基于虚拟技术的嵌入式实训室研究与建设

刘娜

（辽宁机电职业技术学院，　辽宁　丹东　118009）

基于虚拟技术的嵌入式实训室研究与建设

刘娜

（辽宁机电职业技术学院，辽宁丹东118009）

嵌入式技术相关课程实践性强，需要在嵌入式实训室进行大量实践教学。大部分嵌入式实训室由计算机和ARM实验箱组成。此类实训室有很多问题，如资金投入大，设备陈旧，型号单一，无法升级，实践教学内容狭窄等。因此本文提出一种基于软件虚拟的实训室建设方案，解决存在的问题，节约资金，升级容易，极大改善了实验环境。

虚拟技术；嵌入式；实训室

近年几乎所有电子设备都有嵌入式系统的影子，研发嵌入式系统及其产品已经成为当前热点之一。各高职校相继开设相关课程，嵌入式技术是多学科交叉的产物，课程中的实践教学尤为重要，因此必须建立嵌入式实训室。我校在建设嵌入式实训室时，首先根据专业岗位设置课程体系及实践教学内容，依据实践教学内容规划实训室，以满足嵌入式技术专业的基本要求［1］。

目前各高校的嵌入实训室大都是通过购买实验平台或实验箱来构建，但是由于嵌入式设备种类繁多，再加上资金有限，一个实训室不可能概况所有各类嵌入式设备。目前在嵌入式实践教学还存在很多问题，针对这些问题，本文介绍一种基于Proteus软件、Keil μVision3和labview的嵌入式实训室虚拟平台的构建方案解决这些问题。

一、嵌入式实践教学目前存在的问题

（一）实验设备投资大，限制规模

嵌入式教学需要大量的硬件设备，如计算机、仿真器、编程器、开发板和实验箱等，购置成本高，限制了实训室的建设规模；嵌入式技术发展快，设备很容易落伍，需要二次投入资金［2］。

（二）教学方式陈旧，效果不好

由于设备不足，型号更新缓慢，大多数嵌入式技术课程教学以理论教学为主，辅助一些实验教学。实验教学也多是进行验证性的实验。实际上嵌入式技术课程实践性非常强，实践教学中需要很多硬件，如电脑、仿真机、实验电路、编程器及必要电子元器件等。一般理论课堂即便演示，效果也不好。最好就在设备充足的实训室，按理实一体的教学方式，学生验证性实验与设计创新性实践分阶段进行教学［3］。

（三）实验教学内容陈旧，难于自行设计

授课过程中采用多媒体进行演示，学生只有感性认识；实验过程中，由于实验箱是个半成品，实验器材已经焊好，导致实验教学内容陈旧；教师将所做的实验内容、实验目的事先规定好，学生只能按照给定的步骤，调试下载程序，运行机器看是否能够达到预期实验目的。这种方式学生只是被动接受，不能激发学员的主动性和积极性［4］。

（四）实验设备不足，型号落后

传统的嵌入式实训室建立成本高，一般高校很难做到人手一套实验开发系统，实验设备不仅不足，而且落后。就算有相关设备，由于嵌入式技术的发展迅速，设备的不断老化，实验仪器也会很快落后，难以满足嵌入式课程需求［5］。

（五）设备种类繁多，无法做到全面

嵌入式系统所用的微控制器（简称MCU）种类繁多，目前主流MCU有传统的51系列、AVR、PIC系列以及ARM类MCU。随着社会对人才需求快速变化，高校的嵌入式技术类课程需要不断调整，课程中核心器件也会改变，原来的实验设备将被完全废弃，必须配备新的实验设备，造成教育资金的极大浪费，如果专业转型更会导致设备浪费［6］。

总之，大多数高校在嵌入式技术人才培养的教学手段和方法方面存在很多不足，实训室建设也很难满足高职院校教育科研与教学的需求。目前我校嵌入式实训室只有少量实验箱+计算机，当务之急配置计算机，采用软件技术建设虚拟实训室，这样才能改进目前实训室的现状。因此本文提出以Proteus为核心，整合Keil μVision4，利用Labview开发工具，构建嵌入式虚拟综合教学实验平台。

二、嵌入式教学体系

（一）理论课程体系

通过近几年嵌入式人才需求报告的研究，针对嵌入式技术的特点及我校学生师资的实际情况，我们把岗位定在：研发助理工程师，硬件测试工程师，软件测试工程师，系统功能测试工程师，硬件维修工程师和嵌入式产品销售工程师，技术支持工程师等岗位。

对岗位深入分析后，我们得出嵌入式技术专业的知识体系：1.掌握基本的电路知识；2.掌握主流嵌入式微处理器的结构与原理；3.掌握一个嵌入式操作系统；4.熟悉嵌入式软件开发流程并至少做过一个嵌入式软件项目。

