项目驱动法在嵌入式系统实践教学中的探索

翟文正

（台州学院 数学与信息工程学院，浙江 临海 317000）

传统的嵌入式系统教学强调理论化、知识化的授课方式，忽略了嵌入式技术发展快、涉及课程体系庞杂、实践性应用性强的特点，学生在课程结束后面对实际的工程应用问题仍是无从下手。

当前市场对嵌入式人才的需求量不断上升，如何开展好嵌入式系统教学，培养合格的嵌入式工程师是对有效教学的考验。本文结合嵌入式系统课程特点，从激发学生学习兴趣、培养学生自主学习、提高学生创新能力的角度，探讨项目驱动教学法在嵌入式系统课程实践教学中的应用思路。

1 项目化嵌入式系统教学方法

（1）以项目为引导。项目是教学活动的核心，以项目统一多种实践环节，作为全程教学的载体，随着项目的推进，教与学的过程随之进行。（2）以需求学理论。将相关知识点融入到项目各环节，由项目驱动学生自觉主动探求解决之道，做到有的放矢［1］。（3）以实践为主导。边干边学，以干促学［2］。（4）以学生为中心，教师在整个教学过程中起组织和指导作用。

学生通过完成项目，最大限度地学习和掌握了有关嵌入式系统的知识和应用方法，并使之在理论与实践的结合达到了较高层次的升华。

2 项目驱动法的应用

2.1 项目设计

项目的选材是项目驱动教学法得以实施的首要问题，教师的纵、横向课题，承接的对外服务，毕业设计优秀作品，经典教学项目或企业的成功案例，学生自拟的题目都可作为课程教学的主线。

见表1所示的层次化实验项目设计，从基本入手，逐步综合，直到做大项目的实施过程，可使学生的学习兴趣逐渐提高，工程设计能力得以加强。

表1 层次化实验项目设计Table 1 Hierarchicalexperimentalproject design

表1示例了部分嵌入式项目教学实例，可通过工程实践、电子设计大赛等方式收集整理并逐步积累。

2.2 项目实践

指导教师应具备实际项目经验，能借鉴并运用项目化教学方法引导学生。

首先，组织学生对具体项目需求分析，确定设计任务和设计目标，提炼出设计规格说明书；为缩短项目开发周期，可分组软硬件协同设计并行开发；系统集成阶段，将软件、硬件和执行装置集成后联调，发现并改进单元设计过程中的错误，最后对设计好的系统进行评测是否满足功能要求。

2.3 实验设备

嵌入式系统实验箱，开发板（学生亲手DIY），各种虚拟仿真工具，如Keil、Proteus可支持大部分单片机开发的虚拟仿真，SkyEye可模拟多种基于ARM的完整的嵌入式系统，Qurtus/ISE可编程逻辑开发工具，基于模型的嵌入式设计环境SimuLink以及状态图建模工具Stateflow等都可作为项目化嵌入式实践教学的有效载体。

2.4 考核方式

成绩考核以“作品”+“答辩”方式，注重对学生实践过程的评价。

3 案例分析

下面以“智能温控器”为例说明项目驱动法教学的实施过程。

3.1 项目任务

该项目是地方企业委托开发的电热板温度控制模块，要求实现多路多段温度时间精确控制。项目教学要求：

（1）根据嵌入式最小系统设计思路和项目结构图绘制出实时温度采集及根据既定算法控制动作的电路原理图；

（2）能正确利用电路板及相应芯片完成硬件电路的搭接、调试；

（3）软件开发满足设计要求；

（4）完成系统调试，完善控制系统的控制功能，提高控制系统的可靠性和安全性；

（5）最后撰写项目设计报告。

3.2 项目教学实施

组织学生对题目深入分析和探讨，并对所有设计方案评审和论证。划分系统为图1所示的几个部分，让学生对项目规模有了整体认识。

图1 系统结构框图Fig.1 System block diagram

教师通过给学生分析项目需求、项目切入点、项目设计方法、项目实施基础后，即可按小组任务分工，由学生制定项目工作计划，确定工作步骤和程序，教师以导师形式全程跟踪。

3.2.1 硬件小组：硬件电路的搭接

小组开发面临的首要问题就是主控芯片选型，采用8位单片机还是高性能嵌入式控制器，提议从性能、价格、易用性、开发支持等方面全面比较。如NXP的LPC1114，一款基于ARM Cortex-M0内核的32位微控制器［3］，能以8位单片机的价位获得32位处理器的性能，片上32KB Flash，8KB SRAM大小，内部集成ADC模块，已被广泛应用于高集成度和低功耗的嵌入式应用领域，较适宜本项目需求。

确定了主控核心，学生通过查阅处理器Datasheet分别设计出电源电路、复位系统、时钟电路，实现一个ARM最小系统，再依次根据结构框图设计出其它功能模块。经教师认可即可由原理图列出所需元器件清单，接下来根据接线图进行硬件电路的搭接与调试。此过程考验了学生学用电子与电路知识、主流EDA工具掌握情况，也是对微机接口、单片机原理等学科知识点的考验。

3.2.2 软件小组：软件设计

教师引导学生学会模块化设计，将软件开发分解成几个相对独立的模块由小组成员分别完成，如按键设置模块、按键扫描模块、数码显示模块、A/D转换模块等。考虑到温度控制的精准度要求，设计中引入Fuzzy-PID智能控制算法。整个软件开发建议采用主流的开发工具及嵌入式C语言进行程序设计。

图2 软件开发任务划分Fig.2 Task partitioning in software development

3.2.3 联调

当系统运行没能达到预期目标，则说明程序或者硬件有错误，教师应及时引导学生分析问题，仔细查找错误根源，最终达到预期的效果。

3.3 项目扩展

小组根据自身的知识结构和能力完成项目内容，最后进行集中讨论，提出合理可行的项目扩展方案，比如：（1）移植μC-OS实时操作系统到LPC1114，实现多任务调度。（2）利用串口通信功能，与PC上位机通信，实现温度信息的数据采集。（3）扩展为温度检测网络节点，所有检测节点Zigbee技术组成无线网络等。

3.4 项目总结

归纳总结项目开发中应用的知识点和技能、遇到的难点及解决方法，文档整理，做好项目开发最后一个环节。

4 结语

本文探讨了一种项目驱动的嵌入式系统实践教学的方法，给出其应用的思路。通过项目引导给学生确立目标，激发热情；利用项目需求来引导和增强学生对理论学习的热情和主动性；通过项目实践来提高学生的动手能力。然而，以项目驱动的嵌入式系统课程教学方法还依赖于良好的学习氛围、实验环境和强大的师资力量，指导教师也需要根据实际情况，在实践中不断进行研究、积累和创新才能培养出社会所需要的高素质嵌入式技术人才。

［1］李宁，宋薇.项目化嵌入式教学方法研究［J］．单片机与嵌入式系统应用，2010(2)

［2］解志坚，张红燕.嵌入式系统开发人才培养的路径［J］．湖南农业大学学报，2010(36)

［3］王田苗.嵌入式系统设计及实例开发——ARM与μC/OS-Ⅱ［M］．北京：清华大学出版社，2002.9