陳梅芬，吳佳駿，王漢章

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361100)

0 引言

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，對嵌入式從業(yè)人員的需求與日俱增。許多本科院校及職業(yè)院校都有開設(shè)《嵌入式程序設(shè)計(jì)》或相關(guān)課程[1]?！肚度胧匠绦蛟O(shè)計(jì)》是一門綜合性較強(qiáng)的課程，既需要硬件基礎(chǔ)知識，也需要軟件基礎(chǔ)知識。隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，高職的《嵌入式程序設(shè)計(jì)》的教學(xué)也顯現(xiàn)出一些問題，特別是如何使得培養(yǎng)出來的學(xué)生更容易滿足嵌入式行業(yè)的需求，本文以矩陣鍵盤項(xiàng)目為例，說明了項(xiàng)目式教學(xué)法在課程中的運(yùn)用。

1 嵌入式程序設(shè)計(jì)的教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課程涉及知識面廣

在高職院校中，《嵌入式程序設(shè)計(jì)》一般是安排在大二階段進(jìn)行學(xué)習(xí)，它的先修課程一般有《模擬電路》、《數(shù)字電路》、《單片機(jī)程序設(shè)計(jì)》或《C語言程序設(shè)計(jì)》，需要學(xué)生掌握的知識儲備較多，很多學(xué)生在先前課程的學(xué)習(xí)中并不都能很好地掌握這些先修課程，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)《嵌入式程序設(shè)計(jì)》課程時有畏難情緒[2]。

1.2 所學(xué)知識與業(yè)界所需技能沒有緊密相連

嵌入式的技術(shù)發(fā)展很快，有時候就會出現(xiàn)學(xué)校課堂上講的知識點(diǎn)跟不上業(yè)界技術(shù)的發(fā)展。這就要求我們在使用項(xiàng)目教學(xué)法的時候，要盡量的從企業(yè)實(shí)際應(yīng)用的案例中提取有效的項(xiàng)目，并與嵌入式相關(guān)的知識點(diǎn)較好地融合。

1.3 學(xué)生編寫程序時碰到問題不知如何解決

可以將《嵌入式程序設(shè)計(jì)》的教學(xué)過程分為三個階段，基礎(chǔ)教學(xué)、進(jìn)階教學(xué)和綜合教學(xué)[3]。從幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來看，學(xué)生經(jīng)常會在進(jìn)階教學(xué)的階段碰到困難，最大的困難是代碼已按照自己的思路寫出來了，在Keil軟件也編譯通過，但HEX文件下載到開發(fā)板后就是工作不正常，此時卻找不到好的方法來解決問題，也不知道程序運(yùn)行到哪里了。

2 矩陣鍵盤項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)

鍵盤應(yīng)用是人機(jī)交互中最常用的方法之一，也是構(gòu)造各種實(shí)際的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的基本元素。矩陣式鍵盤的接口是由行線與列線組成，按鍵位于行、列的交叉線上，這種方法的優(yōu)點(diǎn)相比較獨(dú)立鍵盤，可以節(jié)約IO資源，相對于專用芯片式鍵盤，可以節(jié)約成本，因而其在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。矩陣鍵盤項(xiàng)目是《嵌入式程序設(shè)計(jì)》課程進(jìn)階教學(xué)中碰到的第一個較難的項(xiàng)目，順利地解決這個項(xiàng)目，對學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)本門課程也會有很大的幫助。

2.1 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)流程

在業(yè)界，一個嵌入式系統(tǒng)的項(xiàng)目通常是由一個團(tuán)隊(duì)來完成的，通常按照圖1的流程來實(shí)現(xiàn)。在啟動一個嵌入式系統(tǒng)的項(xiàng)目后，先是要對項(xiàng)目的需求進(jìn)行分析，輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)文檔，接著要對設(shè)計(jì)目標(biāo)文檔進(jìn)行評審，評審?fù)ㄟ^后，團(tuán)隊(duì)成員分工合作，輸出軟硬件設(shè)計(jì)方案文檔，軟硬件設(shè)計(jì)方案文檔評審?fù)ㄟ^后，就可以開始具體的硬件實(shí)現(xiàn)與軟件設(shè)計(jì)，最后是系統(tǒng)驗(yàn)證及驗(yàn)證覆蓋率的分析。

