劉娜
(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 遼寧 丹東 118009)
基于虛擬技術(shù)的嵌入式實(shí)訓(xùn)室研究與建設(shè)
劉娜
(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧丹東118009)
嵌入式技術(shù)相關(guān)課程實(shí)踐性強(qiáng),需要在嵌入式實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行大量實(shí)踐教學(xué)。大部分嵌入式實(shí)訓(xùn)室由計(jì)算機(jī)和ARM實(shí)驗(yàn)箱組成。此類實(shí)訓(xùn)室有很多問(wèn)題,如資金投入大,設(shè)備陳舊,型號(hào)單一,無(wú)法升級(jí),實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容狹窄等。因此本文提出一種基于軟件虛擬的實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案,解決存在的問(wèn)題,節(jié)約資金,升級(jí)容易,極大改善了實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
虛擬技術(shù);嵌入式;實(shí)訓(xùn)室
近年幾乎所有電子設(shè)備都有嵌入式系統(tǒng)的影子,研發(fā)嵌入式系統(tǒng)及其產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)前熱點(diǎn)之一。各高職校相繼開(kāi)設(shè)相關(guān)課程,嵌入式技術(shù)是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物,課程中的實(shí)踐教學(xué)尤為重要,因此必須建立嵌入式實(shí)訓(xùn)室。我校在建設(shè)嵌入式實(shí)訓(xùn)室時(shí),首先根據(jù)專業(yè)崗位設(shè)置課程體系及實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,依據(jù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃實(shí)訓(xùn)室,以滿足嵌入式技術(shù)專業(yè)的基本要求[1]。
目前各高校的嵌入實(shí)訓(xùn)室大都是通過(guò)購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱來(lái)構(gòu)建,但是由于嵌入式設(shè)備種類繁多,再加上資金有限,一個(gè)實(shí)訓(xùn)室不可能概況所有各類嵌入式設(shè)備。目前在嵌入式實(shí)踐教學(xué)還存在很多問(wèn)題,針對(duì)這些問(wèn)題,本文介紹一種基于Proteus軟件、Keil μVision3和labview的嵌入式實(shí)訓(xùn)室虛擬平臺(tái)的構(gòu)建方案解決這些問(wèn)題。
(一)實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資大,限制規(guī)模
嵌入式教學(xué)需要大量的硬件設(shè)備,如計(jì)算機(jī)、仿真器、編程器、開(kāi)發(fā)板和實(shí)驗(yàn)箱等,購(gòu)置成本高,限制了實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)規(guī)模;嵌入式技術(shù)發(fā)展快,設(shè)備很容易落伍,需要二次投入資金[2]。
(二)教學(xué)方式陳舊,效果不好
由于設(shè)備不足,型號(hào)更新緩慢,大多數(shù)嵌入式技術(shù)課程教學(xué)以理論教學(xué)為主,輔助一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)也多是進(jìn)行驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上嵌入式技術(shù)課程實(shí)踐性非常強(qiáng),實(shí)踐教學(xué)中需要很多硬件,如電腦、仿真機(jī)、實(shí)驗(yàn)電路、編程器及必要電子元器件等。一般理論課堂即便演示,效果也不好。最好就在設(shè)備充足的實(shí)訓(xùn)室,按理實(shí)一體的教學(xué)方式,學(xué)生驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)踐分階段進(jìn)行教學(xué)[3]。
(三)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊,難于自行設(shè)計(jì)
授課過(guò)程中采用多媒體進(jìn)行演示,學(xué)生只有感性認(rèn)識(shí);實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,由于實(shí)驗(yàn)箱是個(gè)半成品,實(shí)驗(yàn)器材已經(jīng)焊好,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊;教師將所做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖孪纫?guī)定好,學(xué)生只能按照給定的步驟,調(diào)試下載程序,運(yùn)行機(jī)器看是否能夠達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹_@種方式學(xué)生只是被動(dòng)接受,不能激發(fā)學(xué)員的主動(dòng)性和積極性[4]。
(四)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足,型號(hào)落后
傳統(tǒng)的嵌入式實(shí)訓(xùn)室建立成本高,一般高校很難做到人手一套實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅不足,而且落后。就算有相關(guān)設(shè)備,由于嵌入式技術(shù)的發(fā)展迅速,設(shè)備的不斷老化,實(shí)驗(yàn)儀器也會(huì)很快落后,難以滿足嵌入式課程需求[5]。
(五)設(shè)備種類繁多,無(wú)法做到全面
嵌入式系統(tǒng)所用的微控制器(簡(jiǎn)稱MCU)種類繁多,目前主流MCU有傳統(tǒng)的51系列、AVR、PIC系列以及ARM類MCU。隨著社會(huì)對(duì)人才需求快速變化,高校的嵌入式技術(shù)類課程需要不斷調(diào)整,課程中核心器件也會(huì)改變,原來(lái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備將被完全廢棄,必須配備新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,造成教育資金的極大浪費(fèi),如果專業(yè)轉(zhuǎn)型更會(huì)導(dǎo)致設(shè)備浪費(fèi)[6]。
