郭國法++宮瑤++張開生

摘要：針對傳統(tǒng)嵌入式課程教學(xué)平臺教學(xué)模式單一，輔助實驗設(shè)置局限性等問題，采用了嵌入式課程遞階教學(xué)平臺，從嵌入式課程驗證性基礎(chǔ)實驗出發(fā)，基于CDIO工程教學(xué)模式理念實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐應(yīng)用一體化，硬件采用核心板和拓展底板分離插拔式設(shè)計，底板功能模塊化程序可適用于多種微處理器芯片，實現(xiàn)單片機核心板與嵌入式核心板源程序代碼共享，滿足嵌入式系統(tǒng)分層次遞階教學(xué)的要求。重點闡述了多核心板適配同一拓展底板的開放式硬件結(jié)構(gòu)，各個功能模塊軟件程序模塊化過程，以及在CDIO理念下對嵌入式課程教學(xué)平臺輔助實驗進行從驗證設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計及綜合設(shè)計的遞階式設(shè)計思路。實踐教學(xué)結(jié)果表明，嵌入式課程遞階教學(xué)平臺教學(xué)資源豐富，針對性強，教學(xué)效果明顯，擁有廣闊的教學(xué)應(yīng)用前景，可大大提高學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。

關(guān)鍵詞：CDIO；嵌入式教學(xué)平臺；項目化；模塊化

中圖分類號：TP368 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）11-0113-03

The Development and Application of Embedded Project Teaching Platform

GUO Guo-fa， GONG Yao， ZHANG Kai-sheng

（College of Electrical and Information Engineering， Shannxi University of Science and Technology， Xi'an 710021 China）

Abstract： With the rapid development of computer technology and wide application， embedded system has been penetrated into industrial control， medical systems， communication and other important areas. Research and study of the embedded system has become the focus of college teaching. Embedded development and application teaching platform is based on basic experiments which come from the embedded system teaching course. This platform has realized the CDIO engineering implementation principle of real integration teaching idea. Through different combinations of the core board and expand the bottom plug type structure， along with embedded system development project， makes this platform powerful and capable for various requirement. This paper expounds the design blueprint of the platform and its application mode. As an open and comprehensive experiment platform， the project teaching platform is helpful to enrich students the basic knowledge of embedded system， to improve students' ability in embedded system design and development and to stimulate students' learning autonomy.

Key words： CDIO； embedded teaching platform； project； modular

在信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的電子科技時代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代生活的方方面面，硬盤驅(qū)動器、遙控器、汽車防鎖剎車、農(nóng)業(yè)大棚溫濕度控制、智能家居等。社會生產(chǎn)生活越來越依賴掌握嵌入式技術(shù)的高級創(chuàng)新性人才，國內(nèi)外各高校已開設(shè)嵌入式課程，因此培養(yǎng)出合格的創(chuàng)新性嵌入式技術(shù)人才迫在眉睫。但目前嵌入式課程教學(xué)實驗平臺多采用市面上各類成熟的嵌入式開發(fā)板[1]，僅以驗證性實驗為主，并且開發(fā)板芯片與功能硬件已經(jīng)確定不容更改，學(xué)生在其實驗平臺上只能依照廠商提供的板載程序運行，觀察實驗現(xiàn)象，不利于學(xué)生掌握硬件原理、程序編譯和調(diào)試的方法，不能進行深度嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，動手實踐能力不足，同時傳統(tǒng)的課程教學(xué)實驗平臺也表現(xiàn)在不能較好的引導(dǎo)學(xué)生接受和掌握單片機與嵌入式相關(guān)知識，尤其是從單片機學(xué)習(xí)過渡到嵌入式學(xué)習(xí)的過程顯得尤為艱辛，究其根本，原因是缺乏一種快速引導(dǎo)學(xué)生進入嵌入式學(xué)習(xí)的實驗平臺。

