基于AppInventor嵌入式系統教學改革與創新實驗平臺研發

黃世玲 李素玲 左仁合 李光平

摘 要：通過分析傳統的嵌入式系統開發課程教學存在的問題，提出了電氣電子信息技術類專業嵌入式系統開發課程教學改革的建議與措施。在介紹了App Inventor開發工具的優點的同時給出了該開發工具與Android設備相結合的嵌入式系統課程教學改革內容。分析了傳統嵌入式實驗平臺的不足，根據課程改革后的內容研發了創新實驗平臺。

關鍵詞：嵌入式；教學改革；實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）04-0106-03

Abstract： Through analyzing the problems existing in the traditional embedded system development course teaching， the suggestions and measures for the teaching reform of the embedded system development course of the electronic information technology are put forward. In this paper， the advantages of AppInventor development tools are introduced， and the teaching reform of embedded system based on the combination of the development tool and Android device is given. The deficiency of the traditional embedded experiment platform is analyzed， and the innovation experiment platform is developed according to the content of the curriculum reform.

Keywords： embedded； teaching reform； experimental teaching

引言

嵌入式設備主要有消費類電子產品、工業控制機器人、醫學電子和智能家居等智能設備產品[1]。隨著人們生活水平的提高，智能設備產品在日常生活中的應用越來越廣泛，因此，嵌入式領域人才需求也不斷的增加。為滿足人才需求，許多本科類甚至高職類高校均把嵌入式系統課程列入計算機、通信和電子電氣類等專業的教學計劃中。嵌入式系統課程有著所涉及的知識范圍廣、難度較大、知識更新速度快以及開發方式種類多樣性等特點[2]。因此，有必要對嵌入式系統課程進行改革，有針對性的選擇教學內容，以培養適合相應崗位的嵌入式領域人才。本文主要針對應用型本科電氣電子類專業的嵌入式系統課程內容存在問題提出改革的思路，并設計研發了一套創新性實踐教學裝置。

一、傳統實踐教學存在問題與改革思路

（一）傳統教學內容存在的問題分析

嵌入式系統由嵌入式軟件系統和嵌入式硬件系統構成，是可獨立工作的專用計算機系統[3]。嵌入式硬件系統課程體系主要包括數字電路、模擬電路以及單片機等課程，內容相對固定。嵌入式軟件系統內容廣泛，主要包括應用于工業控制，需要實時性操作比較強的Linux、WinCE以及uc/os等實時操作系統；應用于消費電子產品的Android、iOS和Symbian等系統[4]。對于非計算機類學生來說不管學習哪種嵌入式軟件系統都難以真正的掌握。應用型本科電子電氣類專業一般只開設C語言編程，而軟件系統除了底層的開發涉及到C語言，其他的開發都要求要C++/JAVA語言的基礎，非計算機專業學生很難真正掌握嵌入式軟件系統[5]。

（二）實踐教學存在問題

目前，大部分開設有嵌入式系統開發課程的高校都會購買嵌入式硬件實驗箱，并結合相應的實驗指導書進行實踐教學。這種模式下的實驗教學存在以下不足：首先，設備相對復雜。傳統的實驗設備往往是基于ARM芯片的硬件設備，對于沒有ARM硬件知識的學生很難系統地掌握相關實踐內容[6]。其次，學生動手與思考機會少。傳統的實驗只是驗證性實驗，學生只要會簡單的程序下載，就能實現相應的效果，這些實驗內容并沒有給機會學生去深入思考并設計一些創新性實驗。最后，由于經費問題高校的實驗設備更新速度遠跟不上課程內容發展速度，從而導致教學內容得不到快速更新，學生所學知識不能滿足崗位的發展需求[7]。

