王 威

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南鄭州450052)

0 引言

自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生應(yīng)具備什么樣的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)結(jié)構(gòu),教育界已有“ARM+Linux、8051+匯編語(yǔ)言、MCU+C、DSP+C”等多種提法[1-3]。但是,自動(dòng)化專業(yè)嵌入式測(cè)控技術(shù)的教學(xué)結(jié)構(gòu)是采用ARM+Linux,還是MCU+C,目前尚無(wú)統(tǒng)一的意見(jiàn)。

自動(dòng)化專業(yè)嵌入式測(cè)控技術(shù)采用“MCU+C”的教學(xué)結(jié)構(gòu),更有利于學(xué)生能應(yīng)用已學(xué)的“MCU+C”知識(shí),構(gòu)建一個(gè)典型的小型自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)。比如設(shè)計(jì)并制作一個(gè)具有一定精度、較高穩(wěn)定度要求和性價(jià)比的真實(shí)溫度測(cè)控儀,設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)可實(shí)際運(yùn)行的全自動(dòng)智能賽車等。

自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)必須突出嵌入式技術(shù)的“測(cè)控+系統(tǒng)”理念,也就是指測(cè)量、算法和執(zhí)行。因而必須注重檢測(cè)與傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法、控制理論和程序設(shè)計(jì)、電力電子和測(cè)控對(duì)象的工程特性等。

1 嵌入式測(cè)控技術(shù)的教學(xué)層次

根據(jù)我們對(duì)本校自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生近五年的跟蹤調(diào)查,發(fā)現(xiàn)學(xué)生畢業(yè)后真正從事嵌入式測(cè)控技術(shù)的大約占10-25%(包括MCU PLC DSP等應(yīng)用系統(tǒng))。根據(jù)近九年的教學(xué)實(shí)踐,我們將自動(dòng)化專業(yè)嵌入式測(cè)控技術(shù)的教學(xué)分為如下三個(gè)層次。

(1)認(rèn)知能力型

要求學(xué)生熟悉嵌入式測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和方案,對(duì)嵌入式測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)有較深入地了解和認(rèn)識(shí);了解嵌入式測(cè)控硬件平臺(tái)(熟悉一種8位MCU)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),能夠讀懂嵌入式測(cè)控硬件電路和軟件程序(C語(yǔ)言);熟悉基于8位MCU的嵌入式軟件、硬件開(kāi)發(fā)流程,能夠編寫簡(jiǎn)單嵌入式測(cè)控程序。這一層次面向所有學(xué)生,可以采用課程學(xué)分的形式實(shí)施。

(2)掌握能力型

要求學(xué)生熟悉嵌入式測(cè)控技術(shù)的幾種典型技術(shù)方案,對(duì)嵌入式測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)有較深入的認(rèn)識(shí)和使用;掌握一種嵌入式測(cè)控硬件平臺(tái)(一種PLC或8位MCU)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),能夠分組設(shè)計(jì)嵌入式測(cè)控硬件電路和軟件C程序;熟悉基于8位MCU的嵌入式軟件和硬件開(kāi)發(fā)流程,能夠分組設(shè)計(jì)并制作完成課程設(shè)計(jì),可以進(jìn)行基于 8位MCU的畢業(yè)課題設(shè)計(jì),也可作為全國(guó)大賽和創(chuàng)新學(xué)分的非主力參賽隊(duì)員。可以采用課程設(shè)計(jì)制和創(chuàng)新學(xué)分的教學(xué)形式實(shí)施。這一層次面向40-50%的對(duì)嵌入式測(cè)控技術(shù)有興趣的學(xué)生。

(3)研發(fā)能力型

要求學(xué)生熟悉嵌入式測(cè)控技術(shù)的多種技術(shù)方案,對(duì)嵌入式測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)有深入的認(rèn)識(shí)和使用;掌握兩種嵌入式測(cè)控硬件平臺(tái)(8位和16/32位MCU)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),能夠設(shè)計(jì)嵌入式測(cè)控硬件電路和編寫軟件程序(C語(yǔ)言);熟悉基于16位MCU或32位MCU的嵌入式軟件和硬件開(kāi)發(fā)流程。最終能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)并制作完成一個(gè)真實(shí)測(cè)控裝置。可采用項(xiàng)目制、全國(guó)大賽和創(chuàng)新學(xué)分的形式進(jìn)行教學(xué),可作為全國(guó)大賽和創(chuàng)新學(xué)分的主力參賽隊(duì)員。這一層次面向?qū)η度胧綔y(cè)控技術(shù)有較強(qiáng)興趣的學(xué)生。

2 嵌入式測(cè)控技術(shù)的MCU選型

自動(dòng)化本科教學(xué)是基于8位MCU,還是基于16位MCU是大家共同關(guān)心的問(wèn)題。我們根據(jù)多年的實(shí)踐體會(huì)到:自動(dòng)化專業(yè)的嵌入式測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)教學(xué)以選較新型的8位機(jī)為宜。新型8位機(jī)(例如HCS08系列)的難度和資源可以安排在36學(xué)時(shí)理論教學(xué)+36學(xué)時(shí)課程設(shè)計(jì)內(nèi),完成認(rèn)知和掌握兩個(gè)層次的教學(xué)。

