楊澤林，　何　莉

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,重慶 400054)

0　引　言

隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來廣泛，高校對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)日益重視。國內(nèi)很多高校在電子類、儀器類、計(jì)算機(jī)類等專業(yè)都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，為幫助學(xué)生更好的理解和學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)，理論教學(xué)的輔助手段多是Proteus仿真軟件[1-2]和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。但是在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)仍存在以下幾點(diǎn)問題: ①學(xué)生理論學(xué)習(xí)理解掌握困難。由于該課程所涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，許多概念比較抽象，對于大多數(shù)初次接觸嵌入式系統(tǒng)且相應(yīng)基礎(chǔ)較差的學(xué)生而言，普遍反映嵌入式系統(tǒng)是最難學(xué)的課程之一；②學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程與理論教學(xué)知識(shí)融合困難，課程綜合設(shè)計(jì)能力差。目前許多學(xué)校選用的實(shí)驗(yàn)裝置普遍追求功能強(qiáng)大，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容廣，項(xiàng)目難，配置高檔，使得裝置的軟硬件復(fù)雜[3]，初學(xué)學(xué)生不易上手,忽視了學(xué)生的實(shí)際情況，很難完成在課時(shí)內(nèi)對裝置的消化吸收和課程的教學(xué)目標(biāo)要求；③硬件上沒有實(shí)作擴(kuò)展空間，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多是驗(yàn)證性程序應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，不能親生經(jīng)歷硬件的實(shí)作與軟硬件調(diào)試過程，缺乏自主性和體驗(yàn)感，實(shí)驗(yàn)過程懵懵懂懂；④實(shí)驗(yàn)裝置的目標(biāo)MCU大多不能與Proteus仿真軟件匹配，出現(xiàn)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)裝置不能無縫銜接的尷尬局面。到后續(xù)課程綜合設(shè)計(jì)時(shí)，少有能獨(dú)立實(shí)踐動(dòng)手操作完成的學(xué)生。

因此，根據(jù)我校的實(shí)際情況，配合教學(xué)需要，并考慮學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)體差異，本著簡單易懂，實(shí)用方便原則[4]，研發(fā)設(shè)計(jì)了以ARM LPC2138 為目標(biāo)MCU的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)輔助系統(tǒng)，學(xué)生教師一人一套。以該教輔系統(tǒng)為支撐，精心設(shè)計(jì)教學(xué)范例和實(shí)驗(yàn)例程，以引導(dǎo)學(xué)生入門，打好基礎(chǔ)為目的，改革教學(xué)方法[5-7]，采用“引導(dǎo)-模仿-實(shí)踐”漸進(jìn)式教學(xué)模式，使該系統(tǒng)成為學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)階段有力的教學(xué)輔助工具，在理論課堂教學(xué)上幫助任課教師很好地展現(xiàn)授課內(nèi)容；同時(shí)作為學(xué)生在課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)中的必備裝置，直接應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)中。實(shí)踐表明：該系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中，結(jié)合例程分解、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)[8]等教學(xué)方法，對教學(xué)的輔助效果十分明顯，特別是對后續(xù)課程設(shè)計(jì)、課外實(shí)踐等環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量的提高有很大的幫助。

1　教學(xué)輔助系統(tǒng)

ARM嵌入式教學(xué)輔助系統(tǒng)以經(jīng)典的ARM7 LPC2148/38 MCU[9]為學(xué)習(xí)對象，分為核心板和擴(kuò)展板兩部分，如圖1所示。核心板包括ARM7處理器最小系統(tǒng)，配以串口通信/ISP下載控制接口，USB接口,電源模塊電路等。擴(kuò)展板包括矩陣鍵盤、可以用作中斷輸入的獨(dú)立按鍵、字符和點(diǎn)陣LCD顯示接口、A/D采集電壓產(chǎn)生等輸入/輸出人機(jī)界面及引腳擴(kuò)展。整個(gè)系統(tǒng)基本功能齊全，所有引腳及電源均引出，無需額外配接電源，便于與電腦配接，體積小，攜帶方便，非常便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)與擴(kuò)展應(yīng)用實(shí)踐。

1.1　ARM處理器

圖1教輔系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)MCU采用的是ARM7系的一款經(jīng)典產(chǎn)品ARM LPC2148/38 MCU。ARM LPC2148/38 MCU引腳少，工作原理簡單且具有強(qiáng)大的處理和控制功能，含有豐富的外設(shè)資源，以及可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)ISP/IAP編程，功能較為齊全。同時(shí)在Proteus仿真軟件和Keil編程軟件中均支持該MCU，因此特別適合作為ARM嵌入式系統(tǒng)課程基礎(chǔ)階段的教學(xué)與學(xué)習(xí)實(shí)踐。