（三）教學改革思路

隨著移動智能設備的不斷發展，我們當前已經進入了APP時代，而APP等應用軟件的開發主要是基于android、IOS和Symbian等操作系統[8]。據市場分析機構Strategy Anaiytics的統計Android操作系統近兩年的全球市場份額一直穩居第一位，2014年Android操作系統的全球市場份額已達84.6%，而iOS操作系統為11.9%，Windows Phone操作系統為2.7%[9]。這足以說明Android操作系統開發的相關崗位人才需要量巨大。我校在嵌入式系統開發課程改革中選用Android操作系統開發等相關教學內容。同時，為解決電氣電子類專業學生編程只有C語言基礎的問題，選用了App Inventor開發工具對Android操作系統進行開發，無需更高級的計算機語言編程基礎，降低了嵌入式系統開發的難度。

本文基于App Inventor的嵌入式系統開發課程內容安排如表1所示，包括了四個部分，總共64學時，采用一體化教學手段，在實驗室上課，老師作簡單原理講解和任務布置后學生立即動手實踐操作。以任務驅動教學法為主要手段，有效提高學習積極性。課程內容中設置了軟件開發與硬件系統開發內容，能使學生全面了解智能設備系統的組成與原理。實驗設備只需要一臺安卓系統的手機就能完成，增強了實驗教學的靈活性，使得實驗教學不過分的依賴實驗平臺。

二、創新實驗平臺研發

實驗平臺硬件結構如圖1所示，分為上位機系統和下位機系統兩個部分。上位機主要由Android系統終端設備構成；下位機主要由單片機最小系統、WIFI模塊、藍牙模塊、超聲波測距模塊、LCD屏、溫濕度模塊、RGB彩燈、直流電機控制和繼電器模塊組成。采用App Inventor開發工具開發基于Android系統的APP軟件，APP能通過WIFI或藍牙通訊方式與下位機硬件進行通信。下位機通過KEIL開發環境編寫C51驅動程序，通過串口下載方式下載程序控制相應的外設。

（1）單片機最小系統。采用型號為STC12C5A60S2單片機，該CPU為單時鐘（1T）單片機，指令代碼完全兼容傳統8051。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換，片上1280B的數據存儲器，60K的用戶應用程序空間，雙串口。

（2）WIFI模塊。采用ESP8266串口WIFI模塊，支持AP，STA，AP+STA三種模式，該模塊與單片機系統的串口1進行通信。

（3）藍牙模塊。采用無線藍牙串口透傳HC-06模塊，該模塊與單片機系統的串口2進行通信。

（4）超聲波測距模塊。采用HC-SR04超聲波模塊，精度達0.3CM，通過單片機IO口控制模塊發出40K超聲波，接收到回波時該模塊自動讓相應的IO口輸出高電平，通過計算該IO口高電平時間方式來算出距離。

（5）LCD屏。采用LCD12684點陣型液晶顯示器，該顯示器可以顯示波形、漢字以及圖形等內容。

（6）溫濕度模塊。采用型號為DHT11傳感器，濕度測量范圍：20%-95%，誤差5%；溫度測量范圍：0-50度，誤差2度。

（7）RGB彩燈。采用 WS2812B-4位RGB LED全彩驅動4位彩燈模塊，單片機采用單線IO口向WS2813B發送24位RGB數據，完成彩燈顏色變換控制。

（8）直流電機控制。采用小功能三極管8050和8550組成H橋式電機驅動電路，單片機通過PWM波形控制電機轉速，并通過紅外光電傳感器對電機轉速進行測量。

（9）繼電器模塊。設置了4位繼電器控制模塊。通過單片機IO口控制繼電器的通斷，該模塊用于控制220V的燈光和電磁密碼鎖實驗。

三、結束語

嵌入式系統是一門內容更新速度快、綜合性強、內容廣泛、實踐性強的課程。本文針對電氣電子類專業課程結構特點，提出了該專業嵌入式系統課程的改革方向，并根據改革的課程內容研發了一種創新實驗平臺。本文的改革方法和措施已經在我校電子信息專業的嵌入式課程教學中進行了實踐，并起到了積極的作用。在改革過程中分析了當前課程存在的問題，并提出符合應用型本科培養應用技術型人才目標的課程改革措施，提高學生動手創新能力的同時，減輕學生對嵌入式系統開發難度大的困難。

參考文獻

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[3]任哲.嵌入式實時操作系統uC/OS-Ⅱ原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

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