針對目前情況，采用軟硬件資源完全開放的CDIO模式嵌入式課程遞階教學(xué)平臺，CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）教學(xué)理念，倡導(dǎo)在工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和系統(tǒng)工程能力四個層面上進行綜合鍛煉[2-5]。嵌入式課程遞階教學(xué)平臺應(yīng)用CDIO工程教育理念于理論教學(xué)與實驗教學(xué)中，以實驗項目策劃設(shè)計到實驗項目運行為教學(xué)實踐全過程，采取多核硬件板與模塊化軟件設(shè)計相結(jié)合的方式，以滿足不同層次的學(xué)生對嵌入式課程學(xué)習(xí)階段的需求為目的，設(shè)置了相應(yīng)的驗證設(shè)計、綜合設(shè)計及創(chuàng)新設(shè)計的進階教學(xué)實驗，讓學(xué)生以主動地、實踐的的方式漸進式學(xué)習(xí)嵌入式課程，幫助學(xué)生快速從單片機的學(xué)習(xí)過渡到嵌入式學(xué)習(xí)當(dāng)中，逐步具有設(shè)計開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的能力，很好的解決傳統(tǒng)嵌入式教學(xué)平臺不能分層次遞階教學(xué)和實踐的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

嵌入式課程遞階教學(xué)平臺主要由計算機和目標(biāo)實驗板兩部分組成。目標(biāo)實驗板硬件采用多核心板適配通用功能拓展底板的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，上層為核心板，下層為功能模塊拓展底板，底層板與核心板的連接采用插拔的組合方式，插座的引腳與底層板的連接是固定的。在使用過程中保持底層板不變，僅通過拔插來更換不同的上層核心板使其分別當(dāng)作嵌入式課程入門級單片機學(xué)習(xí)平臺或者高層次的嵌入式學(xué)習(xí)平臺使用，整體形成遞階開放式結(jié)構(gòu)。教學(xué)平臺在初期教學(xué)實驗階段，搭載無操作系統(tǒng)的51系列單片機核心板及基本功能模塊；中后期搭載移植了簡單嵌入式操作系統(tǒng)的ARM7核心板及功能拓展模塊。在軟件系統(tǒng)方面，選用IAR作為開發(fā)工具，并提供各個實驗?zāi)K程序的主要框架及模塊化程序函數(shù)調(diào)用入口。嵌入式操作系統(tǒng)選擇即可以在51單片機上移植又可在ARM7芯片上移植的μC /OS-II操作系統(tǒng)。

嵌入式課程遞階教學(xué)平臺模型如圖1所示。

圖1 嵌入式課程遞階教學(xué)平臺模型圖

上位機通過USB線與目標(biāo)實驗板串口相連。上位機軟件采用由VB編寫的嵌入式遞階教學(xué)平臺實驗窗口。將嵌入式課程教學(xué)所需的理論基礎(chǔ)資源整合在上位機實驗窗口下，構(gòu)建一個完整的素材庫，包括嵌入式課程教學(xué)PPT及實驗演示視頻、芯片和元器件數(shù)據(jù)手冊、功能模塊源代碼庫、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具軟件。軟件系統(tǒng)素材庫還預(yù)留有教師接口和學(xué)生接口。教學(xué)平臺軟件系統(tǒng)管理員通過教師接口向素材庫中添加新資源，學(xué)生接口用于學(xué)生在線學(xué)習(xí)理論化的嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，或模塊源程序二次編譯開發(fā)，并將功能模塊源代碼下載到目標(biāo)實驗板完成相應(yīng)實驗項目。

1.1 核心板硬件設(shè)計

圖2 硬件平臺原理框圖

核心板由微處理器及芯片最小系統(tǒng)，拓展板接口三部分組成，最小系統(tǒng)包括支持微處理器工作的時鐘模塊、晶振電路、Flash存儲模塊、復(fù)位模塊[6-8]。核心板由易到難主要設(shè)置三種微處理器，分別為單片機STC89C51，STM32F103C8微處理器以及32位的ARM7微處理器LPC2103，并且將芯片全部I/O引腳引出來與通用功能底板上留有的Pin接口相連。表1所示為單片機與嵌入式芯片對比表，通過三種學(xué)習(xí)難度遞增的微處理器搭配底板形成層次教學(xué)平臺。圖2硬件平臺原理框圖中通虛線部分為需要安插的上層核心板位置。這三種芯片價格低廉、通用性強，功能完整，包括存儲器、定時/計數(shù)器、可編程的I/O、可編程全雙工串行端口、中斷源，不同的芯片內(nèi)集成了16位或32位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性易于二次開發(fā)，能夠滿足教學(xué)平臺基礎(chǔ)實驗和項目綜合設(shè)計性實驗的使用需求。

