基于案例驱动的嵌入式系统实验教学的改革

谢 东,丁方莉,鲍尚东,崔雪英,宋鸿儒

(铜陵学院 电气工程学院，安徽 铜陵 244000)

基于案例驱动的嵌入式系统实验教学的改革

谢 东,丁方莉,鲍尚东,崔雪英,宋鸿儒

(铜陵学院 电气工程学院，安徽 铜陵 244000)

针对嵌入式系统课程传统实验教学方法的不足，对基于案例驱动的嵌入式系统实验教学的改革进行了有益的探索。首先分析了适用于嵌入式系统案例化教学实验平台的硬、软件设计方法，再对嵌入式系统实验教学案例的实施进行了详细的阐述。实践表明，嵌入式系统案例化实验教学模式的改革值得进一步研究和推广。

嵌入式系统；实验教学；教学平台；教学案例

嵌入式系统在工业控制、智能家电、汽车与医疗电子以及国防和航天等众多领域有着广泛的应用，社会上对嵌入式系统专门人才的需求也日益增多。为此，国内许多高校在最近几年开设了嵌入式系统课程，并将其作为工科电类专业的一门重要课程。由于开课时间不长，嵌入式系统课程教学过程中面临以下几个方面的问题。

1.嵌入式系统的教学牵涉到电子、通信、计算机、自动化等相关知识的应用，各电类专业在教学中往往未从专业角度进行教学体系和教学内容的设置，从而不能满足不同专业的学生对该课程的学习要求。

2.嵌入式系统是一门实用性、操作性很强的课程，但在具体教学过程中，很多学校偏重理论教学，实践教学课时数不到总课时数的三分之一，且实验教学设备仅能做一些验证性实验，缺乏设计性实验，无法培养学生的实际动手能力，致使学生毕业后缺乏独立开发的技能。

3.实验的形式比较单调，抑制了学生自主创新的学习动力，致使学生因为对实验缺乏兴趣而马虎应对，这样学生对整个知识体系的理解只停留在表面，很难掌握知识细节。

针对上述问题，本文在嵌入式系统教学中进行了基于案例驱动的实验教学改革的探索，围绕案例驱动的教学理念构建了嵌入式系统的实验平台。通过案例教学，学生的动手能力有了明显提高。

一、嵌入式系统案例化教学实验平台的设计

要实施嵌入式系统案例化实验教学的改革，必须具备有利于案例化教学的开发实验平台。与传统实验教学平台不同，其实验、实训等功能模块的设置要符合案例化教学的要求，通过该平台可使学生更快地掌握嵌入式系统相关技术，增加学生嵌入式产品开发的经验。

1.实验平台硬件的设计

为满足案例化教学的需求，选择以ARM9微处理器芯片作为控制核心，构建嵌入式系统实验教学平台，图1为该平台硬件的总体结构。

图1 教学平台硬件的总体结构

图1所示硬件平台的控制核心为三星公司生产的32位嵌入式微处理器S3C2440，它釆用ARM920T内核，兼容标准的Linux操作系统。S3C2440外围存储电路为64Mbit SDRAM存储器KM416S4030C 和32Mbit的Flash存储芯片SST39VF320。Flash存储芯片用来存储Linux操作系统内核以及应用程序，而系统启动时，S3C2440将Flash芯片中的有关程序调入SDRAM中运行。键盘和显示器用于实现系统的人机交互，键盘采用4×4行列按键，显示器采用12864LCD液晶屏。在网络接口中，以太网的MAC控制器采用台湾DAVICOM公司生产的DM9161，它符合IEEE 802.3U标准，能自适应10/100M网络，通过RJ-45接头使本系统与交换机或路由器连通。系统软件调试采用10针的JTAG接口，串行接口釆用的是九针RS-232异步串口。

图1下方虚框内的部分为学生参与开发的用于实验案例教学的各个功能模块，不同专业、不同水平层次的学生可选用不同的功能模块。

2.实验平台软件的设计

教学平台软件设计的重点是嵌入式操作系统的选择，本教学平台选用了适合于嵌入式开发的基于2.6内核版本的Linux操作系统，构成目前较先进的ARM+Linux的嵌入式开发模式。

教学平台软件的设计主要是建立基于Linux的开发环境，其构建方法如下。

首先建立交叉编译环境。 受到硬件资源的限制，嵌入式系统的开发一般要借助于PC机，通过安装交叉编译器，在PC端编辑、编译应用程序后再经链接生成相关可执行文件，最后在嵌入式平台上运行。

