國產(chǎn)芯片驅(qū)動(dòng)下的嵌入式課程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：在新工科背景下，國產(chǎn)芯片在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，取得了顯著進(jìn)展和成就。本文針對長期以來高校嵌入式課程實(shí)驗(yàn)都采用國外芯片，而國內(nèi)芯片應(yīng)用較少的現(xiàn)狀，契合培養(yǎng)國家急需的復(fù)合型嵌入式芯片應(yīng)用人才的需求，提出采用國產(chǎn)芯片為主的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用“國產(chǎn)微控制器+行業(yè)應(yīng)用+AI算法+國產(chǎn)操作系統(tǒng)”的多學(xué)科融合的內(nèi)容設(shè)置模式，同時(shí)與物聯(lián)網(wǎng)、通信、人工智能等新興技術(shù)交叉，要求學(xué)生在自主研學(xué)的同時(shí)，設(shè)計(jì)電路，調(diào)試完成系統(tǒng)制作，突破固有思維，挑戰(zhàn)自己，以培養(yǎng)勇于實(shí)踐探索、求知求真的創(chuàng)新精神及精益求精的工匠精神、一絲不茍的工程素養(yǎng)，樹立科技報(bào)國、服務(wù)社會(huì)的信心和決心。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)芯片；嵌入式；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：TP368.1-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）18-0105-05

引言

國產(chǎn)芯片雖然起步較晚，但通過引進(jìn)技術(shù)、培養(yǎng)人才以及加強(qiáng)創(chuàng)新研發(fā)等手段，正逐漸走上舞臺。在國家政策支持下，如何提升芯片、操作系統(tǒng)、基礎(chǔ)軟件的國產(chǎn)化替代水平和應(yīng)用規(guī)模，人才是關(guān)鍵。因此，在新工科建設(shè)背景下，培養(yǎng)出實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型嵌入式應(yīng)用人才，滿足國家戰(zhàn)略需求，為國產(chǎn)芯片以及國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)培育儲備人才，成為高校人才培養(yǎng)的迫切需求。

嵌入式課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

嵌入式課程是高校計(jì)算機(jī)、電子信息專業(yè)領(lǐng)域重要的課程之一，嵌入式課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)重視學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐操作，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和解決問題的能力。長期以來，國內(nèi)很多高校嵌入式課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用國外芯片[1-3]，隨著我國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方法亟須不斷創(chuàng)新與改進(jìn)，以適應(yīng)嵌入式領(lǐng)域的國內(nèi)產(chǎn)業(yè)需求和發(fā)展趨勢。目前，嵌入式課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在一些不足之處（如圖1）。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目內(nèi)容與企業(yè)需求脫節(jié)

嵌入式課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容一般包括課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多是根據(jù)章節(jié)主要知識點(diǎn)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)，綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)反映了課程的應(yīng)用與創(chuàng)新，但隨著社會(huì)對物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及人工智能等產(chǎn)業(yè)界新技術(shù)的應(yīng)用要求的產(chǎn)生，以往的嵌入式綜合性實(shí)驗(yàn)與企業(yè)需求脫節(jié)，導(dǎo)致人才培養(yǎng)難以滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

2.實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)不足，實(shí)驗(yàn)資源有限，阻礙了自主實(shí)踐的積極性

嵌入式課程涉及的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較多，占用課時(shí)也較多，導(dǎo)致綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)較少，無法有效實(shí)現(xiàn)對學(xué)生綜合能力與系統(tǒng)工程能力的培養(yǎng)。隨著人工智能算法的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的嵌入式人工智能系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)[4]，為了實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)的底層控制功能，很多研究都采用基于STM32的低功耗微控制器方案。但現(xiàn)有的基于STM32的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，多采用實(shí)驗(yàn)箱的方式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源受場地、時(shí)間等現(xiàn)實(shí)條件的限制，導(dǎo)致學(xué)生無法正常開展實(shí)踐性學(xué)習(xí)，這在很大程度上打擊了學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源、碎片化時(shí)間進(jìn)行課后自主實(shí)踐的積極性。

3.課程融入國產(chǎn)嵌入式芯片與嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用案例不夠

一直以來，很多高校嵌入式課程所用芯片都采用ARM芯片，教學(xué)所用操作系統(tǒng)為Linux和FreeTros實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[5-6]，課程融入國產(chǎn)嵌入式芯片與嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用案例較少，導(dǎo)致學(xué)生對國產(chǎn)芯片和操作系統(tǒng)的了解不夠深入，更無法在實(shí)踐中增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代的信心和決心。

