嵌入式實訓教學設備的研制與教學改革

崔業梅, 李元熙, 楊國華

(1. 江蘇省無線傳感系統應用工程技術開發中心， 江蘇 無錫 214153；2. 無錫商業職業技術學院， 江蘇 無錫 214153)

嵌入式實訓教學設備的研制與教學改革

崔業梅, 李元熙, 楊國華

(1. 江蘇省無線傳感系統應用工程技術開發中心， 江蘇 無錫 214153；2. 無錫商業職業技術學院， 江蘇 無錫 214153)

針對國內大學現有嵌入式實訓教學設備結構普遍單一，只注重大且全的缺點，結合國內“電子積木”和國外“塔式系統”引起教學設備研制思考，提出了一種跨平臺、積木型嵌入式實訓教學設備的研制，介紹了研究意義、研究內容、設計思路與技術路線等；突出跨平臺和積木型的特點，并分析了研究過程中存在的難重點與創新點。該教學設備用于大學電子儀器儀表裝配工中、高級考證實訓教學改革中，成效顯著。

跨平臺; 積木型; 嵌入式; 教學設備; 教學改革

0 引 言

隨著“中國制造2025”的提出，電子儀器儀表裝配工已經成為國內最為緊缺的技術工種之一，隨著儀器儀表信息化時代的到來，對儀器儀表裝配工的技術要求也更高。大學里培養該技術人員的嵌入式實訓課程的教學設備普遍存在結構單一，只注重大且全的缺點，為解決該問題，提出一種跨平臺、積木型嵌入式實訓教學設備的研制過程，研制的設備被應用于電子儀器儀表裝配工中、高級考證實訓教學中。

1 國內“電子積木”和國外“塔式系統”引起的教學設備研制思考

國內王文渭教授設計了專利產品“電子積木”。電子積木是把電線、燈泡、二極管、三極管、電阻器、電容器、開關、儀表、馬達、揚聲器、單片機等電子元器件分別固定在每個塑料片(塊)上，這些塑料片(塊)具有獨特的子母按扣，可以被裝配。把這些塑料片(塊)安裝在產品配置的基板上，像拼積木一樣拼裝、組合電路。拼裝每一種電路，都可以聽到或看到聲音，光和電的現象。電學，聲學，光學，磁學原理在裝拆電路中容易被理解的清楚，孩子們從乏味的課本學習進入到奧妙無窮的電子世界。

國外freescale半導體公司設計了塔式系統，這是一種先進的模塊化開發平臺。開發平臺主要以8、16、32位微控制器為核心，提供了大量的擴展模塊，包含一系列開發套件，外形類似塔。freescale塔式開發平臺的最大特點是可擴展性和模塊化特性強，提供可重構、易于使用的控制器模塊，外圍可互換的模塊，如串行端口，存儲器和液晶顯示模塊等。利用塔式開發平臺可以大大減少用戶的開發時間，使用戶可以更快、更便捷地使用freescale產品進行系統開發。

2 跨平臺、積木型嵌入式實訓教學設備研究現狀與意義

2.1嵌入式實驗裝置使用現狀

目前我國許多高校已經在計算機技術、物聯網技術、電子信息工程等專業課程中進行了嵌入式系統的研究。嵌入式系統課程是一門實踐性、綜合性很強的課程，學習時必須要配合大量的實踐訓練，這就離不開實驗裝置。國內較為成熟的嵌入式系統教學實驗設備，有些設計的指導思想是大且全，主板上提供幾乎所有需要的接口，所有的功能都在主板上實現，學生可在這個平臺上應用軟件開發一些實驗，該裝置使用的是一個單一的平臺，在使用與維護方面存在以下問題：

