郭國法，宮瑤，張開生

（陜西科技大學 電氣與信息工程學院，西安710021）

引 言

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，包括硬盤驅(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。整個社會對掌握嵌入式技術(shù)的創(chuàng)新性人才求賢若渴，各高校對嵌入式系統(tǒng)課程教學越來越重視，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實驗平臺多采用成熟的嵌入式開發(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)的課程教學實驗平臺也不能較好地引導學生接受和掌握單片機與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識，尤其是從單片機學習過渡到嵌入式系統(tǒng)學習的過程顯得尤為艱辛，究其根本，原因是缺乏一種快速引導學生進入嵌入式學習的實驗平臺。

針對這種情況，采用軟硬件資源完全開放的CDIO模式嵌入式課程遞階教學平臺，CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）教學理念，倡導在工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和系統(tǒng)工程能力4個層面上進行綜合訓煉[2-5]。嵌入式課程遞階教學平臺應(yīng)用CDIO工程教育理念于理論教學與實驗教學中，從實驗項目策劃設(shè)計到實驗項目運行為教學實踐全過程，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生對嵌入式課程學習階段的需求為目的，設(shè)置了相應(yīng)的驗證設(shè)計、綜合設(shè)計及創(chuàng)新設(shè)計的進階教學實驗，讓學生以主動的、實踐的方式漸進式學習嵌入式課程，幫助學生快速從單片機的學習過渡到嵌入式系統(tǒng)學習當中，逐步具有設(shè)計開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的能力，很好地解決傳統(tǒng)嵌入式教學平臺不能分層次遞階教學和實踐的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

嵌入式課程遞階教學平臺主要由計算機和目標實驗板兩部分組成。目標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。底層板為通用功能模塊拓展底板，使用過程中保持底層板不變，通過更換核心板使其分別當作嵌入式課程入門級單片機學習平臺或者高層次的嵌入式系統(tǒng)學習平臺使用，整體形成遞階式開放結(jié)構(gòu)。

教學平臺初期用于基于51系列單片機無操作系統(tǒng)教學模塊，后期用于結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)的ARM7學習進程。在軟件上，系統(tǒng)選用ARM公司推出的KeilμVision4作為開發(fā)工具，提供各個實驗模塊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)選擇性能穩(wěn)定、可移植性好且功能強大的μC/OS-II操作系統(tǒng)。遞階教學平臺模型框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式課程遞階教學平臺模型圖

上位機通過USB線與目標實驗板串口相連，軟件采用由VB編寫的嵌入式遞階教學平臺實驗窗口，將嵌入式課程教學所需的理論基礎(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)平臺還提供兩個接口：教師接口和學生接口。教師接口用于添加素材庫資源，學生接口便于學生進行理論化知識的學習和圖形化編程的開發(fā)。學生根據(jù)自身掌握嵌入式知識的情況，有選擇地訪問上位機平臺實驗窗口中共享的素材庫資源，在線學習理論化的嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，也可將功能模塊源代碼下載到目標實驗板上，完成相應(yīng)實驗項目。

1.1 核心板硬件設(shè)計

核心板由嵌入式微處理器、芯片最小系統(tǒng)、拓展板接口3部分組成，最小系統(tǒng)包括支持微處理器工作的時鐘模塊、Flash模塊、復位模塊[6-8]。核心板由易到難主要設(shè)置3種微處理器，分別為單片機AT89C51、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拓展底板上留有的引腳接口相連。表1為單片機與嵌入式芯片對比表，通過3種學習難度遞增的微處理器搭配底板形成層次教學平臺。圖2為硬件平臺原理框圖，其中虛線部分為需要安插的上層核心板位置。這3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端口、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)，能夠滿足教學平臺基礎(chǔ)實驗和項目綜合設(shè)計性實驗的使用需求。

圖2 硬件平臺原理框圖

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)用的學習為目的，設(shè)計了課程教學基礎(chǔ)實驗所需的多種不同功能模塊和定向?qū)I(yè)拓展模塊。圖2中實線部分為通用功能模塊，主要包括：電源模塊、I/O模塊、串口模塊、鍵盤模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LED模塊、LCD模塊等。同時，底層板預留有可擴展I/O接口，學生可通過將自行設(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)拓展模塊底板包括：ZigBee模塊、藍牙模塊、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、控制、電氣等不同專業(yè)學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

在軟件教學過程中經(jīng)常會忽略模塊化程序的深度應(yīng)用，而模塊化編程是組織良好程序結(jié)構(gòu)的有效方法之一。復雜的工程都是由若干相對獨立的功能模塊嵌套組合而成，模塊化編程設(shè)計可以化繁為簡，并且為程序模塊間的相互調(diào)用以及數(shù)據(jù)傳遞提供了便捷的途徑，有助于程序的調(diào)試，增強了程序的可讀性。

基于CDIO模式的嵌入式遞階教學平臺采用ARM公司推出的KeilμVision4進行程序編譯。針對底層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，教學平臺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平臺實驗窗口素材庫中，便于使用者下載、編譯。

