高克芳

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性很高的課程，它涉及微機(jī)原理、接口技術(shù)等多學(xué)科的知識(shí)。同時(shí)嵌入式系統(tǒng)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，只有通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)才能真正理解和掌握嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的方法［1］。為了使得學(xué)生的應(yīng)用能力符合社會(huì)對(duì)嵌入式人才的需求，我們必須設(shè)計(jì)多層次的實(shí)踐環(huán)節(jié)，提供大量的實(shí)踐機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)的、創(chuàng)造性的工程實(shí)踐能力，提高學(xué)生的實(shí)踐水平。然而，現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，無(wú)法滿足對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的時(shí)間相對(duì)固定，因此對(duì)學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)踐能力培養(yǎng)受到時(shí)間和空間的限制，無(wú)法獲得足夠的訓(xùn)練。Protues是英國(guó)Labcenter Electronic公司開(kāi)發(fā)的完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，它主要由Proteus VSM(Virtual System Model)和PCB設(shè)計(jì)構(gòu)成。Protues能進(jìn)行SCH和PCB電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)提供虛擬示波器、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)圖形發(fā)生器、電壓表等虛擬儀器儀表。同時(shí)Proteus VSM的最大特色就是嵌入式系統(tǒng)(硬、軟件)及其外圍電路進(jìn)行協(xié)同、動(dòng)態(tài)、交互式的仿真，并提供了仿真中進(jìn)行源碼調(diào)試的三種方式［2］。因此，在不需要硬件設(shè)備投入的情況下，Proteus軟件可以建立完整的嵌入式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境，憑借Protues軟件的這些功能，可以將嵌入式系統(tǒng)的實(shí)踐課從課內(nèi)擴(kuò)展到課外。下面就如何用Protues軟件解決在較少的實(shí)踐課時(shí)里盡可能的培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)和創(chuàng)新能力進(jìn)行了討論。

1 實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題

嵌入式實(shí)踐教學(xué)是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的核心，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)和創(chuàng)新能力、培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的目的。為了完成嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)，我們必須通過(guò)多個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目來(lái)培養(yǎng)學(xué)生嵌入式項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)能力。然而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅是理論教學(xué)的一個(gè)輔助手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí)一般都較少。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少，而且主要使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成實(shí)踐教學(xué)，受到實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，一般只能完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，只能加深和鞏固課堂上的理論知識(shí)。同時(shí)，受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生只能在課堂上進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，因此無(wú)法完成嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)目的(培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力)?；赑roteus的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)不受時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，因此，借助工具Proteus增強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程的教學(xué)是可行的。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力的培養(yǎng)，我們將嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程分為四個(gè)部分，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)→綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)→課程設(shè)計(jì)→畢業(yè)設(shè)計(jì)。

2 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)僅僅是理論教學(xué)的一個(gè)輔助手段，是對(duì)課堂教學(xué)理論知識(shí)的加深和鞏固。同時(shí)，由于嵌入式系統(tǒng)涉及多學(xué)科的理論知識(shí)，這些理論知識(shí)的教學(xué)是枯燥、復(fù)雜的。為了使嵌入式系統(tǒng)課堂教學(xué)生動(dòng)化、形象化，更利于學(xué)生的快速吸收。我們借助開(kāi)發(fā)工具Proteus將中斷控制、UART驅(qū)動(dòng)、脈沖寬度調(diào)制PWM、AD驅(qū)動(dòng)等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)引入嵌入式系統(tǒng)課堂教學(xué)。例如，在課堂教授PWM基本原理與如何實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制編程時(shí)，將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)PWM引入課堂教學(xué)，首先編寫相應(yīng)的代碼［3］:

然后利用Proteus軟件集成的高級(jí)原理布圖、PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線等來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，可以通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)PWM的占空比。同時(shí)同學(xué)們可以利用Proteus工具提供的虛擬示波器實(shí)時(shí)的觀察脈沖寬度的變化。這種將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式表達(dá)出來(lái)，讓學(xué)生親眼目睹整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更有利于學(xué)生對(duì)基本原理的掌握，激發(fā)學(xué)生對(duì)嵌入式學(xué)習(xí)的興趣。

3 綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

由于在嵌入式系統(tǒng)的課堂教學(xué)中引入的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)將不再占用嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí)。同時(shí)由于Proteus的強(qiáng)大功能能為學(xué)生提供獨(dú)立設(shè)計(jì)的平臺(tái)，突破實(shí)驗(yàn)室條件和開(kāi)放時(shí)間對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的限制，我們?cè)诮Y(jié)束相應(yīng)的課堂教學(xué)后，可以將綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)(MP3播放器的設(shè)計(jì)，串口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)易示波器設(shè)計(jì)等)的要求告訴學(xué)生，激發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)興趣，利用課后時(shí)間主動(dòng)的學(xué)習(xí)。例如，在介紹完P(guān)WM的簡(jiǎn)單編程后，引入綜合、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)——步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。如何利用PWM控制步進(jìn)電機(jī)，老師只提實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，不講具體的設(shè)計(jì)方法，學(xué)生根據(jù)老師提出的要求，自己設(shè)計(jì)不同的方案，借助Proteus軟件強(qiáng)大的器件庫(kù)和虛擬儀器庫(kù)，利用課外時(shí)間自己選擇合適的元器件搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成硬件電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)，利用課后時(shí)間根據(jù)課堂所學(xué)的編程知識(shí)完成軟件設(shè)計(jì)。真正上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)的修改、調(diào)試、驗(yàn)證。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都有學(xué)生主動(dòng)參與的痕跡，改變了學(xué)生將實(shí)驗(yàn)課當(dāng)差事來(lái)應(yīng)付的局面。這樣不僅充分利用課余時(shí)間加強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)還可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立判斷、分析和解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)能力，拉近了學(xué)習(xí)與就業(yè)的距離［4］。

4 課程設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)踐教學(xué)的強(qiáng)化

在嵌入式的后續(xù)學(xué)習(xí)中，根據(jù)已經(jīng)做過(guò)的驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與生活息息相關(guān)的課程設(shè)計(jì)題目，例如數(shù)字存儲(chǔ)示波器，具有友好人機(jī)界面的、播放與歌曲名稱同步顯示等功能更全的MP3播放器，具有觸摸屏的電子點(diǎn)菜系統(tǒng)等。由于Proteus軟件強(qiáng)大的器件庫(kù)和虛擬儀器庫(kù)，學(xué)生在完成項(xiàng)目的過(guò)程中，不存在元器件的損耗，同時(shí)，現(xiàn)在幾乎每個(gè)學(xué)生都有計(jì)算機(jī)，學(xué)生做項(xiàng)目的時(shí)間也不再受實(shí)驗(yàn)室的限制。借助工具Proteus通過(guò)對(duì)這些項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)可以很好的培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目實(shí)踐的能力，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的最終目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，利用Proteus的強(qiáng)大功能能很好的將理論與實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合，更重要的是打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上對(duì)學(xué)生主動(dòng)性項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力培養(yǎng)的限制。實(shí)現(xiàn)了在有限的實(shí)踐課時(shí)中對(duì)學(xué)生項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力的培養(yǎng)，同時(shí)拉近了課堂知識(shí)與就業(yè)的距離。

［2］周靈彬，方曙光，盧家橋，等.基于Proteus的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)仿真中的源碼調(diào)試［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，(22):13－15.

［3］周潤(rùn)景，袁偉亭.基于Proteus的ARM虛擬開(kāi)發(fā)技術(shù)［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2007.

［4］陳炳杰，余里超.基于Proteus與Keil的虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建［J］.茂名學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，19(3):65－68.