連麗紅

（廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 廈門(mén) 363105）

0 引 言

2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)召開(kāi)會(huì)議提出，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度。新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系。嵌入式系統(tǒng)作為各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的常用載體之一，有必要培養(yǎng)學(xué)生在熟知基本理論和開(kāi)發(fā)方法的基礎(chǔ)上，掌握高技術(shù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程，為新基建培養(yǎng)有力的后備力量。此外，我校的智能科學(xué)與技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專(zhuān)業(yè)成立并開(kāi)始招生，兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)之一均需要實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)新技術(shù)的落地，因此也需要開(kāi)設(shè)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。結(jié)合目前嵌入式課程研究和課程資源更多是基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，本?，F(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)課程雖然基于ARM平臺(tái)，但基礎(chǔ)性內(nèi)容偏多，具體應(yīng)用偏少，因此有必要對(duì)其教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)新技術(shù)的補(bǔ)充。最后，受疫情影響，教學(xué)形式正發(fā)生著重大改變，線上線下結(jié)合的混合式教學(xué)模式已成為當(dāng)今主要教學(xué)模式之一，嵌入式系統(tǒng)的線上教學(xué)研究也在逐步開(kāi)展。

1 課程改革的重點(diǎn)問(wèn)題

本?！扒度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用”課程自2006年開(kāi)始在信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院作為專(zhuān)業(yè)核心選修課開(kāi)設(shè)，針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)需求分為A/B類(lèi)型，總學(xué)時(shí)分別為48/32學(xué)時(shí)，包括理論課時(shí)和實(shí)踐課時(shí)。教學(xué)內(nèi)容以ARM開(kāi)發(fā)板為硬件平臺(tái)、Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在教學(xué)大綱的執(zhí)行和教學(xué)活動(dòng)開(kāi)展過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)為硬件平臺(tái)成本高、更新慢、容易與新技術(shù)脫節(jié)；課程教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)單一，集中在理論講解和驗(yàn)證性實(shí)踐方面，缺乏探索性實(shí)踐等。

2020年，該課程立項(xiàng)為福建省本科高校教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目，對(duì)教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)案例等進(jìn)行更系統(tǒng)性的教學(xué)改革研究，擬解決以下問(wèn)題。

（1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成本高、不易移動(dòng)、學(xué)生課外學(xué)習(xí)受限。雖然2016年已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了升級(jí)改造，由原來(lái)三星的2410平臺(tái)升級(jí)為基于Cortex A8平臺(tái)，同時(shí)配套了傳感器等拓展模塊，便于開(kāi)展一定的探索性實(shí)踐，但現(xiàn)有的教學(xué)平臺(tái)仍存在體積較大，成本高，不易嵌入具體產(chǎn)品等問(wèn)題。

（2）教學(xué)內(nèi)容與工程應(yīng)用脫節(jié)。受限于教學(xué)平臺(tái)，課程教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)性知識(shí)比重大，驗(yàn)證性實(shí)踐偏多、具體應(yīng)用案例相對(duì)簡(jiǎn)單，缺乏系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)案例，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)嚴(yán)重。

（3）教學(xué)方式單一，缺乏開(kāi)展有效的教學(xué)活動(dòng)。教學(xué)開(kāi)展主要以教師講解為主，學(xué)生完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為輔，無(wú)論是教師團(tuán)隊(duì)還是學(xué)生，只有協(xié)同開(kāi)發(fā)才能集各方優(yōu)勢(shì)完成更系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。因此，以團(tuán)隊(duì)協(xié)作為基礎(chǔ)，以具體應(yīng)用為導(dǎo)向，并貫穿產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全過(guò)程的實(shí)踐教學(xué)模式將是課程改革的主要方向。

2 課程改革的具體設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)平臺(tái)

如圖1所示，教學(xué)平臺(tái)擬選用基于Cortex A9的迅為iTOP-4412精英版，其核心板為Exynos4412，含有1 GB內(nèi)存，底板除電源模塊等必要模塊外，提供了豐富的接口，如串口、網(wǎng)口、IC等。新的教學(xué)平臺(tái)在提升處理器性能的同時(shí)降低了成本，體積也大大縮小，接口更加豐富，方便嵌入到具體產(chǎn)品中進(jìn)行拓展應(yīng)用，且攜帶方便，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

圖1 教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.2 教學(xué)內(nèi)容

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容在課程具體實(shí)施中將分成3個(gè)階段進(jìn)行：基礎(chǔ)理論階段、系統(tǒng)分析階段、實(shí)踐階段。

基礎(chǔ)理論階段主要以嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、基本方法講解為主，讓學(xué)生系統(tǒng)了解嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的方法。

系統(tǒng)分析階段主要為嵌入式系統(tǒng)軟硬件各環(huán)節(jié)的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)典型案例引導(dǎo)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試等環(huán)節(jié)的具體流程和方法進(jìn)行梳理。