嵌入式綜合實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

筆者嘗試以國產(chǎn)芯片CH32V307（對應(yīng)嵌入式課程教學(xué)的STM32F407）為核心設(shè)計(jì)一個(gè)智能門鎖系統(tǒng)，以“軟硬并重、學(xué)科交叉、創(chuàng)新應(yīng)用”為原則，通過設(shè)計(jì)這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，來解決以下問題：

①創(chuàng)設(shè)易于入手的門鎖這一實(shí)情實(shí)境，采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)智能門鎖系統(tǒng)，系統(tǒng)由AI人臉識別模塊、攝像頭模塊、RFID讀寫模塊、指紋識別模塊、串口屏模塊、廣和通4G模塊等構(gòu)成，利用國產(chǎn)RT-Thread操作系統(tǒng)進(jìn)行并行線程接收各模塊的數(shù)據(jù)并控制繼電器和語音提醒實(shí)現(xiàn)多種開鎖方式。案例旨在讓學(xué)生在綜合實(shí)踐中將所學(xué)理論知識應(yīng)用于真實(shí)的應(yīng)用場景，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，增強(qiáng)工程實(shí)踐能力。

②強(qiáng)化硬件設(shè)計(jì)，注重實(shí)用性、探究性、創(chuàng)新性、高階性，讓學(xué)生利用所學(xué)STM32的軟硬件知識，采用CH32V307芯片[7]設(shè)計(jì)制作嵌入式最小系統(tǒng)，并完成焊接調(diào)試的整個(gè)過程，利用AI算法進(jìn)行人臉識別實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行較復(fù)雜的功能擴(kuò)展性實(shí)踐（如通過騰訊云端以及微信小程序?qū)崿F(xiàn)開鎖），結(jié)合工程問題探究并開展有目的的創(chuàng)新。

③思政融入。本實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中采用STM32F407芯片，主要以歐美芯片為主，為了跟社會(huì)需求銜接，課程綜合設(shè)計(jì)采用國產(chǎn)芯片與國產(chǎn)TR-Thread操作系統(tǒng)，對標(biāo)國產(chǎn)替代之所需，培養(yǎng)國家急需的芯片與系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)儲備人才，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代的信心和決心。

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圍繞新工科建設(shè)培養(yǎng)復(fù)合型人才的根本目標(biāo)，發(fā)揮多學(xué)科“交叉融合”的優(yōu)勢，強(qiáng)調(diào)綜合設(shè)計(jì)屬性。本實(shí)驗(yàn)要求以國產(chǎn)芯片為主，采用“國產(chǎn)微控制器+行業(yè)應(yīng)用+AI算法+國產(chǎn)操作系統(tǒng)”的多學(xué)科融合的內(nèi)容設(shè)置，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與物聯(lián)網(wǎng)、通信、人工智能等新興技術(shù)相結(jié)合，因此在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置上安排系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)等多項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，具體要求完成以下功能。

（1）硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并制作基于CH32V307VCT6的最小系統(tǒng)板，用于控制智能門鎖的各個(gè)功能模塊；設(shè)計(jì)人臉識別和攝像頭模塊、指紋模塊、NFC讀卡器、壓力傳感器、充放電電池模塊、降壓模塊等硬件，并互相連接以實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。

（2）軟件實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)多個(gè)并行的RT-Thread線程用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)功能的連接；訓(xùn)練基于Yolov5s+insightface的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并將其部署在m3axpi中；實(shí)現(xiàn)虛位密碼功能，即只需密碼或臨時(shí)密碼存在于輸入數(shù)字串中即可開鎖；實(shí)現(xiàn)應(yīng)用微信小程序遠(yuǎn)程開鎖、遠(yuǎn)程添加臨時(shí)密碼功能和添加指紋功能；結(jié)合壓力傳感器、CH32和m3axpi實(shí)現(xiàn)外賣物品監(jiān)控拍照功能；同時(shí)，因人臉識別時(shí)背面屏幕可看到當(dāng)前畫面，亦可將其當(dāng)作電子貓眼來使用。

（3）通信與網(wǎng)絡(luò)

使用國產(chǎn)廣和通4G通信模塊，連接到騰訊云平臺，云平臺能將小程序數(shù)據(jù)發(fā)送到4G通信模塊，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程控制開鎖。

（4）用戶界面與手機(jī)應(yīng)用APP

開發(fā)門鎖的用戶界面，提供指紋錄入、密碼修改和添加臨時(shí)密碼等操作功能。其中，錄入指紋可通過滑條選定指紋序號，添加臨時(shí)密碼可通過滑條設(shè)定臨時(shí)密碼，滑條滑動(dòng)次數(shù)無需考慮。

