基于項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)研究與設(shè)計

湖北民族學(xué)院科技學(xué)院 李曉艷 向麗萍 徐 建

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基于項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)研究與設(shè)計

湖北民族學(xué)院科技學(xué)院 李曉艷 向麗萍 徐 建

【摘要】針對目前高校中嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)存在的一系列問題，本文探索并提出了以工程項目驅(qū)動的實驗教學(xué)模式。根據(jù)嵌入式實驗教學(xué)目的，設(shè)計了具體可行的實驗項目。學(xué)生通過完成該系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，可以充分掌握嵌入式系統(tǒng)的工作原理以及工程項目的開發(fā)流程，教學(xué)實踐表明，效果良好。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；項目驅(qū)動；實踐教學(xué)

1　前言

近幾年來，隨著嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對嵌入式技術(shù)人才的需求急劇增長，直接推動了嵌入式技術(shù)成為高校計算機課程體系的核心課程。嵌入式系統(tǒng)是一個多技術(shù)融合的研究領(lǐng)域，包含了嵌入式微處理器、嵌入式軟件設(shè)計、實時操作系統(tǒng)、低功耗計算、系統(tǒng)可靠性設(shè)計、設(shè)計方法學(xué)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工具、嵌入式多處理器系統(tǒng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)、接口和混合信號系統(tǒng)等諸多知識點［1］，課程的實踐性強，在教學(xué)中僅僅依靠有限的課堂理論教學(xué)和一些驗證性實驗是無法將嵌入式技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用結(jié)合起來，不能提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，也無法滿足企業(yè)的用人需求。

為了解決這些問題，我們探索并提出以項目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)模式， 通過實際工程項目來培養(yǎng)學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的硬件基本體系和結(jié)構(gòu)、嵌入式軟件開發(fā)流程、系統(tǒng)調(diào)試等知識的掌握，使學(xué)生具備基本的嵌入式項目開發(fā)知識和能力。

2　嵌入式實驗現(xiàn)狀

2.1嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)的目標(biāo)和特點

嵌入式系統(tǒng)是理論與實踐結(jié)合密切的課程， 理論框架是重要的，但實踐的重要性更為突出，其主要特點有：（1）實踐性。嵌入式系統(tǒng)與實際應(yīng)用緊密相連，其設(shè)計有很強的實踐性，教學(xué)中沒有完備的實踐環(huán)節(jié)，嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)就猶如紙上談兵［2］；（2）軟硬件高度結(jié)合。一個完整的嵌入式系統(tǒng)需要在軟硬件基礎(chǔ)之上工作［3］，其中底層硬件是實驗的基礎(chǔ)平臺，嵌入式操作系統(tǒng)是重點，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計是關(guān)鍵；（3）知識和技術(shù)更新速度快。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日新月異，因此在實驗內(nèi)容和實驗設(shè)備上，都必須不斷發(fā)展更新。

2.2嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)的現(xiàn)狀

目前多數(shù)院校都延用舊有的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)，但效果欠佳。首先，實驗安排中，驗證性實驗過多，單一性基礎(chǔ)實驗多，綜合性開發(fā)實驗少；其次，實驗缺乏系統(tǒng)性，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)總是按相關(guān)課程講授順序來安排實驗，這樣能夠很好地為課程理論教學(xué)服務(wù)，但各個實驗相互之間沒有關(guān)聯(lián)，使學(xué)生很難通過實驗對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計有一個直觀、整體的認識。以本校嵌入式實驗為例，實驗中雖然安排了操作系統(tǒng)移植，驅(qū)動開發(fā)，應(yīng)用開發(fā)等一系列實驗，但每個實驗都是單一的驗證性實驗，無法將整個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程串連起來，造成學(xué)生學(xué)完課程之后任然不懂如何應(yīng)用，拿到一個實際的工程項目后茫然不知如何下手；最后，嵌入式實驗設(shè)置與實驗室資源配置不合理。嵌入式技術(shù)跟實際應(yīng)用緊密結(jié)合，且技術(shù)更新速度快，這就造成部分實驗設(shè)備落后，難以與快速發(fā)展的嵌入式硬件與軟件開發(fā)同步；實驗資源長期閑置，利用率低。