圖1 嵌入式系統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)流程

由于在課程教學(xué)過程中，課程的學(xué)時有限以及學(xué)生專業(yè)知識水平與企業(yè)工程師專業(yè)知識水平的差距，我們通常會將企業(yè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行簡化，以適應(yīng)教學(xué)需求。在教學(xué)過程中，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)通常是已經(jīng)確定好了，項(xiàng)目中所用的硬件電路也通常用的是開發(fā)板的既定的電路，所以在教學(xué)過程中的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)流程中，前兩步對設(shè)計(jì)的要求會少一些，更多的是去理解它們。在軟件設(shè)計(jì)知識儲備階段中，老師須幫助學(xué)生建立實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所需的一些知識儲備，如在矩陣鍵盤項(xiàng)目中，在這一階段，學(xué)生要懂得矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)的一些基本方法，循環(huán)掃描法與行列反轉(zhuǎn)法。軟件設(shè)計(jì)完以后，學(xué)生需要對運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，判斷所設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。如圖2所示，為教學(xué)過程中的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)流程。

圖2 教學(xué)過程中的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)流程

此次矩陣按鍵項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)5×5按鍵的掃描，將對應(yīng)的按鍵值打印到串口上。

2.2 硬件電路理解

矩陣鍵盤項(xiàng)目用的主控CPU為STM32F103VE,STM32F103VE帶有Cortex-M3內(nèi)核，共有5組16位的GPIO接口，5組USART接口。矩陣鍵盤的電路如圖3所示，當(dāng)有按鍵按下，相應(yīng)的行線與列線就會連接，如當(dāng)S101鍵按下時，K_PA0與K_COLOUT4就會相連接。此次項(xiàng)目使用到了STM32F103VE的USART1,對應(yīng)的IO口為PA9/USART1_TX和PA10/USART1_RX。

圖3 矩陣鍵盤電路

2.3 軟件設(shè)計(jì)

矩陣式鍵盤根據(jù)不同的軟件掃描方式，通常可分為循環(huán)掃描法與行列反轉(zhuǎn)法。循環(huán)掃描法的原理是讓CPU不停地去掃描鍵盤的行線與列線，如可讓列線固定為輸出端口，行線固定為輸入端口，同一個時刻列線的輸出中只有一根線的輸出為低電平，當(dāng)行線有采集在低電平時，就說明有按鍵按下，此種方法，結(jié)構(gòu)簡單，行線與列線的輸入輸出模式固定，但掃描耗費(fèi)的時間較長[6]。行列反轉(zhuǎn)法是通過行線與列線的互換來確定按鍵，行線與列線的輸入輸出模式需要變化，但其檢測速度較快，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

如圖4所示，為行列反轉(zhuǎn)法按鍵檢測流程，先是設(shè)置列端口為輸出，數(shù)值為0，行端口為帶上拉的輸入；讀取行端口的數(shù)值存儲在row_data中；接著設(shè)置行端口為輸出，數(shù)值為0，列端口為帶上拉的輸入；讀取列端口的數(shù)值存儲在col_data中；根據(jù)row_data與col_data就可以判斷出按鍵的數(shù)值。

圖4 行列反轉(zhuǎn)法按鍵檢測流程

多數(shù)按鍵采用的是機(jī)械式的彈性開關(guān)，機(jī)械式的開關(guān)經(jīng)常會引入抖動，抖動過程的長短是由按鍵的機(jī)械特性決定，一般是10～20 ms,我們可以采用多次采樣的方法來實(shí)現(xiàn)軟件去抖。隔一定的時間去采一次按鍵的檢測數(shù)值，程序里面會存儲三個采樣的數(shù)值，key(當(dāng)前按鍵的數(shù)值)，key_history1(上一次按鍵檢測的數(shù)值)，key_history2(上上次按鍵檢測的數(shù)值)，當(dāng)我們檢測到(key!=0)&&(key_history1==key)&&(key_history2==0)的條件為真的時候，就可以判斷此時按鍵按下，這里的按鍵采樣間隔時間可以根據(jù)需要采用定時器或者主函數(shù)的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。

在1.3小節(jié)里講到學(xué)生在編寫程序的時候碰到問題不知如何解決，在教學(xué)的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)串口是嵌入式系統(tǒng)中非常重要的一個調(diào)試工具，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的進(jìn)階階段的初期，就應(yīng)該把串口架設(shè)起來，架設(shè)起來后，就可以將相應(yīng)的調(diào)試信息用printf打印到串口上了，可以解決不知道程序運(yùn)行到哪里的問題。

