“嵌入式系统原理与设计”课程实践教学探索

杨学存　杜京义

摘要：针对大学生在嵌入式实践能力的培养问题，对“嵌入式原理与设计”课程的实践教学进行了探索，重点对学生在课内实验、课程设计、创新训练项目和毕业设计等方面进行实践锻炼，该方法从2008年应用以来，已取得了较好地教学效果，学生的实践动手能力得以提高。

关键词：嵌入式系统；实践；创新训练项目；课程设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）29-0146-02

目前，我国对嵌入式领域人才的需求日益旺盛。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用，包括工业自动化、医疗仪器设备、智能家居、智慧城市和航天航空领域。例如神州飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统，神州飞船从原来神州一号到神州十号，还有登月探测器嫦娥一号到嫦娥三号，其系统中都有大量的嵌入式系统。并且，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，使人们的生活更加丰富多彩。在生活中，所有带有一点“智能”的家电，例如电脑电冰箱、电脑电饭煲、电脑豆浆机等都是嵌入式系统，另外，日常常见的IPAD、照相机、摄像机、打印机、智能手机等都是嵌入式系统[1]。为此，国内外各大院校也纷纷开设了嵌入式系统方面的课程，并且在教学中把培养学生的实践动手能力放在首位。

本文对西安科技大学电气与控制学院自动化专业《嵌入式系统原理与设计》实验课程的教学特点进行了分析，提出了嵌入式系统原理与设计的课程实验教学方法，实践证明，该方法大大提高了学生的实践动手能力，为以后能成为真正的嵌入式人才打下了重要基础。

一、“嵌入式系统原理与设计”课程简介

1.从嵌入式系统定义和特点。嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。或者可以简单定义为嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统即为嵌入式系统。

嵌入式系统包含有三个特点，即嵌入性、内含计算机和专用性。

2.嵌入式系统的组成。系统包含硬件和软件，其中硬件包含嵌入式处理器和外围硬件设备，软件包括嵌入式操作系统和嵌入式应用程序[2]。嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体。嵌入式系统的嵌入式处理器可以分为以下几大类：嵌入式微处理器，嵌入式微控制器，嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统（SOC）。常见的嵌入式操作系统有：嵌入式Linux，Win CE，VxWorks和μC/OS-II。

二、“嵌入式系统原理与设计”课程实践项目

1.课内实验。课内实验是让学生熟悉实验教学系统和开发环境，完成基础实验的编程和验证工作。所使用的开发板是周立功公司的LPC2131的开发套件，能完成一些硬件的基础实验。包括GPIO口输入输出实验、外部中断实验、定时器实验、UART实验、I2C实验、SPI实验、PWM脉冲宽度调制、AD/DA实验、RTC实时时钟实验、低功耗实验等。通过基础实验的学习，学生掌握ARM7的开发环境的使用和ARM7的硬件的功能[3]。然后把UC/OS-II操作系统也作为程序设计的一部分，在操作系统的基础上设计用户程序，使学生熟悉嵌入式开发环境，全面了解嵌入式系统开发流程，在实践中锻炼设计和开发嵌入式系统的能力。

2.课程设计。在学期末集中安排两周的课程设计，主要完成以ARM处理器为核心的嵌入式最小系统及其扩展模块设计。实验设备采用ARM LPC2131开发版，考核方式为软硬件验收并提交课程设计报告。在学生熟悉了ARM的开发环境和基本的实验程序之后，会让学生自己动手设计课题，给学生布置多个课题，学生可根据兴趣进行选择，三人一组。如：基于ARM的步进电机细分驱动控制设计，自动窗帘控制器，多路数据采集系统，基于ARM的工程车控制系统设计，直流电机调速系统设计等。

下面以红外自动感应窗帘为例，介绍学生课设自己动手所做的工作。首先，学生根据课题功能的要求，确定系统控制方案。《自动窗帘控制器》课题要求系统能根据环境因素自动打开或关闭窗帘。因此学生可确定出如图1所示的控制方案。系统包括LPC2131最小系统、温度和光强检测、键盘输入、液晶输出和步进电机驱动等模块。

在此方案的基础上设计系统硬件，进行器件选型和原理图设计。温度检测选用DS18B20，光强检测选用光敏电阻，键盘采用独立按键，液晶显示选用LCD1602，步进电机选用28BYJ-48型步进电机，其驱动选用ULN2003。由此得到的系统原理图如图2所示，并要求学生在此原理图基础上做出硬件实物。

而后就可以进行软件的编程和调试了。软件工作流程如图3所示。

最后通过软硬件的联合调试，实现系统所要求的功能，并撰写课程设计报告。

3.创新训练项目。在校大学生每年都可以参与申请大学生创新创业训练计划项目，该类项目主要由4～5名学生完成，由一名老师指导[4，5]。创新训练项目申请时要对项目实施的目的和意义、项目研究内容和拟解决的关键问题、项目实施方案、主要技术指标和经费预算等进行陈述。重点是项目研究内容、拟解决的关键问题和项目实施方案。通过这种形式，学生不仅对项目的申请有了一定的认识，而且可以激发学生学习的兴趣，由原来单纯的依靠兴趣来动手实践，转变为以解决实际问题为目的的学习方式。这样，可以让学生以解决问题为驱动的方式来学习嵌入式系统的设计，与实际的工业企业问题更为接近，也可以为就业打下坚实的基础。

4.毕业设计。此外，每年有大约四分之一的学生以嵌入式系统设计方面的题目作为他们的毕业设计课题，如，基于ARM的智能家居控制系统设计、嵌入式多功能轮椅控制系统设计、嵌入式鱼塘水质监控系统的设计、基于ARM的道路清扫车控制系统设计、嵌入式语音控制机器人控制系统设计等等课题。学生通过毕业设计动手能力的训练，进一步提高了解决实际问题的能力，增强了就业竞争力。

嵌入式系统原理与设计课程是自动化专业的一门重要课程[6]，该课程通过课内实验、课程设计、创新训练项目、毕业设计等方面实践项目，不仅提高了学生的实践动手能力，也提高了学生解决实际问题的能力，让学生能有一技之长，增强了学生的就业竞争力，为学生成为企业需求的嵌入式应用型人才打下了重要的基础。

参考文献：

[1]李振宁.嵌入式教学实验系统的应用与研究[D].西安：长安大学，2005.

[2]曾洁琼.ARM嵌入式系统实验教学研究与探讨[J].时代教育，2014，（6）：117，140.

[3]周立功.ARM嵌入式系统实验教程（二）[M].北京航空航天大学出版社，2005.

[4]王恒，张燕，钟丽娜.“ARM控制器实用技术”课程教学探索[J].物联网技术，2015，（6）：106-108.

[5]许童羽，陈春玲，孙国凯.面向卓越工程师培养目标的嵌入式系统课程实践教学改革[J].高等农业教育，2013，（4）：74-76.

[6]谭会生.基于ARM嵌入式系统的研究性教学探讨[J].中国电力教育，2012，（10）：70-71.