為了使理論教學(xué)和實踐教學(xué)更好的結(jié)合起來，提高學(xué)生的動手能力，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)課程的主要特點，我們嘗試著基于項目驅(qū)動的教學(xué)模式。項目驅(qū)動化教學(xué)，就是以項目為載體，將課程講授的知識點穿插于其中，注重課程理論體系的完整性，達到理論實踐一體化、傳授知識與培養(yǎng)能力一體化、“教、學(xué)、做”一體化的培養(yǎng)工程人才的教學(xué)方法，這種教學(xué)模式比較適合那些實踐性較強的課程［4～5］。

3　實驗項目背景及總體構(gòu)架

基于項目驅(qū)動的實踐教學(xué)，將其工程背景設(shè)計為一種基于嵌入式技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)借助計算機圖像處理、模式識別等技術(shù)，可以在無人值守的情況下，實時檢測監(jiān)控場景下的運動目標(biāo)，從而觸發(fā)報警行為，如蜂鳴器報警、抓拍和錄像等，客戶端也能在瀏覽器中查看到監(jiān)控畫面。運動目標(biāo)檢測，就是將監(jiān)控中的運動目標(biāo)從背景圖像中識別出來。設(shè)計運動檢測目的是用來實現(xiàn)智能視頻監(jiān)控功能。

3.1系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)的基本組成主要包括圖像采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊（動態(tài)目標(biāo)檢測）、數(shù)據(jù)顯示模塊（播放器）和報警模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1　智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

整個實驗項目包含的主要知識點有：linux嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建、linux設(shè)備驅(qū)動、linux應(yīng)用程序開發(fā)。

我們根據(jù)項目所需求的知識點將整個工程項目分解為4部分實驗，在實驗內(nèi)容安排上，拋棄了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的面面俱到的方式，完全以項目為中心，有選擇的將理論知識融入到各個實驗部分，使得學(xué)生既能通過實驗加深對理論知識的理解，又能掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個流程。

3.2硬件設(shè)計

硬件是實驗基礎(chǔ)平臺，在設(shè)計中主要涉及到各種芯片（嵌入式微處理器、存儲器、接口部件等）與外設(shè)部件的連接，學(xué)生需要了解嵌入式處理器，存儲器以及各種外部接口的基本知識。但針對計算機專業(yè)，我們將教學(xué)重點放在軟件部分，因此我們直接選擇已有的嵌入式系統(tǒng)實驗平臺。選擇這個工程項目作為實驗背景，是因為所需要的硬件資源較少，可以充分利用已有的實驗設(shè)備。實驗平臺選擇了英蓓特公司的EMBV210平臺，處理器為ARM Cortex-A8 S5PV210，主頻達到了1GHz，并搭載512MB Nand Flash，1GB DDR SDRAM，搭配一個USB攝像頭和一個音箱。

3.3基礎(chǔ)實驗

搭建開發(fā)環(huán)境是一個應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基本，尤其是嵌入式系統(tǒng)中涉及到交叉編譯這個概念，很多學(xué)生無法理解。我們在部分實驗中安排了搭建嵌入式開發(fā)的軟硬件環(huán)境實驗，如系統(tǒng)引導(dǎo)程序（Bootloader）移植、Linux操作系統(tǒng)的移植、交叉編譯環(huán)境搭建、開源圖像庫OpenCV的移植等。這些實驗的目的在于能夠培養(yǎng)學(xué)生對于嵌入式系統(tǒng)有關(guān)特性的理解，并且可以深入到嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核中進行操作系統(tǒng)方面的調(diào)用和測試，使得學(xué)生了解關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的基本有關(guān)操作，以及有關(guān)嵌入式操作系統(tǒng)進程、線程、內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的編程，并且為之后的高級應(yīng)用設(shè)計打下基礎(chǔ)。