在USART1的驅(qū)動代碼中加入如下的代碼，就可以使用printf函數(shù)，將相應(yīng)的調(diào)試信息打印在USART1上。

//加入以下代碼，支持printf函數(shù)，而不需要選擇use MicroLIB

#if 1

#pragma import(__use_no_semihosting)

//標(biāo)準(zhǔn)庫需要的支持函數(shù)

struct __FILE

{

int handle;

};

FILE __stdout;

//定義sys_exit()以避免使用半主機(jī)模式

void _sys_exit(int x)

{

x=x;

}

//重定義fputc函數(shù)

int fputc(int ch,FILE *f)

{

while((USART1->SR&0X40)==0);//循環(huán)發(fā)送，直到發(fā)送完畢

USART1->DR=(u8) ch;

return ch;

}

#endif

2.4 運(yùn)行結(jié)果

如圖5所示，為矩陣鍵盤項(xiàng)目的運(yùn)行結(jié)果，當(dāng)有一個按鍵按下時，CPU會檢測到相應(yīng)的鍵值，并將鍵值打印到串口上，相應(yīng)的程序調(diào)試信息也可以打印到串口上。

圖5 矩陣鍵盤項(xiàng)目運(yùn)行結(jié)果

3 項(xiàng)目教學(xué)法在技能競賽訓(xùn)練中的應(yīng)用

在多項(xiàng)職業(yè)院校技能大賽中，都有嵌入式程序設(shè)計(jì)相關(guān)技能的考核要求，如嵌入式技術(shù)應(yīng)用開發(fā)賽項(xiàng)、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作賽項(xiàng)、集成電路開發(fā)及應(yīng)用賽項(xiàng)等。對于參加技能競賽訓(xùn)練的學(xué)生，對他們的要求會比普通學(xué)生的要求高一些，在對他們進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)時，除了按照圖2的流程進(jìn)行訓(xùn)練外，還需要增加一項(xiàng)代碼風(fēng)格檢查，如圖6所示。當(dāng)代碼風(fēng)格檢查不通過時，須返工，經(jīng)過幾次的迭代，學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)編程能力就可以得到明顯的提高。

圖6 競賽訓(xùn)練中項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)流程

代碼風(fēng)格檢查過程的關(guān)鍵是規(guī)則的設(shè)定，嵌入式程序的代碼風(fēng)格規(guī)則的范圍很廣，不同的企業(yè)可能也會有不同的要求，這里以高職學(xué)生在進(jìn)入技能競賽訓(xùn)練前期經(jīng)常出現(xiàn)的一些代碼風(fēng)格問題進(jìn)行總結(jié)，如下：

1) 變量的命名需取有意義的名字，可以采用駝峰命名法或者下劃線命名法。

2) 中斷函數(shù)里面不允許做太多復(fù)雜的操作，不允許出現(xiàn)大段的延時。

3) 在main函數(shù)中盡量少用大段的延時。

4) 在寫某個硬件模塊驅(qū)動的時候，要考慮到使用者的易用性，要做好驅(qū)動使用者與硬件溝通的橋梁。在工程文件里，一般一個.c文件應(yīng)對應(yīng)一個.h文件。

5) 一般是系統(tǒng)中所有的硬件全部初始化完了，才將總中斷打開(特殊的應(yīng)用不一定要遵守這條規(guī)則)。

6) 復(fù)雜的邏輯，建議用狀態(tài)機(jī)來控制，這樣不容易出錯。

4 結(jié)語

通過學(xué)生們提交的課程總結(jié)報(bào)告中，可以發(fā)現(xiàn)將項(xiàng)目式的教學(xué)法運(yùn)用到課程中，提高了學(xué)生們對這門課的興趣，幫助學(xué)生們解決在課程中碰到的困難，學(xué)生們在項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過程中獲得了成就感。將改進(jìn)后的項(xiàng)目教學(xué)法應(yīng)用于技能競賽訓(xùn)練中，可以明顯地提高學(xué)生的專業(yè)技能能力。筆者將改進(jìn)后的項(xiàng)目教學(xué)法應(yīng)用于學(xué)生電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作賽項(xiàng)、集成電路開發(fā)及應(yīng)用賽項(xiàng)的訓(xùn)練中，學(xué)生獲得了2021年全國職業(yè)院校技能大賽集成電路開發(fā)及應(yīng)用賽項(xiàng)一等獎，2022年福建省職業(yè)院校技能大賽電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作賽項(xiàng)一等獎。