嵌入式实训教学设备的研制与教学改革

崔业梅, 李元熙, 杨国华

(1. 江苏省无线传感系统应用工程技术开发中心， 江苏 无锡 214153；2. 无锡商业职业技术学院， 江苏 无锡 214153)

嵌入式实训教学设备的研制与教学改革

崔业梅, 李元熙, 杨国华

(1. 江苏省无线传感系统应用工程技术开发中心， 江苏 无锡 214153；2. 无锡商业职业技术学院， 江苏 无锡 214153)

针对国内大学现有嵌入式实训教学设备结构普遍单一，只注重大且全的缺点，结合国内“电子积木”和国外“塔式系统”引起教学设备研制思考，提出了一种跨平台、积木型嵌入式实训教学设备的研制，介绍了研究意义、研究内容、设计思路与技术路线等；突出跨平台和积木型的特点，并分析了研究过程中存在的难重点与创新点。该教学设备用于大学电子仪器仪表装配工中、高级考证实训教学改革中，成效显著。

跨平台; 积木型; 嵌入式; 教学设备; 教学改革

0 引 言

随着“中国制造2025”的提出，电子仪器仪表装配工已经成为国内最为紧缺的技术工种之一，随着仪器仪表信息化时代的到来，对仪器仪表装配工的技术要求也更高。大学里培养该技术人员的嵌入式实训课程的教学设备普遍存在结构单一，只注重大且全的缺点，为解决该问题，提出一种跨平台、积木型嵌入式实训教学设备的研制过程，研制的设备被应用于电子仪器仪表装配工中、高级考证实训教学中。

1 国内“电子积木”和国外“塔式系统”引起的教学设备研制思考

国内王文渭教授设计了专利产品“电子积木”。电子积木是把电线、灯泡、二极管、三极管、电阻器、电容器、开关、仪表、马达、扬声器、单片机等电子元器件分别固定在每个塑料片(块)上，这些塑料片(块)具有独特的子母按扣，可以被装配。把这些塑料片(块)安装在产品配置的基板上，像拼积木一样拼装、组合电路。拼装每一种电路，都可以听到或看到声音，光和电的现象。电学，声学，光学，磁学原理在装拆电路中容易被理解的清楚，孩子们从乏味的课本学习进入到奥妙无穷的电子世界。

国外freescale半导体公司设计了塔式系统，这是一种先进的模块化开发平台。开发平台主要以8、16、32位微控制器为核心，提供了大量的扩展模块，包含一系列开发套件，外形类似塔。freescale塔式开发平台的最大特点是可扩展性和模块化特性强，提供可重构、易于使用的控制器模块，外围可互换的模块，如串行端口，存储器和液晶显示模块等。利用塔式开发平台可以大大减少用户的开发时间，使用户可以更快、更便捷地使用freescale产品进行系统开发。

2 跨平台、积木型嵌入式实训教学设备研究现状与意义

2.1嵌入式实验装置使用现状

目前我国许多高校已经在计算机技术、物联网技术、电子信息工程等专业课程中进行了嵌入式系统的研究。嵌入式系统课程是一门实践性、综合性很强的课程，学习时必须要配合大量的实践训练，这就离不开实验装置。国内较为成熟的嵌入式系统教学实验设备，有些设计的指导思想是大且全，主板上提供几乎所有需要的接口，所有的功能都在主板上实现，学生可在这个平台上应用软件开发一些实验，该装置使用的是一个单一的平台，在使用与维护方面存在以下问题：

(1) 实验装置的组合性、模块性不强，无法直观描述嵌入式系统的构架，无法针对大学学生的理解能力形象地给出系统的组成结构。

(2) 实验模块独立性、拆装性不强，无法按照特定的项目要求选择性的组成实验系统，在一定程度上限制了项目化实践性教学的开展。

(3) 采用整体性的结构使得对设备的后期维护也存在了较大的难度，一个模块的损坏可能会影响整个实验装置的运行。

(4) 对于一种实验装置其核心平台单一，若要实现跨平台的实验，通常需要购买不同的实验设备，对有些功能重复的模块也无法实现共享，浪费资源。

综上所述，目前现有的嵌入实验装置已经无法适应大学生和课程教学的发展。

2.2研究的意义

针对企业嵌入式应用设计中需要跨平台移植的需求，分析了目前一体化嵌入式实验装置的缺陷和使用弊端，提出的一种跨平台、积木型的嵌入式实训教学设备。该设备主要通过可替换的核心控制板和多功能模块按要求组合的形式，将多种嵌入式平台综合在一个实验装置中，这样可以使用一种实验仪器完成多门课程、多个专业的专业技能训练[1-2]，其设计意义主要体现在：① 设备采用模块化的形式，可以根据实验的要求，按大学生容易理解的方式形象地组成系统，符合大学教育的特点。② 采用积木型方式组建系统，拆转、替换、扩展方便，后期容易维护，成本较低，满足实验设备仪器投入低、效益高的要求。③ 可替换兼容性核心控制平台，可以使多种嵌入式控制核心板共享一个实验功能装置，达到跨平台的目的，兼容性强，节省成本。同时解决目前嵌入式实验装置种类繁多、平台混乱、维修困难等问题。降低运行成本[3-4]。

