陳蕾+鄧晶

摘要：本文主要探討?yīng)毩W(xué)院嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐教學(xué)模式。首先，分析了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，論述了開(kāi)設(shè)基于STM32的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的重要性與必要性。其次，研究STM32實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置以及教學(xué)方法與考核方式等。三年的教學(xué)實(shí)踐表明，堅(jiān)持開(kāi)放式與傳統(tǒng)式相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與科學(xué)合理的考核方式，不僅可以提高學(xué)生的主動(dòng)性，也可以有效提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；STM32；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；獨(dú)立學(xué)院

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）25-0181-03

一、引言

幾十年來(lái)，以8位/16位微處理器為核心的微機(jī)原理與接口技術(shù)一直是電子信息類專業(yè)的專業(yè)必修課，在低端應(yīng)用中，它們還是有很大的應(yīng)用市場(chǎng)的。但是近年來(lái)，以ARM為核心的32位處理器迅速發(fā)展，憑借其高性能、低功耗等特性成為主流微控制器產(chǎn)品，也成為物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐，市場(chǎng)對(duì)掌握32位微控制器應(yīng)用的人才需求尤為強(qiáng)烈。為適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)人才知識(shí)技能的要求，各大高校相繼開(kāi)設(shè)了32位嵌入式系統(tǒng)課程，由于STM32結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及知識(shí)面廣，所以當(dāng)初主要是面向研究生開(kāi)設(shè)的。隨著以ARM為核心的STM32的誕生，相關(guān)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和固件庫(kù)的支持以及STM32開(kāi)發(fā)板功能的完善，筆者嘗試在獨(dú)立學(xué)院中開(kāi)設(shè)該課程。雖然獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，但是通過(guò)合理設(shè)置該課程的教學(xué)大綱并優(yōu)化教學(xué)方法，還是可以達(dá)到良好的教學(xué)效果的。另外，在全國(guó)以及各省的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，傳統(tǒng)的MCS-51單片機(jī)已經(jīng)不能滿足要求，越來(lái)越多的學(xué)生需要用STM32來(lái)解決控制問(wèn)題。筆者發(fā)現(xiàn)，開(kāi)設(shè)基于STM32的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，對(duì)學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)大賽，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高科研能力以及增加就業(yè)機(jī)會(huì)等都具有非常大的促進(jìn)作用。

二、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)，是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。而根據(jù)英國(guó)電器工程師協(xié)會(huì)的定義，嵌入式系統(tǒng)為“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。目前國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義為：“嵌入式系統(tǒng)被定義為以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等具有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。一般而言，嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以包括四個(gè)部分：嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、通用設(shè)備接口和I/O接口以及軟件。

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展很快，從最早的微處理器（MPU），發(fā)展到微控制器（MCU），再到片上系統(tǒng)（SoC），嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，使得單個(gè)芯片集成多種接口，處理能力變得更強(qiáng)，因而也能滿足更廣泛的應(yīng)用需求。其實(shí)單靠課堂的時(shí)間是不可能讓學(xué)生完全掌握嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的所有功能的，但是可以讓學(xué)生入門，掌握嵌入式系統(tǒng)的一般開(kāi)發(fā)過(guò)程，為其今后更深入地學(xué)習(xí)有關(guān)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

嵌入式系統(tǒng)的綜合性很強(qiáng)，它涉及到的基礎(chǔ)課程主要包括：電工與電路基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)、通信原理、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)原理、操作系統(tǒng)、微機(jī)接口技術(shù)等。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生一方面要了解嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與各種接口的功能；另一方面也要求學(xué)生掌握利用固件庫(kù)編寫(xiě)控制程序的方法。

由于嵌入式系統(tǒng)主要是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，因此嵌入式系統(tǒng)技術(shù)必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)?？傊?，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，只靠看書(shū)是無(wú)法理解透徹的，必須要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)際操作才能學(xué)好。在嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)反復(fù)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題，不僅可以深入理解嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的相關(guān)原理，而且也有助于學(xué)生真正地掌握嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)。而合理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，則可以幫助學(xué)生由淺入深地逐步掌握嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)。

三、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要依賴實(shí)驗(yàn)室，所有的實(shí)驗(yàn)必須在實(shí)驗(yàn)室中才能完成。但是，一般情況下，實(shí)驗(yàn)室不會(huì)對(duì)學(xué)生隨時(shí)開(kāi)放，導(dǎo)致學(xué)生只能在規(guī)定的課堂時(shí)間內(nèi)做實(shí)驗(yàn)，而當(dāng)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題一時(shí)無(wú)法解決的時(shí)候，學(xué)生就必須等到下次實(shí)驗(yàn)課才能解決。