1.2　串口通信及ISP下載控制接口

串口通信使用的是LPC2148/38 MCU的串口0。 LPC2148/38 MCU的串口0是ARM處理器的主要組成部分之一，不僅可以用于學(xué)習(xí)與PC機(jī)的串行通訊，配以相應(yīng)的ISP電路后，PC機(jī)借助ARM集成開發(fā)編程軟件還可以將應(yīng)用程序直接下載到MCU中進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，降低了教輔系統(tǒng)的使用要求，方便了實(shí)踐教學(xué)的需要。

1.3　USB接口及電源

LPC2148 MCU自備有USB2.0從控制器，配以相應(yīng)的接口電路后，可以方便地進(jìn)行USB相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容；為了使用方便，教輔系統(tǒng)利用USB接口供電，串口下載程序，有效地利用了它的功能資源。

1.4　輸入/輸出及引腳擴(kuò)展

作為教輔系統(tǒng)的共性功能，幾乎在所有的應(yīng)用學(xué)習(xí)以及程序調(diào)試中都會(huì)使用到相應(yīng)的I/O接口。因此將P1端口用于字符LCD(LM1602)與點(diǎn)陣LCD(QC12864)的共用輸出，配合矩陣鍵盤輸入端口，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)例程在課堂上講授和練習(xí)，適當(dāng)降低了學(xué)生自學(xué)時(shí)的使用難度，提高實(shí)踐的應(yīng)用效率。同時(shí)將所有引腳及電源在擴(kuò)展板上通過插針引出，極大地方便學(xué)生接入其他擴(kuò)展應(yīng)用的硬件。

1.5　系統(tǒng)軟件及例程SDK

教輔系統(tǒng)的軟件教學(xué)主要是對Poteus仿真軟件[10]、Keill集成開發(fā)軟件[11]、Flash Magic編程下載等3個(gè)工具軟件的認(rèn)識(shí)，內(nèi)容涉及到項(xiàng)目工程的建立與配置，程序文件的新建與添加，工程的編譯與鏈接，電路原理圖的匯制，程序下載與仿真運(yùn)行、改錯(cuò)等應(yīng)用工程模板。例程SDK包含了LPC 2138/48MCU所有初始化控制函數(shù)，常見的人機(jī)接口輸入輸出函數(shù)等內(nèi)容，供設(shè)計(jì)者調(diào)用使用，屬于高級應(yīng)用范疇。例程SDK的學(xué)習(xí)和應(yīng)用是幫助學(xué)生更好地進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)的有效方式，因此，例程設(shè)計(jì)至關(guān)重要，不僅是對課程教學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證，加深和鞏固對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，也是引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)培養(yǎng)開發(fā)創(chuàng)新能力的橋梁。例程SDK開發(fā)運(yùn)用單元模塊知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循從基礎(chǔ)開始，由簡到難，從小模塊到大系統(tǒng)保證例程開發(fā)連續(xù)性，應(yīng)用與原理并存的原則，設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)范例。該教輔系統(tǒng)不僅提供了LPC2138/48 的所有硬件資源，還提供了有關(guān)輸入/輸出的SDK，大大節(jié)省了ARM基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)搭建的時(shí)間，使學(xué)生將主要精力和時(shí)間放在應(yīng)用開發(fā)上，課程設(shè)計(jì)的效果和質(zhì)量很好。

2　教學(xué)實(shí)踐

2.1　教學(xué)模式

ARM嵌入式系統(tǒng)課程所涉及的知識(shí)面廣，原理性、專業(yè)性、綜合性、前沿性都比較強(qiáng)，ARM芯片資源豐富，實(shí)際應(yīng)用廣泛，軟硬件技術(shù)綜合應(yīng)用性強(qiáng)，學(xué)生理解掌握不容易。因此在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，部分引入翻轉(zhuǎn)課堂理念[12]，調(diào)整學(xué)時(shí)分配，以案例教學(xué)和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)提高學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)原理和應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和掌握。在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中“理論結(jié)合實(shí)踐，專業(yè)結(jié)合應(yīng)用”，以教輔系統(tǒng)為支撐建立起“引導(dǎo)-模仿-實(shí)踐”的漸進(jìn)式教學(xué)模式，如圖2所示。以應(yīng)用為主組織教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)及實(shí)用的設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)等工程實(shí)踐概念；以教輔系統(tǒng)為支撐設(shè)計(jì)相應(yīng)的例程項(xiàng)目及范例實(shí)踐，分解講授，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，由淺入深，由易到難，由基礎(chǔ)到綜合，切實(shí)讓學(xué)生從硬件到軟件，再從軟件到硬件實(shí)現(xiàn)對嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)技術(shù)的完整認(rèn)識(shí)，初步具備嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的基本技能。

