汪湛清， 彭熙偉， 郭玉潔， 鄭戍華

(北京理工大學(xué)自動化學(xué)院，北京100081)

0 引言

隨著嵌入式系統(tǒng)在國內(nèi)外自動化等各領(lǐng)域的需求變得日益廣泛而深入，北京理工大學(xué)自動化專業(yè)自2006年開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)理論課。鑒于實驗教學(xué)在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，近些年來在自動化學(xué)院展開了一系列嵌入式系統(tǒng)的實驗教學(xué)，目前已開設(shè)的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)課包括嵌入式系統(tǒng)課內(nèi)實驗、嵌入式系統(tǒng)實驗選修課、嵌入式系統(tǒng)開放實驗課。

圖1給出了北京理工大學(xué)自動化專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實驗課體系關(guān)系圖，此圖中嵌入式系統(tǒng)實驗課統(tǒng)領(lǐng)三個主要系列，從左到右依次為處理器系列(微機原理實驗、單片機課程設(shè)計、DSP實驗);接口系列(目前主要為現(xiàn)場總線技術(shù)實驗);結(jié)合控制對象系列(可編程序控制器實驗、組態(tài)軟件及自動化裝置實驗)。

圖1 嵌入式系統(tǒng)實驗課體系

嵌入式系統(tǒng)是一門匯集計算機軟硬件、數(shù)字電路設(shè)計、模擬電路設(shè)計、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)等方方面面知識的綜合性課程［1-2］，因此需要學(xué)生掌握各種理論知識以及設(shè)計與調(diào)試實踐技能，這也給嵌入式系統(tǒng)實驗造成很大的挑戰(zhàn)。首先，需要設(shè)計一款合適的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺;第二，合理選材與設(shè)置實驗前需要講授的知識技術(shù)內(nèi)容;第三，克服陡峭學(xué)習(xí)曲線。針對這三個挑戰(zhàn)問題，在本文后續(xù)部分依次論述。

圖2 嵌入式系統(tǒng)實驗平臺核心及擴展功能單元

1 實驗平臺設(shè)計思路

設(shè)計開發(fā)合理適用的實驗平臺對有效完成實驗教學(xué)至關(guān)重要。依據(jù)調(diào)研可知，ARM(Advanced RICS Machines)是嵌入式微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、低功耗的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。目前已有大量的廠商購買ARM的知識產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)了不同性能和不同應(yīng)用領(lǐng)域的ARM處理器，近十幾年來以ARM作為嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的核心已成為一種趨勢。

在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)實驗平臺時，首先需要考慮的是:選用哪一款A(yù)RM處理器?因為平臺的主要目的是教學(xué)實驗，所以選用目前市場上主流的Samsung公司的ARM 9［3］列處理器作為實驗平臺的核心處理器。與此同時，考慮到市場上日益出現(xiàn)的具有不同性能和針對不同應(yīng)用的ARM處理器，希望本平臺能兼顧一些高性能和特殊應(yīng)用的基于ARM的高性能嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，例如Marvell Xscale 270和TIDM355等。

為了兼顧多種處理器內(nèi)核，考慮以“核心板”+“擴展板”作為本實驗平臺的基本架構(gòu)。核心板即帶有不同ARM處理器的主板(可以是Samsung ARM9核心板、Marvell Xscale270核心板、TI DM355核心板等);擴展板則是既能兼顧三款核心板，又能擴展出多種外部接口單元以及各種定制模塊的電路板。因此本平臺的硬件研制重點分為五步:首先，要充分了解三種不同類型的ARM處理器的性能和應(yīng)用;其次，劃分出三款核心板與擴展板各自的功能;第三，定義出核心板與擴展板的連接線;第四，在擴展板上，規(guī)劃出各個接口單元并為學(xué)生自主定制模塊設(shè)計預(yù)留接口;最后，分別設(shè)計核心板和擴展板。

圖2給出了基于上述設(shè)計思路而展開的圍繞嵌入式系統(tǒng)ARM核心的各功能單元介紹。其中，核心資源即是 Samsung ARM 9模塊，包括內(nèi)核為 32-bit ARM920T的CPU內(nèi)核，其最高工作頻率是203MHz;64MB的SDRAM;64MB的FLASH;1個主USB;1個從USB;1個10/100M以太網(wǎng)口;1個UART接口;電源模塊:將通用的5V轉(zhuǎn)換成Samsung ARM 9處理器所需的3.3V和1.8V。同時，各擴展功能單元包括輸入輸出接口單元;AD、DA轉(zhuǎn)換單元;LCD液晶顯示屏單元;觸摸屏單元;JTAG單元等等。此外，還有特別引出了定制模塊接口。