嵌入式技术理论性和工程实践性都很强，是公认有一定难度的技术。对高职学生来说，一定要遵循认知规律，由简单到复杂，循序渐进，合理选取理论和实践内容，与工程实践紧密结合，才有助于学生对嵌入式技术相关内容的理解与掌握。

我们的专业课程体系分为三个层次，第一层次通用基础课程：包含通用的基础知识与基本技能课程，适度的可持续发展基础课程；第二层次专业基础知识与技能：包括嵌入式技术的专业基础知识与技能（电子技术、单片机原理与接口、EDA技术、操作系统、C/C++、网络技术）。第三层次：涉及相关应用方向的领域知识。主要课程包括：主要专业课程包括：ARM系统开发、嵌入式操作系统、嵌入式软件开发、智能家居等）主要以项目教学为主。后二个层次必须有实训室做支撑，通过对主要课程分析，得到嵌入式专业的实践教学内容。

（二）嵌入式实践教学内容

嵌入式实践教学内容涉及ARM系统开发、嵌入式操作系统、单片机原理、嵌入式应用软件开发等诸多知识内容，多学科交叉，综合性强，因而学习难度大。学生只有亲自动手编程、搭设硬件电路才有助于对嵌入式知识的理解和掌握。嵌入式实践教学内容的设计应符合由简单到复杂、由单一到综合的一般特点，既要考虑到学生的个性化特点，又要照顾到学生创新能力的培养，因此实践教学内容分四个阶段。

1.验证性实践

第一个阶段，以教师为主导，学生为主体，了解嵌入式系统的开发平台和软硬件开发环境与流程，熟悉嵌入式设备的正确使用方法，安全操作规程和基本的嵌入式编程方法，并学会熟练使用嵌入式系统编程语言，其目的是让学生掌握嵌入式系统开发的基本知识，熟悉ARM硬件结构和嵌入式操作系统，进行ARM和嵌入式Linux相关实验。

2.技能训练实践

第二个阶段，采用精讲精练的方式进行。课前向学生提出明确的实验要求，并请学生提前预习，课堂对所涉及内容进行介绍，并要求学生能参照实践指导书修改部分代码，实验后要求检查实验结果，并记入成绩。这部分实验项目有：ARM交通灯模拟实验，触摸屏应用，ARM的图形界面设计实验，基于ARM的多通道仪表信号采集等项目内容，学生可以按照具有参考性质的实验指导书内容进行实验的调试与修改，在亲自动手调试的过程中，潜移默化地培养规范的开发习惯和分析解决问题的能力。

3.综合应用项目实验

第三个阶段综合运用学生在基础技能部分所学，创造性地进行综合应用。教师统一指定题目，在第二阶段即给出题目与具体要求，要求学生在整个实验阶段进行构思与准备，最后组装代码，实现功能。教师在项目实现过程中给予辅导与指导。主要实践项目：嵌入式应用软件开发项目，嵌入式Android控制系统开发项目等。

4.工程训练项目实验

第四个阶段，学生在教师指导下完成电路图设计、软硬件调试、系统调试以及PCB制作等整个过程。在实验室开放期间学生自主选择感兴趣的题目进行设计实现，或进行综合类的实训项目，或进行毕业设计，课外科技活动等相关内容。项目涉及ARM11、嵌入式Linux、物联网、嵌入式开发工具等知识，如智能家居的设计与实现项目、专业综合实训等。

三、嵌入式实验室组成

根据我系的嵌入式技术人才培养目标和课程教学内容，嵌入式实训室由四部分组成，如图1所示。

图1　嵌入式实训室构成示意图

（一）实物验证系统

ARM11实验箱用来学习ARM体系结构与原理、嵌入式操作系统的学习和实践和智能家居系统设计等课程，ARM11？实验平台上主要有ARM11核心模块和各种接口资源，支持嵌入式Linux和Wince及Android等操作系统。

智能家居系统包括ARM控制的触摸屏可以显示并控制现场情况，zigbee无线通讯功能可以使单片机与控制机进行通讯，实现数据传输。可以实现I2C协议的通讯功能实验，可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、窗帘自控、防盗报警、可编程定时控制及计算机控制等多种实验功能。

（二）计算机硬件系统

其中16台计算机连接实验箱，安装Vmware软件和Ubuntu系统及嵌入式相关工具，联网构成实验箱实物网络系统作为实物验证控制系统；全部41台计算机安装Proteus、Keil及Labview等软件，联网形成作为虚拟实训室的硬件系统。

