基于ARM和Proteus的数字电子钟的项目式教学改革的研究

陈长征, 肖军， 刘洲洲

(西安航空学院 1.创新创业学院;2.电子工程学院， 西安 710077)

0 引言

随着信息化和人工智能的发展，ARM的应用越来越多，社会对ARM的需求也不断增加。因为ARM的多样性和飞速的发展，在高校教学中，无法为学生提供各类ARM硬件的实际操作。所以辅助proteus仿真软件，对课程的教学重要性尤为突出。利用keil和proteus仿真软件为学生提供ARM的硬件设计及应用，让学生掌握硬件和软件技术，分析和解决实际工程问题的有效途径[1]。

随着国家工业模式的调整转变，本科的实践环节培养方向中，实践内容体系杂乱，实践环节学时安排不合理，无效实施或效果较差等方面，其结果与社会人才需求的脱节，主要矛盾反应在毕业生与企业之间。结合多年的教学实践，发现项目式教学的运用能让学生提高技能，轻松愉快中获得知识，从而提高教学质量[2]。

1 传统课程教学模式存在的问题

(1) 课程内容单调乏味，难点重点不突出。

单纯的知识讲授，学生的主动性很低。学生难以理解多任务系统的工作方式，对多任务的调度执行更是难以理解。而现有目前的教材和理论教学对此都不重视，只是从概念上讲解嵌入式实时操作系统。对于任务之间协作方法和任务划分等非常重要的内容，提及甚少。所以课程内容安排和讲解使得学生无法领会，更无法掌握其设计方法。

(2) 缺乏层次性的实验。

虽然“嵌入式实时操作系统”课程教学都安排了一些实验内容，实验内容简单的组合，只强调内容的设计性和综合性，缺乏设计层次性和系统性，难点、重点相互不能衔接，使得理论和实践的脱节，最终实验难以达到预期效果。

(3) 教学手段单一。

PPT 多媒体教学通过文字和简单动画形式的实现，无法让学生理解嵌入式多任务系统的运行原理。而简单的PPT 式的教学不能实现单一任务运行到多任务并行协作的这一转变。多元化的教学手段才能满足“嵌入式实时操作系统”课程教学的需要[3]。

2 项目式教学改革的意义

未来的工作需要学生具能协助研发工程师完成其他相关任务的能力；并具有良好的团队协作精神。

项目式教学是将教学内容加入项目中去，引入与项目相关的新知识，各个项目包含知识各不相同，原则上项目完成后是实物产品。项目式教学以学生为主体，以项目为中心。

项目式教学以学生能力为本，通过项目任务设计与分析，使理论知识与技能有机结合，重点训练学生的创新能力和工作技能。在项目实践的过程中学生体验到新知识的乐趣，解决了学生对本专业理论学习无趣感，主动在课堂中与老师讨论和研究[4]。

3 基于项目的数字电子钟的教学改革的实施

3.1 教学改革的思路

为了能更好的适应社会发展的需要，以培养既有获取知识的能力、应用知识的能力和创新能力为目标，使学生成为具备较高综合能力的复合型人才。本文提出了嵌入式实时操作系统教学改革的总体思路：打破以知识传授为主的模式，以工作过程的“项目教学”为目的，以创新为主动手能力培养，明确以工作任务(项目)为主的课程内容，使学生主动地通过完成项目的方式来获取知识，同时对动手能力的发展起到了良好的促进作用。

以学生为主，教师为辅，2～3个学生为一个项目小组，要求学生在开放的实验室条件下，灵活的实验时间内，完成预定的目标。由教师或学生自主确定项目任务内容和完成形式，项目的内容要求和生产实践或日常生活密切相关的，最好结合教师的工程项目和课题，有的放矢，从而激发学生创新的意识，也达到了学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力[5]。

在教学内容的整合上，通过突出“以动手为主、积极创新”的理念，在教学过程中引导学生学习相关知识，通过电子电路的实用设计，实现工程应用能力和创新能力的目的[6]。

3.2 基于项目式的数字电子钟的硬件设计

proteus软件是一款EDA实物仿真工具软件，其功能非常强大。可实现原理布图、电路仿真、代码调试等功能，输入输出效果要配合电压表、电流表、信号发生器和虚拟示波器进行显示。

