“1+X”证书平台下的嵌入式系统课程教学方法研究

陈琛

（安徽职业技术学院，安徽 合肥 230012）

1 引言

嵌入式系统课程是物联网技术专业的一门专业核心课。随着PC时代及智能时代的到来，以高速度、高可靠、低功耗为特征的嵌入式系统的应用日益广泛和深入[1]，嵌入式系统设计课程在物联网应用技术课程体系中的地位愈发重要，嵌入式系统课程的教学工作极为迫切。如何通过教学有效提高学生的嵌入式工程实践能力，适应嵌入式行业要求，是嵌入式课程教学中面临的主要问题[2]。作为高职院校，“1+X”证书模式已逐渐成熟，学校已建立多样的考证平台。在这种环境下，利用学校已有的实验平台，基于“1+X”证书平台嵌入式系统课程教学方法，具有其独有特色。一是以课证融通为出发点，对接行业发展，落实“1+X”证书制度，围绕课证融通需要，建立模块化课程体系。二是以职业需求和能力为导向，对接岗位需求和工作过程，对传统教学方法和教学体系进行创新，利用平台“在学中做，在做中学”的优势，开展理论和实践教学[3]。这不仅合理利用学校考证平台资源，提供教学质量，同时利于学生获取相关职业技能等级证书，实现“1+X”证书制度需求。

2 教学平台介绍

“1+X”传感网应用开发平台是由北京新大陆时代教育科技有限公司提供，该平台硬件方面提供了stm32的外设齐全的开发板主控模块M3，如图1所示，便于学生方便完成芯片性能测试、程序功能验证以及想法创意的快速应用。软件开发发面，为了减少开发者工作量，提高程序开发效率，应用ST公司软件开发工具stm32CubeMXTM和MDK-ARM集成开发环境组合开发。stm32CubeMXTM由PC端的图形化配置与代码生成工具stm32CubeMX、嵌入式软件库函数（HAL库与LL库）以及一系列的中间件集合（RTOS、USB库、文件系统、TCP/IP协议栈和图形库等）构成，可视化地进行芯片资源和引脚配置，然后生成项目源程序，导入MDK-ARM中进行编译、调试和下载。

图1 M3主控模块

3 课程设计

基于“1+X”传感网应用开发平台的教学方法是一种项目式教学，以典型项目为主题，驱动课程教学。每次课程通过项目引入，通过不同的项目了解嵌入式系统的不同部分，主要有输入输出口、时钟系统、定时器计数器系统、中断系统、串行通信系统、模数转换系统等。由浅到深，各项目之间前后关联，课程最后一个项目结束时，整个嵌入式系统结构及开发过程便会了然于胸。本文中我们以“串行通信控制LED流水灯应用开发”教学项目为例，介绍基于“1+X”传感网应用开发平台的教学方法。该项目要求设计一个LED流水灯系统，该系统与上位机之间通过串行通信接口相连。上位机可发送命令对LED流水灯系统进行控制。

通过对项目分析，该项目主要涉及的知识点有：

（1）通用输入输出口，前期项目已学习流水灯的实现办法，本项目中直接运用即可。

（2）中断系统，前期项目已学习。但本期项目涉及新的中断源——串口中断，需要进一步学习。

（3）串口知识，本期项目新增知识点，需要着重讲解。

通过以上项目分析，我们对本项目的知识系统进行了剖析，在课程教学中逐个击破即可，可以是回顾的方式，可以是新知识点讲解的方式。并且项目的实施过程，会反复联系前面的知识点，引导学生将嵌入式系统作为整体来考量。