（5）壓力傳感器控制拍照

將壓力傳感器與監(jiān)控?cái)z像頭集成，實(shí)現(xiàn)當(dāng)有物體懸掛于上施加壓力然后離開，即產(chǎn)生下降信號，門鎖自動(dòng)拍照記錄在儲存卡中的功能。

2.實(shí)驗(yàn)過程

嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)是一個(gè)迭代優(yōu)化的過程，為了培養(yǎng)學(xué)生的工程綜合實(shí)踐能力，參照產(chǎn)業(yè)界的產(chǎn)品研發(fā)流程，營造出具備真實(shí)工程場景的實(shí)驗(yàn)過程，如圖2所示。

①實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)：在教師的引導(dǎo)下分組建立團(tuán)隊(duì)，教師講授實(shí)驗(yàn)任務(wù)、內(nèi)容、目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生理解設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行任務(wù)分解，查閱相關(guān)資料，了解實(shí)驗(yàn)平臺的硬件資源、軟件操作等。

②需求分析：教師講授系統(tǒng)功能組成、所需接口、所需電路模塊、擴(kuò)展模塊等。

③系統(tǒng)設(shè)計(jì)：在教師、學(xué)長的引導(dǎo)下完成系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。

④系統(tǒng)集成：在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)組裝、軟硬件調(diào)試、整機(jī)測試，設(shè)計(jì)一個(gè)美觀的外殼。

⑤系統(tǒng)驗(yàn)收：撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告、實(shí)物展示、分組答辯、教師評價(jià)、知識競答、學(xué)生互評價(jià)。

3.教學(xué)設(shè)計(jì)

本案例采用“以學(xué)生為主、教師引導(dǎo)為輔”的教學(xué)模式，根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室開放式項(xiàng)目的要求，構(gòu)建開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程循序漸進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)投入到實(shí)驗(yàn)中，充分利用線上作業(yè)、線上實(shí)驗(yàn)報(bào)告、線上答疑的優(yōu)勢，及時(shí)掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，結(jié)合背景知識、前沿知識、技術(shù)細(xì)節(jié)提示等指導(dǎo)學(xué)生自主探究，讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析、討論、思考，在實(shí)踐與重構(gòu)的多次迭代中培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力。

（1）理實(shí)結(jié)合開展教學(xué)

在基礎(chǔ)知識教學(xué)過程中，針對每個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)，首先講理論，然后設(shè)置知識點(diǎn)案例，在自研的口袋實(shí)驗(yàn)板上完成任務(wù)，展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓學(xué)生體驗(yàn)理論轉(zhuǎn)換為實(shí)踐的過程，增強(qiáng)教學(xué)效果，具體過程如圖3所示。

（2）預(yù)設(shè)任務(wù)、啟發(fā)式的課堂教學(xué)

在設(shè)計(jì)開始前，教師給定題目和設(shè)計(jì)內(nèi)容，學(xué)生分組（3～6人/組）完成，每組根據(jù)設(shè)計(jì)需求，開展需求分析、小組討論，完成初步的設(shè)計(jì)構(gòu)想（列出預(yù)設(shè)創(chuàng)新點(diǎn)）。教師根據(jù)每組完成的初始化報(bào)告了解學(xué)生對相關(guān)知識的了解程度，有針對性地查漏補(bǔ)缺，并對實(shí)驗(yàn)中可能遇到的技術(shù)要點(diǎn)問題進(jìn)行啟發(fā)與展開討論，為學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)提供知識支持。

（3）強(qiáng)化國產(chǎn)芯片應(yīng)用的需求牽引

結(jié)合在“國產(chǎn)替代”這一政策背景支持下，國家對芯片的需求、對國產(chǎn)芯片的支持，以及需要大量的芯片應(yīng)用開發(fā)人才，逐步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入項(xiàng)目。在教學(xué)中，結(jié)合實(shí)際的門鎖演示指出存在的問題，結(jié)合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，先從簡單的繼電器控制、舵機(jī)控制入手，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的開門鎖的裝置，緊接著，由簡單到復(fù)雜，逐步深入擴(kuò)展，逐步引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用的信心。

（4）軟硬件協(xié)同綜合設(shè)計(jì)

每個(gè)組根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，再分為軟件開發(fā)和硬件開發(fā)兩個(gè)組，軟件組負(fù)責(zé)軟件、算法的設(shè)計(jì)開發(fā)，硬件組負(fù)責(zé)電路設(shè)計(jì)、PCB制作、系統(tǒng)調(diào)試等任務(wù)，每組根據(jù)學(xué)習(xí)情況指定組長一人，組長有效組織負(fù)責(zé)軟硬件的組員完成設(shè)計(jì)任務(wù)，開展協(xié)作開發(fā)，同時(shí)，教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)以強(qiáng)帶弱、團(tuán)隊(duì)合作的重要性。

