嵌入式程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)探索

邊蓓蓓 許琳 秦鐘

摘要：為了深化培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的教學(xué)方法改革，對(duì)計(jì)算機(jī)嵌入式開(kāi)發(fā)實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行思考與探索，結(jié)合樹(shù)莓派實(shí)踐項(xiàng)目，提出全新的實(shí)踐教學(xué)模式。 關(guān)鍵詞：樹(shù)莓派;嵌入式;創(chuàng)新人才;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）01-0122-02

1 引言

在建設(shè)成創(chuàng)新型國(guó)家目標(biāo)的背景下，社會(huì)需求也隨之多元化，以“應(yīng)用型創(chuàng)新人才”為主的人才需求也為高等學(xué)校實(shí)踐類型的課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革提供了明確的方向。本次嵌入式實(shí)踐教學(xué)探索依據(jù)本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合青軟實(shí)訓(xùn)的基于樹(shù)莓派的智能小車實(shí)訓(xùn)方案，旨在培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神，為了進(jìn)一步學(xué)習(xí)和就業(yè)打下基礎(chǔ)。

2 項(xiàng)目介紹

智能小車系統(tǒng)集成了環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體，集中運(yùn)用了嵌入式、傳感、信息、通信、控制等技術(shù)。項(xiàng)目使用嵌入式C語(yǔ)言或Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，樹(shù)莓派電腦板Raspberry Pi B搭載Raspbian操作系統(tǒng)，通過(guò)完成GPIO驅(qū)動(dòng)電機(jī)，光電傳感器或超聲波傳感器循跡、避障、測(cè)距、云臺(tái)控制，紅外、WIFI、APP等控制功能，使學(xué)生熟悉嵌入式開(kāi)發(fā)板硬件知識(shí)，掌握樹(shù)莓派的開(kāi)發(fā)過(guò)程以及控制外圍設(shè)備的原理。

樹(shù)莓派小車效果圖如圖1所示。主控部分由樹(shù)莓派完成，負(fù)責(zé)感知系統(tǒng)信息的采集與分析，并根據(jù)分析結(jié)果控制小車的運(yùn)行方向;感知部分由光電傳感器和超聲波傳感器等組成，進(jìn)行小車運(yùn)行軌跡的識(shí)別以及障礙物的探測(cè);執(zhí)行部分由直流電機(jī)來(lái)完成，控制小車的運(yùn)行方向和速度。

3 實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程

采用集中周的教學(xué)方式，時(shí)長(zhǎng)是2周或3周，可以根據(jù)情況適當(dāng)增減獨(dú)立模塊。分組教學(xué)，每組3-4人，分工合作。

3.1實(shí)訓(xùn)目的

在技術(shù)方面，學(xué)生掌握樹(shù)莓派操作系統(tǒng)的安裝與使用、嵌入式開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編程以及如何驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備控制，同時(shí)，熟悉光電傳感器、超聲波傳感器在嵌入式領(lǐng)域中的應(yīng)用，培養(yǎng)應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維;而在職業(yè)素養(yǎng)方面，本次實(shí)訓(xùn)教學(xué)鍛煉學(xué)生問(wèn)題解決能力、總結(jié)歸納能力，并培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)和協(xié)同工作的意識(shí)，提高溝通能力和自我表達(dá)能力，這也是專業(yè)人才的重要素養(yǎng)。

3.2實(shí)訓(xùn)設(shè)備

核心板是樹(shù)莓派三代B型，采用1.2GHz 四核 Broadcom BCM2837 64位 ARMv8處理器，板載WiFi和低功耗藍(lán)，配備1GB RAM4，支持SD卡儲(chǔ)存操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù);搭配操作系統(tǒng)是樹(shù)莓派專用Raspbian（基于Debian）;車輪驅(qū)動(dòng)是TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng);循跡功能和避障功能使用紅外傳感器和超聲波傳感器;電源系統(tǒng)采用電池+LM2596S開(kāi)關(guān)電源。

3.3實(shí)訓(xùn)任務(wù)