3 跨平台、积木型嵌入式实训教学设备主要研究内容与设计思路

3.1研究内容

以企业嵌入式应用设计中跨平台移植的需求为切入点，主要内容涉及一种跨平台的嵌入式实验装置的设计，该装置主要通过可替换核心组件(兼容性电气接口)将目前流行的多种平台如：ARM CortexM0+、STM32、S08、STC51等，集成到一个实验装置中，外围配置诸如键盘、液晶、电机、传感器、通信接口等“电子积木”式模块，组成一个符合大学电子类实践特点，具备扩展性、拆装性、系统可重构的实验装置[5-6]。其研究主要包括：① 跨平台的嵌入式实验装置结构设计;② 便携式多平台核心控制板的设计(“口袋”实验室);③ 多功能“电子积木”式模块设计(包含I/O、显示类、传感器类、电机类、通信类);④ 符合大学学生学习特点的“模块化”程序库设计。

3.2设计思路与技术路线

硬件设施按照装置结构设计、功能布局设计、跨平台核心板、“积木”式多功能模块设计的先后顺序进行。在设计实验装置结构与功能布局时，要考虑系统可重构性能、可拆装组合性能和符合学生认知能力的要求，将装置基板布局成核心控制区域(跨平台)、输入、输出、扩展模组等几部分，每个模组使用统一的接口插件和布局形式，并在基板上标明功能，让学生能有系统具体的组成结构认知，其设计示意如图1所示。

在设计跨平台核心控制模块时，可将所有I/O引脚引出，并兼容基板平台统一插件接口,设计采用2×20的接插件连接，考虑到目前流行的USB接口调试方法，核心板可直接将下载电路(如ISP电路)集成到电路板上，这样便于学生课后随身携带，随时使用。同时核心系统供电可采用USB直接取电，对于电压较低的ARM核心，可使用LDO供电。

图1 实验装置结构示意图

对于“电子积木”式功能模组可分按功能划分为：输入、输出功能模块、显示功能模块、传感器类模块、电机驱动类模块、通信(工业总线、无线)模块等，每个模块和核心板一样，采用统一的2×20的接插件连接。考虑到一个系统中通常仅使用一种输入或显示方式，在输入、显示功能模块设计时可以选择引脚复用的方式，提高硬件利用率，简化系统结构。嵌入式实验装置除了硬件电路外还需要配套的软件设计，对于学生来说，软件编程是一个比较困难且难以理解的部分。针对这一普遍存在的现象，采用模块化程序组的形式推进。将每个独立功能程度代码封装成统一标准的模块组，学生在使用时只要通过调用模块组，构建应用层流程调度即可实现功能，这样既提高了学生对于嵌入式系统的整体理解，也简化了编程，增强了学生的学习兴趣[7],其流程见图2。

图2 模块化程序设计流程

4 研究过程中存在的难重点与创新点

4.1研究难重点

(1) 跨平台模式设计。 目前在高校中使用的嵌入式实验实训装置都是针对某一型号的控制核心器件，一个项目完成后若想要在其他控制平台上验证，则需要更换整个实验装置，系统的扩展性和移植性能不强。为了打破这种模式的制约，重点研究一种能兼容多种控制平台的实验装置。这种跨平台的模式需要了解各种平台的调试、启动、时钟、电源管理等的特点，寻找共性内容，并设计兼容性引脚排列，这一项内容是研究的一大重点。

(2) 便携式核心控制板(“口袋实验室”)的设计。 随着MOOC、翻转课堂这类新型教学方式的推进，学生自主学习，自由学习的需求越来越大，而嵌入式学习又是一种以实践为主的学习，这就需要学生自己能有一个属于自己的实验室，我们称其为“口袋实验室”。这种可以随身携带的实验装置要求具有小型化、便携化、功能集成、便于调试等特点。所以在设计时要合理选取所需的功能并将其集成到一块小核心板上，同时这个“口袋实验室”还要能兼容积木型实验装置，能够以核心控制板的形式安装在实验装置上，该设计是研究的一大难点。

(3) “模块化”程序库的设计。 学生在编程方面一直是比较困难，而控制程序见嵌入式教学的一大重点，针对这一矛盾，提出了一种“模块化”的程序结构。将各个基础功能程序段封装成一个个统一标准的函数库，学生只需要按照课程设计内容调用这些函数，学会程序的整体流程调度即可。但这种“模块化”的程序结构的设计需要对嵌入式编程有深入了解，能应用不同的芯片和时序控制，这一内容是研究的难点[8]。

4.2创新点

结合多种嵌入式应用技术，突破传统的单一实验平台的局限，创新地提出了一种“跨平台”“积木型”的嵌入式实验装置实现方法和在实验装置中实现“模块化编程”方案[9]，具体如下：

