模塊化電子系統(tǒng)設(shè)計課程建設(shè)與實(shí)踐

蔚瑞華，余有靈，徐志宇，喻　劍

(同濟(jì)大學(xué)　電子與信息工程學(xué)院，上?！?01804)

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模塊化電子系統(tǒng)設(shè)計課程建設(shè)與實(shí)踐

蔚瑞華，余有靈，徐志宇，喻劍

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804)

傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)教學(xué)存在著系統(tǒng)綜合性、創(chuàng)新性缺乏的問題。文中結(jié)合當(dāng)前的最新技術(shù)和課程自身特點(diǎn)，對電子系統(tǒng)設(shè)計課程進(jìn)行了改革和探索。提出了基于“模塊化”的電子系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)體系，并對教學(xué)內(nèi)容和評價體系等進(jìn)行了探索。課程教學(xué)改革使學(xué)生不僅獲得了對電子系統(tǒng)概貌式的整體認(rèn)識，能熟練進(jìn)行各模塊的調(diào)理和應(yīng)用，而且能夠運(yùn)用模塊化的思想進(jìn)行綜合設(shè)計，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

電子系統(tǒng)設(shè)計; 模塊化；課程建設(shè)

電子系統(tǒng)是將各種元器件、集成塊按照一定規(guī)律和規(guī)范連接起來，完成某種功能的有機(jī)整體。電子系統(tǒng)的元件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能各異；所涉及知識涵蓋了電工學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、通信、微機(jī)與接口、傳感器與執(zhí)行單元、程序語言等十余門課程[1]。隨著當(dāng)今社會電子信息與電氣類各專業(yè)異常迅速的發(fā)展變化，新知識、新技術(shù)、新工具層出不窮，給電子系統(tǒng)的理論與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法帶來了復(fù)雜的問題，教學(xué)體系滯后于社會對人才需求的動態(tài)變化[2]?，F(xiàn)有課程體系和授課模式下，學(xué)生缺乏對電子系統(tǒng)概貌的認(rèn)識，缺乏對實(shí)際系統(tǒng)的感性體驗(yàn)，缺乏主動學(xué)習(xí)的興趣和熱情，學(xué)習(xí)效率和效果都不盡如人意。電子系統(tǒng)設(shè)計是電子工程類學(xué)生整個教學(xué)過程中非常重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，更是實(shí)踐教學(xué)必不可少的重要環(huán)節(jié)[3]，如何更為有效地將所學(xué)的知識融會貫通，如何從系統(tǒng)層面理解各個模塊的功能，從而更有針對性地學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程，是我們一直以來的探索目標(biāo)[4-7]。

結(jié)合本科教改的契機(jī)，根據(jù)模塊化的教學(xué)思想[8-9]，我們對該課程的知識體系、教學(xué)內(nèi)容和評價體系進(jìn)行改革，同時加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)體系的規(guī)劃設(shè)計，構(gòu)建理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化的教學(xué)體系[10]。學(xué)生不僅可以利用模塊化教學(xué)平臺靈活地搭建各種電子系統(tǒng)，而且可以進(jìn)行各模塊的深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐，還可以進(jìn)行綜合及設(shè)計性的實(shí)驗(yàn)。課程按照“實(shí)踐-理論-再實(shí)踐”的步驟，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的目的性和積極性，為其今后有針對性地進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

1　模塊化電子系統(tǒng)課程體系建設(shè)

我們首先根據(jù)“模塊化電子系統(tǒng)”的教學(xué)思想，將電子系統(tǒng)從功能上劃分為若干“模塊單元”，如CPU處理核心、I/O控制、傳感(觸碰、顏色、溫度等)和A/D轉(zhuǎn)換單元、通信接口單元(串口、CAN總線、無線通信)、執(zhí)行單元(直流電機(jī)、伺服馬達(dá)、聲光報警)等。各“模塊單元”相互聯(lián)接、配合，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，如圖1 所示。

圖1　模塊化電子系統(tǒng)架構(gòu)

課程內(nèi)容安排上采用先易后難、由淺入深的思路。我們采用韓國Roborobo公司的ROKIT模塊化電子開發(fā)平臺作為引例。該模塊化套件采用模塊化設(shè)計，模塊可升級、可重構(gòu)、可擴(kuò)展。學(xué)生可通過“搭積木”的方式來組建典型綜合電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類功能。通過案例可以使學(xué)生充分理解各模塊的原理和連接關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，深入講解各模塊的功能和用法，解析各模塊的功能，進(jìn)而進(jìn)行模塊功能擴(kuò)展；最后，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識按模塊化思想完成一個綜合設(shè)計[11]。

課程既著眼于電子系統(tǒng)本身的有機(jī)整體性，又利用上述“模塊單元”在結(jié)構(gòu)和功能上的相對獨(dú)立性，采用“模塊化”方式來構(gòu)建和設(shè)計電子系統(tǒng)；旨在營造一種讓學(xué)生“在系統(tǒng)中學(xué)習(xí)模塊”的新型教學(xué)模式，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。盡管是以模塊的形式來進(jìn)行學(xué)習(xí)，但始終在系統(tǒng)層面進(jìn)行實(shí)踐和理論教學(xué)，始終從森林的視角出發(fā)研究一棵棵樹木，確保對整個電子系統(tǒng)全貌的把握，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)理念。

