開發(fā)應(yīng)用設(shè)計的鍛煉，對學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的基本架構(gòu)有非常好的實際意義。

3　結(jié)　語

教學(xué)實踐證明，這種針對學(xué)生個體差異、以初學(xué)者為對象設(shè)計的教輔系統(tǒng)，硬件電路簡單，學(xué)生能較輕松地掌握其電路原理，契合初學(xué)者教學(xué)對象的實際狀況。功能覆蓋面廣，在完成教學(xué)大綱要求的同時還滿足不同學(xué)生的需求。外圍硬件可自主擴充，大大地提高了學(xué)生的設(shè)計及動手能力。以LPC2138為目標(biāo)MCU，靈活方便地在仿真和實物系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該教輔系統(tǒng)已經(jīng)在我校測控專業(yè)教學(xué)中投入使用2屆了，它將課堂教學(xué)、課程實驗、課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)無縫連接在一起，通過一例一問，逐題增加，承前啟后式的教學(xué)內(nèi)容與例題設(shè)計，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。將課程考試放在課程設(shè)計之后，使學(xué)生在課程設(shè)計中進一步鞏固課堂知識，考試成績大幅提高，補考率也大幅降低，大多數(shù)學(xué)生還將該系統(tǒng)用在了畢業(yè)設(shè)計中，證明該教輔系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)與實際應(yīng)用起到了很好的輔助作用。

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