（三）软件系统

利用各种仿真控制软件，通过操纵虚拟实验仪器或设备，也可以完成有关验证性、训练性、综合性及工程训练性实践活动。虚拟软件的使用改变了传统实验教学模式，由以教师中心转变为以学生为中心，使学生成为实训室的主人，自主操作实践活动，有利于培养学员的动手能力，训练学生的创新思维，与真实设备效果一致，方便更新设备型号的目的。

1.Proteus软件

Proteus是Labcenter Electronic公司研发的多功能EDA软件，是目前最完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台。支持多种型号的嵌入式微控制器，如MCS-51系列、ARM（LPC系列）、PIC系列等，以及常用的外围芯片，并提供各种虚拟仪表，能仿真分析设计各种电路。

2.Keil μVision3

Keil μVision系列集成开发环境（IDE），是国内流行的嵌入式软件开发平台。为了更好地支持32位微处理器的开发，机交互界面友好，编译器性能优异，编译代码大小、执行速率及系统的稳定性均领先于同类产品，以下简称Keil。

3.Labview

Labview由NI公司研制开发，类似于C和BASIC的程序开发环境，是用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW软件开发嵌入式应用程序相对容易，主要用于数据采集的应用开发，很容易进行嵌入式界面的应用软件开发。

总之，嵌入式实训室建设全面考虑我校实际情况，可以模拟的设备类型多，便于项目开发，便于日后转型与升级，节约资金，一劳永逸。既能够满足教学的需要，又能够满足老师进行科研的需要；也容易根据学生的个人能力与兴趣进行单独培养；为学生理论联系实际，进行实践创新，提供了良好的实践环境。

四、应用实例

（一）proteus和keil开发ARM系统应用程序过程

1.安装了TCP/IP协议、Proteus和Keil等软件。

2.安装了实现Proteus和Keil联调的ARM调试器插件（VDMARM.DLL）。

3.修改keil安装目录下Tools.ini文件，加入TDRV8=BIN/VDMARM.DLL（“Proteus ARM Driver”）

4.打开proteus，点击菜单“Debug”，选中“Use Romote Debuger Monitor”。画好测试电路如图2。

图2　proteus测试硬件电路

5.在keil建立工程，编写文件，设置Project菜单的“Option for Target”，在“Debug”选项卡中“Proteus ARM Driver”，设置通信接口。

6.编译通过后，点击仿真执行开始按钮，观察proteus仿真电路现象。

（二）Labview开发嵌入式应用程序

1.确认安装了Labview2012，Labview2012 Touch Panel Module，Microsoft ActiveSync三个软件。

2.在Labview中创建工程，新建的终端和设备为Touch Panel Windows CE 5.0 Device，添加测试内容，添加VI程序到项目，编译形成可执行文件，找到Touch Panel Tutorial.exe，拷贝执行文件到ARM11实验箱中，测试程序界面如图3。

图3　Labview测试程序

五、使用效果

为验证虚拟实训室的使用效果，针对两种实训环境，在12级13级学生做了调查问卷。

表1　学生问卷调查表

从表中看出学生对虚拟实验室非常喜欢。教学过程中，能满足不同层次学生需求，因材施教，锻炼了学生实践能力和创新能力。

六、结论

实践证明，该虚拟教学实验平台几乎完成全部嵌入式实践教学，能仿真多数嵌入式硬件系统；随着技术发展，虚拟平台可以不断升级，不需要硬件投入；虚拟平台不仅弥补了实验仪器和元器件缺乏带来的问题，零耗材和零仪器损坏，系统维护方便；实验内容全面，系统软硬件调试方便，便于学生自行设计实验，有效地提高了学生分析解决实际工程问题的综合能力。

［1］吕雪峰，赵军芬.嵌入式系统软件设计模式研究与应用［J］.单片机与嵌入式系统应用，2007，（10）.

［2］曲学楼，王富昕.嵌入式系统实验教学基地的建设与探索［J］.实验室研究与探索，2006，（25）.

［3］李珍香.《嵌入式系统》课程实验教学探讨［J］.福建电脑，2009，（1）.

［4］赖晓晨，刘文杰.高校嵌入式实验室建设探索［J］.实验室研究与探索，2007，（6）.

［5］李霞等.实验室管理信息系统的应用［J］.实验室研究与探索，2005，（3）.

［6］殷苏民等.基于Proteus的ARM虚拟开发［J］.微计算机信息，2008，（5）.

（责任编辑：卓如）

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1671-802X（2016）01-0072-04

2015-12-26

刘娜（1967-），女，辽宁丹东人，副教授，硕士，研究方向：计算机、单片机研究及教学。E-mail：36177689@qq.com.

辽宁机电基金项目（JYLX2015005）