“1+X”證書平臺下的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法研究

陳琛

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230012）

1 引言

嵌入式系統(tǒng)課程是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課。隨著PC時(shí)代及智能時(shí)代的到來，以高速度、高可靠、低功耗為特征的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛和深入[1]，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)課程體系中的地位愈發(fā)重要，嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)工作極為迫切。如何通過教學(xué)有效提高學(xué)生的嵌入式工程實(shí)踐能力，適應(yīng)嵌入式行業(yè)要求，是嵌入式課程教學(xué)中面臨的主要問題[2]。作為高職院校，“1+X”證書模式已逐漸成熟，學(xué)校已建立多樣的考證平臺。在這種環(huán)境下，利用學(xué)校已有的實(shí)驗(yàn)平臺，基于“1+X”證書平臺嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法，具有其獨(dú)有特色。一是以課證融通為出發(fā)點(diǎn)，對接行業(yè)發(fā)展，落實(shí)“1+X”證書制度，圍繞課證融通需要，建立模塊化課程體系。二是以職業(yè)需求和能力為導(dǎo)向，對接崗位需求和工作過程，對傳統(tǒng)教學(xué)方法和教學(xué)體系進(jìn)行創(chuàng)新，利用平臺“在學(xué)中做，在做中學(xué)”的優(yōu)勢，開展理論和實(shí)踐教學(xué)[3]。這不僅合理利用學(xué)校考證平臺資源，提供教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)利于學(xué)生獲取相關(guān)職業(yè)技能等級證書，實(shí)現(xiàn)“1+X”證書制度需求。

2 教學(xué)平臺介紹

“1+X”傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺是由北京新大陸時(shí)代教育科技有限公司提供，該平臺硬件方面提供了stm32的外設(shè)齊全的開發(fā)板主控模塊M3，如圖1所示，便于學(xué)生方便完成芯片性能測試、程序功能驗(yàn)證以及想法創(chuàng)意的快速應(yīng)用。軟件開發(fā)發(fā)面，為了減少開發(fā)者工作量，提高程序開發(fā)效率，應(yīng)用ST公司軟件開發(fā)工具stm32CubeMXTM和MDK-ARM集成開發(fā)環(huán)境組合開發(fā)。stm32CubeMXTM由PC端的圖形化配置與代碼生成工具stm32CubeMX、嵌入式軟件庫函數(shù)（HAL庫與LL庫）以及一系列的中間件集合（RTOS、USB庫、文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧和圖形庫等）構(gòu)成，可視化地進(jìn)行芯片資源和引腳配置，然后生成項(xiàng)目源程序，導(dǎo)入MDK-ARM中進(jìn)行編譯、調(diào)試和下載。

圖1 M3主控模塊

3 課程設(shè)計(jì)

基于“1+X”傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺的教學(xué)方法是一種項(xiàng)目式教學(xué)，以典型項(xiàng)目為主題，驅(qū)動(dòng)課程教學(xué)。每次課程通過項(xiàng)目引入，通過不同的項(xiàng)目了解嵌入式系統(tǒng)的不同部分，主要有輸入輸出口、時(shí)鐘系統(tǒng)、定時(shí)器計(jì)數(shù)器系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、串行通信系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。由淺到深，各項(xiàng)目之間前后關(guān)聯(lián)，課程最后一個(gè)項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及開發(fā)過程便會了然于胸。本文中我們以“串行通信控制LED流水燈應(yīng)用開發(fā)”教學(xué)項(xiàng)目為例，介紹基于“1+X”傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺的教學(xué)方法。該項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)一個(gè)LED流水燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)與上位機(jī)之間通過串行通信接口相連。上位機(jī)可發(fā)送命令對LED流水燈系統(tǒng)進(jìn)行控制。

通過對項(xiàng)目分析，該項(xiàng)目主要涉及的知識點(diǎn)有：

（1）通用輸入輸出口，前期項(xiàng)目已學(xué)習(xí)流水燈的實(shí)現(xiàn)辦法，本項(xiàng)目中直接運(yùn)用即可。

（2）中斷系統(tǒng)，前期項(xiàng)目已學(xué)習(xí)。但本期項(xiàng)目涉及新的中斷源——串口中斷，需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

（3）串口知識，本期項(xiàng)目新增知識點(diǎn)，需要著重講解。

通過以上項(xiàng)目分析，我們對本項(xiàng)目的知識系統(tǒng)進(jìn)行了剖析，在課程教學(xué)中逐個(gè)擊破即可，可以是回顧的方式，可以是新知識點(diǎn)講解的方式。并且項(xiàng)目的實(shí)施過程，會反復(fù)聯(lián)系前面的知識點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生將嵌入式系統(tǒng)作為整體來考量。

4 課程實(shí)施

課程實(shí)施過程是教學(xué)的關(guān)鍵，傳道授業(yè)解惑一樣不能少，還要加上實(shí)操演示和學(xué)生操作反饋。

4.1 理論知識講解

理論知識是支撐每次課程的核心，理論清楚了，才能更好地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目。課程實(shí)施過程中，理論知識的講解為重中之重。

本項(xiàng)目理論部分經(jīng)過分析整理，首先講述串口的來源、串口的用途及其重要性；串口相關(guān)的概念，如數(shù)據(jù)幀、波特率等。一般這些知識會在一些先導(dǎo)的課程中已有所學(xué)習(xí)。

