面向應用的電類專業嵌入式系統應用技術課程設計實踐

齊文娟， 孫 佳， 程 然

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院, 上海 200240)

面向應用的電類專業嵌入式系統應用技術課程設計實踐

齊文娟， 孫 佳， 程 然

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院, 上海 200240)

為了克服過去電類專業課程設計存在的與實際應用相脫節、硬件條件落后、課程設計內容單一陳舊、學生自主性差等諸多弊端，上海交通大學電氣工程系建立了以具有廣泛應用前景的LED驅動為應用對象，以掌握基于嵌入式系統的驅動電路的設計和調試為目標的面向應用的嵌入式系統應用技術課程設計課程。通過利用校企聯合實驗室資源，保證了硬件平臺的先進性。內容設置具有自主實踐性、綜合性和靈活性的特點，實現了由老師為主體到學生為主體的教學方式的轉變。采用合理的進度安排方式，使用資源共享、課堂討論答疑、視頻錄制、綜合考核等多種方法提升學習效果。經過3年的課程設計教學實踐驗證，取得了良好的教學效果。

課程設計； 面向應用； 電類專業； 嵌入式系統應用技術

0 引 言

課程設計教學是本科實踐教學的重要環節，其教學效果好壞直接關系到學生實踐能力、創新能力以及就業競爭力的提升[1-2]。傳統的電類專業課程設計存在多種弊端。由于課程設計大多涉及具體硬件的設計，受到經費、資源的限制，硬件條件和課程設計內容上更新遲緩，遠遠滯后于工業現場的硬件和技術，與實際工程應用相脫節[3-4]。另外，課程設計的內容多為傳統的驗證性設計內容，只是按照教師的思路和步驟進行機械式的重復[5]，學生自主性差，在課程設計中沒有發現問題、解決問題的實際經歷，學生收獲甚微[6-8]。課程設計內容跟不上主流知識和技術的步伐，對于學生日后就業和科研工作的幫助不大，不能滿足創新型人才培養的要求[9]。

針對以上問題，我校電氣工程系對過去課程設計內容和教學方式進行了改革。建立了以LED驅動為應用對象的嵌入式系統應用技術課程設計。課程設計圍繞面向應用的嵌入式系統設計與程序開發、調試，強化應用實踐能力培養，培養同學綜合應用基礎知識、結合實際應用實現編程與應用調試的能力。以校企聯合實驗室的資源為基礎，解決課程設計硬件上落后的問題[10-12]。將傳統的驗證性課程設計改變為面向實際應用的以學生為主體的課程設計內容，同時以學生為主體的同時，注重在教學過程中采用提高學習效果的多種方法，有助于學生實踐能力和創新能力的培養[13-14]。

1 課程設計的目標和任務

嵌入式系統應用技術課程設計結合先修課程“嵌入式系統原理與實驗”與實際應用對象特點，強化應用實踐能力培養。以設計一個具有基本功能的LED驅動和控制電路為基本要求,掌握基于嵌入式系統的驅動電路的設計和調試,加強同學自學能力和實踐動手能力的培養。

課程設計目標：①掌握嵌入式系統控制芯片的基本編程方式。②以LED驅動為應用對象，掌握電路的設計和調試。③掌握基于嵌入式系統的兩種電路的設計方法,結合軟件調試,完成設計報告。

課程設計任務：①LED驅動部分，完成輸入為直流電源的LED驅動電路的電路仿真、程序設計、硬件電路設計及樣機調試。如果輸入為交流電，整流部分作為拓展任務。②嵌入式控制部分，采用TM4C123 LaunchPad 平臺，完成對TM4C123或DSP常用端口的使用，根據具體內容編寫程序實現相應控制功能。

2 課程設計特點

2.1 利用聯合實驗室資源保證硬件持續更新

嵌入式系統課程本身需要當前主流的嵌入式系統硬件作為基礎，使用過期或者已經退市的產品授課不僅浪費精力而且對同學沒有幫助。如何在經費有限的條件下保證課程設計采用當前主流的硬件是需要解決的問題。本課程設計充分利用了校企聯合實驗室的資源，使用TI公司提供的TM4C123G LaunchPad 開發板，使得課程設計跟得上當今主流產品的步伐。同時聯合實驗室定期申請新的開發板應用于后續的課程設計當中，保證了課程設計硬件條件持續更新。使用的開發板見圖1。

圖1 課程設計使用的TM4C123G LaunchPad開發板照片

2.2 課程設計的內容特色

(1) 面向應用。為了解決傳統課程設計與實際應用脫節的問題，嵌入式系統應用技術課程設計以當今應用廣泛的高效節能和長壽命的LED驅動為對象，具有較強的實用性和良好的應用前景[15]。同時該應用對象涵蓋的知識點和技能全面，非常適合作為電類專業課程設計的內容。使用應用廣泛的TI公司的TM4C123G LaunchPad 開發板作為嵌入式部分的內容，緊跟當今主流技術和產品的步伐，使得同學的知識和技能跟得上應用的潮流。課程設計內容中涉及反激式開關電源設計，而反激式開關電源廣泛地應用于工業場合的電氣設備和系統當中[16]。