表1 單片機與嵌入式芯片對比表

1.2 底層板設(shè)計

底層功能模塊拓展板的設(shè)計主要以加強外圍功能接口應(yīng)用的學(xué)習(xí)為目的，設(shè)計了課程教學(xué)基礎(chǔ)實驗所需的多種不同功能模塊和定向?qū)I(yè)拓展模塊，如圖2硬件平臺原理框圖中實線部分為通用功能模塊，主要包括：通用I/O口模塊、UART模塊、電源模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；顯示電路包括LED模塊、LCD液晶模塊；輸入電路為2*8矩陣鍵盤模塊。由于芯片I/O有限，底層板采用能把串行信號轉(zhuǎn)為并行信號的74HC595芯片實現(xiàn)I/O口的拓展。同時底層板預(yù)留有可擴展I/O接口，學(xué)生可通過將自行設(shè)計的功能模塊納入下層拓展底板，構(gòu)建個性化嵌入式系統(tǒng)。

定向?qū)I(yè)拓展模塊拓底板包括：ZigBee模塊、藍(lán)牙模塊、傳感器模塊、GSM模塊。各個功能模塊為獨立單元由微處理器直接控制，同時各模塊之間也可根據(jù)實驗項目要求進行組合與拓展來適配電子方向、控制方向、電氣方向等不同專業(yè)學(xué)生的特定嵌入式系統(tǒng)綜合實驗與開發(fā)。

2 軟件平臺設(shè)計

在軟件教學(xué)過程中往往只注重程序代碼的功能實現(xiàn)，經(jīng)常會忽略整個程序的組織架構(gòu)，模塊化編程設(shè)計可以化繁為簡，組織出良好的程序架構(gòu)，將復(fù)雜的工程劃分為若干相對獨立清晰的功能模塊，再通過嵌套、調(diào)用組合成實現(xiàn)各功能模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，有助于程序的局部調(diào)試和整體調(diào)試。

基于CDIO模式的嵌入式遞階教學(xué)平臺采用IAR進行程序編譯。針對底層板板上不同的功能硬件，例如串口模塊、鍵盤模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LED模塊等，教學(xué)平臺采用將各個功能模塊源程序模塊化封裝后生成的特定功能模塊函數(shù)或文件集中存放在上位機教學(xué)平臺實驗窗口素材庫中的方式，便于使用者下載、編譯。

2.1功能程序模塊化設(shè)計

圖3 程序模塊化封裝過程圖

在系統(tǒng)軟件平臺中，程序模塊化封裝過程如圖3所示。由學(xué)生選擇程序開發(fā)工具，并依據(jù)芯片的功能特點對開發(fā)環(huán)境進行相關(guān)設(shè)置。將需要實現(xiàn)的各個功能獨立清晰化出來，有選擇性地從教學(xué)平臺素材庫中下載相應(yīng)的模塊源文件。源文件由教學(xué)平臺提供，它包含某一獨立功能模塊的宏定義或結(jié)構(gòu)體，并為不同功能模塊程序之間的相互嵌套、調(diào)用提供C語言程序接口。各功能模塊程序在由教學(xué)平臺封裝后得到唯一的封裝函數(shù)或文件，并且僅實現(xiàn)對該功能模塊硬件的驅(qū)動。源文件在預(yù)處理的過程中可以使用條件編譯的功能，即同一模塊的源文件在條件編譯時，軟件系統(tǒng)根據(jù)宏定義及芯片配置，有選擇性地編譯單片機程序的代碼部分或者嵌入式系統(tǒng)程序的代碼部分，實現(xiàn)單片機核心板與嵌入式核心板源程序代碼共享，提高兩種代碼的對比學(xué)習(xí)有助于學(xué)生對知識的理解。

