“三元素、四模塊”嵌入式系統項目化教學平臺研究與構建

陳偉 嚴奎 劉靜

摘? 要：嵌入式系統技術發展日新月異，針對現有嵌入式系統基礎實驗箱陳舊、專業類實訓內容行業脫節、項目化教學課題單一等問題，論文以“理論、實踐、創新”三大元素為導向，設計“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統模塊、數據通信模塊”四種嵌入式系統單元，層次化、系統化地構建嵌入式系統基礎實驗教學平臺、專業類實訓平臺、專業類項目化教學平臺，并將其擴展應用于學科電子設計競賽、省級大學生項目等科研活動中。實踐證明，學生能夠深入了解工程模塊化架構體系、熟練掌握嵌入式系統新技術、新工具的使用方法，自主設計、調試等綜合開發能力得到了有效提高，知識體系更加契合企業專業需求。

關鍵詞：嵌入式系統;實驗設備;實訓平臺;傳感器;項目化教學

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）39-0058-03

電子信息技術作為高新技術發展的先導和核心，已滲透到社會的各行各業，培養高質量的電子信息類專業人才，對推動信息技術的進一步發展有著重要的作用[1]。嵌入式系統技術作為電子信息類專業核心組成部分，與電子技術、計算機、通信等技術結合緊密，深厚的學科理論、扎實的實踐能力、較強的創新意識對電子信息類專業的畢業生今后的發展至關重要[2]。應用型本科人才已成為我國高等教育主要的人才培養目標之一[3]。“實驗、實訓、項目教學”作為嵌入式系統實踐教學重要組成部分，對鞏固深化多學科理論知識、培養學生創新意識、鍛煉分析、解決問題的能力起著決定性作用。

目前，嵌入式系統基礎實驗設備老舊，實驗器材沿用著至少五年以上的實驗箱，實驗課程沿用多年的實驗內容、知識結構孤立;嵌入式系統專業類綜合實訓上下脫節，設計方法已經不能滿足智能化、信息化行業發展需求，學習方法和工具遠遠脫節于實際的工作生產環節;嵌入式系統項目化教學單一，實施的載體、課題種類無法融合不同行業需求的創新性、創造性。

論文以“理論、實踐、創新”三大元素作為研究基礎[4]，設計并開發“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統模塊、數據通信模塊”四種核心嵌入式單元，由簡入繁、由淺入深，層次化、系統化地構建嵌入式系統基礎實驗教學平臺、專業類實訓平臺、專業類項目化教學平臺，并將嵌入式系統平臺進一步應用于學科電子設計及競賽、江蘇省研究生項目訓練等科研活動中，使學生了解工程項目模塊化架構體系，熟練掌握嵌入式系統新技術、新工具的使用方法，提升自主設計、調試及測試等綜合開發能力，從而契合企業對電子類專業畢業生的專業需求。

一、“三元素、四模塊”總體架構

嵌入式系統技術作為現有電子信息類產業核心基礎技術，其融合電子、計算機、通信為一體，通過與不同行業場景結合，形成不同的產業應用案例。扎實的理論基礎、工程項目化的實踐教學、創新的方法和理念，是培養企業需求人才的主要發展方向。

平臺架構以“模擬電子線路”“數字電子及EDA技術”“C語言程序設計”等為理論基礎，構建“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統模塊、數據通信模塊”四大基礎模塊，結合“自動化控制、信號與信息處理、物聯網”等專業、行業發展方向，引進開源項目，改變現有的只重視基于實驗箱的教學方法，摒棄目前已不實用的實訓項目，有效擴展電子類綜合實踐課題的多樣性，營造課堂外、線下項目化教學的氛圍環境。平臺架構圖如圖1所示。

二、模塊平臺設計與構建

（一）CPU處理模塊

CPU處理模塊以NXP i.MX6Ultrelite處理器為核心。i.MX6Ultrelite處理器采用性能優越的ARM Cortex-A7內核架構，可提供快速的數據處理和流暢的界面顯示。核心處理單元帶有8路獨立UART、2路USB OTG、最高2路CAN總線、最高2路10M/100M以太網等通訊接口。板卡集成i.MX6G2C處理器、標配256MB DDR3和256MB NAND Flash、硬件看門狗、硬件加密等功能，具備完整的最小系統功能。

（二）嵌入式系統模塊

嵌入式系統模塊是一款集實驗、實訓、項目化教學功能于一體的控制主板。主板提供了多種功能接口，所有接口通過嚴格的抗干擾、抗靜電測試，可在零下40℃到零上80℃溫度范圍內穩定工作，并采用雙Mini-PCIE接口設計，滿足各種條件實訓、項目化教學應用，可應用于如智能網關、電力、重工、數據采集終端、工廠自動化、機械設備控制、智能交通、航海船舶、電梯物聯網等行業案例開發。

（三）數據通信模塊

數據通信模塊作為嵌入式控制系統核心數據交互單元，分為有線通信、無線通信兩大模塊。有線通信模塊已經集成在嵌入式系統模塊中，并向用戶提供完備的RS232、RS485、CAN、以太網通信手段。本模塊單元中，主要為系統設計全面的無線交互接口，從而擴展專業類實訓項目、項目化教學案例，為后續學科競賽、科研活動提供更多的創新元素。設計中采用SX1301射頻基帶芯片，SX1301是多通道高性能發射機/接收機，集成了LoRa集中器IP，設計使用隨機信道上的隨機擴展因子同時接收多個LoRa數據包。該芯片針對物聯網、數據采集、自動化控制等行業應用，旨在中央無線數據集中器和大量的無線端點之間建立可靠的連接。

