通信工程專業本科應用能力的培養方式探索

宋利民 馬芯 何榮希

摘 要 為了提高通信工程專業本科學生的實踐能力，文章針對通信原理課程設計課提出了課程改革教學思想，并設置了相應的實踐教學內容。在教學中，學生完成了基于ARM處理器的數據軟件處理和顯示、部分電路的設計、并完成了數據的編碼、無線傳輸、校驗和數據顯示的整個通信系統過程。課程設計的主要目的在于培養掌握通信工程專業知識的人才，凸顯學生的主體性和主觀能動性，并提高學生在實踐中的軟硬件動手能力和創新精神。

關鍵詞 ARM KeilC51 無線數據傳輸 JZ863 點對點通信

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

0引言

21世紀是通信技術的世紀。無線通信、衛星通信、北斗技術、移動通信技術和量子通信技術正在改變人們的生活，以智能手機為載體的通信技術分別由3G發展到了4G，同時5G通信技術的研究方興未艾，將在5年內部署。通信工程專業既具有較強的理論性也擁有廣泛的實踐性，同時也是迅猛發展的前沿學科。因此，在探究通信系統基本規律、基本問題的基礎上，深入研究和實踐通信工程本科專業的相關技術，對于幫助即將進入通信工程領域的本科學生解決相關問題具有重要的意義和價值。但是在目前傳統的教學模式中，由于受到外語、政治、體育等其他科目學分的影響，通信工程專業課及專業基礎課的學時正在不斷地縮短，導致課堂教學成為“填鴨式”教學。這種教學模式忽略了對學生自主探索能力的培養，導致學生僅僅掌握了通信工程專業的基礎知識，卻嚴重忽略了理論到實踐的過程。因此，提出一種能夠增強通信工程本科學生探索和實踐能力的新的教學模式顯得尤為重要。基于本課題組研究積累，本文提出了一種研究性和應用性并存的教學模式，在大學第7學期，設置通信原理設計課程，教學內容包括完整通信系統的三個組成設計與實現，第一、應用軟件平臺與硬件平臺教學。第二、基于ARM硬件平臺和keilC軟件，自行設計通信協議和數據幀格式，完成獲取數據的信道編碼并通過無線電臺完成點對點的無線數據傳輸。第三、完成組網，設計路由算法，完成數據的環網傳輸和多跳傳輸。本門課程共計30學時，每位同學單獨設組、配備一名教師和6名研究生指導，通過學生自主探索研究型學習方式，獨立構建并完成一個從數據采集、數據傳輸到數據顯示的完整通信系統，培養學生的創新能力和實踐能力。

1強調課程內容技術性，提高學生探索興趣

隨著科學技術的發展，通信領域的新技術、新標準、新規范層出不窮，與通信系統相關的軟硬件技術也在不斷的更新，如何讓學生能夠了解掌握和運用最新的技術手段構建通信系統是本門課程內容設置所考慮的重要因素。為此，本門課程首先從應用的角度，完成如下設計的教學。由于課程內容的先進性，為了讓學生能夠快速掌握C，keil，Eclipse平臺的實用，課程配5名研究生同學現場指導，每人負責6個本科學生，課程表明，詳細的指導對學生掌握基礎平臺具有重要的幫助。

1.1軟件相關平臺教學

1.1.1 Keil C51平臺

在實驗室局域網環境中，采用教師在主控計算機講課、學生每人一臺機器，同步教學的方式，依次講授Keil C51 C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和仿真調試器，通過例程，講授工程的建立、程序的編輯、匯編方法和運行。Keil C主要用于ARM中的軟件調試，進而為構建一個能夠實現信息發送與接收以及信息處理的智能通信系統節點提供軟件實現。

1.1.2 Eclipse平臺

這部分內容為理論和實際相結合教學，為將來同學們的APP編程打下基礎。Eclipse是目前使用最廣泛的Android應用程序開發環境。首先從應用的角度講授Android開發環境的搭建過程，學生根據老師的演示，研究生的指導下、同步安裝程序包。

1.2硬件相關平臺教學

ARM處理器目前已經成為智能傳感器節點構建的主流處理器，本設計為每個同學提供一塊ARM板作為硬件平臺，處理器采用ARM7LPC2132。 keilc51作為編程軟件，實現數據幀的發送，接收與顯示并最終完成環網的組建。

1.2.1 ARM板數碼管顯示電路

實驗硬件平臺的顯示電路是用74HC595芯片作為顯示驅動的，74HC595用于將串行輸入的8位數字，轉變為并行輸出的8位數字，控制8位數碼管，顯示想要的碼型。實驗中，要求學生安裝焊接595芯片和數碼管，并根據電路用C編寫調試數碼管顯示驅動程序。電路圖1所示。教學中要求學生查閱資料明了595芯片的功能和管腳圖，在此基礎上學生再用C完成ARM板顯示軟件的設計，這部分內容提高學生數字電路設計、調試和軟硬件結合綜合能力。