課程體系教學(xué)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　模塊化電子系統(tǒng)課程體系架構(gòu)

2　模塊化電子系統(tǒng)課程內(nèi)容

2.1模塊化電子系統(tǒng)引例

課程采用韓國Roborobo公司的ROKIT模塊化電子積木作為引例，讓學(xué)生在學(xué)期初在頭腦中就建立模塊化的思想，激發(fā)學(xué)生的興趣。該平臺不僅在硬件上將CPU模塊、傳感器模塊、執(zhí)行單元模塊、通信模塊等分離開來，在程序上也采用了模塊化的設(shè)計理念。硬件模塊主要分為：核心單元CPU模塊、傳感器模塊單元(紅外傳感器、觸碰開關(guān)、聲音傳感器等)、驅(qū)動-執(zhí)行器(包括直流電機(jī)、聲光報警、伺服馬達(dá)等)。軟件模塊主要有：電機(jī)(直流、伺服)驅(qū)動模塊、開/關(guān)(On/off)驅(qū)動模塊(控制聲音、光等)、延時模塊、While循環(huán)模塊、IFELSE選擇模塊等。模塊示例、組裝實(shí)例以及模塊化軟件流程分別如圖3、圖4、圖5所示。課堂上讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需以“搭積木”的形式靈活地組合出不同形態(tài)、不同功能的智能小車(如避障小車、沿線走小車、履帶型小車等)。該環(huán)節(jié)主要以實(shí)例講述模塊化電子系統(tǒng)開發(fā)平臺總體構(gòu)架，確定各功能模塊的功能和連接關(guān)系，樹立模塊化電子系統(tǒng)開發(fā)的思想，以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。

同時，我們也對ROKIT模塊的接口進(jìn)行了分析，它采用三線制，除了電源線和地線外，還有一條信號線。通過這條信號線，CPU單元即可將傳感器的高低電平信號讀入，還可以對執(zhí)行單元進(jìn)行高低電平或者PWM波形控制。這就方便了學(xué)生在深入學(xué)習(xí)各塊理論知識后的相應(yīng)擴(kuò)展。

圖3　ROKIT模塊和裝配零件示例

圖4　模塊化小車組裝圖例

圖5　模塊化軟件編程實(shí)例

2.2模塊化電子系統(tǒng)課程的理論深入

這一階段，教師將對各模塊的功能、用法以及模塊之間的連接進(jìn)行詳細(xì)的理論講解，并配以實(shí)驗(yàn)。內(nèi)容涉及嵌入式系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)原理與接口技術(shù)、自動控制理論、軟件技術(shù)基礎(chǔ)等專業(yè)核心課程[12-15]，主要內(nèi)容包括以下4個方面。

1)CPU處理核心模塊單元的應(yīng)用與功能調(diào)試。

課程以ARMCortex-M3的STM32系列為例，介紹處理器的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)以及所能完成的功能，實(shí)現(xiàn)時鐘配置、I/O端口配置、中斷處理、定時器編程等，并在Keil平臺上編制基本程序進(jìn)行編譯、燒寫與調(diào)試。

2)接口通信模塊單元的應(yīng)用與調(diào)試。

接口通信單元包括串口通信、485總線、CAN總線應(yīng)用，同時結(jié)合現(xiàn)今的無線通信技術(shù)，如Zigbee、藍(lán)牙、GSM/GPRS等，以模塊化的方式連入CPU核心單元。

3)傳感器模塊單元的應(yīng)用與調(diào)理。

選取溫度、濕度、流量等傳感器，結(jié)合傳感器技術(shù)，CPU模塊對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，完成采樣標(biāo)定、處理、存儲等。

4)驅(qū)動執(zhí)行器模塊單元的應(yīng)用與調(diào)理。

主要包括直流電機(jī)的特性與PWM控制，步進(jìn)電機(jī)的特性與脈沖控制，電磁閥的特性與控制等，還需要CPU模塊的I/O和定時器控制。

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行各模塊的功能調(diào)理，將之前用過的ROKIT平臺進(jìn)行深入剖析，并根據(jù)接口規(guī)則，進(jìn)行模塊的擴(kuò)展練習(xí)。如有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)紅外障礙物檢測的不足之處在于對深色物體敏感，而并不能檢測到白色物體；如前所述，ROKIT平臺的三線制接口使得學(xué)生的擴(kuò)展也比較容易，只要做一個帶有簡單處理器單元的小的傳感器模塊，使得在檢測到障礙物時能夠在信號端進(jìn)行高低電平的轉(zhuǎn)換即可。圖6為學(xué)生自主開發(fā)的與ROKIT兼容的超聲測距模塊。