其次是引导加载程序Bootloader的设计。Bootloader的作用是硬件设备初始化并建立内存空间映射图，从而使系统软硬件环境被配置到一个合适的状态，以利于操作系统的调用。在目前较流行的几种bootloader中，本教学平台选择了功能强大且源代码开放U-boot。通过编译U-boot，将二进制生成文件u-boot.bin烧录到硬件平台的Flash中，并将其设置为启动档，则复位后bootloader开始进行相关程序的加载。

最后根据特定需求进行Linux内核配置与移植，以保证教学平台性能的最优化。主要包括以下三步。

第一步，下载内核源码，解压后进行相关功能的配置。主要配置功能有可加载模块支持、系统类型、总线支持、网络协议支持、设备支持和文件系统等。

第二步，配置设备驱动程序。为CPU外围的网络、串行通信等接口以及开发的各实验功能模块配置相应的设备驱动程序。

第三步，配置文件系统的驱动支持并制作根文件系统。本教学平台文件系统采用yaffs2格式，通过配置Flash驱动可满足yaff2s文件系统，而根文件系统采用的是 root_qtopia-20100108.tar.gz。

二、嵌入式系统课程实验教学案例的研究

1． 案例教学法简介

案例教学法是以借助具体案例的实践教学代替理论讲解，引导学生对具有特定工程背景的教学内容进行分析、讨论并找出问题解决途径的一种教学方法，它是培养学生独立分析和处理问题能力的一种有效手段。

案例教学中教师讲解要少，应扮演学习辅助者的角色，在选择案例时应突出以下几点要求。

(1) 现实性，所选案例是来自生活的真实案例；

(2) 相关性，所选案例紧扣教学内容，使学生对所学理论知识加深理解并提高解决实际问题的能力；

(3) 综合性,学生需要综合运用多种知识与灵活的技巧来处理问题；

(4) 直观性，案例要客观生动而非一堆事例、数据的罗列；

(5) 可判定性，要考虑学生的实际水平。

2．嵌入式系统课程实验教学案例的实施

下面以电气自动化专业为例，介绍嵌入式系统课程实验教学案例的实施过程。

首先是选择合适的实验教学案例。通过对案例化教学的深入研究，笔者考虑从以下几个方面着手，进行教学案例的选取。

(1) 教学案例的选择应具有层次性和针对性，既要符合学生当前的研究水平，又要与学生所学的专业相结合；

(2) 教学案例能帮助学生加深对嵌入式系统相关知识的理解，并能体现知识的连续性与延展性；

(3) 教学案例应成为嵌入式理论与实际问题的一个结合点与着力点，而不能变成某个科研课题的简化；

(4) 教学案例应简化复杂的工程背景介绍，侧重嵌入式技术工程应用方法的阐释，以体现逐步递进、循环深入的科学研究过程。

按上述几个方面的要求，笔者选择“家庭智能报警器的设计”作为嵌入式系统课程实验教学的案例。本教学案例给学生布置的具体设计任务是设计一个红外报警系统，该系统能通过网络把获取的外人进入房间的信息传送到远程监控者Web浏览器上，使得监控者能够对家中情况及时作出反映。选择该实验教学案例的理由，一方面是因为它综合运用了检测与转换技术、计算机网络技术和嵌入式系统等电气自动化专业相关课程的知识，能培养学生对课堂所学知识的综合运用能力，并能实现知识的连续性与延展性；一方面是因为该教学案例的技术难度符合学生的实际设计与研究水平，有利于培养学生的动手技能，能够为学生毕业后从事嵌入式产品开发打下一个良好基础。

教学案例确定后，教师应对学生分组，组织和引导各组学生分别开展设计工作，完成相关的实验任务。下面是其中一组学生设计的家庭智能报警系统。该系统的硬件包括两个部分，一个是提供给学生的实验教学平台的核心cpu板，一个是本次案例教学中学生自己设计的红外报警功能模块，整个系统的硬件结构如图2所示。

图2 实验教学案例的的硬件结构

图2中虚框内的部分为红外报警功能模块，D1、D2为由LED发光二极管构成的指示灯，TX和RX分别为红外发射管和红外接收管。当红外报警模块输入端“in”为高电平时，TX不发射红外线，指示灯D1不亮；而当输入端“in”为低电平时，TX发射红外线，指示灯D1被点亮。当RX接收到红外线时，红外报警模块的输出端“out”输出低电平，指示灯D2被点亮；而RX未接收到红外线时，“out” 端输出高电平，D2不亮。这样，TX与RX之间的红外光束被人遮挡时，则“out”端会输出高电平，核心cpu板检测到“out”端为高电平时会产生报警。

核心cpu板与红外报警功能模块之间通过cpu的GPI/O口进行连接，这里设置S3C2440的GPB口与GPG口来实现红外报警模块与cpu的通信，为此需要对相应的寄存器GPBCON、GPBDAT和GPGCON等进行初始化设置，具体软件编程如下：

