計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)

鐘 錦

(合肥師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽合肥230601)

科學(xué)構(gòu)建嵌入式人才培養(yǎng)體系，深刻理解嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，培養(yǎng)出一大批創(chuàng)新型高素質(zhì)嵌入式系統(tǒng)人才是當(dāng)前地方應(yīng)用型本科院校開(kāi)設(shè)該專(zhuān)業(yè)亟待研究的課題。嵌入式系統(tǒng)課程知識(shí)關(guān)聯(lián)了電氣工程自動(dòng)化、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、通信工程等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的相關(guān)內(nèi)容，涉及單片機(jī)技術(shù)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、嵌入式操作系統(tǒng)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、匯編語(yǔ)言等多門(mén)課程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的寬基礎(chǔ)、寬專(zhuān)業(yè)有著較高要求。嵌入式系統(tǒng)課程培養(yǎng)規(guī)格決定了其實(shí)踐性強(qiáng)，課程設(shè)置大量的實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生軟硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)能力，教學(xué)中需要搭建硬件、軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境[1]。當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)體系存在很多不足，如培養(yǎng)方案缺乏系統(tǒng)性，實(shí)踐過(guò)程中缺乏足夠的訓(xùn)練規(guī)模與難度，理論講授與實(shí)驗(yàn)演練不能有機(jī)結(jié)合等。嵌入式系統(tǒng)課程較多是以傳統(tǒng)的理論化、知識(shí)化的方法講授，學(xué)生無(wú)法直接感性認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)的軟硬件知識(shí)，不能做到“一堂化”學(xué)習(xí)中去。嵌入式系統(tǒng)教材大多是以知識(shí)點(diǎn)來(lái)組織相關(guān)的章節(jié)，缺乏實(shí)際案例引導(dǎo)學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，難以將抽象的知識(shí)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)緊密結(jié)合。本文根據(jù)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐性、綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出合適的模塊化嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方案。

1 嵌入式系統(tǒng)模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)思路

計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式改革涉及嵌入式課程體系的設(shè)置、理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展、綜合設(shè)計(jì)與學(xué)生工程實(shí)訓(xùn)等方面，教學(xué)體系設(shè)計(jì)以培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證能力為出發(fā)點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生的軟硬件設(shè)計(jì)能力、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)能力為導(dǎo)向，構(gòu)建精講多練的模塊化課程體系和教學(xué)知識(shí)體系。

1.1 合理設(shè)置分層培養(yǎng)教學(xué)環(huán)節(jié)

嵌入式教學(xué)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)分層次培養(yǎng)環(huán)節(jié)。在教學(xué)中可按照人才培養(yǎng)分類(lèi)，分層次進(jìn)行嵌入式人才培養(yǎng)：一是以面向應(yīng)用為主，培養(yǎng)學(xué)生能夠針對(duì)某個(gè)具體的嵌入式系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)的能力，這屬于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的基本層次，培養(yǎng)嵌入式應(yīng)用軟件人才；二是培養(yǎng)的學(xué)生能夠進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，具有綜合系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用能力，因此，在教學(xué)過(guò)程中注重培養(yǎng)學(xué)生軟件、硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力[2]。

1.2 優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容

以人才培養(yǎng)與社會(huì)行業(yè)需求度為導(dǎo)向，以“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)”為目標(biāo)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革創(chuàng)新。做到課程結(jié)構(gòu)“任務(wù)模塊化”、課程模塊“動(dòng)態(tài)組合化”；使課程結(jié)構(gòu)和教學(xué)內(nèi)容不斷更新。實(shí)際教學(xué)中采用靈活多樣的教學(xué)方法體系，具體方法：(1)對(duì)于初級(jí)嵌入式系統(tǒng)各模塊按統(tǒng)一模式講解，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，加深對(duì)嵌入式軟硬件結(jié)合的理解；(2)通過(guò)函數(shù)封裝等技術(shù)對(duì)外設(shè)、接口設(shè)置和操作進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，如在以NXP單片機(jī)為核心的初級(jí)嵌入式系統(tǒng)上，進(jìn)行硬件和軟件模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)；(3)針對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，保持課程實(shí)驗(yàn)課之外，進(jìn)一步加強(qiáng)綜合性的課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)獨(dú)立開(kāi)設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)安排，鍛煉學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。對(duì)于部分章節(jié)采用討論式教學(xué)，老師引出問(wèn)題，學(xué)生進(jìn)行討論，共同設(shè)計(jì)。在不斷討論、解決問(wèn)題的過(guò)程中，有利于學(xué)生獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)和靈活、綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)能力的提高。結(jié)束時(shí)，老師對(duì)設(shè)計(jì)原理、方法和注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，這樣可以激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。