(1) 實驗裝置的組合性、模塊性不強，無法直觀描述嵌入式系統的構架，無法針對大學學生的理解能力形象地給出系統的組成結構。

(2) 實驗模塊獨立性、拆裝性不強，無法按照特定的項目要求選擇性的組成實驗系統，在一定程度上限制了項目化實踐性教學的開展。

(3) 采用整體性的結構使得對設備的后期維護也存在了較大的難度，一個模塊的損壞可能會影響整個實驗裝置的運行。

(4) 對于一種實驗裝置其核心平臺單一，若要實現跨平臺的實驗，通常需要購買不同的實驗設備，對有些功能重復的模塊也無法實現共享，浪費資源。

綜上所述，目前現有的嵌入實驗裝置已經無法適應大學生和課程教學的發展。

2.2研究的意義

針對企業嵌入式應用設計中需要跨平臺移植的需求，分析了目前一體化嵌入式實驗裝置的缺陷和使用弊端，提出的一種跨平臺、積木型的嵌入式實訓教學設備。該設備主要通過可替換的核心控制板和多功能模塊按要求組合的形式，將多種嵌入式平臺綜合在一個實驗裝置中，這樣可以使用一種實驗儀器完成多門課程、多個專業的專業技能訓練[1-2]，其設計意義主要體現在：① 設備采用模塊化的形式，可以根據實驗的要求，按大學生容易理解的方式形象地組成系統，符合大學教育的特點。② 采用積木型方式組建系統，拆轉、替換、擴展方便，后期容易維護，成本較低，滿足實驗設備儀器投入低、效益高的要求。③ 可替換兼容性核心控制平臺，可以使多種嵌入式控制核心板共享一個實驗功能裝置，達到跨平臺的目的，兼容性強，節省成本。同時解決目前嵌入式實驗裝置種類繁多、平臺混亂、維修困難等問題。降低運行成本[3-4]。

3 跨平臺、積木型嵌入式實訓教學設備主要研究內容與設計思路

3.1研究內容

以企業嵌入式應用設計中跨平臺移植的需求為切入點，主要內容涉及一種跨平臺的嵌入式實驗裝置的設計，該裝置主要通過可替換核心組件(兼容性電氣接口)將目前流行的多種平臺如：ARM CortexM0+、STM32、S08、STC51等，集成到一個實驗裝置中，外圍配置諸如鍵盤、液晶、電機、傳感器、通信接口等“電子積木”式模塊，組成一個符合大學電子類實踐特點，具備擴展性、拆裝性、系統可重構的實驗裝置[5-6]。其研究主要包括：① 跨平臺的嵌入式實驗裝置結構設計;② 便攜式多平臺核心控制板的設計(“口袋”實驗室);③ 多功能“電子積木”式模塊設計(包含I/O、顯示類、傳感器類、電機類、通信類);④ 符合大學學生學習特點的“模塊化”程序庫設計。

3.2設計思路與技術路線

硬件設施按照裝置結構設計、功能布局設計、跨平臺核心板、“積木”式多功能模塊設計的先后順序進行。在設計實驗裝置結構與功能布局時，要考慮系統可重構性能、可拆裝組合性能和符合學生認知能力的要求，將裝置基板布局成核心控制區域(跨平臺)、輸入、輸出、擴展模組等幾部分，每個模組使用統一的接口插件和布局形式，并在基板上標明功能，讓學生能有系統具體的組成結構認知，其設計示意如圖1所示。

在設計跨平臺核心控制模塊時，可將所有I/O引腳引出，并兼容基板平臺統一插件接口,設計采用2×20的接插件連接，考慮到目前流行的USB接口調試方法，核心板可直接將下載電路(如ISP電路)集成到電路板上，這樣便于學生課后隨身攜帶，隨時使用。同時核心系統供電可采用USB直接取電，對于電壓較低的ARM核心，可使用LDO供電。

圖1 實驗裝置結構示意圖

對于“電子積木”式功能模組可分按功能劃分為：輸入、輸出功能模塊、顯示功能模塊、傳感器類模塊、電機驅動類模塊、通信(工業總線、無線)模塊等，每個模塊和核心板一樣，采用統一的2×20的接插件連接。考慮到一個系統中通常僅使用一種輸入或顯示方式，在輸入、顯示功能模塊設計時可以選擇引腳復用的方式，提高硬件利用率，簡化系統結構。嵌入式實驗裝置除了硬件電路外還需要配套的軟件設計，對于學生來說，軟件編程是一個比較困難且難以理解的部分。針對這一普遍存在的現象，采用模塊化程序組的形式推進。將每個獨立功能程度代碼封裝成統一標準的模塊組，學生在使用時只要通過調用模塊組，構建應用層流程調度即可實現功能，這樣既提高了學生對于嵌入式系統的整體理解，也簡化了編程，增強了學生的學習興趣[7],其流程見圖2。

圖2 模塊化程序設計流程

4 研究過程中存在的難重點與創新點

4.1研究難重點

(1) 跨平臺模式設計。 目前在高校中使用的嵌入式實驗實訓裝置都是針對某一型號的控制核心器件，一個項目完成后若想要在其他控制平臺上驗證，則需要更換整個實驗裝置，系統的擴展性和移植性能不強。為了打破這種模式的制約，重點研究一種能兼容多種控制平臺的實驗裝置。這種跨平臺的模式需要了解各種平臺的調試、啟動、時鐘、電源管理等的特點，尋找共性內容，并設計兼容性引腳排列，這一項內容是研究的一大重點。