2 實驗前講授知識內(nèi)容設(shè)置

在北京理工大學(xué)自動化專業(yè)，嵌入式系統(tǒng)課程自開設(shè)以來，每年都有120名至180名學(xué)生選修這門課程。但在以往的課程中，選用的教材大多是針對某一具體的嵌入式控制器或嵌入式處理器而編寫的［4］，這樣造成的問題是:①有具體硬件設(shè)備時，理論知識學(xué)起來非常抽象;②如果有具體硬件設(shè)備，往往又不能舉一反三;③理論課程中對其他相關(guān)知識介紹不足，不具連慣性和對比性，不易克服在綜合全面運用知識過程中的阻礙，學(xué)生難以將所學(xué)知識系統(tǒng)地結(jié)合起來，以至于學(xué)習(xí)最終趨于分?jǐn)?shù)導(dǎo)向，學(xué)生死記硬背，所學(xué)知識僵化。為了規(guī)避消除上述問題，首先向?qū)W生們推薦國外著名高校在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中所使用的經(jīng)典教材［5-6］，針對某一特定嵌入式處理器或控制器，結(jié)合這些教材，除了在實驗課程中要穿插計算機科學(xué)相關(guān)知識(例如算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件工程、操作系統(tǒng)等)外，還專門設(shè)置了針對以下幾方面的實驗前講授內(nèi)容:①同硬件平臺介紹(x86，ARM，DSP，F(xiàn)PGA);②ARM 核心架構(gòu)以及基于ARM的匯編語言與C語言;③外設(shè)、接口、通訊;④電源與晶振;⑤負(fù)載驅(qū)動;⑥案例分析研究。

上述內(nèi)容涵蓋了在嵌入式系統(tǒng)實際設(shè)計與應(yīng)用中常常會遇到的問題及解決方法，在介紹這些內(nèi)容時沒有固定的教材，而是取材于世界一流嵌入式系統(tǒng)企業(yè)針對實際工程問題編撰的設(shè)計應(yīng)用參考資料，例如“5V to 3V Design Considerations”［7］，源自飛思卡爾半導(dǎo)體公司的應(yīng)用說明書，該說明書闡述在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中常常會遇到的3 V和5 V混合電源設(shè)計問題;“Linear and Switching Voltage Regulator Fundamentals”［8］，這篇文章介紹嵌入式系統(tǒng)電源管理中的線性和開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計的基本常識，源自國家半導(dǎo)體公司;“Crystal Oscillator Basics and Crystal Selection for rfPIC and PICmicro Devices”［9］和“HCMOS Crystal Oscillators”［10］，介紹晶振的基本知識和選擇方法，分別源自微芯技術(shù)公司和快捷半導(dǎo)體公司;“High Speed Board Designs”［11］和“Ground Bounce ＆ Vcc Sag”［12］，分別介紹高速電路板設(shè)計注意事項和地彈電源下陷問題，二者都源自阿爾特拉半導(dǎo)體公司，“Choosing and Using Bypass Capacitors”［13］，介紹旁路電容的選擇和使用，源自英特矽爾半導(dǎo)體公司。由于這些資料的作者都是嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域工程業(yè)界的一線工程設(shè)計人員，內(nèi)容是他們基于各類典型問題的技術(shù)報告，總結(jié)了理論技術(shù)在實踐設(shè)計中遇到問題的解決辦法和注意事項，理論與工程實際緊密結(jié)合，對學(xué)生解決嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用的實際問題非常有幫助。

案例分析則是結(jié)合實例介紹嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計的整個過程必經(jīng)的環(huán)節(jié)與內(nèi)容，對學(xué)生們今后的實踐，包括本文第四部分介紹的為克服陡峭學(xué)習(xí)曲線而采用的基于項目的實踐設(shè)計，起到引領(lǐng)示范的作用。

3 用基于項目的實驗方法克服陡峭學(xué)習(xí)曲線

由于嵌入式系統(tǒng)匯集了方方面面的知識和技能，盡管學(xué)生們已具備一些先修基礎(chǔ)知識，依然存在陡峭學(xué)習(xí)曲線等待他們克服。

面對嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的陡峭學(xué)習(xí)曲線之難題，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法往往難以奏效。眾所周知，傳統(tǒng)教育片面強調(diào)教師在教育中的權(quán)威，在教學(xué)中體現(xiàn)為教師的單純灌輸和學(xué)生的被動接受，在這個過程中，學(xué)生總是處于一種被動的位置，削弱了學(xué)習(xí)知識的積極性和主動性。

根據(jù)多年的教學(xué)體會:無論教給學(xué)生多少概念，無論講的有多深，無論考試有多么難，留在學(xué)生腦中的只有那些觸動他們的!基于項目的實驗教學(xué)即是通過一個具體的項目“做中學(xué)”?！白鲋袑W(xué)”有利于現(xiàn)代教學(xué)中的師生關(guān)系的建立，從傳統(tǒng)上改變了師生關(guān)系，教師和學(xué)生的關(guān)系更類似于導(dǎo)演和演員的關(guān)系，這樣更能激發(fā)學(xué)生們的主觀能動性。