圖2　基于教輔系統(tǒng)的教學(xué)構(gòu)架

2.2　教學(xué)方法

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，以教輔系統(tǒng)為支撐，設(shè)計(jì)相應(yīng)的例程項(xiàng)目和教學(xué)范例實(shí)踐，從“基礎(chǔ)模塊訓(xùn)練-小項(xiàng)目例程模仿-簡單應(yīng)用設(shè)計(jì)-開發(fā)擴(kuò)展提高”4個(gè)層次逐步展開教學(xué)。①在教學(xué)初期以嵌入式產(chǎn)品實(shí)例介紹嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用及發(fā)展前景，讓學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)有一定的初步印象，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。在這里，可以采用一種“倒推式”教學(xué)法[13]，即以某個(gè)實(shí)際嵌入式產(chǎn)品為例，如采用D/A或PWM實(shí)現(xiàn)的音樂播放器，將其倒推分解到產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程，并將其歸屬到課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容單元模塊(GPIO、定時(shí)器、A/D 、D/A、PWM及VIC中斷等)。在課程教學(xué)中，以產(chǎn)品的模塊為核心教學(xué)范例，組織教學(xué)內(nèi)容，對相應(yīng)的教學(xué)模塊進(jìn)行范例教學(xué)及實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的基本技能。②ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境，即編程仿真軟件、工程建立和配置等軟件教學(xué)，是嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)不可繞開的第一步，學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)過程中極其容易出錯(cuò)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)的自信心受挫。因此以教輔系統(tǒng)為支撐，在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，充分利用教輔系統(tǒng)編制了一組實(shí)用的例程SDK和教學(xué)范例[14]，如GPIO類的LCD、矩陣鍵盤等模塊含源代碼的SDK，串行通訊類的短信收發(fā)遠(yuǎn)程控制，PWM、D/A類的音樂播放器、A/D類的簡易頻譜分析儀及溫度測量等范例設(shè)計(jì)供學(xué)生程序閱讀、練習(xí)模仿。將采用匯編語言和C語言設(shè)計(jì)的教學(xué)例程SDK對實(shí)踐范例進(jìn)行步驟分解，并對關(guān)鍵步驟進(jìn)行了詳細(xì)注解，在課堂上要求學(xué)生跟著教師逐步模仿、操作、實(shí)踐學(xué)習(xí)，而且寫出書面的總結(jié)體會(huì)，確保學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)中能順利邁出這第一步。教師在授課中分解各例程，讓學(xué)生分模塊模仿應(yīng)用學(xué)習(xí)，在模仿中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中提高。③加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練。在Proteus仿真軟件和教輔系統(tǒng)的支持下，加大實(shí)際編程訓(xùn)練內(nèi)容，編寫了相應(yīng)的實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目，如計(jì)算器設(shè)計(jì)、電子日歷制作、動(dòng)畫顯示(廣告)屏、正弦波示波器、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速、條碼掃描顯示、音樂播放器、SD卡文件讀寫、RFID IC卡讀寫器等項(xiàng)目。這些教學(xué)實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目不僅包含了課程理論知識(shí)的內(nèi)容，而且涉及程序的編寫，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程等嵌入式技術(shù)要求。在實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練過程中，要求學(xué)生從能跟著教師操作演示逐步實(shí)現(xiàn)以教輔系統(tǒng)為基礎(chǔ)，輔以必要的簡單硬件設(shè)計(jì)制作，分組自選項(xiàng)目并獨(dú)立完成相應(yīng)項(xiàng)目的應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)；在訓(xùn)練項(xiàng)目實(shí)踐過程中不斷再學(xué)習(xí)和升華講授的知識(shí)。④將課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)和課外學(xué)生競賽、科研活動(dòng)等作為嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)的延伸和提高。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以由老師指定或?qū)W生根據(jù)個(gè)人喜好選擇題目，1或2人一組，設(shè)計(jì)一些相對綜合的應(yīng)用設(shè)計(jì)項(xiàng)目，進(jìn)一步加深學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，并培養(yǎng)一定的嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)應(yīng)用設(shè)計(jì)能力。