(2) 便攜式核心控制板(“口袋實驗室”)的設計。 隨著MOOC、翻轉課堂這類新型教學方式的推進，學生自主學習，自由學習的需求越來越大，而嵌入式學習又是一種以實踐為主的學習，這就需要學生自己能有一個屬于自己的實驗室，我們稱其為“口袋實驗室”。這種可以隨身攜帶的實驗裝置要求具有小型化、便攜化、功能集成、便于調試等特點。所以在設計時要合理選取所需的功能并將其集成到一塊小核心板上，同時這個“口袋實驗室”還要能兼容積木型實驗裝置，能夠以核心控制板的形式安裝在實驗裝置上，該設計是研究的一大難點。

(3) “模塊化”程序庫的設計。 學生在編程方面一直是比較困難，而控制程序見嵌入式教學的一大重點，針對這一矛盾，提出了一種“模塊化”的程序結構。將各個基礎功能程序段封裝成一個個統一標準的函數庫，學生只需要按照課程設計內容調用這些函數，學會程序的整體流程調度即可。但這種“模塊化”的程序結構的設計需要對嵌入式編程有深入了解，能應用不同的芯片和時序控制，這一內容是研究的難點[8]。

4.2創新點

結合多種嵌入式應用技術，突破傳統的單一實驗平臺的局限，創新地提出了一種“跨平臺”“積木型”的嵌入式實驗裝置實現方法和在實驗裝置中實現“模塊化編程”方案[9]，具體如下：

(1) 以企業需求為切入點，提出了一種跨平臺的嵌入式系統實現方案。針對企業嵌入式設計中跨平臺移植的需求和現有嵌入式實訓平臺的缺陷，提出了一個可替換式的跨平臺實驗裝置的設計。該設計方案可使用不同平臺(如ARM CortexM0+、STM32、S08、STC51)來替換核心板位置，使用統一、兼容的接口插件和電平信號，是在一個實驗裝置上能兼容多種不同內核、廠商和型號的核心控制芯片，提高了設備的共享性和利用率。

(2) 便于系統重構，提出了“電子積木”的模塊化功能設計。 通過“電子積木”型功能電路模塊的設計使得系統能按照不同的設計要求進行重構，讓學生通過搭積木的方式理解系統各部分的組成和功能，提高學生對嵌入式系統的整體認知和對系統集成的認識。

(3) 服務于教學改革，將“口袋實驗室”融合到實驗裝置中。“口袋實驗室”是一種能隨身攜帶，功能集成的基礎核心板。提出的這種核心板能應用于電子、計算機、自動化等專業的嵌入式的學習，并能按照芯片型號的不同使用不同的平臺。但和已有的小型開發板不同，這種“口袋實驗室”僅提供基礎調試、輸入輸出功能。在研究中，團隊創新地將這種“口袋實驗室”設計成與實驗裝置配套的標準接口，既能滿足翻轉課堂課后實踐學習需求，也能兼容團隊設計的實驗裝置，擴展功能，使學習變得“無處不在”。

(4) 符合大學學生學習規律，將“模塊化”程序設計引入嵌入式教學。為了滿足大學教學簡潔、易懂、強化實踐性的要求，改進了以往嵌入式教學編程模式，提出了簡化和優化控制的模塊化”程序庫概念。將各個基礎功能程序段封裝成一個個統一標準的函數庫，學生只需要按照課程設計內容調用這些函數即可實現某種功能，這使得嵌入式教學更加適合學生學習[10-11]。

5 跨平臺、積木型嵌入式考證實訓教學設備教學改革及成效

原有電子儀器儀表裝配工考證實訓教學主要項目包含調幅收音機的裝接與調試、SMT調頻/調幅收音機的裝接與調試等，主要涉及模電知識，考察儀器儀表方面知識點較陳舊，而嵌入式技術又是當今電子儀器儀表的主流技術，故迫切需要改革考證實訓教學內容，能夠與時俱進。

