一種分層式嵌入式課程群實驗教學平臺設計方法

文 斌，任 彬，阮道清

（成都信息工程大學 通信工程學院，四川 成都 650225）

一種分層式嵌入式課程群實驗教學平臺設計方法

文 斌，任 彬，阮道清

（成都信息工程大學 通信工程學院，四川 成都 650225）

通過設計硬件分層實驗教學模式，改變嵌入式課程群實驗教學僅在實驗箱上做驗證性實驗的現狀。這種實驗教學方法限制了學生的發散思維能力、創新能力和動手能力，也不符合CDIO教育理念。為此，設計硬件分層的實驗教學模式，實驗只提供實驗要求和穩定可靠的有電源管理、通信接口、調試接口、I/O接口的核心控制模塊，不事先給定實驗程序，由學生根據個人喜好來設計軟件和硬件，充分發揮學生的主觀能動性和創新精神。同時，也避免由于硬件知識和調試經驗不足，帶來器件與模塊的損壞，也大大增加了實驗的成功率，提高了學生主動參與實驗教學的興趣。

實驗板;嵌入式設計;分層

1 概述

大多數工科高等院引進CDIO教育[1]教學模式后，加大了嵌入式系統教學[2]中的師資和實驗設備的投入，分配大量資金購買嵌入式實驗設備，創建專門的嵌入式課程體系實驗室。但在這種嵌入式實驗教學環節中出現了以下幾個問題：

1）嵌入式實驗教學不管是MCS51系統，還是ARM教學系統均是在學校購置的實驗箱上進行。通過幾屆學生后，實驗箱的維護難度加大。更由于電子技術的飛速發展，廠家核心模塊的淘汰，很多實驗箱都無法使用，也影響了課程的實驗教學。

2）在固定的實驗箱[3]上實驗項目更改較難。

3）由于核心模塊的接口固定或是一體化的硬件平臺，新的電子技術和微處理器無法更好融入實驗教學中。

這種箱式的硬件實驗平臺，無法更大限度地培養學生動手能力。學生每次實驗都成了驗證式的實驗，對于硬件相關知識缺乏訓練。同時，為了加大動手能力培養又專門開設《電子技術綜合設計項目》和《嵌入式綜合設計項目》等實踐性較強的課程。老師只提要求，從設計方案到實現全由學生自己完成。由于微控器管腳多、防靜電要求高、管腳間距小，學生焊接和硬件調試經驗的不足，核心的微控器損壞嚴重；更由于學生電源設計經驗的不足，一些較貴的功能器件也造成損壞，均難以回收。這無疑增加了學校每年實驗經費的投入，造成了不必要的浪費。

為此，提出一種新的硬件設計方法，將微控制器核心層與應用層分開。核心層是一個相對穩定、可靠的模塊，其接口設計可兼容高、中、低檔微控器，這種開放靈活的核心模塊設計與固定的實驗箱相比，其升級、更換、維護都非常方便；應用層由學生自己完成，包括學生自主功能設計、原理圖設計和PCB板圖繪制，最后通過硬件調試和軟件測試完成整個的實驗項目。相對固定實驗箱，實驗內容靈活多變，學生可根據自己的愛好來設計實驗，提高學生學習興趣，同時也很容易更新實驗項目。

這種分層的硬件平臺實驗中，統一發放帶電源輸出和電源保護的，有調試和通信接口的核心功能模塊；學生在應用層設計時，只根據核心層的接口要求設計功能，降低了設計和硬件調試難度。增加了學生自主實驗的成功率，提高了學生動手實驗的學習興趣，也符合CDIO工程項目教育理念，通過做中學的方式，有效地開展嵌入式課程群的實驗教學。

2 實驗平臺的設計原理與方法

2.1 實驗平臺的設計原理

將硬件平臺的邏輯控制模塊獨立，通過豐富的多功能接口與功能層連接。其原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件平臺分層實現原理

核心層是一個相對穩定、可靠的模塊，其接口設計可兼容高、中、低檔微控器，這種開放靈活的核心模塊設計與固定的實驗箱相比，其升級、更換、維護都非常方便；同時通過接口為功能層設計提供電源與通信接口降低了功能層硬件設計難度。

2.2 實驗平臺的設計方法

2.2.1 硬件設計方法

嵌入式是軟硬件結合的產物，其中硬件設計必不可少。通過此實驗板預留的接口學生可自行設計除核心邏輯模塊外的應用電路，讓學生掌握硬件電路的設計方法和原理，掌握硬件設計工具的使用方法和步驟。在學習過程中真正做到理論與實驗結合。核心邏輯模塊以STM32F103VET6為核心，同時它也是一個微控器的最小工作系統。其他主要包括所有IO引腳，向下提供3.3V、5V、12V直流穩壓電源，USB轉串口等。其計原理如圖2所示，核心，其電源系統電路原理如圖3所示和接口電路原理如圖4所示。

圖2 核心邏輯原理

圖3 電源系統電路原理

圖4 主要接口電路原理

2.2.2 軟件設計方法

嵌入式開發過程中，軟件的設計是核心部分。微型計算機原理這門學科是嵌入式軟件設計的基礎，并注重實踐，掌握好這門學科是學好嵌入式軟件設計的基石。本實驗板提供的核心芯片為stm32f103，此芯片是ARM公司的cortex系列，通過學習這類芯片能更好的讓學生掌握高端芯片的使用，更接近實際產品的開發。學習軟件設計過程中主要分為三個方向學習。首先學習軟件開發項目工程模板搭建，其實學習核心芯片外設使用，最后學會整個軟件系統的調試。

3 結語

本實驗板為嵌入式開發量身定做,學生可在其上進行靈活有效的搭建常用器件,貼近實際使用研發環境。實驗系統簡單明了,硬件系統及軟件完全對學生透明開放。通過基于嵌入式實驗板的實驗,可以使學生深入了解嵌入式設計、調試和實現方法,加深學生對教材中知識的理解,提高學生編程能力,從而提高教學質量和教學效果，同時減少了學校設備和器件的損壞，還提高了設備的可維護性。

[1]韓時琳,胡旭躍,?陳杰.實施CDIO工程教育的關鍵問題探討[J].中國電力教育,2014(2)∶5-6.

[2]徐玉,童長飛.CDIO工程教育模式下的嵌入式系統實踐教學[J].計算機教育,2013(5)∶109-115.

[3]鄭世玨,盧強.基于嵌入式的移動學習教學試驗箱設計'和實現[J].實驗技術與管理,2012(12)∶51-54.

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