我們?cè)捎肍reescale的16位HCS12進(jìn)行了MCU的基礎(chǔ)教學(xué),在學(xué)生學(xué)習(xí)MCU課程之前,僅具有“電子技術(shù)”和“C程序”的課程基礎(chǔ)的學(xué)生,經(jīng)過(guò)二年教學(xué)實(shí)踐,大部分僅達(dá)到了認(rèn)知層次。2007年,我們改用HC08,后又改用HCS08,達(dá)到良好效果,使60%以上的學(xué)生可以達(dá)到掌握能力層次。2008年以后,由于就業(yè)市場(chǎng)的影響以及嵌入式技術(shù)應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展,90%以上的自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生認(rèn)識(shí)到嵌入式技術(shù)的重要性,選修了該類課程。

3 RTOS在嵌入式測(cè)控技術(shù)中的應(yīng)用

2008年,意法公司推出基于ARM-CORT EX體系的STM32系列MCU,許多高校教師希望能在自動(dòng)化專業(yè)嵌入式測(cè)控技術(shù)類課程中引入RTOS,以提升智能產(chǎn)品的技術(shù)和減少開(kāi)發(fā)周期。

嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的小型應(yīng)用程序可以不用操作系統(tǒng)直接在集成電路上運(yùn)行。由于新型8位機(jī)、16位機(jī)和32位機(jī)的大量應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜程度的提升,嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的重要性日漸凸顯,必須保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和可靠性,并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間,保證軟件質(zhì)量。我們擬在本科教學(xué)中引入S12+UC OSII(或FREE RTOS)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。我們期望能夠找到簡(jiǎn)明教材和簡(jiǎn)單系統(tǒng)作為RTOS的入門教學(xué)。

4 提升嵌入式技術(shù)課程教學(xué)效率

如果能夠建立自動(dòng)化專業(yè)嵌入式測(cè)控技術(shù)類課程教學(xué)的協(xié)調(diào)機(jī)制,吸收產(chǎn)業(yè)界共同開(kāi)展相關(guān)的教學(xué)研討,可以提升測(cè)控技術(shù)的教學(xué)效率,促進(jìn)大學(xué)生的就業(yè)和創(chuàng)業(yè)。籍此推動(dòng)國(guó)家級(jí)精品課程建設(shè),提升教學(xué)平臺(tái)和教學(xué)層次。

相對(duì)于電子、通信和信息類的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)體系,面向I/O的嵌入式測(cè)控技術(shù)類課程的教學(xué)體系和認(rèn)識(shí)尚待深入探索,我們建議對(duì)如下五個(gè)問(wèn)題展開(kāi)討論。

①如何在自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)中強(qiáng)化理論與實(shí)踐的結(jié)合;②如何讓更多的師生接受新型嵌入式測(cè)控新技術(shù);③如何持續(xù)在工科各專業(yè)推廣和開(kāi)展全國(guó)大學(xué)生智能車比賽;④如何提升嵌入式測(cè)控技術(shù)的教學(xué)效率和教學(xué)效果;⑤如何縮短嵌入式測(cè)控技術(shù)教學(xué)與工業(yè)界和就業(yè)市場(chǎng)需求的距離。

2006年以來(lái),通過(guò)近五年的發(fā)展,全國(guó)大學(xué)生智能車比賽吸引了越來(lái)越多的優(yōu)秀學(xué)生參與,已經(jīng)發(fā)展成為涉及自動(dòng)控制、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、檢測(cè)技術(shù)和模式識(shí)別等諸多技術(shù)領(lǐng)域的全國(guó)性比賽。大賽的公平、公正和富有競(jìng)爭(zhēng)的特質(zhì)鼓勵(lì)了全國(guó)眾多高校。培養(yǎng)了一大批具有一定的技術(shù)水平、較強(qiáng)的實(shí)踐能力和富有激情創(chuàng)新型人才。

我們通過(guò)本文,建議全國(guó)大學(xué)生智能競(jìng)賽作如下的一些改革。

(1)由于比賽的規(guī)則強(qiáng)調(diào)速度,而事實(shí)上速度是有極限的。因此,這些規(guī)則導(dǎo)致普通高校的參與度受到了影響,也不利于新型MCU的普及和應(yīng)用。

(2)比賽的規(guī)則缺乏競(jìng)技的分量,參賽的趣味性和多變性亟待提高。傳感器和執(zhí)行器的形式過(guò)于單一,光電組不準(zhǔn)加鏡頭的規(guī)則執(zhí)行有較大的困難。

(3)物質(zhì)技術(shù)條件對(duì)比賽結(jié)果的影響比重較大,導(dǎo)致參賽方競(jìng)相采用較高價(jià)格的激光、高性能16位MCU和高級(jí)驅(qū)動(dòng)器電路等,在某種程度影響了學(xué)生認(rèn)真深入的學(xué)習(xí)和應(yīng)用MCU的設(shè)計(jì)技術(shù),淡化了自動(dòng)化專業(yè)“測(cè)控+系統(tǒng)”理念的深入實(shí)踐。建議改革為以8位和16位等分類比賽,可以擴(kuò)大參賽數(shù)量和學(xué)生受益面。

(4)改革比賽分區(qū)方式,以便降低比賽的技術(shù)門檻和差旅開(kāi)支,以便將有限的資金用于比賽的硬件和軟件投入。

[1] 段敬紅,王磊,等.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)與實(shí)踐體系的建立[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(3)

[2] 俞建新.略論嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2006,25(7)

[3] 張騰飛,顧亦然,王 瑾.電氣類專業(yè)嵌入式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與方法的改革探索[J].北京:中國(guó)電力教育,2009,7