因此，采用基于項目的實驗教學(xué)方法來克服陡峭學(xué)習(xí)曲線。在實施過程中，在共計16周48學(xué)時的嵌入式系統(tǒng)實驗課的后8周引入基于項目的實踐教學(xué)方法，同學(xué)們2到4人形成項目組，項目的實施過程依次經(jīng)歷技術(shù)分析、方案評審、設(shè)計實現(xiàn)、項目評估四個階段。首先，學(xué)生們鞏固了前8周所學(xué)知識，回顧了前8周基礎(chǔ)實驗的記憶;其次，在后8周磨礪了嵌入式系統(tǒng)實踐設(shè)計技能，加深了對于嵌入式系統(tǒng)知識的理解;第三，由于以項目組為單位實施考核，培養(yǎng)了學(xué)生團隊合作等能力。

通過8周的基于項目的實踐教學(xué)，每個學(xué)生除了完成基礎(chǔ)實驗之外，還要做一個綜合性比較強、比較復(fù)雜、多來自實際工程的項目，這樣培養(yǎng)出來的學(xué)生理論和動手能力都很強，就業(yè)率和就業(yè)質(zhì)量都非常高。由于項目設(shè)有時間節(jié)點，學(xué)生要完成硬件設(shè)計，最終以論文和PPT答辯的形式進行評估，學(xué)生們的積極性和創(chuàng)造性被激發(fā)，盡管8周的時間非常煎熬，但是，學(xué)生們樂在其中，最終88%的學(xué)生能夠克服陡峭學(xué)習(xí)曲線。

在基于項目的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生既可以從教師設(shè)定的項目中選取項目，也可以自行擬定項目。在實驗課的初始階段就提醒學(xué)生們在日常生活和學(xué)習(xí)中有意識的關(guān)注嵌入式系統(tǒng)在實踐中的運用，以便早做儲備并于第8周進行方案評審。經(jīng)過評審后，項目進入實施階段。要想最終完好的實現(xiàn)一個項目，8周24學(xué)時的實驗課往往是不夠的，因此學(xué)生們利用開放實驗時段積極到實驗室進行設(shè)計調(diào)試，同時還要利用課余時間到電子市場采購，甚至去企業(yè)調(diào)研，學(xué)習(xí)也由此從課堂、實驗室擴展到社會、企業(yè)。

學(xué)生完成的嵌入式系統(tǒng)項目設(shè)計包括基于ARM嵌入式系統(tǒng)的CAN總線模塊設(shè)計、基于ARM的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計、超聲波測距模塊設(shè)計、步進電機設(shè)計、PWM電機調(diào)速控制實現(xiàn)、GSM模塊設(shè)計等等。以“基于ARM的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計”為例，4名學(xué)生形成的項目組要在8周內(nèi)協(xié)同完成以下內(nèi)容:①了解GPS技術(shù)與需求;②手繪GPS模塊原理草圖，了解各元器件功能，采用Protel軟件設(shè)計GPS模塊原理圖和電路圖、PCB制版、器件采購與焊接、硬件電路調(diào)試;③操作系統(tǒng)(嵌入式Linux)的初始化、啟動、裁剪、移植、調(diào)試;④硬件設(shè)備驅(qū)動程序的編寫;⑤GPS應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。

在這個過程中，學(xué)生們首先要手繪原理圖，然后，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)初步的Protel設(shè)計知識與電路設(shè)計常識，學(xué)生們自行上網(wǎng)下載軟件并學(xué)習(xí)利用該軟件進行設(shè)計，這樣鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。另外，學(xué)生們還要依照在工程設(shè)計中的規(guī)范格式填寫元器件清單并去電子市場調(diào)研詢價，還要找尋合適的廠家制作印制板。通過市場調(diào)研，學(xué)生們開闊了視野，也初步形成了將來在實際科研開發(fā)工作中所需具備的成本意識。關(guān)于嵌入式系統(tǒng)軟件的學(xué)習(xí)，特別是嵌入式LINUX操作系統(tǒng)的移植，教師則會向?qū)W生們推薦一些參考書［14-15］，學(xué)生們根據(jù)這些書目進一步自學(xué)并完成軟件實驗內(nèi)容。

4 結(jié)語

本文回顧了近些年來在嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)方面的一些經(jīng)驗，盡管學(xué)生們在上課之初對嵌入式系統(tǒng)感到神秘，甚至畏懼，但是，基于對于嵌入式系統(tǒng)平臺的精心設(shè)計、實驗前知識內(nèi)容的合理選材和設(shè)置，并且通過基于項目的實踐教學(xué)方法來克服陡峭學(xué)習(xí)曲線障礙，大多數(shù)學(xué)生通過這門實驗課對嵌入式系統(tǒng)有了深刻的認(rèn)識和進一步深入研究的興趣。與此同時，經(jīng)過基于項目的實踐教學(xué)的各個階段，學(xué)生在申請項目、自主學(xué)習(xí)、獨立工作、撰寫科技論文、做PPT報告、團隊合作等各方面得到培養(yǎng)和鍛煉，從而進一步提高了學(xué)生的綜合能力和素質(zhì)，為學(xué)生畢業(yè)后進一步深造或走向社會打下堅實的基礎(chǔ)。

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