電子儀器儀表實訓裝置(圖3)，由核心板、顯示板、通信、傳感器、執行器接口板及電源與電池(可選裝)等部分組成。核心板可選擇8051、MSP430、HCS08、ARM等板子[12-13]。外圍的各個功能板，根據中級、高級的要求，在訓練過程中選用，考核時，可以從中抽題，由學生來實現。例如：每10 s采集一次環境溫度，顯示在LCD上，并通過USB輸出在PC顯示。

圖3 電子儀器儀表實訓裝置硬件模塊組成圖

在電子儀器儀表正常工作采集的數據，同學們可以通過一個軟件運行在PC上，連接到裝置上，用于實訓過程查看。高級工考核時，可以通過這個軟件查看，儀表的功能是否已實現，數據是否完整(見圖4)。

圖4 裝置與計算機的連接——用于接收儀表數據和評價成績

電子儀器儀表裝配工的開發是一項系統工程，按照完成模型樣機測試；完成設備準備，滲透課程教學；開始高級工職業技能鑒定的步驟，致力于“以高級工為引領，穩步提升人才培養質量[14]。”電子儀器儀表裝配工的開發進程，由如下環節組成：① 制定方案。提交國家職業技能鑒定所、無錫市人社局職業技能鑒定中心進行審核。② 裝置開發。在8051、FSL實驗箱和多年來的學生實訓板基礎上完善，突顯“儀器儀表”要求和特點，開發PC上位機軟件。③ 課程滲透。學生可承擔“核心板+主要外圍模塊”，與教學計劃中的單片機、電子測量、電子CAD、模數電等課程協同，完善開設效果，充分利用好課時。④ 訓練鑒定。強化課程目標和訓練效果，采用“計劃內課程+計劃課外強化訓練+學生個人訓練”的模式。不斷利用階段性的目標考核，加強教學指導，督促學生摸索和練習，提高高級工的通過率。

經統計，學校物聯網技術學院2013～2015屆物聯網、電子信息兩個專業共計10個班的學生，通過跨平臺、積木型嵌入式實訓設備在電子儀器儀表裝配工中級工實訓教學中的使用，學生中級工考證通過率有了顯著提高，很多班級都達到95%以上，有些班級甚至通過率達到100%。高級工實訓教學開發是2016學年物聯網技術學院質量工程的主要工作，稱為“融入課程教學的高級工提升計劃”，在高級工實訓教學開發中也自始至終貫徹了該理念，使高級工的開發得以順利進行，高級工的實訓設備能正常投入使用，學生參加該項目的高級工考證，通過率平均達到90%以上。總體上，使用該項目實訓設備后，中、高級考證通過率提升明顯。經高校教學管理評價體系評價, 針對學生的教學使用，成效顯著。2016年，按照無錫市就業質量提升計劃，對一個班的社會企業學員進行了培訓，培訓效果也很好。

6 結 語

隨著電子儀器儀表信息化發展，研制的設備將進一步增強網絡化功能的調試與驗證，如基于MQTT協議數據遠程上傳物聯網云平臺等。將最新的理論知識融入項目化實踐教學，并形成源于工作模式的學習領域課程，注重進一步培養學生的職業崗位能力，培養學習創新、實踐動手與團隊合作等綜合職業素質。

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AResearchonPracticalEquipmentforEmbeddedSystemTeachingandTeachingReform

CUIYemei，LIYuanxi，YANGGuohua

(1. Jiangsu Research and Development Center of Application Technology for Wireless Sensing System， Wuxi 214153, Jiangsu, China； 2. Wuxi Institute of Commerce， Wuxi 214153, Jiangsu, China)

A research on practical equipment for embedded system teaching and build-block is implemented. Combined with the domestic theory of “Electronic Bricks” and overseas “Tower System”, analyzing the disadvantage of the current domestic embedded practical teaching equipment, which is simple and single structure, this paper proposes to design a larger and more complete practical equipment. The research significance, content, design thought and roadmap are introduced, and the traits of cross-platform and build-block are illustrated. The key, difficulty and innovation during the research are also analyzed. This kind of teaching equipment has been applied in the degree exams of the electronic instruments and meters for the middle and the senior engineers. A great achievement has been gotten.

cross-platform; build-block; embedded form; teaching equipment; teaching reform

G 712

A

1006-7167(2017)09-0066-04

2016-12-25

江蘇省無線傳感系統應用工程技術開發中心,無錫商業職業技術學院專業應用類課題(SYKJ15B32)

崔業梅(1983-)，女，江蘇東臺人，碩士，實驗師，研究方向為教育學、電路技術。Tel.：0510-83270061，13914110693; E-mail：cuiyemei@wxic.edu.cn