2 嵌入式系統(tǒng)模塊化教學(xué)具體設(shè)計(jì)方案

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系構(gòu)建貫穿“以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心”“實(shí)踐教學(xué)”等教學(xué)理念，模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)具體如下。

2.1 精細(xì)劃分實(shí)驗(yàn)課程功能單元

嵌入式系統(tǒng)課程因其自身特點(diǎn)，目前理論課按照不同的功能單元進(jìn)行教學(xué)，相應(yīng)地實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也按功能單元進(jìn)行劃分，但大多數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是采用最小系統(tǒng)板加底板形式的實(shí)驗(yàn)箱，不易擴(kuò)展和攜帶。筆者曾在教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)了嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的“口袋化”方案，即把整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為最小系統(tǒng)板、輸入輸出單元板和交互接口板三塊，方便學(xué)生攜帶和課后學(xué)習(xí)演練。細(xì)化初級(jí)嵌入式課程的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，盡可能劃分成不可再分割的基本功能模塊，如單片機(jī)與電腦的異步串行通信模塊，制作以MAX232為核心的電路板，配有單片機(jī)和電腦數(shù)據(jù)接口以及電源接口；繼電器模塊，制作以繼電器為核心的小電路板，配有單片機(jī)開(kāi)關(guān)信號(hào)接口和繼電器開(kāi)合線路接口；最小系統(tǒng)板則根據(jù)所連的外圍模塊分別給出各模塊的數(shù)據(jù)接口。按功能需求連接需要配置的外圍模塊，進(jìn)行可裁剪式的硬件設(shè)計(jì)。對(duì)不同的功能模塊在軟件上按照模式設(shè)置、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作進(jìn)行封裝。教學(xué)上按照功能原理、操作接口和應(yīng)用進(jìn)行解析。課堂教學(xué)上，不同功能的模塊可按原理、操作、應(yīng)用這種模式講解，便于學(xué)生歸納學(xué)習(xí)理解。理論課講解之后可以隨即分發(fā)最小系統(tǒng)板和相應(yīng)的硬件模塊，實(shí)現(xiàn)理論講授、實(shí)驗(yàn)演練的“一堂化”，讓學(xué)生能理論與操作相結(jié)合，當(dāng)堂消化，提高學(xué)習(xí)和運(yùn)用效率[3]。

2.2 設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模塊化平臺(tái)

嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)中努力做到硬件和軟件的模塊化設(shè)計(jì)，一方面便于后續(xù)系統(tǒng)的擴(kuò)展與升級(jí)，另一方面方便與其他嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相融合。模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)體現(xiàn)易擴(kuò)展性和可裁剪性，一方面便于教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一培訓(xùn)，另一方面便于學(xué)生根據(jù)功能需求裁剪模塊，直接進(jìn)行插件式、積木式系統(tǒng)搭建與實(shí)現(xiàn)，便于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)意類(lèi)的競(jìng)賽或項(xiàng)目設(shè)計(jì)，有助于提高學(xué)生的系統(tǒng)搭建實(shí)現(xiàn)效率、培養(yǎng)創(chuàng)新興趣和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，具體步驟如下。

