基于项目驱动的嵌入式实验教学

摘 要：嵌入式系统实验是嵌入式课程教学环节不可或缺的部分，该环节对设计人员要求较高，需要具有广阔的知识面和丰富的实践经验。现有的嵌入式实验课程既枯燥又难以让学生掌握设计精髓，更难以做到与社会需求相契合，本文认为，采用项目驱动是解决此问题的主要方法之一。针对系统理论与实践之间的矛盾，论文利用实验室提供的嵌入式教学平台进行了硬件和软件设计，将数据采集系统划分为几个模块，然后对每个模块的功能进行设计和分析。通过基于系统设计的嵌入式实验，使大部分学生能够熟练掌握嵌入式系统设计方法。英文教学实践证明，嵌入式系统的教学改革能够更好与国际先进技术和规范接轨，显著提升学生的学习兴趣和实践

能力。

关键词：嵌入式系统实验；项目驱动；英文教学；数据采集；实践能力；Linux操作系统

中图分类号：TP303 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）02-0-02

0 引 言

嵌入式行业是微电子技术发展的主要载体[1]，国家针对重要战略新兴产业出台了支持政策，其中就包括嵌入式计算机和软件行业[2]。近年来，随着嵌入式行业的快速发展，嵌入式系统也得到了极大提升，迅速从软件配置管理（SCM）过渡到数字信号处理器（DSP）和高级精简指令集处理器（ARM），且被广泛应用到手机制造、医疗设备和网络数据传输等方面[3-5]，进一步促进其他行业的发展[6-7]。

与此同时，相关技术人才紧缺是亟需解决的问题，为了满足社会各界的需求，很多高校都开设了嵌入式系统相关课程。嵌入式系统课程的教学模式陈旧所造成的实际应用效果较差已成为教学工作中的主要难点之一[8]。教学模式的改革采用英文教材和英文教学，将部分实验教学内容移植到理论部分，增加实验教学时间。在实验教学中，以实际项目为核心设计实验环节，在项目逐步完成的同时，训练学生的动手能力和解决问题的能力。

嵌入式系统教学比较复杂，涉及的知识、理论和实践都很广泛[9]。学生需要通过理论、具体设计、动手实验等过程进行学习，掌握嵌入式系统相关知识和技术。传统的理论和实验教学方法不适用于嵌入式系统教学，这使得嵌入式教学很容易进入误区。因此，对嵌入式课程进行探究式教学改革尤为重要，培养适应社会需要的高素质工程人才是所有高校的首要任务。

此外，学习嵌入式系统需要广泛的知识和娴熟的操作技能，学生可以在掌握一定理论知识的基础上通过实践更有效地掌握知识点。因此，通过在实践中解决实际问题，可以进一步巩固知识，养成理论向实际转化，实际推动知识学习的良好学习新风向。

1 嵌入式系统实验教学中存在的问题

1.1 实验内容过于单调

目前的嵌入式实验教学多为验证性实验，各实验之间几乎无相关性。单个实验可以增强学生对嵌入式基础知识的理解，使学生容易上手操作，但不能满足社会对嵌入式工程师的要求[10]，这种教学模式限制了学生的思维创造性。

1.2 学生过分依赖教师

发现在大多数理工科实验中，学生存在过度依赖教师的问题。大多数学生重复教师的操作，只记录和整理所有实验数据，对于遇到的问题通常无法找到解决办法，甚至对实验原理知之甚少。这种教学模式下培养的学生一旦遇到自己未遇见的情况，通常不知所措。

1.3 实验室设备陈旧，缺乏良好的实验讨论环境

由于实验室研究与社会需求严重脱节，使得学生毕业后无法适应社会技术的发展。

2 嵌入式系统课程

本文在理论教学体系的基础上，提出由简到繁的两级实验设计，满足不同阶段的实验要求。基础实验的主要目的是拓展思维，针对具体的课题，学生需要根据课题的要求抽象出主要功能，然后在理论上满足项目需求。该方法着重于理论硬件/软件的仿真协同设计。该方法结合工程实际和嵌入式设计理论，可逐级进行两个层次的设计，如图1所示。

传统的实验教学主要是基于简单的编程语言学习和验证模拟，没有做嵌入式系统设备的附加功能开发，更不会结合项目实际进行开发。采用嵌入式英语实验教学模式，任务用英语描述，最大程度贴近语法和编程操作。