其次是串口的運(yùn)用、串口的框架、串口的發(fā)送（打印）和接收部分。串口的發(fā)送過程在程序設(shè)計(jì)的調(diào)試階段可發(fā)揮重要作用。如：將開發(fā)板與PC機(jī)通過串行通信接口相連后，可將調(diào)試信息“打印”到串口調(diào)試助手等工具中，開發(fā)者可借助這些信息了解程序運(yùn)行情況。串口命令的接收，接收過程是一個(gè)被動(dòng)的過程，必須用到中斷系統(tǒng)，進(jìn)而需講解串口中斷類型及用法。

最后拓展串口的操作函數(shù)，串口使用要用到的函數(shù)庫。為了讓串口內(nèi)容便利地打印到窗口助手中，還需要學(xué)習(xí)函數(shù)重定向概念，用戶能定義自己的C語言庫函數(shù)，連接器在連接時(shí)自動(dòng)使用這些新的功能函數(shù)，使用重定向方便應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)中的printf函數(shù)進(jìn)行打印。同時(shí)講授學(xué)習(xí)串口發(fā)送和接收的相關(guān)操作函數(shù)。

4.2 硬件電路分析

流水燈部分，運(yùn)用開發(fā)板中的LED0-LED7實(shí)現(xiàn)流水效果，如圖2所示。

圖2 流水燈硬件電路

上位機(jī)采用PC機(jī)，利用串口助手來模擬。其中的串口號、波特率、檢驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位按系統(tǒng)情況及相關(guān)設(shè)置進(jìn)行配置，如圖3所示。

圖3 串口助手窗口

4.3 實(shí)驗(yàn)操作演示

根據(jù)項(xiàng)目要求及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，這里給出項(xiàng)目參考流程圖，如圖4所示。主函數(shù)中判斷上位機(jī)是否有命令發(fā)送是關(guān)鍵部分，會用到串口中斷。串口接收到上位機(jī)的命令會產(chǎn)生中斷請求，完成串口中斷處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)命令的識別。流程圖中stm32初始化步驟采用STM32CubeMX以圖形界面的方式進(jìn)行，主要配置引腳功能、時(shí)鐘系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)，具體配置如圖5所示。配置完成后直接生成MDK-ARM的工程文件，隨后在工程文件中進(jìn)行個(gè)性化程序編寫，完成項(xiàng)目中命令識別和流水燈顯示效果程序的編寫。最后進(jìn)行編譯、調(diào)試和下載，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖4 項(xiàng)目參考流程圖

圖5 STM32CubeMX初始化配置

4.4 學(xué)生操作

本項(xiàng)目主要引入串口的知識，為了讓學(xué)生更好地理解串口，學(xué)生操作部分分為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：一是串口的發(fā)送打印；二是串口的命令接收。對此可以設(shè)計(jì)簡單的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)操一：通過串口將學(xué)號打印到串口助手，這個(gè)過程中，學(xué)生采用STM32CubeMX實(shí)現(xiàn)串口初始化設(shè)置，生成MDK-ARM工程文件，主函數(shù)中調(diào)用串口打印操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口打印。實(shí)操二：通過串口準(zhǔn)確接收上位機(jī)（串口助手）發(fā)送的命令并進(jìn)行反饋，這個(gè)過程中，學(xué)生采用STM32CubeMX實(shí)現(xiàn)串口初始化設(shè)置，設(shè)置串口中斷，生成MDK-ARM工程文件，編寫串口接收中斷處理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)串口命令的接收和反饋。通過這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)鞏固串口的發(fā)送和接收的實(shí)現(xiàn)。在這兩個(gè)實(shí)操完成的基礎(chǔ)上，最后綜合完成上位機(jī)發(fā)送命令對LED流水燈系統(tǒng)進(jìn)行控制的項(xiàng)目，完成課堂完整教學(xué)。

5 教學(xué)實(shí)施及考核

課程教學(xué)為一個(gè)學(xué)期，共18周，每周四課時(shí)。每周課時(shí)為項(xiàng)目式教學(xué)，由于教學(xué)項(xiàng)目均為綜合性應(yīng)用項(xiàng)目，每次項(xiàng)目的完成都是一個(gè)綜合性的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，為了提高學(xué)生的積極性，讓學(xué)生在探討和操作過程中更好地掌握理論知識和實(shí)操能力。課程教學(xué)兩人為一組，在理論教學(xué)過程中共同理解理論知識，在理論講解后的學(xué)生操作過程中，一組人員協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4]。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成后，提交完整的項(xiàng)目包，包含STM32CubeMX自身項(xiàng)目和生成的MDK-ARM工程文件，老師對項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的完整性和準(zhǔn)確性進(jìn)行打分（百分制）。課后會在智能化教學(xué)平臺發(fā)布拓展項(xiàng)目練習(xí)，供學(xué)生課后思考及課余時(shí)間實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)后提交打分（百分制）。綜合考核成績=平時(shí)上課完成分×60%+課后實(shí)驗(yàn)完成分×40%，這一項(xiàng)分?jǐn)?shù)作為最后期末考核分的重要來源。

6 結(jié)語

本課程依托“1+X”傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺，通過理論講解與平臺實(shí)操結(jié)合，將理論和實(shí)踐結(jié)合在一起，更能激起學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)平臺上手操作，實(shí)時(shí)查看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，有效提高學(xué)生的嵌入式工程實(shí)踐能力。