三、基礎實驗課程

當前嵌入式系統基礎實驗設備老舊體現在兩個方面：

一方面是實驗設備老舊，現有的實驗項目沿用至少五年以上的實驗箱，大部分實驗芯片已經更新換代，實驗器件難以購買，造成相關實驗內容維護成本高、維修困難，影響學生對實驗結果的正確性判斷，使其產生厭學、敷衍等情緒，影響教學質量。

另一方面教學手段老舊，現有的基礎實驗課程沿用多年的實驗方法、實驗器件、實驗內容、實驗目的，項目內容單一，且章節知識結構孤立。因為手段陳舊，導致學生做完相關實驗后，后續研究和工作中基本不會再去使用。

論文針對上訴問題，從嵌入式系統理論課程入手，梳理嵌入式系統BSP、Kernel、RootFs三大層次組織結構，規劃各個部分主要內容，形成了以硬件層為載體，系統、接口軟件為支撐，應用層開發為實驗教學的架構圖。見圖2：

現有的基礎實驗教學平臺更傾向以模塊化、層次化為主，通過接口硬件實驗、軟件設計開發實驗、算法應用實驗等方式，讓學生能夠更加透徹地了解器件內部的工作原理，掌握現代嵌入式應用開發流程和方法，能夠結合理論知識，實現綜合實驗案例實踐。研究通過多批次實驗教學積累、不斷修訂實驗教學案例，并在此基礎上總結和撰寫了相關實用實訓教程。

四、專業類綜合實訓平臺

當前，專業類嵌入式綜合實訓上下脫節，一是新方法與新工具脫節，電子信息類專業與電子技術、計算機、通信和信息技術等結合緊密，設計方法和工具日新月異[5];二是理論課實驗與實訓脫節，理論課實驗內容與實訓課程內容一致性差，實訓課程涉及的相關理論課工具、軟件等完全不匹配，甚至有些工具和軟件已經過時多年，影響教學質量。

針對上述問題，嵌入式綜合實訓案例總結提煉相關專業技術要點，在實驗教學基礎上，緊扣智能化、信息化專業需求，結合國家相關專業類競賽，形成專業特色的實訓案例。研究以“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統模塊、數據通信模塊”為基礎平臺，構建實訓裝置，成功應用于“物聯網實訓平臺”“邊緣計算實訓平臺”“自動化檢測實訓平臺”“數據采集與分析實訓平臺”等，依托于基礎實驗課程，進一步拓展模塊化教學覆蓋面，促使學生學習的方法和工具更加貼近于實際的工作生產環節。通過多批次案例教學積累、不斷修訂應用教學案例，并在此基礎上總結和撰寫相關應用手冊。

五、項目化教學平臺

創新性的項目化課題需要多樣化的實現載體，根據項目需求，模塊化的構建系統功能，學生可以選擇不同的組件通過不同的方法實現課題需求。目前，大部分項目實現載體單一，實現方式方案單一，導致班級方案雷同現象較多，極大地影響了學生的自主性。此外，項目教學多以教師為中心，由老師統一布置講解項目化教學課題內容、方法，學生被動接受實踐教學知識，很難調動學生的學習興趣和積極性，學生實踐能力和創新意識的提升有限。

針對上述問題，嵌入式項目化教學平臺緊密結合行業發展需求，邀請行業技術專家，將相關典型應用抽象化、小型化為項目實訓課題。項目化教學平臺還可以引進開源項目，鼓勵學生參與國內、國際開源社區項目，通過對項目需求、系統架構、軟/硬件設計、系統調試、系統部署等進行團隊化訓練，進一步鍛煉學生團隊協作、創新創業能力。

六、結論

通過設計、制作“CPU處理模塊、傳感器模塊、嵌入式系統模塊、數據通信模塊”四種嵌入式系統單元，系統化地構建嵌入式系統基礎實驗教學平臺、專業類實訓平臺、專業類項目化教學平臺，并將其應用于學科電子設計競賽、省級大學生項目等活動中。有助于學生更加深入了解工程模塊化架構體系、更加熟練掌握嵌入式系統新技術、新工具的使用方法，學生的自主設計、調試及測試等綜合開發能力都能夠得到有效提高，知識體系也更加契合企業專業的需求。

參考文獻：

[1] 溫秀平，陳巍，黃家才，等. 基于項目化教學的創新型人才培養模式與考核評價方法研究[J]. 中國現代教育裝備，2021（13）：137-138+144.

[2] 于迎霞. 高校電子信息類創新型人才培養的實踐探索——以新疆大學為例[J]. 高教論壇，2018（03）：22-27.

[3] 史金飛，鄭鋒，邵波，等. 能力導向的應用型本科人才培養模式創新——南京工程學院項目教學迭代方案設計與實踐[J]. 高等工程教育研究，2020（02）：106-112+153.

[4] 溫秀平，解乃軍，黃家才，等. “三維度、四層次、進階式”創新創業項目化教學課程體系構建與實施[J]. 工業和信息化教育，2021（07）：5-9.

[5] 何曉紅. 電子信息專業課程設置及實驗實踐教學的探討[J]. 硅谷，2009（21）：164.

（薦稿人：陳巍，南京工程學院工程中心教授）

（責任編輯：淳潔）