模块化电子系统设计课程建设与实践

蔚瑞华，余有灵，徐志宇，喻　剑

(同济大学　电子与信息工程学院，上海　201804)



模块化电子系统设计课程建设与实践

蔚瑞华，余有灵，徐志宇，喻剑

(同济大学电子与信息工程学院，上海201804)

传统的电子系统教学存在着系统综合性、创新性缺乏的问题。文中结合当前的最新技术和课程自身特点，对电子系统设计课程进行了改革和探索。提出了基于“模块化”的电子系统设计的教学体系，并对教学内容和评价体系等进行了探索。课程教学改革使学生不仅获得了对电子系统概貌式的整体认识，能熟练进行各模块的调理和应用，而且能够运用模块化的思想进行综合设计，充分激发了学生的学习兴趣，提高了学生的创新实践能力。

电子系统设计; 模块化；课程建设

电子系统是将各种元器件、集成块按照一定规律和规范连接起来，完成某种功能的有机整体。电子系统的元件众多，结构复杂，功能各异；所涉及知识涵盖了电工学、模拟电路、数字电路、通信、微机与接口、传感器与执行单元、程序语言等十余门课程[1]。随着当今社会电子信息与电气类各专业异常迅速的发展变化，新知识、新技术、新工具层出不穷，给电子系统的理论与实践教学内容和教学方法带来了复杂的问题，教学体系滞后于社会对人才需求的动态变化[2]。现有课程体系和授课模式下，学生缺乏对电子系统概貌的认识，缺乏对实际系统的感性体验，缺乏主动学习的兴趣和热情，学习效率和效果都不尽如人意。电子系统设计是电子工程类学生整个教学过程中非常重要的教学环节，更是实践教学必不可少的重要环节[3]，如何更为有效地将所学的知识融会贯通，如何从系统层面理解各个模块的功能，从而更有针对性地学习基础课程，是我们一直以来的探索目标[4-7]。

结合本科教改的契机，根据模块化的教学思想[8-9]，我们对该课程的知识体系、教学内容和评价体系进行改革，同时加强实践教学体系的规划设计，构建理论教学与实践教学一体化的教学体系[10]。学生不仅可以利用模块化教学平台灵活地搭建各种电子系统，而且可以进行各模块的深入学习和实践，还可以进行综合及设计性的实验。课程按照“实践-理论-再实践”的步骤，有效提高学生学习的目的性和积极性，为其今后有针对性地进一步深入学习打下基础。

1　模块化电子系统课程体系建设

我们首先根据“模块化电子系统”的教学思想，将电子系统从功能上划分为若干“模块单元”，如CPU处理核心、I/O控制、传感(触碰、颜色、温度等)和A/D转换单元、通信接口单元(串口、CAN总线、无线通信)、执行单元(直流电机、伺服马达、声光报警)等。各“模块单元”相互联接、配合，共同实现系统功能，如图1 所示。

图1　模块化电子系统架构

课程内容安排上采用先易后难、由浅入深的思路。我们采用韩国Roborobo公司的ROKIT模块化电子开发平台作为引例。该模块化套件采用模块化设计，模块可升级、可重构、可扩展。学生可通过“搭积木”的方式来组建典型综合电子系统，实现各类功能。通过案例可以使学生充分理解各模块的原理和连接关系；在此基础上，深入讲解各模块的功能和用法，解析各模块的功能，进而进行模块功能扩展；最后，学生运用所学知识按模块化思想完成一个综合设计[11]。

课程既着眼于电子系统本身的有机整体性，又利用上述“模块单元”在结构和功能上的相对独立性，采用“模块化”方式来构建和设计电子系统；旨在营造一种让学生“在系统中学习模块”的新型教学模式，提高学生的创新精神和实践能力。尽管是以模块的形式来进行学习，但始终在系统层面进行实践和理论教学，始终从森林的视角出发研究一棵棵树木，确保对整个电子系统全貌的把握，培养学生的系统理念。

课程体系教学架构如图2所示。

图2　模块化电子系统课程体系架构

2　模块化电子系统课程内容

2.1模块化电子系统引例

课程采用韩国Roborobo公司的ROKIT模块化电子积木作为引例，让学生在学期初在头脑中就建立模块化的思想，激发学生的兴趣。该平台不仅在硬件上将CPU模块、传感器模块、执行单元模块、通信模块等分离开来，在程序上也采用了模块化的设计理念。硬件模块主要分为：核心单元CPU模块、传感器模块单元(红外传感器、触碰开关、声音传感器等)、驱动-执行器(包括直流电机、声光报警、伺服马达等)。软件模块主要有：电机(直流、伺服)驱动模块、开/关(On/off)驱动模块(控制声音、光等)、延时模块、While循环模块、IFELSE选择模块等。模块示例、组装实例以及模块化软件流程分别如图3、图4、图5所示。课堂上让学生根据实验所需以“搭积木”的形式灵活地组合出不同形态、不同功能的智能小车(如避障小车、沿线走小车、履带型小车等)。该环节主要以实例讲述模块化电子系统开发平台总体构架，确定各功能模块的功能和连接关系，树立模块化电子系统开发的思想，以充分调动学生的学习积极性和创造性。

