基于项目驱动的嵌入式系统实验教学研究与设计

湖北民族学院科技学院 李晓艳 向丽萍 徐 建



基于项目驱动的嵌入式系统实验教学研究与设计

湖北民族学院科技学院 李晓艳 向丽萍 徐 建

【摘要】针对目前高校中嵌入式系统实践教学存在的一系列问题，本文探索并提出了以工程项目驱动的实验教学模式。根据嵌入式实验教学目的，设计了具体可行的实验项目。学生通过完成该系统的设计和开发，可以充分掌握嵌入式系统的工作原理以及工程项目的开发流程，教学实践表明，效果良好。

【关键词】嵌入式系统；项目驱动；实践教学

1　前言

近几年来，随着嵌入式技术的广泛应用，对嵌入式技术人才的需求急剧增长，直接推动了嵌入式技术成为高校计算机课程体系的核心课程。嵌入式系统是一个多技术融合的研究领域，包含了嵌入式微处理器、嵌入式软件设计、实时操作系统、低功耗计算、系统可靠性设计、设计方法学、嵌入式系统设计工具、嵌入式多处理器系统设计、网络化嵌入式系统、接口和混合信号系统等诸多知识点［1］，课程的实践性强，在教学中仅仅依靠有限的课堂理论教学和一些验证性实验是无法将嵌入式技术的开发和工程应用结合起来，不能提高学生的创新实践能力，也无法满足企业的用人需求。

为了解决这些问题，我们探索并提出以项目驱动的嵌入式系统实践教学模式， 通过实际工程项目来培养学生对嵌入式系统的硬件基本体系和结构、嵌入式软件开发流程、系统调试等知识的掌握，使学生具备基本的嵌入式项目开发知识和能力。

2　嵌入式实验现状

2.1嵌入式系统实验教学的目标和特点

嵌入式系统是理论与实践结合密切的课程， 理论框架是重要的，但实践的重要性更为突出，其主要特点有：（1）实践性。嵌入式系统与实际应用紧密相连，其设计有很强的实践性，教学中没有完备的实践环节，嵌入式系统课程学习就犹如纸上谈兵［2］；（2）软硬件高度结合。一个完整的嵌入式系统需要在软硬件基础之上工作［3］，其中底层硬件是实验的基础平台，嵌入式操作系统是重点，嵌入式系统的应用程序设计是关键；（3）知识和技术更新速度快。嵌入式系统技术日新月异，因此在实验内容和实验设备上，都必须不断发展更新。

2.2嵌入式系统实践教学的现状

目前多数院校都延用旧有的嵌入式系统实验教学，但效果欠佳。首先，实验安排中，验证性实验过多，单一性基础实验多，综合性开发实验少；其次，实验缺乏系统性，传统的实验教学总是按相关课程讲授顺序来安排实验，这样能够很好地为课程理论教学服务，但各个实验相互之间没有关联，使学生很难通过实验对嵌入式系统设计有一个直观、整体的认识。以本校嵌入式实验为例，实验中虽然安排了操作系统移植，驱动开发，应用开发等一系列实验，但每个实验都是单一的验证性实验，无法将整个嵌入式系统开发流程串连起来，造成学生学完课程之后任然不懂如何应用，拿到一个实际的工程项目后茫然不知如何下手；最后，嵌入式实验设置与实验室资源配置不合理。嵌入式技术跟实际应用紧密结合，且技术更新速度快，这就造成部分实验设备落后，难以与快速发展的嵌入式硬件与软件开发同步；实验资源长期闲置，利用率低。

为了使理论教学和实践教学更好的结合起来，提高学生的动手能力，根据嵌入式系统课程的主要特点，我们尝试着基于项目驱动的教学模式。项目驱动化教学，就是以项目为载体，将课程讲授的知识点穿插于其中，注重课程理论体系的完整性，达到理论实践一体化、传授知识与培养能力一体化、“教、学、做”一体化的培养工程人才的教学方法，这种教学模式比较适合那些实践性较强的课程［4～5］。

3　实验项目背景及总体构架

基于项目驱动的实践教学，将其工程背景设计为一种基于嵌入式技术的智能监控系统。智能视频监控系统借助计算机图像处理、模式识别等技术，可以在无人值守的情况下，实时检测监控场景下的运动目标，从而触发报警行为，如蜂鸣器报警、抓拍和录像等，客户端也能在浏览器中查看到监控画面。运动目标检测，就是将监控中的运动目标从背景图像中识别出来。设计运动检测目的是用来实现智能视频监控功能。