本设计完全不同于其他编程教学，将重点放在硬件系统的设计和综合设计步骤上，便于学生更加深入地学习嵌入式设计的整体架构。教学内容围绕基础知识学习、编程语言学习和嵌入式系统芯片学习展开。教学目的是利用英语教学的优势，拓宽理论教学的内容，更好地连接和拓展实验教学。基础嵌入式系统结构教学不超过总课时的一半，然后根据项目选择，在教师的带领下，在剩余时间内完成分组学习。在嵌入式系统的新课程体系中，整个系统可以将语言学习和硬件芯片学习融入课堂学习，将嵌入式系统教学与实际应用相结合。

3 案例分析：温度采集系统设计

3.1 嵌入式系统

嵌入式系统设备通常由嵌入式计算机系统和执行设备组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成[11]。硬件层包括嵌入式微处理器、内存、通用设备接口和I/O接口。在嵌入式处理器的基础上，增加电源电路、时钟电路和存储电路，构成嵌入式系统的核心控制模块。在硬件层和软件层之间有中间层，也称为硬件抽象层（HAL）或板级支持包（BSP）。中间层将系统上层软件与底层硬件隔离开来，系统的底层驱动程序与上层无关。上层软件开发人员不必关心底层硬件的结构，这取决于BSP层Develop提供的接口。这一层通常包含底层硬件的初始化、数据输入/输出操作和硬件设备配置。系统软件层由实时多任务操作系统、文件系统、图形用户界面、网络系统和通用组件模块组成。

3.2 实验课程安排

大多数高校只安排了单片机教学内容，而直接在Linux系统上开发嵌入式系统会使大多数学生望而却步。第一节实验课，在Windows环境下进行嵌入式ADS1.2 ARM系统的开发，让学生逐渐掌握控制处理器的外围设备、uboot移植、操作系统移植、文件系统移植、GUI移植和驱动程序开发。

实验环节将所有学生分成三组，每组分别完成温度监测系统的设计。通过基础实验课程，学生已经对UART、ADC、NAND、FLASH、LED、LCD、定时中断模块有了较好的理解。实验课程的目的是让学生运用自己已有的设计知识来实现该系统。

3.3 温度监测系统的实现

实验课上，使用S3C2440模块、Linux操作系统和DS18B20温度传感器设计温度检测系统。在该系统中，利用S3C2440的通用I/O端口GPIO挂接多个DS18B20传感器，完成对温度传感器时序的精确控制。系统硬件原理如图2所示。

为了使用DS18B20传感器，必须严格按照DS18B20的逻辑序列图进行控制；分别完成DS18B20的读（写）、函数和复位子函数的准备；参见DS18B20手册中的时序图，使用重要的数据结构file_operations实现Linux驱动程序函数。

3.4 实验结果

本案例采用S3C2440作为单片机，实现基于ARM-Linux系统的温度检测系统。本实验案例具有数据处理能力强、降低主机成本等优点。

项目教学法是一种全实践练习，可以培养学生分析问题和解决问题的能力，充分挖掘学生的创造潜力。既体现了教师的主导作用，又发挥了学生的主体作用，更能体现高等教育的进步与社会的接轨。

4 结 语

嵌入式系统实验教学对学生的理论和实践能力要求很高。本课程不仅要求学生掌握多种编程语言（C语言、C++语言等）、计算机构成原理、操作系统等，而且要求培养学生的探索精神、解决问题的能力和实践能力。通过教学改革，初步探索基础工程理论教学与实践教学的微观机制，同时也对教师提出了更高的要求。例如：教师需要具备较高的英语水平，教学覆盖面广，具有项目开发经验和熟练的焊接技术。从实验结果看，该教学模式提高了学生对嵌入式系统的理解，使学生学会将理论知识应用于实践，转化为学生解决实际问题的能力。与传统的实验教学相比，基于系统设计的实验教学可以提高学生的学习兴趣和积极性。

注：本文通讯作者为魏柯。

参考文献

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[4]饶东升，赵炎鑫. 基于PIC单片机的嵌入式热凝切割刀系统的电路设计[J]. 电子技术与软件工程，2015，22（2）：261-262.

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[11]邓校. 计算机嵌入式系统体系结构研究[J]. 数码世界，2019，18（2）：53.