應(yīng)用型本科電氣專業(yè)嵌入式課程的改革研究

劉金平　葉賽風(fēng)

摘要：本文結(jié)合應(yīng)用型本科的特征，從電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的就業(yè)崗位和能力要求入手，分析目前嵌入式課程教學(xué)現(xiàn)狀及改革的必要性，提出嵌入式課程改革的思路和內(nèi)容設(shè)計(jì)，通過(guò)舉例說(shuō)明改革成果并總結(jié)出課程改革的特色。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；電氣工程及其自動(dòng)化；嵌入式；改革

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）03-0099-02

一、引言

電力是現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和生活的基礎(chǔ)，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)在當(dāng)今成為熱門專業(yè)，社會(huì)需求量大，就業(yè)前景廣闊。我院與本科院校的電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)進(jìn)行聯(lián)合辦學(xué)，方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化，以強(qiáng)電為主，強(qiáng)電弱電結(jié)合。應(yīng)用型本科是我國(guó)高等教育中的重要組成部分。它具有以下特征：①培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)第一線需要的高等技術(shù)應(yīng)用性人才，不是培養(yǎng)普通本科的學(xué)科型、學(xué)術(shù)型、研究型人才。②培養(yǎng)模式以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用能力為主線，以“應(yīng)用”為主旨。依據(jù)特征，應(yīng)用型本科各專業(yè)在構(gòu)建課程和教學(xué)內(nèi)容體系時(shí)，必須注重學(xué)生實(shí)踐能力，其核心環(huán)節(jié)是實(shí)踐教學(xué)。

二、電氣專業(yè)就業(yè)崗位與能力要求

經(jīng)過(guò)調(diào)研可以得知，電氣專業(yè)畢業(yè)生大部分在發(fā)電廠，電網(wǎng)公司的生產(chǎn)一線，從事運(yùn)行、繼保、調(diào)度、電力營(yíng)銷等相關(guān)工作；一部分在電力設(shè)備制造企業(yè)從事電工產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、產(chǎn)品試驗(yàn)、銷售服務(wù)等工作。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)與智能控制技術(shù)應(yīng)用的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)技術(shù)發(fā)生了巨大變化，所以絕大部分用人單位要求電氣專業(yè)的畢業(yè)生除了掌握電力工程知識(shí)外，還要掌握了解計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)知識(shí)。根據(jù)電力行業(yè)自動(dòng)化及數(shù)字化程度越來(lái)越高的特點(diǎn)，我院在制定本專業(yè)人才培養(yǎng)方案時(shí)，重新進(jìn)行課程設(shè)置，總體要求是既保證電力行業(yè)崗位所必需的強(qiáng)電專業(yè)知識(shí)，又加強(qiáng)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制方面內(nèi)容，特別是嵌入式的知識(shí)及應(yīng)用。

三、嵌入式課程現(xiàn)狀與改革必要性

嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入高校課堂已有一定年限了，但由于教學(xué)定位問(wèn)題，很多學(xué)生學(xué)習(xí)ARM9和Linux的課程時(shí)總覺(jué)得不知所云，困難重重。教師也解決不好龐大課程內(nèi)容和有限課時(shí)量之間的矛盾。鑒于ARM9偏硬件的弊端，以及ARM Cortex-M3在具備高性能、低功耗和豐富的軟件及工具成為32位MCU的主流，并在市場(chǎng)上的推廣，這給嵌入式的教學(xué)改革帶來(lái)契機(jī)。Cortex-M3的LM3Sxxx系列定位在嵌入式工控領(lǐng)域，學(xué)習(xí)者只要具備電子技術(shù)和C語(yǔ)言方面知識(shí)即可學(xué)習(xí)。編寫(xiě)程序是許多學(xué)生的難點(diǎn)，使用LM3xxx外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫(kù)編程，初學(xué)者不但可以不必掌握硬件結(jié)構(gòu)和寄存器組成，而且可以直接調(diào)用庫(kù)函數(shù)，這就大大減輕了學(xué)生編程的壓力。

四、課程改革思路及特色

1.課程改革思路。依據(jù)分析，我校電氣專業(yè)的嵌入式課程改革思路是，放棄ARM9+Linux，采用Cortex-M3架構(gòu)的LM3Sxxx處理器，加上keil MDK，再配上仿真軟件Proteus8作為教學(xué)平臺(tái)。