總之,大多數(shù)高校在嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)的教學(xué)手段和方法方面存在很多不足,實(shí)訓(xùn)室建設(shè)也很難滿足高職院校教育科研與教學(xué)的需求。目前我校嵌入式實(shí)訓(xùn)室只有少量實(shí)驗(yàn)箱+計(jì)算機(jī),當(dāng)務(wù)之急配置計(jì)算機(jī),采用軟件技術(shù)建設(shè)虛擬實(shí)訓(xùn)室,這樣才能改進(jìn)目前實(shí)訓(xùn)室的現(xiàn)狀。因此本文提出以Proteus為核心,整合Keil μVision4,利用Labview開(kāi)發(fā)工具,構(gòu)建嵌入式虛擬綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
(一)理論課程體系
通過(guò)近幾年嵌入式人才需求報(bào)告的研究,針對(duì)嵌入式技術(shù)的特點(diǎn)及我校學(xué)生師資的實(shí)際情況,我們把崗位定在:研發(fā)助理工程師,硬件測(cè)試工程師,軟件測(cè)試工程師,系統(tǒng)功能測(cè)試工程師,硬件維修工程師和嵌入式產(chǎn)品銷售工程師,技術(shù)支持工程師等崗位。
對(duì)崗位深入分析后,我們得出嵌入式技術(shù)專業(yè)的知識(shí)體系:1.掌握基本的電路知識(shí);2.掌握主流嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)與原理;3.掌握一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng);4.熟悉嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程并至少做過(guò)一個(gè)嵌入式軟件項(xiàng)目。
嵌入式技術(shù)理論性和工程實(shí)踐性都很強(qiáng),是公認(rèn)有一定難度的技術(shù)。對(duì)高職學(xué)生來(lái)說(shuō),一定要遵循認(rèn)知規(guī)律,由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,循序漸進(jìn),合理選取理論和實(shí)踐內(nèi)容,與工程實(shí)踐緊密結(jié)合,才有助于學(xué)生對(duì)嵌入式技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的理解與掌握。
我們的專業(yè)課程體系分為三個(gè)層次,第一層次通用基礎(chǔ)課程:包含通用的基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能課程,適度的可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)課程;第二層次專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與技能:包括嵌入式技術(shù)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)與技能(電子技術(shù)、單片機(jī)原理與接口、EDA技術(shù)、操作系統(tǒng)、C/C++、網(wǎng)絡(luò)技術(shù))。第三層次:涉及相關(guān)應(yīng)用方向的領(lǐng)域知識(shí)。主要課程包括:主要專業(yè)課程包括:ARM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)、智能家居等)主要以項(xiàng)目教學(xué)為主。后二個(gè)層次必須有實(shí)訓(xùn)室做支撐,通過(guò)對(duì)主要課程分析,得到嵌入式專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。
(二)嵌入式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容
嵌入式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容涉及ARM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)、單片機(jī)原理、嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)等諸多知識(shí)內(nèi)容,多學(xué)科交叉,綜合性強(qiáng),因而學(xué)習(xí)難度大。學(xué)生只有親自動(dòng)手編程、搭設(shè)硬件電路才有助于對(duì)嵌入式知識(shí)的理解和掌握。嵌入式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)應(yīng)符合由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由單一到綜合的一般特點(diǎn),既要考慮到學(xué)生的個(gè)性化特點(diǎn),又要照顧到學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),因此實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容分四個(gè)階段。
1.驗(yàn)證性實(shí)踐
第一個(gè)階段,以教師為主導(dǎo),學(xué)生為主體,了解嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境與流程,熟悉嵌入式設(shè)備的正確使用方法,安全操作規(guī)程和基本的嵌入式編程方法,并學(xué)會(huì)熟練使用嵌入式系統(tǒng)編程語(yǔ)言,其目的是讓學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基本知識(shí),熟悉ARM硬件結(jié)構(gòu)和嵌入式操作系統(tǒng),進(jìn)行ARM和嵌入式Linux相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
2.技能訓(xùn)練實(shí)踐
第二個(gè)階段,采用精講精練的方式進(jìn)行。課前向?qū)W生提出明確的實(shí)驗(yàn)要求,并請(qǐng)學(xué)生提前預(yù)習(xí),課堂對(duì)所涉及內(nèi)容進(jìn)行介紹,并要求學(xué)生能參照實(shí)踐指導(dǎo)書(shū)修改部分代碼,實(shí)驗(yàn)后要求檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并記入成績(jī)。這部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有:ARM交通燈模擬實(shí)驗(yàn),觸摸屏應(yīng)用,ARM的圖形界面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),基于ARM的多通道儀表信號(hào)采集等項(xiàng)目?jī)?nèi)容,學(xué)生可以按照具有參考性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的調(diào)試與修改,在親自動(dòng)手調(diào)試的過(guò)程中,潛移默化地培養(yǎng)規(guī)范的開(kāi)發(fā)習(xí)慣和分析解決問(wèn)題的能力。