(2) 自主實踐性。課程設計最重要的作用就是設計和動手實踐。過去傳統的課程設計大多有固定的課程內容和固定的操作步驟，同學們自由發揮的空間不大。而嵌入式課程設計課堂上只講解理論內容和基本的軟件操作，具體設計和實踐都是同學們自主完成。硬件方面，課程理論講解只涉及反激式開關電源的基本原理，而反激式LED驅動電路則是學生們根據實際要求自行計算設計，并制作PCB板。軟件方面也只是針對所用到的DSP芯片各個模塊進行訓練，實際電路中的代碼都是同學們自己編寫。

(3) 綜合性。相對于其他課程設計內容，嵌入式課程設計不是圍繞單一器件的簡單應用，而是設計一個具有實際應用背景的系統?？梢耘囵B同學電源電路設計、制作、嵌入式系統程序開發與調試等多方面的能力。課程設計中要求同學根據指標進行LED驅動電源參數計算，原理圖設計，器件選型，PCB電路板繪制，變壓器繞制，電路焊接，調試，嵌入式系統程序開發和調試等。同學可以進行自主設計，通過實際的電路制作調試，初步培養了同學在工程實踐中發現問題和解決問題的能力。課程中涉及多方面基礎知識的應用，涉及調試能力的培養，大大提高了學習的積極性。為同學日后進行畢業設計、研究生階段的科研工作以及日后相關工作作了很好的準備。

(4) 靈活性。課程內容的綜合性同時也帶來了課程設計的靈活性。傳統的課程設計一般都是教師統一安排，同學單純模仿教師操作。由于教師一般會提前試驗成功，因此在課設中發現的問題很少，也就失去了在實踐中提高的機會。而在本課程設計中，學生可以根據技術指標進行相應的設計。反激式開關電路原理圖的設計、PCB板制作，給同學提供條件制版，調試。由于同學設計方案不同，設計出來的系統不同，在設計過程當中發現的問題不同，通過相互交流，進一步豐富了同學們的收獲。同時安排開放實驗室為同學課外調試電路提供方便，期間安排答疑解決同學遇到的實際問題。

除了上述特點，在課程設計的內容安排上考慮難度適中，太容易不能達到能力提高的效果，太難容易打擊同學的積極性。考慮有限的時間內達到良好的效果，在獨立設計的內容前面安排集中授課培訓的內容補充課程設計的理論知識、技能和軟件操作知識。在此基礎上同學進行自主設計完成自己的課程設計作品。這樣既補充了同學的知識能力體系，又鍛煉了同學獨立設計、動手實踐的能力。

3 課程進度安排

課程設計的進度安排是否科學直接決定著課程設計進展和教學效果。課程內容包括理論和實踐兩大環節。其中實踐又包括硬件設計和軟件設計。由于課程任務量較大，既要有對課程有整體認識，又要掌握設計作品必備的理論知識、工具和經驗，還要進行設計任務的具體實踐。雖然課程設計中的實踐部分十分重要，但是前面基礎知識的掌握情況直接決定著實踐作品的完成效果。

學期初前三周講解課程概況以及LED的應用背景，讓同學對課程設計有清晰的認識，明確了課程的最終目的。同時也詳細講解反激電源的原理和設計方法。接著進行課程設計相關開發工具的培訓。硬件方面重點介紹Altium Designer在原理圖和PCB制作方面的應用。包括原理圖繪制以及原理圖庫的使用，PCB走線以及PCB庫的使用。軟件方面則使用TI的嵌入式處理器系列的集成開發環境Code Composer Studio，重點介紹DSP芯片的GPIO，Timer，ADC，串口以及PWM等模塊，為后面的軟件設計打下堅實基礎。

在反激式LED驅動電路的設計階段，同學根據反激電源的原理，基于矽力杰SY5840芯片進行反激電路的設計，制作PCB板并焊接電路。在模擬電路的基礎上又增加數字部分，同學結合硬件電路，設計軟件程序，對反激電源進行有效的控制。

最后是課程設計的檢測與考核，根據各小組的實際電路效果進行評價打分。課程設計進度安排見表1。

表1 課程設計進度安排

4 提升學習效果的方法

相對傳統課程，課程設計的難度較大，任務比較繁重，學生容易產生畏難情緒。在培養學生自主性的同時，需要在過程中給與足夠的重視，采用多樣化教學方法幫助，使同學利用好資源，打好基礎，同時保持思維上的靈活性，遇到問題時具有積極的態度，學習尋找解決問題的途徑，學習團隊合作，最終設計出滿意的課程設計作品。為推進學習進度，培養討論氛圍，增強學習信心，提升學習效果，采用了下列方法：

(1) 資源共享。整個課程涵蓋軟件、數據手冊、說明、課件等大量的相關資料，建立了課程相關qq群，教師提前上傳課件、軟件和相關資料，同學可以課前預習，同學也可以上傳自己搜集的資料和自己的學習總結，實現資源共享，有助于學習興趣和效率的提升。

