韓名君　張艷

【摘 要】本文根據(jù)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一套軟硬結(jié)合、由淺入深的ARM系統(tǒng)大實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)施方案。本文詳細(xì)闡述了每個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求、學(xué)時(shí)安排、教學(xué)方式和考核方法。最后，通過對(duì)課程目標(biāo)達(dá)成度的計(jì)算與比較，我們發(fā)現(xiàn)該方案能有效地提高教學(xué)質(zhì)量、更切合實(shí)際地提高學(xué)生ARM系統(tǒng)的自主開發(fā)和創(chuàng)新的能力。

【關(guān)鍵詞】ARM 嵌入式系統(tǒng) 綜合大實(shí)驗(yàn)

The Exploration and Research of the Comprehensive Experiment Teaching for ARM Embedded System

（College of Electrical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu Anhui， 241000，China）

【Abstract】This paper puts forward a set of teaching project implementation plan for ARM system experiment which based on the training objectives of electronic information science and technology professional， combining with the characteristics of the students' knowledge structure. This paper proposes the design requirements， scheduling， teaching methods and assessment methods of each project. From the comparison of objective achievement scale， we found that this scheme can effectively improve the quality of teaching， more practical to improve students' ability of ARM system independent development and innovation.

【Key words】ARM； Embedded system； Comprehensive experiment

0 前言

ARM處理器自問世以來，以其體積小、功耗低、性能高的特點(diǎn)越來越多地被廣泛運(yùn)用到通訊產(chǎn)品、嵌入式系統(tǒng)中。ARM處理器采用的精簡(jiǎn)指令集體系提供了更高的執(zhí)行效率，擴(kuò)充后能同時(shí)兼容Thumb16指令集、DSP指令集，并能執(zhí)行Java代碼[1]。在處理器的中高端市場(chǎng)，ARM處理器對(duì)Intel CPU的市場(chǎng)占有率產(chǎn)生了巨大的沖擊。2016年12月，微軟和高通正式宣布達(dá)成合作，Windows全面支持ARM，高通的48核ARM處理器將用來打造全新的Windows Server產(chǎn)品[2]。正由于ARM處理器在無線通訊、智能人工，以及各種嵌入式系統(tǒng)中的運(yùn)用，《ARM系統(tǒng)原理與應(yīng)用》課程的學(xué)習(xí)已經(jīng)被納入本科以及高職院校電子類各個(gè)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中[3-6]。

對(duì)于電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)而言，《ARM系統(tǒng)原理與應(yīng)用》屬于人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)課，我校目前已經(jīng)開設(shè)了40學(xué)時(shí)的《ARM系統(tǒng)原理與應(yīng)用》，該課程以理論課為主，其中課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時(shí)分配為6-8個(gè)學(xué)時(shí)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作、Thumb16匯編指令的使用和編程等。由于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)是為理論教學(xué)服務(wù)，故而內(nèi)容設(shè)計(jì)較為淺顯。除此之外，我校還開設(shè)了40學(xué)時(shí)的實(shí)踐課——ARM嵌入式系統(tǒng)綜合大實(shí)驗(yàn)。針對(duì)培養(yǎng)方案中所提出的分層次培養(yǎng)目標(biāo)，要求學(xué)生能靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的目標(biāo)，ARM嵌入式系統(tǒng)綜合大實(shí)驗(yàn)正好能適配該培養(yǎng)目標(biāo)[7]。下面就結(jié)合不同層次的教學(xué)目標(biāo)，探討其教學(xué)內(nèi)容和考核方法。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

1.1 硬件平臺(tái)

選用德州儀器公司開發(fā)的Tiva C Series TM4C123G LaunchPad和上海德研電科的DY-Tiva-PB口袋板作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，Tiva C Series TM4C123G LaunchPad的處理器為TM4C123GH6PM芯片，是 TI 公司推出的一款基于 ARM Cortex-M4 的32位處理器，主頻 80MHz，256kB Flash，32kB SRAM，具有 USB Host，Device 和 OTG 的能力。TivaC LaunchPad 則是一塊基于 TM4C123GH6PM 控制器的實(shí)驗(yàn)板卡，自帶仿真器，連接上 USB 即可進(jìn)行開發(fā)和編程。DY-Tiva-PB口袋板是配合Ti Tiva TM4C123G（ARM Cortex-M4）LaunchPad使用的擴(kuò)展板，該板體積小、使用方便，只要將其與Tiva C系列的XL接口對(duì)插即可使用。系統(tǒng)集成了LED、LCD、音頻、溫度傳感器、PWM與濾波、串口通信，以及AD/DA轉(zhuǎn)換和TF卡等單元，不僅可以進(jìn)行一般MCU、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目開發(fā)。

1.2 軟件平臺(tái)

主要選用Keil軟件為開發(fā)平臺(tái)，編譯生成二進(jìn)制bin文件，開發(fā)板通過USB口與PC連接，連接后需要正確安裝開發(fā)板驅(qū)動(dòng)程序Stellaris_icdi_drivers，最后通過Tiva Flash Programming Bin軟件進(jìn)行程序燒錄。軟件開發(fā)平臺(tái)不僅可以使用Keil軟件，也可以使用德州儀器推出的Code Composer Studio（CCS）集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件開發(fā)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的制定endprint

在ARM系統(tǒng)大實(shí)驗(yàn)中，我們結(jié)合電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，讓學(xué)生根據(jù)不同的任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，同時(shí)在做中學(xué)、學(xué)中做，另外通過不同的教學(xué)層次的設(shè)置，逐步培養(yǎng)學(xué)生在該課程上具有軟件仿真、硬件驅(qū)動(dòng)，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與移植的能力。下面就根據(jù)課程培養(yǎng)目標(biāo)制定了三個(gè)項(xiàng)目。

