基于項目驅動的嵌入式系統實驗教學研究與設計

湖北民族學院科技學院 李曉艷 向麗萍 徐 建

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基于項目驅動的嵌入式系統實驗教學研究與設計

湖北民族學院科技學院 李曉艷 向麗萍 徐 建

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

【關鍵詞】嵌入式系統；項目驅動；實踐教學

1　前言

近幾年來，隨著嵌入式技術的廣泛應用，對嵌入式技術人才的需求急劇增長，直接推動了嵌入式技術成為高校計算機課程體系的核心課程。嵌入式系統是一個多技術融合的研究領域，包含了嵌入式微處理器、嵌入式軟件設計、實時操作系統、低功耗計算、系統可靠性設計、設計方法學、嵌入式系統設計工具、嵌入式多處理器系統設計、網絡化嵌入式系統、接口和混合信號系統等諸多知識點［1］，課程的實踐性強，在教學中僅僅依靠有限的課堂理論教學和一些驗證性實驗是無法將嵌入式技術的開發和工程應用結合起來，不能提高學生的創新實踐能力，也無法滿足企業的用人需求。

為了解決這些問題，我們探索并提出以項目驅動的嵌入式系統實踐教學模式， 通過實際工程項目來培養學生對嵌入式系統的硬件基本體系和結構、嵌入式軟件開發流程、系統調試等知識的掌握，使學生具備基本的嵌入式項目開發知識和能力。

2　嵌入式實驗現狀

2.1嵌入式系統實驗教學的目標和特點

嵌入式系統是理論與實踐結合密切的課程， 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。嵌入式系統與實際應用緊密相連，其設計有很強的實踐性，教學中沒有完備的實踐環節，嵌入式系統課程學習就猶如紙上談兵［2］；（2）軟硬件高度結合。一個完整的嵌入式系統需要在軟硬件基礎之上工作［3］，其中底層硬件是實驗的基礎平臺，嵌入式操作系統是重點，嵌入式系統的應用程序設計是關鍵；（3）知識和技術更新速度快。嵌入式系統技術日新月異，因此在實驗內容和實驗設備上，都必須不斷發展更新。

2.2嵌入式系統實踐教學的現狀

目前多數院校都延用舊有的嵌入式系統實驗教學，但效果欠佳。首先，實驗安排中，驗證性實驗過多，單一性基礎實驗多，綜合性開發實驗少；其次，實驗缺乏系統性，傳統的實驗教學總是按相關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服務，但各個實驗相互之間沒有關聯，使學生很難通過實驗對嵌入式系統設計有一個直觀、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移植，驅動開發，應用開發等一系列實驗，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開發流程串連起來，造成學生學完課程之后任然不懂如何應用，拿到一個實際的工程項目后茫然不知如何下手；最后，嵌入式實驗設置與實驗室資源配置不合理。嵌入式技術跟實際應用緊密結合，且技術更新速度快，這就造成部分實驗設備落后，難以與快速發展的嵌入式硬件與軟件開發同步；實驗資源長期閑置，利用率低。

為了使理論教學和實踐教學更好的結合起來，提高學生的動手能力，根據嵌入式系統課程的主要特點，我們嘗試著基于項目驅動的教學模式。項目驅動化教學，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、傳授知識與培養能力一體化、“教、學、做”一體化的培養工程人才的教學方法，這種教學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架

基于項目驅動的實踐教學，將其工程背景設計為一種基于嵌入式技術的智能監控系統。智能視頻監控系統借助計算機圖像處理、模式識別等技術，可以在無人值守的情況下，實時檢測監控場景下的運動目標，從而觸發報警行為，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控畫面。運動目標檢測，就是將監控中的運動目標從背景圖像中識別出來。設計運動檢測目的是用來實現智能視頻監控功能。

3.1系統總體框架

系統的基本組成主要包括圖像采集模塊、數據處理模塊（動態目標檢測）、數據顯示模塊（播放器）和報警模塊，系統總體結構圖如圖1 所示。

圖1　智能視頻監控系統

整個實驗項目包含的主要知識點有：linux嵌入式系統構建、linux設備驅動、linux應用程序開發。

我們根據項目所需求的知識點將整個工程項目分解為4部分實驗，在實驗內容安排上，拋棄了傳統實驗教學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開發的整個流程。

3.2硬件設計

硬件是實驗基礎平臺，在設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）與外設部件的連接，學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，我們將教學重點放在軟件部分，因此我們直接選擇已有的嵌入式系統實驗平臺。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基礎實驗

搭建開發環境是一個應用系統設計的基本，尤其是嵌入式系統中涉及到交叉編譯這個概念，很多學生無法理解。我們在部分實驗中安排了搭建嵌入式開發的軟硬件環境實驗，如系統引導程序（Bootloader）移植、Linux操作系統的移植、交叉編譯環境搭建、開源圖像庫OpenCV的移植等。這些實驗的目的在于能夠培養學生對于嵌入式系統有關特性的理解，并且可以深入到嵌入式系統內核中進行操作系統方面的調用和測試，使得學生了解關于嵌入式系統的基本有關操作，以及有關嵌入式操作系統進程、線程、內核體系結構的編程，并且為之后的高級應用設計打下基礎。

3.4驅動程序實驗

嵌入式系統跟普通微型計算機不同，它是一種“完全嵌入受控器件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統”，在實際應用中它需要操作各種各樣的外部設備，在系統中驅動程序作為內核的一部分提供對設備操作的支持，主要針對開發平臺上的多種接口：I2C、SPI、IO、A/D、中斷等，程序主要包括設備的打開和釋放、設備的讀寫、設備的控制管理等。嵌入式系統的驅動程序實驗主要讓學生們掌握各種典型外設的驅動程序的結構模式和規則，以及嵌入式驅動程序開發的基本流程。本系統要完成視頻監控和報警，需要實現的驅動程序包括USB攝像頭驅動和聲卡驅動。由于操作系統內核中己經支持多種類型的攝像頭和聲卡，所以在實際開發中只需根據具體的型號進行相關的修改和擴充，就能夠適應不同種類的驅動環境。

3.5高級應用程序設計實驗

高級應用的實驗內容主要包括2個方面：圖形界面編程和高級應用程序的移植。圖形界面采用具有良好發展前景的Qt/E，學生能夠在此基礎上使用Linux自帶的工具進行C++編程來完成實驗內容；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，節省開發時間和精力。在這個系統中可移植的軟件包含播放器和運動檢測程序等。

4　總結

本文從嵌入式系統實踐教學的現狀出發，分析了目前實踐教學所存在的問題，并提出以實際項目為基礎，由簡入難，將嵌入式系統理論知識分解到具體的嵌入式系統實驗中，建立起一個完整開發流程。學生通過完成該系統的設計和開發，可以充分了解嵌入式系統的工作原理以及在實際工程項目中的開發和應用方法［6］。提高學生創新能力是一個長期的過程，我們將繼續探索理論教學和實驗教學一體化的方法，不斷的豐富實踐教學內容，獲取更多的實踐項目。

參考文獻

［1］章民融，徐亞鋒.嵌入式教學關鍵點的研究和嵌入式實驗教學平臺的設計［J］.計算機應用與軟件，2009，26（3）：160-162.

［2］劉雍，馬玉春，汪文彬，等.項目驅動在嵌入式系統實驗教學改革中的初探［J］.中國科教創新導刊，2014（13）：23-24.

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

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

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

［6］譚筠梅，王履程，藍天.基于工程項目引領的嵌入式系統實驗設計［J］.實驗科學與技術，2014，12（6）：101-103.

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

通訊作者：徐建。