基于proteus的数字电子钟的电路如图1所示。该设计采用了32位ARM处理器中的LPC2124微处理器作为核心控制器驱动LED显示，并接收键盘中断实现调整时间的功能。蜂鸣器电路起到报时作用，本电路采用3.3 V和1.8 V电源供电。该电路的功能1)从0时0分0秒开始，按24小时显示，由定时器中断驱动。系统原理框图[7],如图1所示。

图1 系统原理框图

LED数码管显示电路是通过75HC573锁存器进行电流驱动和数据锁存来实现的数码显示。可为用户提供良好的时间显示和调节。键盘电路是为了实现时间可调的。三个独立按键的输入，分别进行时、分、秒+1微调。原理图中时间显示为12时0分33秒。如图2所示。

图2 数字电子钟原理图

proteus开发环境的搭建

(1) 启动proteus的ISIS原理图编辑器；

(2) 在元件库中选择元件并放置；

(3) 摆放电源和地等终端；

(4) 布线连接元件；

(5) 编辑元件属性；

(6) 仿真电路，运行程序[8][9][10]。

3.3 基于项目式的数字电子钟的软件设计

1.设计思路

1) 用定时中断获得最基本的计时(ms级)

2) 在定时中断服务子程序里，对定时中断的次数计数，分别获得秒、分、小时的计时，并将此时的秒、分、小时变量送到显示缓冲区。

3) 在定时中断服务子程序里，把显示缓冲区的内容查表送端口，动态刷新显示。

4) 在主循环判断三个按键的状态，并根据是否有按键动作，对秒、分、小时变量进行+1修改；同时自动等待定时中断的发生。

2.主程序的流程

1) 初始化(系统初始化、端口初始化、定时器Timer1初始化)。

2) 获取三个键盘状态。

3) 若有输入，则进行相应处理(哪个键按下，决定秒、分、小时中的哪个变量+1)。

4) 到第二步，循环。

4 实施效果

(1) 学生很透彻地掌握了嵌入式实时操作系统的概念，深入的认识和理解多任务系统的运行机理，明确了多任务系统在本质上与传统的前后台系统的不同。

(2) 48学时的课程学习，经多个项目的训练，由模仿、复制变为自主设计，并掌握了软硬件开发技术，通过个性化的设计报告可以看出学生的投入度，兴趣都提升了。

(3) 学生从全新的方面认识了单片机和嵌入式实时操作系统，在电子竞赛、“互联网+”竞赛以及毕业设计中不断地尝试多任务系统的开发。

(4) 提升学生个人能力。由于学生个体差异，个体特点不同，在进行分工时，需要根据自己的特长负责各自擅长的内容，这样就能有的放矢的提升学生个人能力。

(5) 提高人际团队能力。 项目为2～3人一组，小组成员在沟通、讨论中进步成长，齐心协力，完成任务，就能提升每个成员的团队合作能力以及人际处理能力[11]。

5 教学效果分析

近4年来，针对《嵌入式实时操作系统》课程，实施了教学新模式，激发学习者的兴趣，提高了学习者的动手能力，并对各班的出勤率、考试作弊率、课堂参与率、抄作业率和不及格率等做了相应的统计分析。实践表明，采用新模式教学后，课堂参、出勤率与率得到提高，而考试作弊率、抄作业率和不及格率也明显降低了，总体取得了较好的教学效果， 教学改革前后的教学效果比较如表1所示。

表1 教学改革前后效果比较表

由调查结果得出，16.12%的同学认为该方式可以激发学习兴趣，46.22%的同学认为有帮助，而有38.66%的同学认为没有帮助；15.18%的同学认为可以提高学生实践能力，58.12%的同学者认为有帮助，24.7%的同学认为没有帮助。项目式教学在激发学习兴趣，提升动手能力方面都有显著效果，在教师进一步引导下，还可以提升解决实际问题的能力。