2.3　教學(xué)案例

表1　“音樂播放器”教學(xué)案例的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)要求，以教學(xué)輔助系統(tǒng)為支撐，教師精心組織了“音樂播放器”項(xiàng)目案例[15-16]的教學(xué)內(nèi)容如表1所示。在整個(gè)案例教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)中，每個(gè)訓(xùn)練子例程在課程教學(xué)中提供了相應(yīng)的基本的SDK，首先由老師結(jié)合課程理論知識(shí)進(jìn)行SDK分解講授，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)應(yīng)用；然后學(xué)生可根據(jù)自己的喜好改變對應(yīng)的SDK，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的小設(shè)計(jì)和個(gè)別調(diào)節(jié)，比如音樂的曲目切換方式，音樂的音量音調(diào)調(diào)節(jié)等；學(xué)生借此理解ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法之后，可以開展新的提升項(xiàng)目訓(xùn)練。該項(xiàng)目案例教學(xué)設(shè)計(jì)4個(gè)學(xué)時(shí)，部分引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以“教師講解引導(dǎo)-學(xué)生實(shí)踐-學(xué)生課外作業(yè)及實(shí)踐-課堂收集教師點(diǎn)評”為主要的教學(xué)方法，實(shí)踐證明該教學(xué)案例設(shè)計(jì)獲得了很好的教學(xué)效果。項(xiàng)目案例化教學(xué)是目前普遍采用的一種教學(xué)改革手段，在編寫項(xiàng)目案例時(shí)不是簡單地給出程序代碼和注釋供學(xué)生閱讀，而是按照費(fèi)米思維(定律)向?qū)W生展示項(xiàng)目的分解與集成、切入點(diǎn)、實(shí)施步驟與過程等開發(fā)技術(shù)，達(dá)到“授之以漁”的目的。以音樂播放器為例，該案例涉及到了項(xiàng)目分析和技術(shù)分解、嵌入式系統(tǒng)程序架構(gòu)搭建、接口技術(shù)、定時(shí)器應(yīng)用、中斷技術(shù)及中斷應(yīng)用等概念；包含了LPC2148/38 GPIO、VIC中斷控制器、A/D、定時(shí)器、串行通信等內(nèi)部硬件模塊的初始化與使用，點(diǎn)陣/字符LCD、矩陣鍵盤等外部硬件的使用等；在教學(xué)案例設(shè)計(jì)上可以組織設(shè)計(jì)4個(gè)訓(xùn)練子例程：①GPIO輸入/輸出例程，實(shí)現(xiàn)音樂的起停，歌曲切換；②定時(shí)器可調(diào)周期方波輸出實(shí)例，實(shí)現(xiàn)音樂輸出的節(jié)拍調(diào)節(jié)；③A/D、D/A模擬電壓輸入輸出驗(yàn)證實(shí)例(采樣驗(yàn)證，音入音出)，而且D/A輸出也可與兩個(gè)定時(shí)器配合實(shí)現(xiàn)音樂播放，自制音樂文件；④PWM脈沖寬度調(diào)制方式，利用脈沖周期改變音調(diào)，利用脈沖占空比變化改變音量，自制音樂文件；最后還可以在此基礎(chǔ)上針對個(gè)別掌握比較好的同學(xué)，提出更高層次的設(shè)計(jì)要求，比如車載高清音樂播放器的設(shè)計(jì)，基于APE/FLAC數(shù)字音樂文件的音樂播放器的設(shè)計(jì)，以及音響效果的處理等，讓學(xué)生得到進(jìn)一步的工程開發(fā)應(yīng)用設(shè)計(jì)的鍛煉，對學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的基本架構(gòu)有非常好的實(shí)際意義。

3　結(jié)　語

教學(xué)實(shí)踐證明，這種針對學(xué)生個(gè)體差異、以初學(xué)者為對象設(shè)計(jì)的教輔系統(tǒng)，硬件電路簡單，學(xué)生能較輕松地掌握其電路原理，契合初學(xué)者教學(xué)對象的實(shí)際狀況。功能覆蓋面廣，在完成教學(xué)大綱要求的同時(shí)還滿足不同學(xué)生的需求。外圍硬件可自主擴(kuò)充，大大地提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)及動(dòng)手能力。以LPC2138為目標(biāo)MCU，靈活方便地在仿真和實(shí)物系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該教輔系統(tǒng)已經(jīng)在我校測控專業(yè)教學(xué)中投入使用2屆了，它將課堂教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)無縫連接在一起，通過一例一問，逐題增加，承前啟后式的教學(xué)內(nèi)容與例題設(shè)計(jì)，基本解決了嵌入式系統(tǒng)課程難教、難學(xué)、難懂的系列問題。將課程考試放在課程設(shè)計(jì)之后，使學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中進(jìn)一步鞏固課堂知識(shí)，考試成績大幅提高，補(bǔ)考率也大幅降低，大多數(shù)學(xué)生還將該系統(tǒng)用在了畢業(yè)設(shè)計(jì)中，證明該教輔系統(tǒng)對嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用起到了很好的輔助作用。

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