普通高校自动化专业嵌入式技术教学思考

王 威

(河南工业大学电气工程学院,河南郑州450052)

0 引言

自动化专业学生应具备什么样的嵌入式系统知识结构,教育界已有“ARM+Linux、8051+汇编语言、MCU+C、DSP+C”等多种提法[1-3]。但是,自动化专业嵌入式测控技术的教学结构是采用ARM+Linux,还是MCU+C,目前尚无统一的意见。

自动化专业嵌入式测控技术采用“MCU+C”的教学结构,更有利于学生能应用已学的“MCU+C”知识,构建一个典型的小型自动化测控系统。比如设计并制作一个具有一定精度、较高稳定度要求和性价比的真实温度测控仪,设计并制作一台可实际运行的全自动智能赛车等。

自动化专业的教学必须突出嵌入式技术的“测控+系统”理念,也就是指测量、算法和执行。因而必须注重检测与传感技术、数据处理算法、控制理论和程序设计、电力电子和测控对象的工程特性等。

1 嵌入式测控技术的教学层次

根据我们对本校自动化专业毕业生近五年的跟踪调查,发现学生毕业后真正从事嵌入式测控技术的大约占10-25%(包括MCU PLC DSP等应用系统)。根据近九年的教学实践,我们将自动化专业嵌入式测控技术的教学分为如下三个层次。

(1)认知能力型

要求学生熟悉嵌入式测控技术的应用领域和方案,对嵌入式测控技术的应用系统与结构有较深入地了解和认识;了解嵌入式测控硬件平台(熟悉一种8位MCU)的系统体系结构,能够读懂嵌入式测控硬件电路和软件程序(C语言);熟悉基于8位MCU的嵌入式软件、硬件开发流程,能够编写简单嵌入式测控程序。这一层次面向所有学生,可以采用课程学分的形式实施。

(2)掌握能力型

要求学生熟悉嵌入式测控技术的几种典型技术方案,对嵌入式测控技术的应用系统与结构有较深入的认识和使用;掌握一种嵌入式测控硬件平台(一种PLC或8位MCU)的系统体系结构,能够分组设计嵌入式测控硬件电路和软件C程序;熟悉基于8位MCU的嵌入式软件和硬件开发流程,能够分组设计并制作完成课程设计,可以进行基于 8位MCU的毕业课题设计,也可作为全国大赛和创新学分的非主力参赛队员。可以采用课程设计制和创新学分的教学形式实施。这一层次面向40-50%的对嵌入式测控技术有兴趣的学生。

(3)研发能力型

要求学生熟悉嵌入式测控技术的多种技术方案,对嵌入式测控技术的应用系统与结构有深入的认识和使用;掌握两种嵌入式测控硬件平台(8位和16/32位MCU)的系统体系结构,能够设计嵌入式测控硬件电路和编写软件程序(C语言);熟悉基于16位MCU或32位MCU的嵌入式软件和硬件开发流程。最终能够独立设计并制作完成一个真实测控装置。可采用项目制、全国大赛和创新学分的形式进行教学,可作为全国大赛和创新学分的主力参赛队员。这一层次面向对嵌入式测控技术有较强兴趣的学生。

2 嵌入式测控技术的MCU选型

自动化本科教学是基于8位MCU,还是基于16位MCU是大家共同关心的问题。我们根据多年的实践体会到:自动化专业的嵌入式测控技术的基础教学以选较新型的8位机为宜。新型8位机(例如HCS08系列)的难度和资源可以安排在36学时理论教学+36学时课程设计内,完成认知和掌握两个层次的教学。

我们曾采用Freescale的16位HCS12进行了MCU的基础教学,在学生学习MCU课程之前,仅具有“电子技术”和“C程序”的课程基础的学生,经过二年教学实践,大部分仅达到了认知层次。2007年,我们改用HC08,后又改用HCS08,达到良好效果,使60%以上的学生可以达到掌握能力层次。2008年以后,由于就业市场的影响以及嵌入式技术应用市场的发展,90%以上的自动化专业学生认识到嵌入式技术的重要性,选修了该类课程。

3 RTOS在嵌入式测控技术中的应用

2008年,意法公司推出基于ARM-CORT EX体系的STM32系列MCU,许多高校教师希望能在自动化专业嵌入式测控技术类课程中引入RTOS,以提升智能产品的技术和减少开发周期。

嵌入式测控系统的小型应用程序可以不用操作系统直接在集成电路上运行。由于新型8位机、16位机和32位机的大量应用和数据处理复杂程度的提升,嵌入式测控系统的实时操作系统的重要性日渐凸显,必须保证程序执行的实时性和可靠性,并减少开发时间,保证软件质量。我们拟在本科教学中引入S12+UC OSII(或FREE RTOS)作为开发平台。我们期望能够找到简明教材和简单系统作为RTOS的入门教学。

4 提升嵌入式技术课程教学效率

如果能够建立自动化专业嵌入式测控技术类课程教学的协调机制,吸收产业界共同开展相关的教学研讨,可以提升测控技术的教学效率,促进大学生的就业和创业。籍此推动国家级精品课程建设,提升教学平台和教学层次。

相对于电子、通信和信息类的嵌入式系统课程教学体系,面向I/O的嵌入式测控技术类课程的教学体系和认识尚待深入探索,我们建议对如下五个问题展开讨论。

①如何在自动化专业的教学中强化理论与实践的结合;②如何让更多的师生接受新型嵌入式测控新技术;③如何持续在工科各专业推广和开展全国大学生智能车比赛;④如何提升嵌入式测控技术的教学效率和教学效果;⑤如何缩短嵌入式测控技术教学与工业界和就业市场需求的距离。

2006年以来,通过近五年的发展,全国大学生智能车比赛吸引了越来越多的优秀学生参与,已经发展成为涉及自动控制、电子、计算机、机械、检测技术和模式识别等诸多技术领域的全国性比赛。大赛的公平、公正和富有竞争的特质鼓励了全国众多高校。培养了一大批具有一定的技术水平、较强的实践能力和富有激情创新型人才。

我们通过本文,建议全国大学生智能竞赛作如下的一些改革。

(1)由于比赛的规则强调速度,而事实上速度是有极限的。因此,这些规则导致普通高校的参与度受到了影响,也不利于新型MCU的普及和应用。

(2)比赛的规则缺乏竞技的分量,参赛的趣味性和多变性亟待提高。传感器和执行器的形式过于单一,光电组不准加镜头的规则执行有较大的困难。

(3)物质技术条件对比赛结果的影响比重较大,导致参赛方竞相采用较高价格的激光、高性能16位MCU和高级驱动器电路等,在某种程度影响了学生认真深入的学习和应用MCU的设计技术,淡化了自动化专业“测控+系统”理念的深入实践。建议改革为以8位和16位等分类比赛,可以扩大参赛数量和学生受益面。

(4)改革比赛分区方式,以便降低比赛的技术门槛和差旅开支,以便将有限的资金用于比赛的硬件和软件投入。

[1] 段敬红,王磊,等.嵌入式系统实验教学建设与实践体系的建立[J].南京:电气电子教学学报,2007,29(3)

[2] 俞建新.略论嵌入式系统的实验教学[J].上海:实验室研究与探索,2006,25(7)

[3] 张腾飞,顾亦然,王 瑾.电气类专业嵌入式实践教学内容与方法的改革探索[J].北京:中国电力教育,2009,7