#define GPBCON (*(volatile unsigned long *) 0x56000010)

#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *) 0x56000014)

#define GPGCON (*(volatile unsigned long *) 0x56000060)

#define GPGDAT (*(volatile unsigned long *) 0x56000064)

GPBCON=0x00000400; //设置GPB.5为输出口

GPBDAT =0x00000000; // GPB.5输出为0

GPGCON=0x00000000; //设置GPG口为输入口

由上述编程可知，GPB口的第5位被设置为输出口且输出值为0，所以红外报警模块输入端“in”为低电平，TX会发射红外线，若无外人进入过房间，RX一直会接收到红外光，输出端“out”会保持为低电平；而当有人进入过房间时，红外光束会被人暂时遮挡，“out”端也会暂时输出高电平，cpu的GPG口第5位与“out”端相连且已被设置为输入端，这样当cpu读到“out”端的高电平信号时会设置“房间有人进入”的标志。在实验教学平台中，嵌入式操作系统Linux提供的文件系统已经包含了有人进入房间和无人进入房间的相关静态网页文件，当监控者在远端通过浏览器向红外报警系统产生一个连接请求时，系统会根据是否设置了“房间有人进入”标志而向对方浏览器发送有人进入的网页或无人进入的网页，使得远端的监控者能够了解家中的安全情况。

在该教学案例中，系统仅设计出一路红外信号的探测，实用性不强。为进一步深化该案例的教学，可鼓励有兴趣的学生设计开发更为实用的嵌入式产品，能够对湿度、温度、烟雾浓度等多种信号进行采集与传送。在多路监测的系统中如何采集和传送实时数据有一定的技术难度，这样可以进一步地培养学生的工程实践能力。

在案例化教学中，学生的学习是一种主动行为，学生需要搜寻大量资料以获取相关信息，并经过自己独立的思考与实践才能获得成功。本案例实施过程中学生的工作任务安排如下。

(1) 资料收集与准备

学生根据所提供的案例材料查阅、搜寻相关的资料以获取必要的信息，并积极思考案例材料中给出的一些思考题，对案例中提出的问题形成初步的解决方案。

(2) 分组讨论与决策

每8人分为一组，各小组分开讨论。各组中每人都可根据对案例的理解发表不同意见，提出自己的一种解决方案；小组成员共同讨论各方案的优缺点，并总结、归纳出一种最优方案。

(3) 方案的集中讨论

在指导教师组织下，各小组选派一人作为代表，对于案例的分析与处理发表意见，并提出本小组的解决方案。发言完毕后要接受其他小组人员讯问并且作出解释。对于意见较集中的问题与处理方式，要求各小组对此展开重点讨论，最终各小组给出一种合理的解决方案。

(4) 方案的实施与总结

分组讨论与集中讨论结束后，学生完成红外报警系统软、硬件的设计与调试工作。最后进行归纳与总结，撰写出案例分析报告，报告的内容包括案例简介、对案例中所提问题的分析过程与解决方案、方案选择的理由、从案例得出的结论等。

结语

嵌入式系统课程的实验教学通常只做一些验证性的实验，无法激起学生的学习兴趣，因而教学效果往往不够理想。为此，本文针对基于案例驱动的嵌入式系统实验教学改革进行了探索与实践，首先构建了有利于案例教学的嵌入式系统实验平台，并根据学生的专业特点与实际能力引入了相关的实验教学的案例。自开展基于案例驱动的嵌入式系统实验教学改革以来，学生普遍反映对该课程的性质与作用有了更深刻的认识，学习的兴趣有了明显提高；学生独立思考能力、综合运用知识能力和实践动手能力有明显的增强，同时还培养了团队合作精神和创新意识。总之，案例教学法作为可以提高教学质量、增强教学效果的一种教学新模式，值得进一步的研究和推广。

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Class No.:G642.0 Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

Case-Driven Reform of Embedded System Experiment Teaching

Xie Dong, Ding Fangli, Bao Shangdong, Cui Xueying, Song Hongru

(Department of Electrical Engineering, Tongling University, Tongling, Anhui 244000，China)

Aiming at the deficiency of traditional experimental teaching method of embedded system. The reform of case-driven experimental teaching of embedded system is made. The hardware and software design methods of the embedded system experiment platform applied to the case teaching are analyzed, and the implementation of the embedded system experiment teaching case is analyzed in detail. The practice shows that the reform of the embedded system case-based experimental teaching mode deserves further research and promotion.

embedded system; experimental teaching; teaching platform; teaching case

谢东，博士，副教授，铜陵学院。研究方向：嵌入式技术、新能源发电。

安徽省高校自然科学基金重点资助项目(编号：KJ2015A245) 。

1672-6758(2017)05-0009-4

G642.0

A