嵌入式系统教学中虚拟实验平台的应用

戚建宇 何松 鹿朋

摘 要：文章分析了计算机专业近几年来嵌入式系统实验教学的现状，针对当前嵌入式系统教学中存在教学时间不足、实验与教学不同步等问题，探讨构建一个多功能嵌入式虚拟实验平台作为嵌入式系统课程实验阶段的基本要求。最后，文章给出了设计的实验教学规划。

关键词：嵌入式；虚拟实验平台；实验教学

嵌入式系统课程（ARM7）是一门多课程交叉与融合的课程，包含了计算机软件基础、数字电路基础、ucos操作系统、微机接口、通信网络技术等各个学科领域的许多相关知识点，教学内容多而杂。为了学生们能较好地学习课程的理论知识，掌握较强的实际动手能力，仅仅依靠课堂上教师的讲授是不行的。我们必须设立实验教学环节让学生深刻了解嵌入式系统的实际硬件结构与相关的软件知识，并由此来提高学生的实际动手能力。

虚拟实验是传统实物实验的衍生，通过某几种软件对实际硬件平台进行模拟。因此我们可以暂时离开硬件平台来学习ARM嵌入式系统知识。仅仅依靠计算机，学生就能完成ARM实验的设计与运行。实验的效果与使用硬件实验箱调试几乎一样。

1 现阶段嵌入式系统教学分析

（1）教学内容繁多，但卓越工程师计划的要求教学时间从48课时减少到 36课时。如果仅仅使用现有的上课的时间，理论与实验的安排几乎不能保证课程大纲的要求。

（2）现有的教学方法单一，学生反应迟钝。教师教学严重依靠PPT，教学方法无引导、缺乏启发式与项目式等具有活力的新教学方法。

（3）实验环节与理论教学不同步。嵌入式系统课程本身具有较强的实践性。实验需要结合理论教学，教师需要给学生提供一个有针对性的实验操作平台，依托开设的实验加深对理论的理解，获得实际感性的认识，从而培养和锻炼学生实际动手能力[1-3]。实验教学环节是课程教学重要而不可缺少的一部分，尤其对于“嵌入式系统”这些实践性强的课程。当前嵌入式系统课程为常州工学院一门新开设的课程，实验室没有购置相应实验设备。在课堂理论教学时不能给学生直观的感性认识，在进行实际设计时，学生往往不知所措，无从下手。

（4）教学进程脱节严重。老师使用传统的教学方式使得教师的教与学生的学无法和谐地配合起来[4]：一方面，教师以课堂PPT教学为主，不能启发学生进而引导学生自主学习和思考；另一方面，学生总是觉得老师讲课没意思，上课时间开小差、说话，特别是玩手机现象较多。学生课间几乎不与老师进行交流，一般平时不学习、考前突击。

2 嵌入式系统（ARM7）虚拟实验教学改革与探索

2.1 实验内容选择与探索

嵌入式设计是实际应用与现有技术结合。嵌入式系统融合许多学科领域，涉及微电子、芯片设计和微机原理等，覆盖知识范围广。为使学生较好地掌握嵌入式设计，培养他们学会系统性和理论性分析能力，较强解决问题的能力，所以课程实验内容的选择与设置上应当包含了嵌入式操作系统、嵌入式应用、集成开发环境以及嵌入处理器等4个方面的实训。

（1）为了丰富实验平台的内容，增加实验趣味性从而增强对学生的吸引，采取以问题为主的实验教学手段，以引导学生自我思考和自我动手实践技能培养。以探究式、启发式实验项目为主要手段，教师提出问题，学生结合已经学习过的相关课程知识，引导学生自我思考解决问题。

（2）在实验内容选择上，选用嵌入式系统硬件设计与软件设计相结合的综合实验，培养学生运用与获取知识的能动性。在硬件设计实验中，从过去使用和依靠现有的嵌入式实验平台，到如今要求学生运用软件工具自主设计并完成一个最小系统的设计与使用

（3）以优秀的现有项目、学科竞赛要求的项目为典型实验案例，引导学生进行分析和验证。要求学生对实验中具体问题进行具体的讨论，讨论分析各个实验小组解决问题的实施方案，培养学生独立思考解决问题的能力。