基于STM32的嵌入式實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)主要包括PC機(jī)、JLINK仿真器（可選）、開(kāi)發(fā)板，如圖1所示。其中，開(kāi)發(fā)板價(jià)格便宜，體積小，方便攜帶，可以每人一塊。教師可以在第一次實(shí)驗(yàn)前發(fā)給學(xué)生，學(xué)生也可以在課余時(shí)間繼續(xù)學(xué)習(xí)，在學(xué)期結(jié)束時(shí)由教師再收上來(lái)。同時(shí)，開(kāi)發(fā)板功能強(qiáng)大，通常具有很多種外設(shè)，功能模塊如圖2所示。根據(jù)不同的開(kāi)發(fā)板，學(xué)生可以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出基礎(chǔ)型、設(shè)計(jì)型、綜合型、創(chuàng)新型等多種不同類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

基于STM32的軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用與51單片機(jī)一樣的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil MDK-ARM，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，若使用庫(kù)函數(shù)編程，則需預(yù)先到官網(wǎng)下載STM32的固件庫(kù)。學(xué)生可以像開(kāi)發(fā)51單片機(jī)一樣，創(chuàng)建STM32的工程、編寫(xiě)源代碼、生成目標(biāo)文件，最后將調(diào)試好的程序下載到開(kāi)發(fā)板中具體運(yùn)行。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置

1.嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)目標(biāo)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)以ST公司的32位基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32為核心，主要介紹嵌入式系統(tǒng)的定義、特點(diǎn)和發(fā)展，ARM Cortex-M3體系結(jié)構(gòu)，片上外設(shè)資源與STM32固件庫(kù)等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，要求學(xué)生能夠?qū)W會(huì)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)方法，為今后從事嵌入式系統(tǒng)方面的應(yīng)用與研究的學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本課程的具體教學(xué)目標(biāo)主要有以下幾項(xiàng)：（1）掌握嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)；學(xué)習(xí)ARM Cortex-M3體系結(jié)構(gòu)；學(xué)習(xí)STM32 MCU的結(jié)構(gòu)、STM32最小系統(tǒng)、片內(nèi)外設(shè)資源和外部引腳功能，學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方法；（2）學(xué)習(xí)STM32的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，掌握利用嵌入式C語(yǔ)言設(shè)計(jì)STM32程序的方法；（3）學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，掌握STM32最小系統(tǒng)硬件和外圍擴(kuò)展單元設(shè)計(jì)，并能夠綜合運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)技術(shù)解決實(shí)際工程中遇到的問(wèn)題；（4）學(xué)習(xí)ARM Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的使用方法，熟練使用STM32開(kāi)發(fā)板，并在此基礎(chǔ)上完成規(guī)定的基礎(chǔ)型、設(shè)計(jì)型以及綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。為了達(dá)成嵌入式設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)，筆者在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)了以下一些不同類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：（1）基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)。①這個(gè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要是基于固件庫(kù)的工程模板的建立。筆者要求學(xué)生在自己的電腦上安裝好開(kāi)發(fā)軟件，建立STM32工程，在工程中添加庫(kù)函數(shù)，編寫(xiě)源代碼，創(chuàng)建目標(biāo)文件。②GPIO端口直接輸入/輸出實(shí)驗(yàn)。筆者要求學(xué)生掌握GPIO工作方式的配置方法、GPIO函數(shù)的功能等，同時(shí)編程實(shí)現(xiàn)了根據(jù)按鍵控制LED以不同的方式點(diǎn)亮。（2）設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。①筆者在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中主要進(jìn)行的是外部中斷應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，筆者要求學(xué)生掌握外部中斷的工作方式，EXTI和NVIC相關(guān)函數(shù)功能與使用方法，能夠編寫(xiě)中斷初始化程序與中斷服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)按鍵中斷控制數(shù)碼顯示。②定時(shí)器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，筆者要求學(xué)生掌握定時(shí)器的工作方式、定時(shí)時(shí)間常數(shù)的配置，編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)秒計(jì)時(shí)、計(jì)時(shí)暫停、清零等功能。③串口通信實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，筆者要求學(xué)生掌握STM32串口結(jié)構(gòu)與通信原理，能夠編程實(shí)現(xiàn)STM32與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。④A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，筆者要求學(xué)生掌握A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，掌握ADC初始化配置，ADC中斷，數(shù)據(jù)采集等程序設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠?qū)⒛M電壓值顯示在數(shù)碼管上，同時(shí)通過(guò)串口上傳到PC機(jī)。（3）綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。①綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)主要是基于nRF24L01模塊的近距無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)的。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，筆者要求學(xué)生了解近距無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸原理，掌握24L01的工作原理與特點(diǎn)，掌握24L01的程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)。在具體的實(shí)驗(yàn)操作中，兩人一組，分別實(shí)現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，并能在顯示器上進(jìn)行顯示。②基于MF RC522模塊的RFID讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，筆者要求學(xué)生了解RFID的工作原理與特點(diǎn)，了解和掌握RFID的程序設(shè)計(jì)方法，能夠應(yīng)用MF RC522 RFID模塊，設(shè)計(jì)一個(gè)RFID讀寫(xiě)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫(xiě)操作，如可讀取校園卡的ID等。