3.綜合應(yīng)用項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)
第三個(gè)階段綜合運(yùn)用學(xué)生在基礎(chǔ)技能部分所學(xué),創(chuàng)造性地進(jìn)行綜合應(yīng)用。教師統(tǒng)一指定題目,在第二階段即給出題目與具體要求,要求學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)行構(gòu)思與準(zhǔn)備,最后組裝代碼,實(shí)現(xiàn)功能。教師在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過(guò)程中給予輔導(dǎo)與指導(dǎo)。主要實(shí)踐項(xiàng)目:嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,嵌入式Android控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目等。
4.工程訓(xùn)練項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)
第四個(gè)階段,學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成電路圖設(shè)計(jì)、軟硬件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試以及PCB制作等整個(gè)過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放期間學(xué)生自主選擇感興趣的題目進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),或進(jìn)行綜合類的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,或進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì),課外科技活動(dòng)等相關(guān)內(nèi)容。項(xiàng)目涉及ARM11、嵌入式Linux、物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式開(kāi)發(fā)工具等知識(shí),如智能家居的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目、專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)等。
根據(jù)我系的嵌入式技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程教學(xué)內(nèi)容,嵌入式實(shí)訓(xùn)室由四部分組成,如圖1所示。
圖1 嵌入式實(shí)訓(xùn)室構(gòu)成示意圖
(一)實(shí)物驗(yàn)證系統(tǒng)
ARM11實(shí)驗(yàn)箱用來(lái)學(xué)習(xí)ARM體系結(jié)構(gòu)與原理、嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐和智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程,ARM11?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上主要有ARM11核心模塊和各種接口資源,支持嵌入式Linux和Wince及Android等操作系統(tǒng)。
智能家居系統(tǒng)包括ARM控制的觸摸屏可以顯示并控制現(xiàn)場(chǎng)情況,zigbee無(wú)線通訊功能可以使單片機(jī)與控制機(jī)進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。可以實(shí)現(xiàn)I2C協(xié)議的通訊功能實(shí)驗(yàn),可以提供遙控、家電(空調(diào),熱水器等)控制、照明控制、窗簾自控、防盜報(bào)警、可編程定時(shí)控制及計(jì)算機(jī)控制等多種實(shí)驗(yàn)功能。
(二)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)
其中16臺(tái)計(jì)算機(jī)連接實(shí)驗(yàn)箱,安裝Vmware軟件和Ubuntu系統(tǒng)及嵌入式相關(guān)工具,聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為實(shí)物驗(yàn)證控制系統(tǒng);全部41臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝Proteus、Keil及Labview等軟件,聯(lián)網(wǎng)形成作為虛擬實(shí)訓(xùn)室的硬件系統(tǒng)。
(三)軟件系統(tǒng)
利用各種仿真控制軟件,通過(guò)操縱虛擬實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備,也可以完成有關(guān)驗(yàn)證性、訓(xùn)練性、綜合性及工程訓(xùn)練性實(shí)踐活動(dòng)。虛擬軟件的使用改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,由以教師中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心,使學(xué)生成為實(shí)訓(xùn)室的主人,自主操作實(shí)踐活動(dòng),有利于培養(yǎng)學(xué)員的動(dòng)手能力,訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維,與真實(shí)設(shè)備效果一致,方便更新設(shè)備型號(hào)的目的。
1.Proteus軟件
Proteus是Labcenter Electronic公司研發(fā)的多功能EDA軟件,是目前最完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)。支持多種型號(hào)的嵌入式微控制器,如MCS-51系列、ARM(LPC系列)、PIC系列等,以及常用的外圍芯片,并提供各種虛擬儀表,能仿真分析設(shè)計(jì)各種電路。
2.Keil μVision3
Keil μVision系列集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE),是國(guó)內(nèi)流行的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。為了更好地支持32位微處理器的開(kāi)發(fā),機(jī)交互界面友好,編譯器性能優(yōu)異,編譯代碼大小、執(zhí)行速率及系統(tǒng)的穩(wěn)定性均領(lǐng)先于同類產(chǎn)品,以下簡(jiǎn)稱Keil。