2.2 实验平台设计

Proteus软件是Lab Center Electronics公司开发的电路分析与嵌入式仿真软件，十分适合ARM嵌入式系统设计与模拟开发的EDA软件[5]。虚拟实验平台设计遵循课程教学大纲的要求，让学生掌握嵌入式系统的知识和熟悉系统设计方法，在设计虚拟实验项目时采取了循序渐进的教学方法，递进式，以适用不同能力的学生。主体设计思想应为简单明了容易上手，既要能够体现各个必要的知识点，又要引导学生真正踏入系统设计与开发的大门。

2.3 部分综合虚拟实验模块

（1）GPIO程序设计与电路仿真如图1所示。本实验在输出低电平时操控LED点亮。首先将PINSEL0，PINSEL1寄存器设置所有引脚连接GPIO，再通过IO0DIR寄存器设置P0.0～P0.7为控制输出口，运用IO0SET寄存器进行置位操作，循环语句，同时调用延时程序，利用清零寄存器IO0CLR、置位寄存器IO0SET交替进行操作，驱动LED的亮灭。

图1 GPIO电路仿真

（2）UART程序设计与电路仿真如图2所示。使用UART1来输出字符，首先根据要求初始化串口0，设置I/O连接到UART0就是运用了PINSEL0寄存器，对UART0的初始化接口P0.0，P0.1进行相关的设置，然后设置波特率，设置好分频器等，接着开始设置向串口发送字节数据。

图2 UART电路仿真

（3）A/D程序设计与电路仿真如图3所示。设置需要显示的数组、ADC模块，转换时钟，利用软件进行转换操作，读取ADC结果切换通道并进行第一次转换，等待转换结束，然后再次启动转换，读取ADC的结果，从串口中输出结果。外部电压进行AD采样，接着利用单个程序启动（Single Program Initiation，SPI）接口对采样回来的数据进行显示，并将转换结果通过UART发给上位机进行显示。

图3 A/D电路仿真

（4）I2C程序设计与电路仿真如图4所示。定义器件的地址和LED输出端口，设置包括从机地址、子地址、数据缓冲区指针、操作数据个数、操作结束标志、子地址使能控制在内的变量。PINSEL0，PINSEL1寄存器设置I/O口工作模式，LED控制口为输出。初始化晶振频率，使能I2C中断，设置其中所有的通道为IRQ中断，在初始地址读出字节数据，读出的数据不正确报警。

图4 I2C电路仿真

3 实验平台的应用

经过一年半的实际教学，笔者发现教师编寫指导书越为详细，学生实际学习的机会越少，所有的学生都会按照编写的指导书的步骤按部就班地完成实验。实验的本质作用应该是培养学生的设计能力，而不是演示实验本身。虚拟实验平台可以使得教师仅仅发挥引导作用，学生作为实验设计主体，培养学生的创新和解决问题的能力[6-8]。针对大纲知识点可以在课堂上安排1～2学时演示性实验，并且可以在课堂教学的电子课件中进行，这样可以使学生对必要知识点有直观感性的认识。实验环节的实验安排侧重于设计性与设计性，实验安排循序渐进，从零开始，易于上手。学生获得成功，有了成就感，学生才会有信心，并乐于深入设计学习。第二课堂的课题可以多样化、分级化，鼓励学生采用过关式方法完成设计题目，一级一级地完成设计挑战。对于竞赛性的题目，要注意综合性，鼓励学生先设计实验平台的最小系统模块，在此基础上根据需要，自己设计所需的模块电路，充分调动和培养学生的创新意识。

4 结语

嵌入式系统（ARM7）课程作为一门新开设的课程，该课程的改革与建设将是一项长期、痛并快乐的工作，教学上可以借鉴参考同行高校的经验不多，因此需要学校和课程团队不断参考实际情况，在教学中勇于创新实践，不断调整和改革教学手段，完善课程培养大纲，及时吸收新技术，新思想，不断完善课堂教学方法和实际实验手段，从而培养出动手能力强，富有创新意识和能力的嵌入式系统设计人才。