同时，我们也对ROKIT模块的接口进行了分析，它采用三线制，除了电源线和地线外，还有一条信号线。通过这条信号线，CPU单元即可将传感器的高低电平信号读入，还可以对执行单元进行高低电平或者PWM波形控制。这就方便了学生在深入学习各块理论知识后的相应扩展。

图3　ROKIT模块和装配零件示例

图4　模块化小车组装图例

图5　模块化软件编程实例

2.2模块化电子系统课程的理论深入

这一阶段，教师将对各模块的功能、用法以及模块之间的连接进行详细的理论讲解，并配以实验。内容涉及嵌入式系统、传感器技术、计算机原理与接口技术、自动控制理论、软件技术基础等专业核心课程[12-15]，主要内容包括以下4个方面。

1)CPU处理核心模块单元的应用与功能调试。

课程以ARMCortex-M3的STM32系列为例，介绍处理器的内部硬件结构以及所能完成的功能，实现时钟配置、I/O端口配置、中断处理、定时器编程等，并在Keil平台上编制基本程序进行编译、烧写与调试。

2)接口通信模块单元的应用与调试。

接口通信单元包括串口通信、485总线、CAN总线应用，同时结合现今的无线通信技术，如Zigbee、蓝牙、GSM/GPRS等，以模块化的方式连入CPU核心单元。

3)传感器模块单元的应用与调理。

选取温度、湿度、流量等传感器，结合传感器技术，CPU模块对其进行A/D转换，完成采样标定、处理、存储等。

4)驱动执行器模块单元的应用与调理。

主要包括直流电机的特性与PWM控制，步进电机的特性与脉冲控制，电磁阀的特性与控制等，还需要CPU模块的I/O和定时器控制。

学生在教师的指导下进行各模块的功能调理，将之前用过的ROKIT平台进行深入剖析，并根据接口规则，进行模块的扩展练习。如有的学生发现红外障碍物检测的不足之处在于对深色物体敏感，而并不能检测到白色物体；如前所述，ROKIT平台的三线制接口使得学生的扩展也比较容易，只要做一个带有简单处理器单元的小的传感器模块，使得在检测到障碍物时能够在信号端进行高低电平的转换即可。图6为学生自主开发的与ROKIT兼容的超声测距模块。

图6　学生自主开发的与ROKIT兼容的超声测距模块

2.3模块化电子系统综合方案设计

课程的最后一个阶段要求学生对模块化知识进行综合应用。综合实验教学对培养学生的创新意识、动手能力、分析问题和解决问题的能力有着不可替代的作用[16]。这个阶段主要考查学生对知识的理解和灵活应用程度。教师会提出一些如“未来交通”“环保机器人”“智慧家居”的主题让学生围绕某个主题提出自己的方案创意，并要求学生始终贯穿模块化的思想，在理解各模块功能的基础上综合设计一套实现方案。学生提交的方案有：用气体传感器阵列设计的能检测空气质量的“电子鼻”；利用颜色和重量识别的“自动计量称”；能够智能调控环境的“智慧家”；利用超声波测距传感器的“汽车盲区感应雷达”等。

从提交的方案来看，学生们综合运用了所学的传感器模块、CPU模块、通信单元模块、执行机构模块等知识。课程同时也提供给学生实现的平台和空间，学生在提出设想的同时，可以申请课程设计经费将方案予以实施，满足不同层次学生学习的需要。

通过模块化电子系统综合设计，学生的工程创新意识、工程综合设计能力、工程实践能力得到了明显的提高。

3　模块化电子系统课程评价体系

模块化电子系统课程设计是一门实践性很强的课程，传统的基于实验报告的评分方式已经不适用于该门课程。因为实验报告往往千篇一律，且只能在认知方面考查到学生对知识点的掌握情况，并没有真实反映学生分析问题、解决问题的能力，缺乏对学生多元化、个性化和动态化的全过程评价。

针对这些问题，借鉴一些成功的考核体系[17-18]，模块化电子系统设计课程考核将以综合评定的方式给出，同时依据学生的平时课堂实验和期末课程设计给予评分，全面反映其在实验过程中的表现与最终设计结果，突出考察其动手能力、综合运用能力和创新能力。根据课程发展的不同阶段提出不同的考核要求，在模块化引例阶段，主要是完成模块化搭建、软件模块化设计的体会报告；在课程理论的深入阶段，学生需要完成相关的实验与设计项目，对验证性的实验要求写出体会报告，对综合性的实验要求写出设计报告，提交编程结果，并增加对实验过程和结果讨论内容的评分；在课程的综合方案设计阶段，包括方案提交、方案展示和答辩环节，既鼓励学生的创造性，又锻炼学生的表达能力。