（5）基于高階性設(shè)計(jì)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)與教師引導(dǎo)

在完成基本功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對個(gè)別優(yōu)秀組，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)工程實(shí)際需求和問題自主選題搜集資料，運(yùn)用所學(xué)知識和方法解決新的問題，教師啟發(fā)式提出創(chuàng)新點(diǎn)，如采用AI深度學(xué)習(xí)技術(shù)對人的性別、年齡進(jìn)行識別，提高智能鎖的智能水平。

（6）立體化思政融入

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，以國產(chǎn)芯片與國產(chǎn)操作系統(tǒng)應(yīng)用為內(nèi)容，從課程引入、課程講授、課后等不同教學(xué)階段實(shí)施立體化思政融入，如圖4所示。

4.實(shí)驗(yàn)報(bào)告

學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)后需要認(rèn)真撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容如左下表所示。案例實(shí)現(xiàn)的作品以組為單位進(jìn)行演示交流，分組答辯。最后，教師組織學(xué)生根據(jù)各組作品的演示效果進(jìn)行投票互評，互評成績計(jì)入每組的綜合成績。

5.實(shí)驗(yàn)考核與評價(jià)

以提高學(xué)生綜合素質(zhì)和工程實(shí)踐能力為目的，采用多元化的過程考核評價(jià)機(jī)制，同時(shí)融入學(xué)科競賽的全過程（實(shí)物制作→撰寫報(bào)告→實(shí)物展示→匯報(bào)答辯），既注重過程考核，又重視結(jié)果導(dǎo)向考核。綜合考核分為三個(gè)部分：①教師結(jié)合日常表現(xiàn)、設(shè)計(jì)報(bào)告、團(tuán)隊(duì)合作、作品演示效果等方面進(jìn)行考核，分值占總分的60%；

②引入學(xué)生組內(nèi)自評和小組互評，以增加考核的科學(xué)性、客觀性、合理性；③設(shè)置基礎(chǔ)知識競答，以搶答加分的形式，增加學(xué)生競爭意識。教師在考核過程中引導(dǎo)學(xué)生要善于審視自我、發(fā)現(xiàn)不足，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目實(shí)施過程中團(tuán)隊(duì)成員協(xié)作互助的重要性。多元化考核旨在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，使其發(fā)現(xiàn)不足、改善態(tài)度、提升自我，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，評價(jià)體系如圖5所示。

結(jié)語

嵌入式課程圍繞新工科建設(shè)培養(yǎng)復(fù)合型人才的根本目標(biāo)，發(fā)揮多學(xué)科“交叉融合”的優(yōu)勢，課程內(nèi)容反映學(xué)科前沿和產(chǎn)業(yè)界的新興技術(shù)，體現(xiàn)多學(xué)科與跨專業(yè)融合。課程注重理論與實(shí)踐結(jié)合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在設(shè)置上，由原來的以STM32F4xx系列微控制器為主控，逐步轉(zhuǎn)向?yàn)橐浴癝TM32F4xx系列微控制器+國產(chǎn)CH32系列芯片”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，其中，綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求采用國產(chǎn)芯片為主，采用“國產(chǎn)微控制器+行業(yè)應(yīng)用+AI算法+國產(chǎn)操作系統(tǒng)”的多學(xué)科融合的內(nèi)容設(shè)置?！爸悄荛T鎖系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例按照從理論到工程實(shí)踐以及由簡入深、循序漸進(jìn)、逐步深入的原則，采用軟硬結(jié)合的方法設(shè)計(jì)，對傳統(tǒng)嵌入式實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改革與創(chuàng)新，在當(dāng)前“國產(chǎn)替代”政策這一大背景下，這樣的設(shè)計(jì)重要性不言而喻。

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[7]南京沁恒微電子股份有限公司.CH32V208數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].https：//www.wch.cn/products/CH32V307.html.

作者簡介：賈偉，男，甘肅隴西人，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榍度胧紸I、物聯(lián)網(wǎng)通信、機(jī)器人。謝明山（通訊作者）， 男，貴州遵義人，教授，研究方向?yàn)榍度胧紸I、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)通信。

基金項(xiàng)目：貴州大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目（編號：GDGJYJ2020014）;貴州大學(xué)一流課程培育項(xiàng)目（編號：XJG2021023）；貴州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（編號：SYSKF2024-023）；嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用校級課程思政示范項(xiàng)目（編號：kcsz2023006）；嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用省級金課（編號：2024JKHH0034）。