項(xiàng)目主模塊分為主控模塊、循跡模塊、紅外避障模塊、超聲波避障模塊、攝像頭模塊;手機(jī)APP模塊分為行駛功能控制和配置界面。根據(jù)以上模塊，實(shí)訓(xùn)任務(wù)可以分為以下幾個(gè)主要部分，每個(gè)部分分配2-8課時(shí)：

1）組裝小車：此內(nèi)容可以根據(jù)課時(shí)選做。

2）開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝和配置：下載和燒寫raspbian操作系統(tǒng)，采用ssh方式和VNC方式遠(yuǎn)程登錄并創(chuàng)建開(kāi)發(fā)目錄。

3）實(shí)現(xiàn)蜂鳴器和報(bào)警功能：通過(guò)控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，掌握wiringPi庫(kù)的使用。

4）實(shí)現(xiàn)小車直行和拐彎：智能小車的行駛控制包括直行、后退、左拐、右拐、停止等動(dòng)作。四個(gè)電機(jī)用兩個(gè)TB6612FNG（IC1、IC2）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，IC1驅(qū)動(dòng)小車的左前輪與右前輪，IC2驅(qū)動(dòng)小車的左后輪與右后輪，四個(gè)車輪分別對(duì)應(yīng)原理圖中的A路、B路、C路、D路，原理圖如圖2所示。

5）紅外模塊任務(wù)：當(dāng)光電傳感器探測(cè)到物體即輸出脈沖，輸入到CPU中進(jìn)行處理，再對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制小車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)循跡、避障或遙控等功能。

6）超聲波模塊任務(wù)：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，最后可以根據(jù)聲速、時(shí)間測(cè)出距離。在測(cè)距的基礎(chǔ)上，再加入行駛控制，實(shí)現(xiàn)避障功能。

7）APP控制模塊任務(wù)：包括手機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境的安裝和配置、APP界面的設(shè)計(jì)、APP控制小車行駛等內(nèi)容。

4.4實(shí)訓(xùn)考核

從項(xiàng)目驗(yàn)收和個(gè)人表現(xiàn)兩方面進(jìn)行考核，項(xiàng)目驗(yàn)收考核的內(nèi)容包括代碼是否規(guī)范、是否有創(chuàng)新、可靠性、可維護(hù)性;個(gè)人表現(xiàn)包括出勤率，團(tuán)隊(duì)配合能力，組長(zhǎng)和組員互評(píng)，解決問(wèn)題的能力，工作量的多少、難易程度等，個(gè)人成績(jī)可以由指導(dǎo)教師和組內(nèi)成員共同給出。

4總結(jié)

嵌入式開(kāi)發(fā)課程實(shí)訓(xùn)不但鞏固學(xué)生的理論基礎(chǔ)，更鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作及溝通能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生積極參加課外科技創(chuàng)新活動(dòng)，參加學(xué)科競(jìng)賽，提高自身競(jìng)爭(zhēng)力。另外，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中用到的樹(shù)莓派是一款成本低、功能全的微型電腦主板，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展和設(shè)計(jì)能力，是目前很流行的學(xué)習(xí)工具，這也為學(xué)生進(jìn)一步的創(chuàng)新和實(shí)踐提供了有利條件。

參考文獻(xiàn)：

[1] Brendan Horan. 樹(shù)莓派實(shí)作應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[2] 車如山. 應(yīng)用型創(chuàng)新人才之概念解析[J]. 高校教育管理， 2015（1）： 81-85.

[3] 王江偉. 玩轉(zhuǎn)樹(shù)莓派Raspberry Pi [M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版， 2013.

[4] Matt R， Shawo W. 愛(ài)上Raspberry pi [M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2013.

[5] 王彤.基于樹(shù)莓派的計(jì)算機(jī)類專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)探索[J]. 計(jì)算機(jī)教育， 2018（1） ：25-29.

[6] http：//shumeipai.nxez.com/2015/02/09/run-python-scriptwhen-the-raspberry-pi-start.html.