4 课程实施

课程实施过程是教学的关键，传道授业解惑一样不能少，还要加上实操演示和学生操作反馈。

4.1 理论知识讲解

理论知识是支撑每次课程的核心，理论清楚了，才能更好地实现项目。课程实施过程中，理论知识的讲解为重中之重。

本项目理论部分经过分析整理，首先讲述串口的来源、串口的用途及其重要性；串口相关的概念，如数据帧、波特率等。一般这些知识会在一些先导的课程中已有所学习。

其次是串口的运用、串口的框架、串口的发送（打印）和接收部分。串口的发送过程在程序设计的调试阶段可发挥重要作用。如：将开发板与PC机通过串行通信接口相连后，可将调试信息“打印”到串口调试助手等工具中，开发者可借助这些信息了解程序运行情况。串口命令的接收，接收过程是一个被动的过程，必须用到中断系统，进而需讲解串口中断类型及用法。

最后拓展串口的操作函数，串口使用要用到的函数库。为了让串口内容便利地打印到窗口助手中，还需要学习函数重定向概念，用户能定义自己的C语言库函数，连接器在连接时自动使用这些新的功能函数，使用重定向方便应用标准库函数中的printf函数进行打印。同时讲授学习串口发送和接收的相关操作函数。

4.2 硬件电路分析

流水灯部分，运用开发板中的LED0-LED7实现流水效果，如图2所示。

图2 流水灯硬件电路

上位机采用PC机，利用串口助手来模拟。其中的串口号、波特率、检验位、数据位按系统情况及相关设置进行配置，如图3所示。

图3 串口助手窗口

4.3 实验操作演示

根据项目要求及系统设计方案，这里给出项目参考流程图，如图4所示。主函数中判断上位机是否有命令发送是关键部分，会用到串口中断。串口接收到上位机的命令会产生中断请求，完成串口中断处理函数，实现命令的识别。流程图中stm32初始化步骤采用STM32CubeMX以图形界面的方式进行，主要配置引脚功能、时钟系统、中断系统，具体配置如图5所示。配置完成后直接生成MDK-ARM的工程文件，随后在工程文件中进行个性化程序编写，完成项目中命令识别和流水灯显示效果程序的编写。最后进行编译、调试和下载，观察实验现象。

图4 项目参考流程图

图5 STM32CubeMX初始化配置

4.4 学生操作

本项目主要引入串口的知识，为了让学生更好地理解串口，学生操作部分分为两个实验：一是串口的发送打印；二是串口的命令接收。对此可以设计简单的两个实验项目。实操一：通过串口将学号打印到串口助手，这个过程中，学生采用STM32CubeMX实现串口初始化设置，生成MDK-ARM工程文件，主函数中调用串口打印操作函数实现串口打印。实操二：通过串口准确接收上位机（串口助手）发送的命令并进行反馈，这个过程中，学生采用STM32CubeMX实现串口初始化设置，设置串口中断，生成MDK-ARM工程文件，编写串口接收中断处理函数，实现串口命令的接收和反馈。通过这两个实验巩固串口的发送和接收的实现。在这两个实操完成的基础上，最后综合完成上位机发送命令对LED流水灯系统进行控制的项目，完成课堂完整教学。

5 教学实施及考核

课程教学为一个学期，共18周，每周四课时。每周课时为项目式教学，由于教学项目均为综合性应用项目，每次项目的完成都是一个综合性的应用实现，为了提高学生的积极性，让学生在探讨和操作过程中更好地掌握理论知识和实操能力。课程教学两人为一组，在理论教学过程中共同理解理论知识，在理论讲解后的学生操作过程中，一组人员协作完成实验项目[4]。实验项目完成后，提交完整的项目包，包含STM32CubeMX自身项目和生成的MDK-ARM工程文件，老师对项目实现的完整性和准确性进行打分（百分制）。课后会在智能化教学平台发布拓展项目练习，供学生课后思考及课余时间实现，实现后提交打分（百分制）。综合考核成绩=平时上课完成分×60%+课后实验完成分×40%，这一项分数作为最后期末考核分的重要来源。

6 结语

本课程依托“1+X”传感网应用开发平台，通过理论讲解与平台实操结合，将理论和实践结合在一起，更能激起学生学习的欲望。学生通过实验平台上手操作，实时查看实验现象，及时解决实验中发现的问题，有效提高学生的嵌入式工程实践能力。