(2) 課內外的答疑和討論。課上教師除了講解基本原理，同時還布置課堂作業，安排時間讓同學課上直接操作，可以及時發現學生的問題，學生的疑問可以得到及時的解決，學生積極性提高，使同學基本都能跟上課程進度。另外課外同學們可以在qq群上提出自己的作業上一些疑問，或者分享自己的學習心得，教師和其他同學都會積極解答，討論氛圍良好，實踐證明對于學習十分有益。

(3) 課內外作業及講解。除了課堂作業，課外作業也很重要。教師在課上講解時保留一定的知識點，用于布置課外作業，需要同學查閱資料才能完成，訓練同學信息檢索和自行解決問題的能力。提交和批閱均采用電子版，節省時間，提高效率。下次課首先講解同學作業當中的問題，糾正同學的錯誤，使得同學對知識的掌握正確、深入。

(4) 錄制課程視頻。課程設計的授課內容很多涉及軟件的操作，錄制課程講解視頻，同學課下可按照視頻講解逐步操作。針對沒有聽懂的知識點也方便同學課下進行思考學習。通過使用課程視頻可以使得多數同學都能跟得上教學進度，保證教學效果。同時視頻資料也可以作為后續課程設計的參考資料，比其他網絡資源更具有針對性，為同學們預習提供資源。

(5) 綜合考核方式，注重作品測試。考核成績由簽到、課后作業、設計報告、作品測試4部分成績組成。改變了過去以設計報告的單一衡量標準，在考核中注重作品的測試部分，既提高了同學的實踐能力，又避免了相互抄襲，同時防止任務簡單導致的過程中拖拉松垮現象的發生。

5 課程設計的成效

課程設計的成效體現在學生作品、課程設計報告、學生掌握的技能以及學生滿意度等方面。

(1) 學生作品。經過課程設計，每組同學都會制作電路并進行調試(見圖2～4)。

圖2 同學進行電路制作和變壓器繞制照片

圖3 同學制作的電路作品

圖4 電路調試照片

(2) 課程設計報告。課程設計結束時要求每組提交一份課程設計報告。這個報告是整個課程設計尤其是電路設計的總結，是一個具有完整結構的小論文。報告中總結電路設計的思路、過程和測試結果，同時分享心得以及建議。設計報告的書寫鍛煉了同學科技論文的寫作能力，為日后書寫論文和畢業設計論文打下良好的基礎。這些報告的電子版存檔，作為以后課程設計的參考資料。

(3) 學生掌握的技能。通過課程設計的訓練，學生鍛煉了信息檢索能力、動手能力、分析問題和解決問題的能力。學生掌握的專業技能包括：嵌入式系統控制芯片的編程、以LED驅動為應用對象，掌握了基于嵌入式系統的電路的設計方法、軟件調試和設計報告書寫。這對以后進行科研和工作都將十分有益。

(4) 學生滿意度。學生滿意度是衡量教學有效性的重要標準。同學提交的課程報告中包括心得體會和同學的意見和建議。對同學的意見和建議進行總結，并根據同學的意見和建議進行后續課程安排改進對于課程的教學效果提高具有重要意義。

6 結 語

針對以往課程設計存在的問題，我校電氣工程系對嵌入式系統應用技術課程設計進行了改革，以具有廣泛應用前景的LED驅動為應用對象，使得嵌入式系統應用技術課程設計與電氣專業的實際應用緊密結合。以校企聯合實驗室資源為基礎，保證了嵌入式系統硬件條件的持續更新。課程設計內容設置豐富靈活，在教學過程中采用合理的進度安排方式和多種方法提升學習效果，實現了從教師為主體到學生為主體的教學方式的轉變，充分調動了學生的積極性，提升了學生的創新實踐能力。

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PracticeofApplication-OrientedEmbeddedSystemTechnologyCourseDesignforElectricalSpecialty

QIWenjuan,SUNJia,CHENGRan

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

There are many disadvantages in traditional course design for electrical specialty such as separating from practice, bad hardware conditions, monotonous content and students’ passive learning. To overcome the disadvantages, application-oriented embedded system technology course design is established in Electrical Engineering Department of Shanghai Jiao Tong University. The application object is LED driver and the goal is to master the design and debug of the drive circuit based on embedded system. The resource of school-enterprise joint laboratory is fully used and then advanced hardware can be used in the course. The course content has many characteristics such as independence, practicality, comprehensiveness and flexibility. The arrangement of reasonable teaching schedule, methods such as resource sharing, class discussion and question answering, video reel and comprehensive assessment are adopted to promote the effect of study. Three-year teaching practice has proved that the reformed course has a better teaching effect.

course design; application-oriented technology; electrical specialty; application of embedded system

TP311

A

1006-7167(2017)11-0194-04

2016-10-20

齊文娟(1984-)，女，山西大同人，博士，工程師，研究方向電機與電器，主要從事電氣工程專業實驗教學工作。

Tel.:021-54742868;E-mail:qiwenjuan@sjtu.edu.cn