3.Labview
Labview由NI公司研制開(kāi)發(fā),類似于C和BASIC的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境,是用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序,產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序相對(duì)容易,主要用于數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用開(kāi)發(fā),很容易進(jìn)行嵌入式界面的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。
總之,嵌入式實(shí)訓(xùn)室建設(shè)全面考慮我校實(shí)際情況,可以模擬的設(shè)備類型多,便于項(xiàng)目開(kāi)發(fā),便于日后轉(zhuǎn)型與升級(jí),節(jié)約資金,一勞永逸。既能夠滿足教學(xué)的需要,又能夠滿足老師進(jìn)行科研的需要;也容易根據(jù)學(xué)生的個(gè)人能力與興趣進(jìn)行單獨(dú)培養(yǎng);為學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際,進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新,提供了良好的實(shí)踐環(huán)境。
(一)proteus和keil開(kāi)發(fā)ARM系統(tǒng)應(yīng)用程序過(guò)程
1.安裝了TCP/IP協(xié)議、Proteus和Keil等軟件。
2.安裝了實(shí)現(xiàn)Proteus和Keil聯(lián)調(diào)的ARM調(diào)試器插件(VDMARM.DLL)。
3.修改keil安裝目錄下Tools.ini文件,加入TDRV8=BIN/VDMARM.DLL(“Proteus ARM Driver”)
4.打開(kāi)proteus,點(diǎn)擊菜單“Debug”,選中“Use Romote Debuger Monitor”。畫(huà)好測(cè)試電路如圖2。
圖2 proteus測(cè)試硬件電路
5.在keil建立工程,編寫(xiě)文件,設(shè)置Project菜單的“Option for Target”,在“Debug”選項(xiàng)卡中“Proteus ARM Driver”,設(shè)置通信接口。
6.編譯通過(guò)后,點(diǎn)擊仿真執(zhí)行開(kāi)始按鈕,觀察proteus仿真電路現(xiàn)象。
(二)Labview開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序
1.確認(rèn)安裝了Labview2012,Labview2012 Touch Panel Module,Microsoft ActiveSync三個(gè)軟件。
2.在Labview中創(chuàng)建工程,新建的終端和設(shè)備為T(mén)ouch Panel Windows CE 5.0 Device,添加測(cè)試內(nèi)容,添加VI程序到項(xiàng)目,編譯形成可執(zhí)行文件,找到Touch Panel Tutorial.exe,拷貝執(zhí)行文件到ARM11實(shí)驗(yàn)箱中,測(cè)試程序界面如圖3。
圖3 Labview測(cè)試程序
為驗(yàn)證虛擬實(shí)訓(xùn)室的使用效果,針對(duì)兩種實(shí)訓(xùn)環(huán)境,在12級(jí)13級(jí)學(xué)生做了調(diào)查問(wèn)卷。
表1 學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查表
從表中看出學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室非常喜歡。教學(xué)過(guò)程中,能滿足不同層次學(xué)生需求,因材施教,鍛煉了學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。
實(shí)踐證明,該虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)幾乎完成全部嵌入式實(shí)踐教學(xué),能仿真多數(shù)嵌入式硬件系統(tǒng);隨著技術(shù)發(fā)展,虛擬平臺(tái)可以不斷升級(jí),不需要硬件投入;虛擬平臺(tái)不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)儀器和元器件缺乏帶來(lái)的問(wèn)題,零耗材和零儀器損壞,系統(tǒng)維護(hù)方便;實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面,系統(tǒng)軟硬件調(diào)試方便,便于學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),有效地提高了學(xué)生分析解決實(shí)際工程問(wèn)題的綜合能力。
[1]呂雪峰,趙軍芬.嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模式研究與應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007,(10).
[2]曲學(xué)樓,王富昕.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地的建設(shè)與探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,(25).
[3]李珍香.《嵌入式系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].福建電腦,2009,(1).
[4]賴曉晨,劉文杰.高校嵌入式實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2007,(6).
[5]李霞等.實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005,(3).
[6]殷蘇民等.基于Proteus的ARM虛擬開(kāi)發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,(5).
(責(zé)任編輯:卓如)
TP368.1
A
1671-802X(2016)01-0072-04
2015-12-26
劉娜(1967-),女,遼寧丹東人,副教授,碩士,研究方向:計(jì)算機(jī)、單片機(jī)研究及教學(xué)。E-mail:36177689@qq.com.
遼寧機(jī)電基金項(xiàng)目(JYLX2015005)
安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2016年1期