学生在学期末评价这门课程“是一门非常具有综合性的创新课程”“课程既有实践又有理论”“课程赋予了基础理论以新的生命”“能力得到了极大的提升”，并且“希望这门课长期开设，并扩大到全校电子信息工程、机电类、汽车类等本科生”。

4　结束语

课程教学改革通过模块化的教学体系建设，课程内容的设置更加系统化和层次化，课程的综合性和创新性不断增强，考核方式更加科学、全面。两年的教学实践表明，该课程强化了学生对于系统层次的理解以及模块化意识，在巩固学生基础理论，提高学生实践能力和综合运用所学知识解决实际问题能力，增强学生创新意识和创新能力等方面均取得了非常显著的效果。

[1]余小平，庹先国，奚大顺，等. 《电子系统设计实践》教学改革尝试[J].实验科学与技术，2011，9(6):80-82.

[2]马建国，罗亮，刘桂华，等. 2009全国电子信息实践教学成果评选一等奖.理论、实践、创新结合的《现代电子系统设计》课程体系建设[J].电子世界，2010(8)：35-37.

[3]姜桥，王朋.应用型本科高校怎样搞好电子课程设计[J].中国科教创新导刊，2009(20):169.

[4]刘乔寿，黄沛昱. 电子信息类开放实验教学模式[J].实验室研究与探索，2013，23(7)：157-159，201.

[5]谢克明，梁宪生. 电子信息类大学生实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2005，24(S1):53-56.

[6]谢东，王锋，王敏，等. 电子信息类专业实践教学环节改革的研究[J].中国电力教育 ，2007(5)：129-131.

[7]赵锋，毕莉，王伟，等.“电子系统仿真”课程设计实验教学体系建设[J].电气电子教学学报，2012，34(3):64-65，68.

[8]张雯.具有重组功能的机电系统综合实验环境建设[J].实验室研究与探索，2007，26(8):60-62.

[9]贾立新，施朝霞.模块化综合电子系统设计实验平台[J].北华航天工业学院学报，2010，20(S1)：25-27.

[10]肖伟才.理论教学与实践教学一体化教学模式的探索与实践[J].实验室研究与探索，2011，30(4):81-84.

[11]陈永军，刘进.电子系统综合设计人才培养模式创新实验区建设与探索[J].实验室研究与探索，2013，32(11):336-339.

[12]彭刚，秦志强.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京：电子工业出版社，2011.

[13]孟立凡，蓝金辉.传感器原理与应用[M].2版.北京：电子工业出版社，2011.

[14]余小平，奚大顺 . 电子系统设计——基础篇[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[15]臧春华，邵杰，魏小龙.综合电子系统设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[16]张虹，王建校，杨拴科.电子系统综合设计实验教学实践与探讨[J].电气电子教学学报，2003，25(4):67-69.

[17]林连冬.EDA技术开放实验室研究型实验的教学探索[J].实验室研究与探索，2013，32(5):216-218，226.

[18]徐宁，王玫，吴倩.“精品实验项目”建设重在诠释经典和方法创新[J].实验室研究与探索，2013，32(2):112-115.

Curriculum Construction and Practice of Modularized Electronic System Design

WEI Ruihua，YU Youling，XU Zhiyu，YU Jian

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering，TongjiUnivesity，Shanghai201804，China)

Therearesomeproblemsintraditionalteachingofelectronicsystemdesign，suchaslackofinnovationandsystem-levelview.Aimingsdvingtheaboveproblems，newteachingarchitecturebasedonthenotionofthe.“modularized”electronicsystemisproposedinthispaperaccordingtothelatestdevelopmentsandcharacteristicsofthecourse.Thecontentandevaluationmechanismisalsoexploredandreformed.Thecurriculumconstructioncannotonlyhelpthestudentsbuildthesystematicviewoftheelectronicsystem，butalsoskillfullyusethosemodulestobuildtheintegratedsystem.Ithasbeenprovedtobeaneffectivewayofstimulatingtheinterestsoflearning，meanwhileenhancingthestudents’abilitiesofinnovationandpractice.

electronicsystemdesign;modularization;curriculumconstruction

2015-03-05；修改日期: 2015-03-24

同济大学第九期实验教学改革基金(0800104166)。

蔚瑞华(1979-)，女，博士，讲师，主要从事嵌入式系统方面的教学工作。

TN702

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.041