新基建下的“嵌入式系统设计与应用”课程改革

连丽红

（厦门大学嘉庚学院，福建 厦门 363105）

0 引 言

2020年3月，中共中央政治局常务委员会召开会议提出，加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。新型基础设施建设包括大数据中心、人工智能、工业互联网等领域，是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。嵌入式系统作为各项基础设施建设的常用载体之一，有必要培养学生在熟知基本理论和开发方法的基础上，掌握高技术项目开发流程，为新基建培养有力的后备力量。此外，我校的智能科学与技术和数据科学与大数据技术专业成立并开始招生，两个专业的培养目标之一均需要实现各项新技术的落地，因此也需要开设嵌入式系统相关课程。结合目前嵌入式课程研究和课程资源更多是基于单片机开发平台，本校现有的嵌入式系统课程虽然基于ARM平台，但基础性内容偏多，具体应用偏少，因此有必要对其教学内容进行针对新技术的补充。最后，受疫情影响，教学形式正发生着重大改变，线上线下结合的混合式教学模式已成为当今主要教学模式之一，嵌入式系统的线上教学研究也在逐步开展。

1 课程改革的重点问题

本校“嵌入式系统设计与应用”课程自2006年开始在信息科学与技术学院作为专业核心选修课开设，针对不同专业需求分为A/B类型，总学时分别为48/32学时，包括理论课时和实践课时。教学内容以ARM开发板为硬件平台、Linux操作系统为软件平台进行嵌入式系统的设计与实现。在教学大纲的执行和教学活动开展过程中，发现存在一些问题，主要表现为硬件平台成本高、更新慢、容易与新技术脱节；课程教学活动设计单一，集中在理论讲解和验证性实践方面，缺乏探索性实践等。

2020年，该课程立项为福建省本科高校教育教学改革研究项目，对教学平台、教学内容、教学方式和教学案例等进行更系统性的教学改革研究，拟解决以下问题。

（1）实验平台成本高、不易移动、学生课外学习受限。虽然2016年已经对实验平台进行了升级改造，由原来三星的2410平台升级为基于Cortex A8平台，同时配套了传感器等拓展模块，便于开展一定的探索性实践，但现有的教学平台仍存在体积较大，成本高，不易嵌入具体产品等问题。

（2）教学内容与工程应用脱节。受限于教学平台，课程教学内容基础性知识比重大，验证性实践偏多、具体应用案例相对简单，缺乏系统性的设计案例，与实际应用脱节严重。

（3）教学方式单一，缺乏开展有效的教学活动。教学开展主要以教师讲解为主，学生完成相应的实验为辅，无论是教师团队还是学生，只有协同开发才能集各方优势完成更系统的设计与开发。因此，以团队协作为基础，以具体应用为导向，并贯穿产品开发全过程的实践教学模式将是课程改革的主要方向。

2 课程改革的具体设计

2.1 教学平台

如图1所示，教学平台拟选用基于Cortex A9的迅为iTOP-4412精英版，其核心板为Exynos4412，含有1 GB内存，底板除电源模块等必要模块外，提供了丰富的接口，如串口、网口、IC等。新的教学平台在提升处理器性能的同时降低了成本，体积也大大缩小，接口更加丰富，方便嵌入到具体产品中进行拓展应用，且携带方便，学生可以随时随地进行开发。

图1 教学平台结构

2.2 教学内容

嵌入式系统设计与应用的教学内容在课程具体实施中将分成3个阶段进行：基础理论阶段、系统分析阶段、实践阶段。

基础理论阶段主要以嵌入式系统的基础理论、基本方法讲解为主，让学生系统了解嵌入式系统开发的方法。

系统分析阶段主要为嵌入式系统软硬件各环节的具体设计和实现方法。通过典型案例引导学生对系统架构、硬件设计、软件设计、系统测试等环节的具体流程和方法进行梳理。

实践阶段根据培养素质和培养能力的需求，安排相应实践课题，学生可以分组分工协作或独立完成系统构思、软硬件设计、系统测试和报告撰写等任务。在具体任务的实施过程中，学生可以深化对理论知识的理解和应用，更加全面、系统地掌握嵌入式系统的开发流程和方法，锻炼学生分析问题、解决问题的能力，激发学生的学习兴趣和热情。

2.3 教学方式

2.3.1 以项目为导向的教学模式

课程在简要的基础理论介绍之后，以典型应用案例为主线展开教学，便于学生更系统地掌握完整的案例开发流程，积累开发经验，做到学以致用。

2.3.2 课赛结合、产教融合，注入创新案例

将电子设计竟赛、智能车竞赛和嵌入式专题邀请赛等全国高水平科技竞赛的赛题引入课程，与课程教学相结合，让学生了解电子信息和通信技术等领域的研究热点、典型应用和经典设计方法的同时，对嵌入式综合系统的设计有更直观的认知，极大地激发了他们的学习热情和设计激情。

通过积极参与产学合作、校企平台项目，全面支持课程建设，包括改革课程体系、更新课程教学案例等。如：2019年与北京博创智联科技有限公司签订了第一批产学合作协同育人项目，引入企业先进的技术推进课程的建设；教师团队和学生团队积极参与校企合作平台研发的无人机相关项目，也为课程提供了优秀的教学案例等。

2.3.3 智慧教学模式

以在线开放课程资源为依托，基于在线教学平台、智慧教学辅助工具，在学校课程教学中运用多种教学理论、教学策略、教学方法和教学组织形式，有机地将课程教学与智慧教学工具有效结合，丰富教学形式，提升教学效果。

3 课程教学案例

课程教学案例结合目前主流的无人机相关技术进行设计，在无人机技术中，姿态控制尤为重要，直接影响无人机的控制精度和飞行效果。以姿态角度传感器数据采集为例，介绍开发流程。

姿态角度传感器采用WT931，其不仅集成了高精度陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，同时还集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下输出模块的当前姿态，精度和稳定度。模块主要通过串口同主机连接，同时，预留SCL、SDA等基于IC的通信接口。具体开发流程如下：

（1）硬件连接。考虑到接口问题，WT931模块在配置和使用过程中均通过USB转TTL模块分别接主机和iTOP-4412开发板的USB接口。需要注意的是，WT931模块与USB转TTL模块引脚连接时RX与TX交叉连接。

（2）WT931模块配置。WT931模块通过USB转TTL模块连接电脑后，可以用厂商提供的MiniMU.exe软件进行配置，配置界面如图2所示。除加速度、磁场校准外，串口波特率也需要进行设置，本设计串口通信速率设置为9 600。

图2 WT931配置

（3）WT931模块数据采集。WT931模块数据采集主要包括串口通信和数据解析两部分。其中，串口通信包括串口打开、串口配置、串口读写及串口关闭；数据解析是对串口读取的数据按WT931模块内部定义进行解析和打印输出。

代码交叉编译后就可以挂载到板上运行，需要注意的是，由于使用的是USB转TTL，串口驱动需要用insmod ch34x.ko进行动态加载。程序的运行结果如图3所示，模块正常工作。

图3 WT931数据采集结果

4 结 语

本文主要针对目前嵌入式系统相关课程的特点和本校嵌入式系统设计与应用课程存在的问题进行分析，结合福建省本科高校教育教学改革研究的契机，从教学平台、教学内容、教学方式、教学案例等方面入手，设计了一套改革方案。该方案具有成本低、可移植性好等优点。