1.2.2無線傳輸

這部分主要鍛煉學生對無線電臺接口的掌握和實現通信系統數據傳輸的問題，同時掌握實際ISM頻段的433Mhz信道的分配、調制方式、信道編碼、校驗方法、常用的485和232通信接口，本實驗采用一款 JZ863數傳模塊，模塊與ARM板終端設備接口采用232接口。教學中學生完成232接口電路的研究后，正確焊接一個232接口，并通過接口連接電腦和電臺。進而通過操作電臺檢測軟件進行電臺檢測，當檢到電臺時（軟件會提示檢測成功），設置相應的信道頻率等參數，并完成對單個參數進行讀取或更改和設置。

2課程教學實施

在完成了軟件平臺和硬件平臺教學后，學生使用軟硬平臺完成通信系統數據的傳輸。

2.1 LED數碼管顯示電路的設計

LED數碼管實際是由7個發光管外加小數點組成8字形構成的。當不同的數碼管施加電壓后，這些特定的段會發亮，從而就會顯示不同的數字。數碼管顯示程序主要包括相應的管腳設置，共陽極碼表，IO端口的設置以及延時函數。程序中通過一個包含延時函數的循環，實現數碼管動態顯示功能。實驗要求每個同學一組，在理解顯示硬件電路的前提下，通過硬件電路圖，找到共陽極碼表的設計，然后完成顯示程序。學生獨立完成顯示程序的設計，指導教師負責檢查程序和運行結果。

2.2通信協議的設計

這部分培養學術對通信協議理論知識的理解和設計物理層通信協議的能力。通要求每位學生與另一位同學共同完成雙方點對點通信協議的設計。下面是學生自行設計的數據幀格式：

實驗首先設置了天線的信道，波特率等參數，然后利用天線發送數據。發送的數據通過另一條匹配的天線接收并通過RS232串口發送到接收方ARM板，最終將接收到的數據顯示在數碼管電路上。

2.3點對點通信與環網的實現

在完成通信協議設計后，兩個同學之間要基于通信協議完成數據的無線傳輸，在數據傳輸中要求加入信道編碼提高傳輸的可靠性，從而把通信原理課程的理論知識和算法用程序加以實現，培養了學生的理論和實際的統一。學生所編寫的核心函數主要有：發送與接收函數，數碼管顯示函數，CRC（循環冗余校驗碼）函數，以及相應的初始化函數等。

發送端與接收端的流程框圖如圖2：

教師和每組學生討論發送程序和接收程序的流程圖，然后按照流程圖學生編寫程序。圖2右圖是教師對學生圖2左圖指導意見之后的框圖，發送方首先依次發送同步碼，接收方IP，發送方IP，添加CRC校驗位后的數據包以及停止位信息。接收方在接收到同步碼后，開始校驗雙方的IP地址來判斷此消息是否是來自指定的發送方。校驗成功后，接收方正式接收數據包，數據接收完畢后，進行CRC校驗位的計算，若計算結果相同，則在數碼管顯示接收的數據，并向發送端返回“OK”字符串，代表數據已正確接收，若未能正確接收，將丟棄此數據包，返回初始狀態繼續等待接收同步碼。發送方在接收到“OK”字符串后，在數碼管上顯示“8888”代表數據已正確的傳輸，若未能接收到回復的“OK”字符串，則代表數據發送有誤，此時發送方會再次發送數據。指導教師檢驗，通信雙方能夠正確無誤的實現數據的收發。

構建環網的過程當中，需要全班同學參與團隊討論最終設計一個大家通信均遵守的通信協議。在這個過程中，鍛煉團隊合作協調能力。 每組作為接收方的同時又是數據的發送方，A在接收到正確的消息后，還需要將信息轉發給下一個接收方B，所以在A在向發送方回復消息正確無誤后，需要更新數據幀中接收雙方的IP，然后作為新的發送方將更新后的數據幀發送給B，由此完成環網的功能。實驗過程中，學生之間相互協調合作，共同努力，完成了數據在環網的傳輸。

3結束語和展望

在通信工程專業本科應用能力的培養與探索的過程中，教師應當充分發揮學生的自主創造力，提高學習興趣，使教學不再成為學生枯燥與被動的接受過程，從而培養學生積極上進的學習態度，并使學生通過學習形成自我評價，自我反思的學習能力，同時研究生助研的指導對學生快速進入編程角色也起到了重要作用。同時優化教學內容，提高教學質量，在注重理論基礎的同時，更要強化學生的實踐能力。通過理論與實踐的結合，不斷提高學生的思維，表達與合作能力，從而幫助學生在未來復雜激烈的競爭環境中變得更加自信。

本課程下一步想法將采用移動互聯網數據傳輸技術，基于設計的通信協議將數據傳輸到云數據庫，然后基于eclipse平臺、增加課程設計中采用Java完成手機APP軟件的設計內容，從而完成在移動互聯網的數據顯示。

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