3.4驅(qū)動程序?qū)嶒?/p>

嵌入式系統(tǒng)跟普通微型計算機不同，它是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計的專用計算機系統(tǒng)”，在實際應(yīng)用中它需要操作各種各樣的外部設(shè)備，在系統(tǒng)中驅(qū)動程序作為內(nèi)核的一部分提供對設(shè)備操作的支持，主要針對開發(fā)平臺上的多種接口：I2C、SPI、IO、A/D、中斷等，程序主要包括設(shè)備的打開和釋放、設(shè)備的讀寫、設(shè)備的控制管理等。嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動程序?qū)嶒炛饕寣W(xué)生們掌握各種典型外設(shè)的驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)模式和規(guī)則，以及嵌入式驅(qū)動程序開發(fā)的基本流程。本系統(tǒng)要完成視頻監(jiān)控和報警，需要實現(xiàn)的驅(qū)動程序包括USB攝像頭驅(qū)動和聲卡驅(qū)動。由于操作系統(tǒng)內(nèi)核中己經(jīng)支持多種類型的攝像頭和聲卡，所以在實際開發(fā)中只需根據(jù)具體的型號進行相關(guān)的修改和擴充，就能夠適應(yīng)不同種類的驅(qū)動環(huán)境。

3.5高級應(yīng)用程序設(shè)計實驗

高級應(yīng)用的實驗內(nèi)容主要包括2個方面：圖形界面編程和高級應(yīng)用程序的移植。圖形界面采用具有良好發(fā)展前景的Qt/E，學(xué)生能夠在此基礎(chǔ)上使用Linux自帶的工具進行C++編程來完成實驗內(nèi)容；另外，Linux有豐富的開源軟件資源，可以把許多成熟的軟件移植到嵌入式平臺上，節(jié)省開發(fā)時間和精力。在這個系統(tǒng)中可移植的軟件包含播放器和運動檢測程序等。

4　總結(jié)

本文從嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，分析了目前實踐教學(xué)所存在的問題，并提出以實際項目為基礎(chǔ)，由簡入難，將嵌入式系統(tǒng)理論知識分解到具體的嵌入式系統(tǒng)實驗中，建立起一個完整開發(fā)流程。學(xué)生通過完成該系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，可以充分了解嵌入式系統(tǒng)的工作原理以及在實際工程項目中的開發(fā)和應(yīng)用方法［6］。提高學(xué)生創(chuàng)新能力是一個長期的過程，我們將繼續(xù)探索理論教學(xué)和實驗教學(xué)一體化的方法，不斷的豐富實踐教學(xué)內(nèi)容，獲取更多的實踐項目。

參考文獻

［1］章民融，徐亞鋒.嵌入式教學(xué)關(guān)鍵點的研究和嵌入式實驗教學(xué)平臺的設(shè)計［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2009，26（3）：160-162.

［2］劉雍，馬玉春，汪文彬，等.項目驅(qū)動在嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)改革中的初探［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2014（13）：23-24.

［3］鄭寧漢，陶品，宋思超.嵌入式實驗系統(tǒng)設(shè)計原則的一些探討［J］.計算機教育，2014（5）：118-121.

［4］李妍.項目化教學(xué)在嵌入式系統(tǒng)實踐課程中的探索［J］.實驗室科學(xué)，2012，15（5）：27-29.

［5］張騰飛，王保云.基于問題設(shè)計的嵌入式實踐創(chuàng)新人才境況體系研究［J］.人才培養(yǎng)改革，2013，22：56-58.

［6］譚筠梅，王履程，藍天.基于工程項目引領(lǐng)的嵌入式系統(tǒng)實驗設(shè)計［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2014，12（6）：101-103.

基金項目：湖北民族學(xué)院科技學(xué)院教學(xué)研究項目（KY201112，KYJY201507，KY201111）湖北民族學(xué)院教學(xué)研究重點項目（2014JY005）。

通訊作者：徐建。