應(yīng)用型本科學(xué)生普遍特點(diǎn)是興趣廣泛、思維靈活、不太習(xí)慣理論學(xué)習(xí)和思考、缺乏恒心和耐力、容易產(chǎn)生畏難情緒。采用MDK及Prteus8的仿真環(huán)境，不但實(shí)現(xiàn)因材施教，而且能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

基于Cortex-M3的Lm3Sxxx系列，應(yīng)用時(shí)使用外設(shè)驅(qū)動(dòng)編程，即所有寄存器均用庫(kù)函數(shù)進(jìn)行屏蔽，直接使用C語(yǔ)言，這樣解決了課時(shí)不足與內(nèi)容廣泛的矛盾。

2.課程內(nèi)容設(shè)計(jì)。課程講授時(shí)，不再講解大量與計(jì)算機(jī)相關(guān)的知識(shí)，直接用較少的課時(shí)講解Cortex-M3處理器內(nèi)核結(jié)構(gòu)，然后集中課時(shí)并以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法講解LM3Sxxx開(kāi)發(fā)過(guò)程、存貯器和系統(tǒng)控制、通用輸入輸出GIOP結(jié)構(gòu)和使用、中斷系統(tǒng)、通用定時(shí)器、異步串行通信UART的結(jié)構(gòu)及使用、同步串行通信SSI泊結(jié)構(gòu)及使用、電壓比較器COMP和模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、脈沖寬度調(diào)制PWM結(jié)構(gòu)及使用。整個(gè)課程由9個(gè)模塊組成，40左右課時(shí)，另外還有一至兩周時(shí)間的綜合實(shí)訓(xùn)。

3.綜合實(shí)訓(xùn)舉例。模擬比較器實(shí)訓(xùn)：利用LM3Sxxx的內(nèi)部模擬器及其相關(guān)的API函數(shù)，來(lái)檢測(cè)外部輸入的一個(gè)可變電壓，以控制輸出端的高低變化。當(dāng)外部輸入電壓高于或等于參考電壓時(shí)，繼電器動(dòng)作，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；低于參考電壓時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。即使用兩個(gè)電位器分別模擬外部電壓和參考電壓，并從PB4、PB6腳輸入進(jìn)行比較，比較的結(jié)果通過(guò)PA5連接到LED顯示，同時(shí)通過(guò)繼電器控制電機(jī)。

程序設(shè)計(jì)源程序如下：

本項(xiàng)目通過(guò)MDK產(chǎn)生可執(zhí)行文件并在Proteus8環(huán)境下仿真實(shí)現(xiàn)。源程序中的API函數(shù)看似比較煩瑣，但學(xué)生可以從輔助材料中得到。

4.改革后課程特色。改革后課程體現(xiàn)以下幾個(gè)特色：①使用LM3Sxxx+MDK+Proteus作為教學(xué)平臺(tái)，并根據(jù)市場(chǎng)上嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)基本采用C語(yǔ)言，摒棄了難懂的匯編語(yǔ)言。②對(duì)于具備固件庫(kù)的LM3Sxxx，學(xué)生可不必掌握底層寄存器的操作細(xì)節(jié)，只需看懂基于C語(yǔ)言的固件函數(shù)庫(kù)，便可輕松使用。③綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，便于學(xué)生參照練習(xí)，既激發(fā)學(xué)生積極性，提高教學(xué)效果，又能提升學(xué)生創(chuàng)新方法。④指導(dǎo)書(shū)和輔助材料符合循序漸進(jìn)、由淺入深學(xué)習(xí)原則，學(xué)生能看得懂并快速上手；案例既便于教師進(jìn)行項(xiàng)目訓(xùn)練、講練結(jié)合，又強(qiáng)化學(xué)生操作技能。

五、結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用型本科電氣專業(yè)嵌入式課程采用LM3Sxxx和Keil MDK作為教學(xué)平臺(tái)，不僅方便教師教學(xué)，而且學(xué)生學(xué)起來(lái)也容易上手。在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的一體化實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)和整套的學(xué)習(xí)輔助材料，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，加強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和競(jìng)爭(zhēng)能力。

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