實(shí)踐階段根據(jù)培養(yǎng)素質(zhì)和培養(yǎng)能力的需求，安排相應(yīng)實(shí)踐課題，學(xué)生可以分組分工協(xié)作或獨(dú)立完成系統(tǒng)構(gòu)思、軟硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試和報(bào)告撰寫(xiě)等任務(wù)。在具體任務(wù)的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生可以深化對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，更加全面、系統(tǒng)地掌握嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程和方法，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

2.3 教學(xué)方式

2.3.1 以項(xiàng)目為導(dǎo)向的教學(xué)模式

課程在簡(jiǎn)要的基礎(chǔ)理論介紹之后，以典型應(yīng)用案例為主線展開(kāi)教學(xué)，便于學(xué)生更系統(tǒng)地掌握完整的案例開(kāi)發(fā)流程，積累開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，做到學(xué)以致用。

2.3.2 課賽結(jié)合、產(chǎn)教融合，注入創(chuàng)新案例

將電子設(shè)計(jì)竟賽、智能車(chē)競(jìng)賽和嵌入式專(zhuān)題邀請(qǐng)賽等全國(guó)高水平科技競(jìng)賽的賽題引入課程，與課程教學(xué)相結(jié)合，讓學(xué)生了解電子信息和通信技術(shù)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、典型應(yīng)用和經(jīng)典設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，對(duì)嵌入式綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有更直觀的認(rèn)知，極大地激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情和設(shè)計(jì)激情。

通過(guò)積極參與產(chǎn)學(xué)合作、校企平臺(tái)項(xiàng)目，全面支持課程建設(shè)，包括改革課程體系、更新課程教學(xué)案例等。如：2019年與北京博創(chuàng)智聯(lián)科技有限公司簽訂了第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目，引入企業(yè)先進(jìn)的技術(shù)推進(jìn)課程的建設(shè)；教師團(tuán)隊(duì)和學(xué)生團(tuán)隊(duì)積極參與校企合作平臺(tái)研發(fā)的無(wú)人機(jī)相關(guān)項(xiàng)目，也為課程提供了優(yōu)秀的教學(xué)案例等。

2.3.3 智慧教學(xué)模式

以在線開(kāi)放課程資源為依托，基于在線教學(xué)平臺(tái)、智慧教學(xué)輔助工具，在學(xué)校課程教學(xué)中運(yùn)用多種教學(xué)理論、教學(xué)策略、教學(xué)方法和教學(xué)組織形式，有機(jī)地將課程教學(xué)與智慧教學(xué)工具有效結(jié)合，豐富教學(xué)形式，提升教學(xué)效果。

3 課程教學(xué)案例

課程教學(xué)案例結(jié)合目前主流的無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在無(wú)人機(jī)技術(shù)中，姿態(tài)控制尤為重要，直接影響無(wú)人機(jī)的控制精度和飛行效果。以姿態(tài)角度傳感器數(shù)據(jù)采集為例，介紹開(kāi)發(fā)流程。

姿態(tài)角度傳感器采用WT931，其不僅集成了高精度陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，同時(shí)還集成了姿態(tài)解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài)，精度和穩(wěn)定度。模塊主要通過(guò)串口同主機(jī)連接，同時(shí)，預(yù)留SCL、SDA等基于IC的通信接口。具體開(kāi)發(fā)流程如下：

（1）硬件連接?？紤]到接口問(wèn)題，WT931模塊在配置和使用過(guò)程中均通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL模塊分別接主機(jī)和iTOP-4412開(kāi)發(fā)板的USB接口。需要注意的是，WT931模塊與USB轉(zhuǎn)TTL模塊引腳連接時(shí)RX與TX交叉連接。

（2）WT931模塊配置。WT931模塊通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL模塊連接電腦后，可以用廠商提供的MiniMU.exe軟件進(jìn)行配置，配置界面如圖2所示。除加速度、磁場(chǎng)校準(zhǔn)外，串口波特率也需要進(jìn)行設(shè)置，本設(shè)計(jì)串口通信速率設(shè)置為9 600。

圖2 WT931配置

（3）WT931模塊數(shù)據(jù)采集。WT931模塊數(shù)據(jù)采集主要包括串口通信和數(shù)據(jù)解析兩部分。其中，串口通信包括串口打開(kāi)、串口配置、串口讀寫(xiě)及串口關(guān)閉；數(shù)據(jù)解析是對(duì)串口讀取的數(shù)據(jù)按WT931模塊內(nèi)部定義進(jìn)行解析和打印輸出。

代碼交叉編譯后就可以掛載到板上運(yùn)行，需要注意的是，由于使用的是USB轉(zhuǎn)TTL，串口驅(qū)動(dòng)需要用insmod ch34x.ko進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。程序的運(yùn)行結(jié)果如圖3所示，模塊正常工作。

圖3 WT931數(shù)據(jù)采集結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要針對(duì)目前嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程的特點(diǎn)和本校嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用課程存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合福建省本科高校教育教學(xué)改革研究的契機(jī)，從教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)案例等方面入手，設(shè)計(jì)了一套改革方案。該方案具有成本低、可移植性好等優(yōu)點(diǎn)。