基于項目驅動的嵌入式實驗教學

摘 要：嵌入式系統實驗是嵌入式課程教學環節不可或缺的部分，該環節對設計人員要求較高，需要具有廣闊的知識面和豐富的實踐經驗。現有的嵌入式實驗課程既枯燥又難以讓學生掌握設計精髓，更難以做到與社會需求相契合，本文認為，采用項目驅動是解決此問題的主要方法之一。針對系統理論與實踐之間的矛盾，論文利用實驗室提供的嵌入式教學平臺進行了硬件和軟件設計，將數據采集系統劃分為幾個模塊，然后對每個模塊的功能進行設計和分析。通過基于系統設計的嵌入式實驗，使大部分學生能夠熟練掌握嵌入式系統設計方法。英文教學實踐證明，嵌入式系統的教學改革能夠更好與國際先進技術和規范接軌，顯著提升學生的學習興趣和實踐

能力。

關鍵詞：嵌入式系統實驗；項目驅動；英文教學；數據采集；實踐能力；Linux操作系統

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-02

0 引 言

嵌入式行業是微電子技術發展的主要載體[1]，國家針對重要戰略新興產業出臺了支持政策，其中就包括嵌入式計算機和軟件行業[2]。近年來，隨著嵌入式行業的快速發展，嵌入式系統也得到了極大提升，迅速從軟件配置管理（SCM）過渡到數字信號處理器（DSP）和高級精簡指令集處理器（ARM），且被廣泛應用到手機制造、醫療設備和網絡數據傳輸等方面[3-5]，進一步促進其他行業的發展[6-7]。

與此同時，相關技術人才緊缺是亟需解決的問題，為了滿足社會各界的需求，很多高校都開設了嵌入式系統相關課程。嵌入式系統課程的教學模式陳舊所造成的實際應用效果較差已成為教學工作中的主要難點之一[8]。教學模式的改革采用英文教材和英文教學，將部分實驗教學內容移植到理論部分，增加實驗教學時間。在實驗教學中，以實際項目為核心設計實驗環節，在項目逐步完成的同時，訓練學生的動手能力和解決問題的能力。

嵌入式系統教學比較復雜，涉及的知識、理論和實踐都很廣泛[9]。學生需要通過理論、具體設計、動手實驗等過程進行學習，掌握嵌入式系統相關知識和技術。傳統的理論和實驗教學方法不適用于嵌入式系統教學，這使得嵌入式教學很容易進入誤區。因此，對嵌入式課程進行探究式教學改革尤為重要，培養適應社會需要的高素質工程人才是所有高校的首要任務。

此外，學習嵌入式系統需要廣泛的知識和嫻熟的操作技能，學生可以在掌握一定理論知識的基礎上通過實踐更有效地掌握知識點。因此，通過在實踐中解決實際問題，可以進一步鞏固知識，養成理論向實際轉化，實際推動知識學習的良好學習新風向。

1 嵌入式系統實驗教學中存在的問題

1.1 實驗內容過于單調

目前的嵌入式實驗教學多為驗證性實驗，各實驗之間幾乎無相關性。單個實驗可以增強學生對嵌入式基礎知識的理解，使學生容易上手操作，但不能滿足社會對嵌入式工程師的要求[10]，這種教學模式限制了學生的思維創造性。

1.2 學生過分依賴教師

發現在大多數理工科實驗中，學生存在過度依賴教師的問題。大多數學生重復教師的操作，只記錄和整理所有實驗數據，對于遇到的問題通常無法找到解決辦法，甚至對實驗原理知之甚少。這種教學模式下培養的學生一旦遇到自己未遇見的情況，通常不知所措。

1.3 實驗室設備陳舊，缺乏良好的實驗討論環境

由于實驗室研究與社會需求嚴重脫節，使得學生畢業后無法適應社會技術的發展。

2 嵌入式系統課程

本文在理論教學體系的基礎上，提出由簡到繁的兩級實驗設計，滿足不同階段的實驗要求。基礎實驗的主要目的是拓展思維，針對具體的課題，學生需要根據課題的要求抽象出主要功能，然后在理論上滿足項目需求。該方法著重于理論硬件/軟件的仿真協同設計。該方法結合工程實際和嵌入式設計理論，可逐級進行兩個層次的設計，如圖1所示。