（1）各硬件模塊的調(diào)用與規(guī)范化接口設(shè)計(jì)。各規(guī)范化硬件模塊接口設(shè)計(jì)包括：I/O接口模塊中的撥碼開(kāi)關(guān)、小鍵盤(pán)、LED顯示燈、液晶顯示、蜂鳴器等各組件的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；模擬電路預(yù)處理模塊、片外A/D模塊與D/A模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等；通信模塊：SCI、I2C、SPI各通信接口電路的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及常用無(wú)線通信模塊的接口規(guī)范化設(shè)計(jì)；中轉(zhuǎn)模塊：各種電平轉(zhuǎn)換接口模塊、驅(qū)動(dòng)隔離模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；存儲(chǔ)模塊：常用片外存儲(chǔ)設(shè)備的接口設(shè)計(jì)等模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等[4]。

（2）相應(yīng)功能模塊的運(yùn)行模式初始化設(shè)置和讀寫(xiě)操作函數(shù)化封裝，并配以與該功能模塊對(duì)應(yīng)的各硬件模塊的調(diào)用實(shí)例，如多路通用I/O口模塊初始化函數(shù)、讀寫(xiě)操作函數(shù)，與之對(duì)應(yīng)的撥碼開(kāi)關(guān)、繼電器、小鍵盤(pán)、LED顯示等模塊的調(diào)用實(shí)例等。

（3）撰寫(xiě)硬件模塊功能原理和接口操作手冊(cè)。在進(jìn)行各功能模塊軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需詳細(xì)撰寫(xiě)各模塊功能原理、讀寫(xiě)操作原理、函數(shù)封裝說(shuō)明、調(diào)用手冊(cè)及對(duì)應(yīng)各硬件模塊的調(diào)用實(shí)例說(shuō)明。以智能車(chē)模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)為例：首先設(shè)計(jì)硬件電路的各個(gè)功能模塊，然后編寫(xiě)軟件模塊化功能代碼，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與調(diào)試，起到學(xué)生理論實(shí)踐“一堂化”的效果[5]，如圖1所示。

圖1 智能車(chē)模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)框架

首先是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，智能驅(qū)動(dòng)采用L298N芯片，通過(guò)I/O口與STM32嵌入式處理器相連接，采用TLP521光藕隔離器技術(shù)，防止電機(jī)運(yùn)行對(duì)嵌入式處理器及其他功能模塊產(chǎn)生電磁干擾；其次是硬件電路原理圖繪制、電路板PCB圖繪制、硬件電路元件的焊接、調(diào)試等；最后是軟件代碼編寫(xiě)，按照模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)控制模塊的軟件代碼設(shè)計(jì)成相互獨(dú)立的頭文件，主要包括LED流水燈、蜂鳴器、按鍵、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、DS18B20、顯示屏、智能小車(chē)、WiFi模塊等單元的測(cè)試程序[6]。測(cè)試程序相互獨(dú)立，既能夠單獨(dú)控制某個(gè)功能模塊，也能相互融合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師積極引導(dǎo)，更多工作是讓學(xué)生自己動(dòng)手，“一堂化”教學(xué)有利于學(xué)生加深對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理解，更重要的是提高了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)綜合應(yīng)用的能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)的人才培養(yǎng)要對(duì)學(xué)生開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)給予重視。經(jīng)過(guò)近幾年實(shí)踐探索，嵌入式系統(tǒng)模塊化教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、系統(tǒng)綜合能力、團(tuán)隊(duì)合作精神明顯增強(qiáng)，學(xué)習(xí)效率有了很大的提高。模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽項(xiàng)目類(lèi)的教學(xué)提供了很好的平臺(tái)，在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上的應(yīng)用取得了顯著成果，學(xué)生積極開(kāi)展課程設(shè)計(jì)活動(dòng)，創(chuàng)作了一批優(yōu)秀的課程設(shè)計(jì)作品取得了不少成績(jī)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)嵌入式專(zhuān)業(yè)學(xué)生獲得了全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽國(guó)家三等獎(jiǎng)、安徽省一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)，robgame比賽最佳技術(shù)獎(jiǎng)，2016年獲得安徽省首屆自制教學(xué)儀器成果獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)等好成績(jī)。并培植了多項(xiàng)國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。