2.1 基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

由于《ARM系統(tǒng)原理與應(yīng)用》課程中已經(jīng)有6-8學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)了，因此在大實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)趯?duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)有了一定掌握的基礎(chǔ)上，首先安排了4學(xué)時(shí)做基礎(chǔ)知識(shí)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也為下一步嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的學(xué)習(xí)夯實(shí)基礎(chǔ)。項(xiàng)目一的任務(wù)要求：安裝程序和硬件驅(qū)動(dòng)，熟悉Keil實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)Tiva C開發(fā)板安裝驅(qū)動(dòng)并快速入門，并設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的GPIO中斷程序，點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光管。

2.2 嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在對(duì)基本知識(shí)掌握和理解的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生的嵌入式設(shè)計(jì)和開發(fā)能力有進(jìn)一步提高，結(jié)合我校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際情況，要求學(xué)生模擬一個(gè)十字路口的交通通行控制系統(tǒng)，分配16學(xué)時(shí)的學(xué)習(xí)時(shí)間，項(xiàng)目三的具體設(shè)計(jì)要求：（1）通過定時(shí)器，控制紅、黃、綠三色LED發(fā)光管，（2）按鍵能產(chǎn)生中斷并能調(diào)整LED發(fā)光管的定時(shí)時(shí)間和發(fā)光順序，（3）LCD屏幕顯示文字，文字包含通行秒數(shù)和路口的通行方向，以及該路段的限速等信息。

2.3 自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

為了使學(xué)生初步成為一名嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員，對(duì)所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，在此階段布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)模擬的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，項(xiàng)目四的設(shè)計(jì)要求：（1）對(duì)三個(gè)不同房間的環(huán)境溫度進(jìn)行采集并將溫度數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送給PC，使學(xué)生掌握溫度采集模塊、串口通信原理和UART模塊的使用；（2）采集幾組電位信號(hào)并進(jìn)行比較，比較結(jié)果經(jīng)LCD屏幕顯示，使其熟練應(yīng)用TM4C123GH6PM的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。該項(xiàng)目使學(xué)生了解和掌握整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的基本開發(fā)流程，在模仿的基礎(chǔ)上創(chuàng)新，開發(fā)一些新的功能，整個(gè)項(xiàng)目約需18-20學(xué)時(shí)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

該課程采用項(xiàng)目教學(xué)法，學(xué)生二人為一組，分工合作，以項(xiàng)目的層層推進(jìn)來實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的深化，并能融會(huì)貫通、學(xué)以致用。教學(xué)環(huán)境則配備了60臺(tái)計(jì)算機(jī)、配套40塊Tiva C Series TM4C123G LaunchPad和40塊DY-Tiva-PB口袋板， 以及相應(yīng)的多媒體教學(xué)資料和教學(xué)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了邊學(xué)邊做邊考核的一體化教學(xué)模式。

4 實(shí)驗(yàn)考核方式

合理的考核方式能督促學(xué)生更好地完成任務(wù)、學(xué)到知識(shí)，還能檢驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容是否能達(dá)到該課程的培養(yǎng)目標(biāo)。該課程的成績采用五分制計(jì)分，考核方式以過程性考核為主，具體分為出勤情況、課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三大塊，分別占10%、60%和30%。其中，課堂表現(xiàn)主要以每個(gè)項(xiàng)目完成的快慢和該項(xiàng)目完成質(zhì)量為依據(jù)，教師當(dāng)堂記錄并對(duì)學(xué)生的實(shí)際操作水平和學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)過程固然非常重要，但是學(xué)會(huì)撰寫一篇合格的科學(xué)文獻(xiàn)也是本科學(xué)生必須掌握的技能，因此在每個(gè)項(xiàng)目完成后，利用課余時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子文檔，并提交給任課教師，根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告反饋的情況，下一次上課再及時(shí)訂正。特別是項(xiàng)目一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，問題主要是格式方面的錯(cuò)誤，針對(duì)有部分同學(xué)還不太會(huì)調(diào)整格式的問題，我們?cè)陧?xiàng)目一和項(xiàng)目二之間，特地安排了1～2課時(shí)，教學(xué)生如何撰寫一篇合格的科學(xué)文獻(xiàn)，指出學(xué)生的常見錯(cuò)誤，并特別針對(duì)目錄的生成和參考文獻(xiàn)的整理做了詳細(xì)說明。課程結(jié)束后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙質(zhì)打印文檔并裝訂。

5 結(jié)論

根據(jù)專業(yè)認(rèn)證的要求，課程結(jié)束后我們統(tǒng)計(jì)了各個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)達(dá)成度，項(xiàng)目一的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度達(dá)到0.876，項(xiàng)目二的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度為0.833，項(xiàng)目三的目標(biāo)達(dá)成度為0.780。從達(dá)成度可以看出項(xiàng)目一的達(dá)成度最高，這是因?yàn)轫?xiàng)目一主要考核基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度，難度較小，0.876的達(dá)成度說明學(xué)生較好地掌握了ARM系統(tǒng)的主要基本知識(shí)和操作流程。項(xiàng)目三的達(dá)成度雖然最低，但是也超過了0.75，達(dá)到了中等偏上的水平，并較往年提高了0.052。總體而言，三個(gè)項(xiàng)目的達(dá)成度都較往年均有一定程度的提高，說明該教學(xué)方案能立足我?，F(xiàn)有的軟硬件條件，同時(shí)理論聯(lián)系實(shí)際，開拓學(xué)生思維、鍛煉學(xué)生自主創(chuàng)新能力，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint