一种分层式嵌入式课程群实验教学平台设计方法

文 斌，任 彬，阮道清

（成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都 650225）

一种分层式嵌入式课程群实验教学平台设计方法

文 斌，任 彬，阮道清

（成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都 650225）

通过设计硬件分层实验教学模式，改变嵌入式课程群实验教学仅在实验箱上做验证性实验的现状。这种实验教学方法限制了学生的发散思维能力、创新能力和动手能力，也不符合CDIO教育理念。为此，设计硬件分层的实验教学模式，实验只提供实验要求和稳定可靠的有电源管理、通信接口、调试接口、I/O接口的核心控制模块，不事先给定实验程序，由学生根据个人喜好来设计软件和硬件，充分发挥学生的主观能动性和创新精神。同时，也避免由于硬件知识和调试经验不足，带来器件与模块的损坏，也大大增加了实验的成功率，提高了学生主动参与实验教学的兴趣。

实验板;嵌入式设计;分层

1 概述

大多数工科高等院引进CDIO教育[1]教学模式后，加大了嵌入式系统教学[2]中的师资和实验设备的投入，分配大量资金购买嵌入式实验设备，创建专门的嵌入式课程体系实验室。但在这种嵌入式实验教学环节中出现了以下几个问题：

1）嵌入式实验教学不管是MCS51系统，还是ARM教学系统均是在学校购置的实验箱上进行。通过几届学生后，实验箱的维护难度加大。更由于电子技术的飞速发展，厂家核心模块的淘汰，很多实验箱都无法使用，也影响了课程的实验教学。

2）在固定的实验箱[3]上实验项目更改较难。

3）由于核心模块的接口固定或是一体化的硬件平台，新的电子技术和微处理器无法更好融入实验教学中。

这种箱式的硬件实验平台，无法更大限度地培养学生动手能力。学生每次实验都成了验证式的实验，对于硬件相关知识缺乏训练。同时，为了加大动手能力培养又专门开设《电子技术综合设计项目》和《嵌入式综合设计项目》等实践性较强的课程。老师只提要求，从设计方案到实现全由学生自己完成。由于微控器管脚多、防静电要求高、管脚间距小，学生焊接和硬件调试经验的不足，核心的微控器损坏严重；更由于学生电源设计经验的不足，一些较贵的功能器件也造成损坏，均难以回收。这无疑增加了学校每年实验经费的投入，造成了不必要的浪费。

为此，提出一种新的硬件设计方法，将微控制器核心层与应用层分开。核心层是一个相对稳定、可靠的模块，其接口设计可兼容高、中、低档微控器，这种开放灵活的核心模块设计与固定的实验箱相比，其升级、更换、维护都非常方便；应用层由学生自己完成，包括学生自主功能设计、原理图设计和PCB板图绘制，最后通过硬件调试和软件测试完成整个的实验项目。相对固定实验箱，实验内容灵活多变，学生可根据自己的爱好来设计实验，提高学生学习兴趣，同时也很容易更新实验项目。

这种分层的硬件平台实验中，统一发放带电源输出和电源保护的，有调试和通信接口的核心功能模块；学生在应用层设计时，只根据核心层的接口要求设计功能，降低了设计和硬件调试难度。增加了学生自主实验的成功率，提高了学生动手实验的学习兴趣，也符合CDIO工程项目教育理念，通过做中学的方式，有效地开展嵌入式课程群的实验教学。

2 实验平台的设计原理与方法

2.1 实验平台的设计原理

将硬件平台的逻辑控制模块独立，通过丰富的多功能接口与功能层连接。其原理框图如图1所示。

图1 硬件平台分层实现原理

核心层是一个相对稳定、可靠的模块，其接口设计可兼容高、中、低档微控器，这种开放灵活的核心模块设计与固定的实验箱相比，其升级、更换、维护都非常方便；同时通过接口为功能层设计提供电源与通信接口降低了功能层硬件设计难度。

2.2 实验平台的设计方法

2.2.1 硬件设计方法

嵌入式是软硬件结合的产物，其中硬件设计必不可少。通过此实验板预留的接口学生可自行设计除核心逻辑模块外的应用电路，让学生掌握硬件电路的设计方法和原理，掌握硬件设计工具的使用方法和步骤。在学习过程中真正做到理论与实验结合。核心逻辑模块以STM32F103VET6为核心，同时它也是一个微控器的最小工作系统。其他主要包括所有IO引脚，向下提供3.3V、5V、12V直流稳压电源，USB转串口等。其计原理如图2所示，核心，其电源系统电路原理如图3所示和接口电路原理如图4所示。

图2 核心逻辑原理

图3 电源系统电路原理

图4 主要接口电路原理

2.2.2 软件设计方法

嵌入式开发过程中，软件的设计是核心部分。微型计算机原理这门学科是嵌入式软件设计的基础，并注重实践，掌握好这门学科是学好嵌入式软件设计的基石。本实验板提供的核心芯片为stm32f103，此芯片是ARM公司的cortex系列，通过学习这类芯片能更好的让学生掌握高端芯片的使用，更接近实际产品的开发。学习软件设计过程中主要分为三个方向学习。首先学习软件开发项目工程模板搭建，其实学习核心芯片外设使用，最后学会整个软件系统的调试。

3 结语

本实验板为嵌入式开发量身定做,学生可在其上进行灵活有效的搭建常用器件,贴近实际使用研发环境。实验系统简单明了,硬件系统及软件完全对学生透明开放。通过基于嵌入式实验板的实验,可以使学生深入了解嵌入式设计、调试和实现方法,加深学生对教材中知识的理解,提高学生编程能力,从而提高教学质量和教学效果，同时减少了学校设备和器件的损坏，还提高了设备的可维护性。

[1]韩时琳,胡旭跃,?陈杰.实施CDIO工程教育的关键问题探讨[J].中国电力教育,2014(2)∶5-6.

[2]徐玉,童长飞.CDIO工程教育模式下的嵌入式系统实践教学[J].计算机教育,2013(5)∶109-115.

[3]郑世珏,卢强.基于嵌入式的移动学习教学试验箱设计'和实现[J].实验技术与管理,2012(12)∶51-54.

TN911.22