2.2 程序模塊化編譯舉例

以矩陣鍵盤數(shù)碼顯示實驗種各功能程序模塊化為例。實驗系統(tǒng)包括功能硬件模塊和軟件模塊。硬件驅(qū)動包括輸入模塊2*8矩陣鍵盤，數(shù)碼顯示模塊和74HC595級聯(lián)模塊。功能軟件包括74HC595級聯(lián)模塊硬件驅(qū)動程序、數(shù)碼管顯示程序、按鍵掃描程序、取鍵值程序。

74HC595_Send Dat（）為74HC595級聯(lián)模塊驅(qū)動程序函數(shù)，負(fù)責(zé)發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)到74HC595。Key.c文件對應(yīng)2*8矩陣鍵盤功能模塊目標(biāo)代碼，包括鍵掃描程序和取鍵值程序，此Key.c文件是教學(xué)平臺窗口下提供2*8矩陣鍵盤驅(qū)動的預(yù)編譯程序，平臺軟件系統(tǒng)需要根據(jù)實驗所選微處理器為單片機AT89C51芯片或嵌入式LPC2103芯片的配置，以及I/O硬件接口設(shè)置對原始key.c文件中的預(yù)編譯目標(biāo)代碼重新宏定義，再條件編譯生成新的模塊化封裝文件key.c。Num show.c文件實現(xiàn)數(shù)碼管顯示功能，它的軟件系統(tǒng)條件編譯過程同Key.c，這里不再贅述。

圖4 程序模塊化結(jié)構(gòu)圖

學(xué)生實驗時，在遞階教學(xué)平臺軟件系統(tǒng)工具軟件窗口下打開IAR并新建工程，將已經(jīng)依據(jù)實驗要求重新條件編譯生成的功能模塊key.c和Num show.c文件添加到工程。打開main.c文件，依照鍵盤顯示程序流程圖編寫主程序，定義頭文件key.h與Num show.h并將其添加到main.c中。編譯顯示函數(shù)main.c時，只需根據(jù)接口的定義合理嵌套74HC595_Send Dat（）、鍵掃描程序函數(shù)和取鍵值程序函數(shù)，然后通過調(diào)用數(shù)碼管顯示函數(shù)Num show（）對結(jié)果進行顯示，最終準(zhǔn)確快速完成整個程序代碼編寫過程。

3 教學(xué)平臺的CDIO應(yīng)用模式分析

3.1 遞階教學(xué)平臺CDIO模式的實現(xiàn)

嵌入式課程遞階教學(xué)實驗平臺是基于CDIO思想，即從構(gòu)思、設(shè)計到實施、運作這一工程教學(xué)理念來實現(xiàn)嵌入式課程教學(xué)與實踐一體化。基于此，教學(xué)平臺以“實驗”貫穿于教學(xué)整個過程，培養(yǎng)學(xué)生逐步地從8位51系列經(jīng)典單片機基礎(chǔ)過渡到功能齊全的綜合性單片機，最后遞階提升到含有μC /OS-II操作系統(tǒng)的ARM7體系，學(xué)習(xí)難度由簡單到復(fù)雜逐步深入[9-10]。

初級教學(xué)階段對應(yīng)于CDIO模式中的構(gòu)思階段，以運行LPC2103、STM32F103C8 ARM芯片模塊程序，學(xué)生觀察實驗結(jié)果為主。由于目標(biāo)板具有遞階開放式結(jié)構(gòu)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可將51系列單片機微處理器與嵌入式微處理器相互聯(lián)系、對比，完成在統(tǒng)一的軟件架構(gòu)下從單片機實驗到嵌入式實驗的遞階，快速進入嵌入式學(xué)習(xí)中。

第二階段為設(shè)計階段，教學(xué)平臺為學(xué)生構(gòu)思、搭建實驗硬件電路提供完整的資料與環(huán)境支持。通過對嵌入式教學(xué)實驗系統(tǒng)各個模塊：UART、USB、LCD、觸摸屏和矩陣鍵盤等常用接口操作實踐，模仿改編實驗程序，熟悉ARM7的無操作系統(tǒng)基礎(chǔ)應(yīng)用，為后續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)開發(fā)做好鋪墊。