傳統的實驗教學主要是基于簡單的編程語言學習和驗證模擬，沒有做嵌入式系統設備的附加功能開發，更不會結合項目實際進行開發。采用嵌入式英語實驗教學模式，任務用英語描述，最大程度貼近語法和編程操作。

本設計完全不同于其他編程教學，將重點放在硬件系統的設計和綜合設計步驟上，便于學生更加深入地學習嵌入式設計的整體架構。教學內容圍繞基礎知識學習、編程語言學習和嵌入式系統芯片學習展開。教學目的是利用英語教學的優勢，拓寬理論教學的內容，更好地連接和拓展實驗教學。基礎嵌入式系統結構教學不超過總課時的一半，然后根據項目選擇，在教師的帶領下，在剩余時間內完成分組學習。在嵌入式系統的新課程體系中，整個系統可以將語言學習和硬件芯片學習融入課堂學習，將嵌入式系統教學與實際應用相結合。

3 案例分析：溫度采集系統設計

3.1 嵌入式系統

嵌入式系統設備通常由嵌入式計算機系統和執行設備組成，嵌入式計算機系統是整個嵌入式系統的核心，由硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層組成[11]。硬件層包括嵌入式微處理器、內存、通用設備接口和I/O接口。在嵌入式處理器的基礎上，增加電源電路、時鐘電路和存儲電路，構成嵌入式系統的核心控制模塊。在硬件層和軟件層之間有中間層，也稱為硬件抽象層（HAL）或板級支持包（BSP）。中間層將系統上層軟件與底層硬件隔離開來，系統的底層驅動程序與上層無關。上層軟件開發人員不必關心底層硬件的結構，這取決于BSP層Develop提供的接口。這一層通常包含底層硬件的初始化、數據輸入/輸出操作和硬件設備配置。系統軟件層由實時多任務操作系統、文件系統、圖形用戶界面、網絡系統和通用組件模塊組成。

3.2 實驗課程安排

大多數高校只安排了單片機教學內容，而直接在Linux系統上開發嵌入式系統會使大多數學生望而卻步。第一節實驗課，在Windows環境下進行嵌入式ADS1.2 ARM系統的開發，讓學生逐漸掌握控制處理器的外圍設備、uboot移植、操作系統移植、文件系統移植、GUI移植和驅動程序開發。

實驗環節將所有學生分成三組，每組分別完成溫度監測系統的設計。通過基礎實驗課程，學生已經對UART、ADC、NAND、FLASH、LED、LCD、定時中斷模塊有了較好的理解。實驗課程的目的是讓學生運用自己已有的設計知識來實現該系統。

3.3 溫度監測系統的實現

實驗課上，使用S3C2440模塊、Linux操作系統和DS18B20溫度傳感器設計溫度檢測系統。在該系統中，利用S3C2440的通用I/O端口GPIO掛接多個DS18B20傳感器，完成對溫度傳感器時序的精確控制。系統硬件原理如圖2所示。

為了使用DS18B20傳感器，必須嚴格按照DS18B20的邏輯序列圖進行控制；分別完成DS18B20的讀（寫）、函數和復位子函數的準備；參見DS18B20手冊中的時序圖，使用重要的數據結構file_operations實現Linux驅動程序函數。

3.4 實驗結果

本案例采用S3C2440作為單片機，實現基于ARM-Linux系統的溫度檢測系統。本實驗案例具有數據處理能力強、降低主機成本等優點。

項目教學法是一種全實踐練習，可以培養學生分析問題和解決問題的能力，充分挖掘學生的創造潛力。既體現了教師的主導作用，又發揮了學生的主體作用，更能體現高等教育的進步與社會的接軌。

4 結 語

嵌入式系統實驗教學對學生的理論和實踐能力要求很高。本課程不僅要求學生掌握多種編程語言（C語言、C++語言等）、計算機構成原理、操作系統等，而且要求培養學生的探索精神、解決問題的能力和實踐能力。通過教學改革，初步探索基礎工程理論教學與實踐教學的微觀機制，同時也對教師提出了更高的要求。例如：教師需要具備較高的英語水平，教學覆蓋面廣，具有項目開發經驗和熟練的焊接技術。從實驗結果看，該教學模式提高了學生對嵌入式系統的理解，使學生學會將理論知識應用于實踐，轉化為學生解決實際問題的能力。與傳統的實驗教學相比，基于系統設計的實驗教學可以提高學生的學習興趣和積極性。

注：本文通訊作者為魏柯。

參考文獻

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