圖6　學(xué)生自主開發(fā)的與ROKIT兼容的超聲測距模塊

2.3模塊化電子系統(tǒng)綜合方案設(shè)計

課程的最后一個階段要求學(xué)生對模塊化知識進(jìn)行綜合應(yīng)用。綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手能力、分析問題和解決問題的能力有著不可替代的作用[16]。這個階段主要考查學(xué)生對知識的理解和靈活應(yīng)用程度。教師會提出一些如“未來交通”“環(huán)保機(jī)器人”“智慧家居”的主題讓學(xué)生圍繞某個主題提出自己的方案創(chuàng)意，并要求學(xué)生始終貫穿模塊化的思想，在理解各模塊功能的基礎(chǔ)上綜合設(shè)計一套實(shí)現(xiàn)方案。學(xué)生提交的方案有：用氣體傳感器陣列設(shè)計的能檢測空氣質(zhì)量的“電子鼻”；利用顏色和重量識別的“自動計量稱”；能夠智能調(diào)控環(huán)境的“智慧家”；利用超聲波測距傳感器的“汽車盲區(qū)感應(yīng)雷達(dá)”等。

從提交的方案來看，學(xué)生們綜合運(yùn)用了所學(xué)的傳感器模塊、CPU模塊、通信單元模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊等知識。課程同時也提供給學(xué)生實(shí)現(xiàn)的平臺和空間，學(xué)生在提出設(shè)想的同時，可以申請課程設(shè)計經(jīng)費(fèi)將方案予以實(shí)施，滿足不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。

通過模塊化電子系統(tǒng)綜合設(shè)計，學(xué)生的工程創(chuàng)新意識、工程綜合設(shè)計能力、工程實(shí)踐能力得到了明顯的提高。

3　模塊化電子系統(tǒng)課程評價體系

模塊化電子系統(tǒng)課程設(shè)計是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)報告的評分方式已經(jīng)不適用于該門課程。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)報告往往千篇一律，且只能在認(rèn)知方面考查到學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況，并沒有真實(shí)反映學(xué)生分析問題、解決問題的能力，缺乏對學(xué)生多元化、個性化和動態(tài)化的全過程評價。

針對這些問題，借鑒一些成功的考核體系[17-18]，模塊化電子系統(tǒng)設(shè)計課程考核將以綜合評定的方式給出，同時依據(jù)學(xué)生的平時課堂實(shí)驗(yàn)和期末課程設(shè)計給予評分，全面反映其在實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)與最終設(shè)計結(jié)果，突出考察其動手能力、綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力。根據(jù)課程發(fā)展的不同階段提出不同的考核要求，在模塊化引例階段，主要是完成模塊化搭建、軟件模塊化設(shè)計的體會報告；在課程理論的深入階段，學(xué)生需要完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)與設(shè)計項(xiàng)目，對驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)要求寫出體會報告，對綜合性的實(shí)驗(yàn)要求寫出設(shè)計報告，提交編程結(jié)果，并增加對實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果討論內(nèi)容的評分；在課程的綜合方案設(shè)計階段，包括方案提交、方案展示和答辯環(huán)節(jié)，既鼓勵學(xué)生的創(chuàng)造性，又鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力。

學(xué)生在學(xué)期末評價這門課程“是一門非常具有綜合性的創(chuàng)新課程”“課程既有實(shí)踐又有理論”“課程賦予了基礎(chǔ)理論以新的生命”“能力得到了極大的提升”，并且“希望這門課長期開設(shè)，并擴(kuò)大到全校電子信息工程、機(jī)電類、汽車類等本科生”。

4　結(jié)束語

課程教學(xué)改革通過模塊化的教學(xué)體系建設(shè)，課程內(nèi)容的設(shè)置更加系統(tǒng)化和層次化，課程的綜合性和創(chuàng)新性不斷增強(qiáng)，考核方式更加科學(xué)、全面。兩年的教學(xué)實(shí)踐表明，該課程強(qiáng)化了學(xué)生對于系統(tǒng)層次的理解以及模塊化意識，在鞏固學(xué)生基礎(chǔ)理論，提高學(xué)生實(shí)踐能力和綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題能力，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力等方面均取得了非常顯著的效果。

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Curriculum Construction and Practice of Modularized Electronic System Design

WEI Ruihua，YU Youling，XU Zhiyu，YU Jian

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering，TongjiUnivesity，Shanghai201804，China)

Therearesomeproblemsintraditionalteachingofelectronicsystemdesign，suchaslackofinnovationandsystem-levelview.Aimingsdvingtheaboveproblems，newteachingarchitecturebasedonthenotionofthe.“modularized”electronicsystemisproposedinthispaperaccordingtothelatestdevelopmentsandcharacteristicsofthecourse.Thecontentandevaluationmechanismisalsoexploredandreformed.Thecurriculumconstructioncannotonlyhelpthestudentsbuildthesystematicviewoftheelectronicsystem，butalsoskillfullyusethosemodulestobuildtheintegratedsystem.Ithasbeenprovedtobeaneffectivewayofstimulatingtheinterestsoflearning，meanwhileenhancingthestudents’abilitiesofinnovationandpractice.

electronicsystemdesign;modularization;curriculumconstruction

2015-03-05；修改日期: 2015-03-24

同濟(jì)大學(xué)第九期實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革基金(0800104166)。

蔚瑞華(1979-)，女，博士，講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)方面的教學(xué)工作。

TN702

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.041