在實施和運作階段，從教學(xué)平臺實驗素材庫提供的應(yīng)用開發(fā)實驗，例如D/A、A/D實驗，LCD顯示實驗，觸摸屏實驗切入，探索研究交叉編譯環(huán)境的建立、調(diào)試方法和編程技術(shù)。熟練掌握51基本編程，ARM7基本編程，同時將學(xué)習(xí)編寫系統(tǒng)的Bootloader程序和實現(xiàn)μC /OS-II嵌入式操作系統(tǒng)在STM32F103芯片移植和WindowsCE嵌入式操作系統(tǒng)的移植，以及在操作系統(tǒng)下對硬件接口電路驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的編寫、軟件系統(tǒng)的局部調(diào)試，整體調(diào)試作為教學(xué)平臺的又一重要功能。

3.2 CDIO應(yīng)用模式下遞階實驗設(shè)置

CDIO模式化的遞階實驗系統(tǒng)有利于教師改革教學(xué)方法，在傳統(tǒng)的純理論教學(xué)方法上增進實驗教學(xué)項目，可以取得較好的實踐效果。

教學(xué)平臺基于AT89S51芯片、STM32F103C8 ARM芯片和LPC2103芯片，設(shè)置有三大實驗系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)實驗、遞階教學(xué)實驗和創(chuàng)新型綜合實驗。基礎(chǔ)教學(xué)實驗是基于51系列單片機和LPC2103ARM芯片無操作系統(tǒng)的實驗平臺設(shè)置的，包括： 8流水燈循環(huán)顯示實驗、2*8鍵盤顯示實驗、UART串口通信實驗、LCD顯示實驗、外部中斷實驗、A/D 與D/A轉(zhuǎn)換實驗[11]。

基于簡單操作系統(tǒng)的綜合實驗包括：μC /OS-II嵌入式操作系統(tǒng)移植；μC /OS-II嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)創(chuàng)建、掛起、恢復(fù)、刪除實驗；任務(wù)的中斷和時鐘實驗；任務(wù)的同步和通信實驗等。實驗軟件依照上述功能程序模塊化進行設(shè)計。在實驗教 （下轉(zhuǎn)第118頁）

（上接第115頁）

學(xué)中，使用軟件模塊化讓學(xué)生可以自主選擇實驗項目內(nèi)容。如：輸入接口實驗，可以根據(jù)自己的能力選擇獨立按鍵和矩陣鍵盤中的一個或者多個；輸出接口實驗，同樣可以選擇LED、數(shù)碼管、點陣和液晶中的一個或者多個[12]。

基于學(xué)生不同的研究方向而設(shè)計創(chuàng)新性實驗，有ZigBee模塊配套的島嶼安防系統(tǒng)實驗、基于溫濕度傳感器的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計實驗等。

4 結(jié)束語

嵌入式課程遞階教學(xué)平臺經(jīng)過調(diào)試和測試，實現(xiàn)了多核心板適配多功能擴展底板的使用模式，各個實驗?zāi)K工作均比較穩(wěn)定，實踐教學(xué)結(jié)果證明，教學(xué)平臺提供了豐富的接口資源，可進行二次開發(fā)，完全能夠滿足實驗課程的要求，并幫助學(xué)生快速從單片機的學(xué)習(xí)過渡到嵌入式學(xué)習(xí)當(dāng)中。基于CDIO理念設(shè)計了一系列配套的實驗以符合大眾學(xué)生為目的，設(shè)置了普遍需要的基礎(chǔ)實驗以及綜合實驗，針對嵌入式專業(yè)的學(xué)生設(shè)置了更為專業(yè)的基本的嵌入式操作系統(tǒng)實驗，以滿足不同層次的學(xué)生。教學(xué)平臺針對性強，教學(xué)效果明顯，擁有廣闊的教學(xué)應(yīng)用前景，更重要的是能夠增強高校大學(xué)生的形象思維與創(chuàng)新能力，為學(xué)生今后進一步深造或踏入社會進行相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)奠定扎實了的基礎(chǔ)。

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