五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與考核

在嵌入式技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，筆者始終強(qiáng)調(diào)要以學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)的中心，同時(shí)采用開(kāi)放式與傳統(tǒng)式相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，要求學(xué)生在自己的筆記本電腦上搭建好STM32開(kāi)發(fā)環(huán)境，且學(xué)生可以將開(kāi)發(fā)板帶走。此外，教師可以將嵌入式技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求提前發(fā)布，鼓勵(lì)學(xué)生在課前完成實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。實(shí)驗(yàn)課上，教師主要負(fù)責(zé)的是指導(dǎo)答疑、成果檢查、當(dāng)場(chǎng)提問(wèn)并打分。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)這種方式，既能讓學(xué)生之間互相學(xué)習(xí)，又能讓其他學(xué)生進(jìn)行有效地監(jiān)督，保障最終成績(jī)的公平公正。另外，筆者在嵌入式技術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)中采用的是全過(guò)程考核方式，考核內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成情況（占30%）：考察完成的進(jìn)度、每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)要求的完成情況以及創(chuàng)新成果等。（2）回答問(wèn)題表現(xiàn)（占30%）：考察對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的熟悉程度以及相關(guān)基本知識(shí)的掌握情況。（3）實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量（占40%）：主要考察學(xué)生撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)構(gòu)清晰程度、內(nèi)容的正確性與完整性等。

六、結(jié)語(yǔ)

隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展和社會(huì)對(duì)嵌入式研發(fā)人才需求的不斷增加，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)十分重視嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)研究和教學(xué)改革。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的特點(diǎn)，筆者建立了基于STM32的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，確定了比較合理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與考核評(píng)價(jià)方式，并采用了開(kāi)放式與傳統(tǒng)式相結(jié)合的教學(xué)方式，最終的結(jié)果就是嵌入式技術(shù)課程的選課人數(shù)不斷增加并獲得了學(xué)生的好評(píng)。通過(guò)實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力得到了一定的培養(yǎng)和提高。作為一門綜合性強(qiáng)、內(nèi)容多、側(cè)重應(yīng)用、內(nèi)容更新快的應(yīng)用技術(shù)課程，嵌入式技術(shù)教學(xué)需要在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行更深入地探索，更好地促進(jìn)學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，并不斷提高嵌入式技術(shù)課堂的教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)大賽、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)以及今后工作奠定良好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]車明，等.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)改革研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015，（6）.

[2]汪永紅，等.《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革探討[J].中國(guó)電力教育，2015，（2）.

[3]廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].中國(guó)電力出版社，2012.

[4]姚文詳，宋巖.ARM Cortex-M3 權(quán)威指南[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5]彭剛，秦志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3 的STM32 系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

Research and Practice on Experiment Teaching of Embedded System Design Based on STM32 in Independent College

CHEN Lei1，2，DENG Jing2

（1.Department of Electronic and Information Engineering，Wenzheng College，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215104，China；2.School of Electronic and Information Engineering，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215021，China）

Abstract：This paper mainly discusses the practice teaching mode of embedded system design in the independent college. Firstly，this paper analyzes the current teaching status of embedded system design course，and discusses the importance and necessity of setting up the embedded system design course based on STM32. Secondly，this paper researched the STM32 experimental platform，experimental content，teaching method，and evaluation system and so on. The three-years teaching practice shows that both the students' initiative and the teaching quality can be effectively improved by combining open-type experimental teaching mode with traditional one，and using scientific and reasonable appraisal method.

Key words：embedded system；STM32；experimental teaching；independent college