3.1系统总体框架

系统的基本组成主要包括图像采集模块、数据处理模块（动态目标检测）、数据显示模块（播放器）和报警模块，系统总体结构图如图1 所示。

图1　智能视频监控系统

整个实验项目包含的主要知识点有：linux嵌入式系统构建、linux设备驱动、linux应用程序开发。

我们根据项目所需求的知识点将整个工程项目分解为4部分实验，在实验内容安排上，抛弃了传统实验教学中的面面俱到的方式，完全以项目为中心，有选择的将理论知识融入到各个实验部分，使得学生既能通过实验加深对理论知识的理解，又能掌握嵌入式系统开发的整个流程。

3.2硬件设计

硬件是实验基础平台，在设计中主要涉及到各种芯片（嵌入式微处理器、存储器、接口部件等）与外设部件的连接，学生需要了解嵌入式处理器，存储器以及各种外部接口的基本知识。但针对计算机专业，我们将教学重点放在软件部分，因此我们直接选择已有的嵌入式系统实验平台。选择这个工程项目作为实验背景，是因为所需要的硬件资源较少，可以充分利用已有的实验设备。实验平台选择了英蓓特公司的EMBV210平台，处理器为ARM Cortex-A8 S5PV210，主频达到了1GHz，并搭载512MB Nand Flash，1GB DDR SDRAM，搭配一个USB摄像头和一个音箱。

3.3基础实验

搭建开发环境是一个应用系统设计的基本，尤其是嵌入式系统中涉及到交叉编译这个概念，很多学生无法理解。我们在部分实验中安排了搭建嵌入式开发的软硬件环境实验，如系统引导程序（Bootloader）移植、Linux操作系统的移植、交叉编译环境搭建、开源图像库OpenCV的移植等。这些实验的目的在于能够培养学生对于嵌入式系统有关特性的理解，并且可以深入到嵌入式系统内核中进行操作系统方面的调用和测试，使得学生了解关于嵌入式系统的基本有关操作，以及有关嵌入式操作系统进程、线程、内核体系结构的编程，并且为之后的高级应用设计打下基础。

3.4驱动程序实验

嵌入式系统跟普通微型计算机不同，它是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，在实际应用中它需要操作各种各样的外部设备，在系统中驱动程序作为内核的一部分提供对设备操作的支持，主要针对开发平台上的多种接口：I2C、SPI、IO、A/D、中断等，程序主要包括设备的打开和释放、设备的读写、设备的控制管理等。嵌入式系统的驱动程序实验主要让学生们掌握各种典型外设的驱动程序的结构模式和规则，以及嵌入式驱动程序开发的基本流程。本系统要完成视频监控和报警，需要实现的驱动程序包括USB摄像头驱动和声卡驱动。由于操作系统内核中己经支持多种类型的摄像头和声卡，所以在实际开发中只需根据具体的型号进行相关的修改和扩充，就能够适应不同种类的驱动环境。

3.5高级应用程序设计实验

高级应用的实验内容主要包括2个方面：图形界面编程和高级应用程序的移植。图形界面采用具有良好发展前景的Qt/E，学生能够在此基础上使用Linux自带的工具进行C++编程来完成实验内容；另外，Linux有丰富的开源软件资源，可以把许多成熟的软件移植到嵌入式平台上，节省开发时间和精力。在这个系统中可移植的软件包含播放器和运动检测程序等。

4　总结

本文从嵌入式系统实践教学的现状出发，分析了目前实践教学所存在的问题，并提出以实际项目为基础，由简入难，将嵌入式系统理论知识分解到具体的嵌入式系统实验中，建立起一个完整开发流程。学生通过完成该系统的设计和开发，可以充分了解嵌入式系统的工作原理以及在实际工程项目中的开发和应用方法［6］。提高学生创新能力是一个长期的过程，我们将继续探索理论教学和实验教学一体化的方法，不断的丰富实践教学内容，获取更多的实践项目。

参考文献

［1］章民融，徐亚锋.嵌入式教学关键点的研究和嵌入式实验教学平台的设计［J］.计算机应用与软件，2009，26（3）：160-162.

［2］刘雍，马玉春，汪文彬，等.项目驱动在嵌入式系统实验教学改革中的初探［J］.中国科教创新导刊，2014（13）：23-24.

［3］郑宁汉，陶品，宋思超.嵌入式实验系统设计原则的一些探讨［J］.计算机教育，2014（5）：118-121.

［4］李妍.项目化教学在嵌入式系统实践课程中的探索［J］.实验室科学，2012，15（5）：27-29.

［5］张腾飞，王保云.基于问题设计的嵌入式实践创新人才境况体系研究［J］.人才培养改革，2013，22：56-58.

［6］谭筠梅，王履程，蓝天.基于工程项目引领的嵌入式系统实验设计［J］.实验科学与技术，2014，12（6）：101-103.

基金项目：湖北民族学院科技学院教学研究项目（KY201112，KYJY201507，KY201111）湖北民族学院教学研究重点项目（2014JY005）。

通讯作者：徐建。