2.1 功能程序模塊化設(shè)計

在系統(tǒng)軟件平臺中，程序模塊化封裝過程略——編者注，由學生完成軟件環(huán)境相關(guān)設(shè)置，并對芯片的各個功能進行配置，根據(jù)實驗目的構(gòu)思軟件架構(gòu)，有選擇性地從模塊素材庫中下載所需的模塊源文件。源文件由教學平臺提供，根據(jù)功能的不同，編寫模塊源文件所需要的宏定義或結(jié)構(gòu)體，提供C語言模塊程序接口，方便學生調(diào)用。各功能模塊程序由教學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。不同的功能模塊程序可以相互嵌套、調(diào)用和編譯?？紤]到預處理程序能夠提供條件編譯的功能，可以按不同的條件編譯不同的程序部分，產(chǎn)生不同的目標代碼。基于此，在同一模塊的源文件中使用條件編譯，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習，有助于學生對知識的理解。

2.2 程序模塊化編譯舉例

以矩陣鍵盤數(shù)碼顯示實驗為例，實驗系統(tǒng)包括硬件模塊和軟件模塊。硬件模塊包括2×8矩陣鍵盤輸入模塊、數(shù)碼顯示模塊和74 HC595級聯(lián)模塊。軟件模塊包括74 HC595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。

74 HC595＿Send Dat（）為74HC595級聯(lián)模塊驅(qū)動程序函數(shù)，負責發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)到74 HC595。Key.c文件對應(yīng)2×8矩陣鍵盤功能模塊目標代碼，包括鍵掃描程序和取鍵值程序，此Key.c文件是教學平臺窗口下提供2×8矩陣鍵盤驅(qū)動的預編譯程序，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文件中的預編譯目標代碼重新宏定義，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。

學生實驗時，在遞階教學平臺軟件系統(tǒng)工具軟件窗口下打開KeilμVision4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文件添加到工程中。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74 HC595＿Send Dat（）、鍵掃描函數(shù)和取鍵值函數(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，最終準確快速地完成整個程序代碼的編寫過程。

3 教學平臺的CDIO應(yīng)用模式分析

3.1 遞階教學平臺CDIO模式的實現(xiàn)

嵌入式課程遞階教學實驗平臺是基于CDIO思想，即從構(gòu)思、設(shè)計到實施、運作這一工程教學理念來實現(xiàn)嵌入式課程教學與實踐一體化。整個教學平臺以“實驗”為核心，旨在讓學生在學習實踐過程中，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，最后遞階到ARM7體系，學習過程從簡單到復雜、逐步深入[9-10]。

初級教學階段對應(yīng)于CDIO模式中的構(gòu)思階段，以運行LPC2103、STM32F103C8芯片模塊程序，學生觀察實驗結(jié)果為主。將51單片機微處理器的硬件核心板與嵌入式微處理器的硬件核心板對比使用，采用統(tǒng)一的軟件結(jié)構(gòu)搭建起嵌入式的學習平臺，保證能夠快速進入嵌入式學習中。

第二階段為設(shè)計階段，教學平臺為學生構(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)做好鋪墊。

在實施和運作階段，從教學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、ARM7基本編程，同時，學習編寫系統(tǒng)的Bootloader程序以及實現(xiàn)μC/OS-II操作系統(tǒng)在STM32F103C8芯片上的移植和WinCE操作系統(tǒng)的移植，實現(xiàn)了操作系統(tǒng)各接口電路驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的編寫也作為教學實驗平臺的一個重要功能。

3.2 CDIO應(yīng)用模式下遞階實驗設(shè)置

CDIO模式化設(shè)計的遞階實驗系統(tǒng)有利于教師改革教學方法，從傳統(tǒng)的純理論教學改為理論與實踐并重的項目教學，取得了較好實踐效果。

教學平臺基于AT89S51芯片、STM32F103C8芯片和LPC2103芯片，設(shè)置了基礎(chǔ)教學實驗，適用于多核實驗平臺和無操作系統(tǒng)實驗平臺的基礎(chǔ)實驗，包括：LED 8流水燈實驗、LCD顯示實驗、2×8鍵盤顯示實驗、液晶顯示實驗、外部中斷實驗、串口通信實驗、A/D與D/A轉(zhuǎn)換實驗[11]?；诤唵尾僮飨到y(tǒng)的綜合實驗包括：μC/OS-II操作系統(tǒng)移植；μC/OS-II操作系統(tǒng)任務(wù)的創(chuàng)建、掛起、恢復、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。實驗軟件部分按照模塊化進行設(shè)計，在實驗教學中，使用軟件模塊化讓學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，這樣有利于充分發(fā)揮學生的主觀能動性，讓學生自主設(shè)計實驗項目以完成綜合性、設(shè)計性實驗[12]。

基于學生不同的研究方向可以設(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。

結(jié) 語

嵌入式課程遞階教學平臺經(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，各個實驗模塊工作均比較穩(wěn)定。實踐教學結(jié)果證明，教學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，并幫助學生快速從單片機的學習過渡到嵌入式系統(tǒng)學習當中?；贑DIO理念設(shè)計了一系列配套的實驗，以符合大眾學生為目的，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生。教學平臺針對性強，教學效果明顯，擁有廣闊的教學應(yīng)用前景，更重要的是能夠增強高校大學生的形象思維與創(chuàng)新能力，為學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)奠定扎實的基礎(chǔ)。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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