(1) 以企业需求为切入点，提出了一种跨平台的嵌入式系统实现方案。针对企业嵌入式设计中跨平台移植的需求和现有嵌入式实训平台的缺陷，提出了一个可替换式的跨平台实验装置的设计。该设计方案可使用不同平台(如ARM CortexM0+、STM32、S08、STC51)来替换核心板位置，使用统一、兼容的接口插件和电平信号，是在一个实验装置上能兼容多种不同内核、厂商和型号的核心控制芯片，提高了设备的共享性和利用率。

(2) 便于系统重构，提出了“电子积木”的模块化功能设计。 通过“电子积木”型功能电路模块的设计使得系统能按照不同的设计要求进行重构，让学生通过搭积木的方式理解系统各部分的组成和功能，提高学生对嵌入式系统的整体认知和对系统集成的认识。

(3) 服务于教学改革，将“口袋实验室”融合到实验装置中。“口袋实验室”是一种能随身携带，功能集成的基础核心板。提出的这种核心板能应用于电子、计算机、自动化等专业的嵌入式的学习，并能按照芯片型号的不同使用不同的平台。但和已有的小型开发板不同，这种“口袋实验室”仅提供基础调试、输入输出功能。在研究中，团队创新地将这种“口袋实验室”设计成与实验装置配套的标准接口，既能满足翻转课堂课后实践学习需求，也能兼容团队设计的实验装置，扩展功能，使学习变得“无处不在”。

(4) 符合大学学生学习规律，将“模块化”程序设计引入嵌入式教学。为了满足大学教学简洁、易懂、强化实践性的要求，改进了以往嵌入式教学编程模式，提出了简化和优化控制的模块化”程序库概念。将各个基础功能程序段封装成一个个统一标准的函数库，学生只需要按照课程设计内容调用这些函数即可实现某种功能，这使得嵌入式教学更加适合学生学习[10-11]。

5 跨平台、积木型嵌入式考证实训教学设备教学改革及成效

原有电子仪器仪表装配工考证实训教学主要项目包含调幅收音机的装接与调试、SMT调频/调幅收音机的装接与调试等，主要涉及模电知识，考察仪器仪表方面知识点较陈旧，而嵌入式技术又是当今电子仪器仪表的主流技术，故迫切需要改革考证实训教学内容，能够与时俱进。

电子仪器仪表实训装置(图3)，由核心板、显示板、通信、传感器、执行器接口板及电源与电池(可选装)等部分组成。核心板可选择8051、MSP430、HCS08、ARM等板子[12-13]。外围的各个功能板，根据中级、高级的要求，在训练过程中选用，考核时，可以从中抽题，由学生来实现。例如：每10 s采集一次环境温度，显示在LCD上，并通过USB输出在PC显示。

图3 电子仪器仪表实训装置硬件模块组成图

在电子仪器仪表正常工作采集的数据，同学们可以通过一个软件运行在PC上，连接到装置上，用于实训过程查看。高级工考核时，可以通过这个软件查看，仪表的功能是否已实现，数据是否完整(见图4)。

图4 装置与计算机的连接——用于接收仪表数据和评价成绩

电子仪器仪表装配工的开发是一项系统工程，按照完成模型样机测试；完成设备准备，渗透课程教学；开始高级工职业技能鉴定的步骤，致力于“以高级工为引领，稳步提升人才培养质量[14]。”电子仪器仪表装配工的开发进程，由如下环节组成：① 制定方案。提交国家职业技能鉴定所、无锡市人社局职业技能鉴定中心进行审核。② 装置开发。在8051、FSL实验箱和多年来的学生实训板基础上完善，突显“仪器仪表”要求和特点，开发PC上位机软件。③ 课程渗透。学生可承担“核心板+主要外围模块”，与教学计划中的单片机、电子测量、电子CAD、模数电等课程协同，完善开设效果，充分利用好课时。④ 训练鉴定。强化课程目标和训练效果，采用“计划内课程+计划课外强化训练+学生个人训练”的模式。不断利用阶段性的目标考核，加强教学指导，督促学生摸索和练习，提高高级工的通过率。

经统计，学校物联网技术学院2013～2015届物联网、电子信息两个专业共计10个班的学生，通过跨平台、积木型嵌入式实训设备在电子仪器仪表装配工中级工实训教学中的使用，学生中级工考证通过率有了显著提高，很多班级都达到95%以上，有些班级甚至通过率达到100%。高级工实训教学开发是2016学年物联网技术学院质量工程的主要工作，称为“融入课程教学的高级工提升计划”，在高级工实训教学开发中也自始至终贯彻了该理念，使高级工的开发得以顺利进行，高级工的实训设备能正常投入使用，学生参加该项目的高级工考证，通过率平均达到90%以上。总体上，使用该项目实训设备后，中、高级考证通过率提升明显。经高校教学管理评价体系评价, 针对学生的教学使用，成效显著。2016年，按照无锡市就业质量提升计划，对一个班的社会企业学员进行了培训，培训效果也很好。

6 结 语

随着电子仪器仪表信息化发展，研制的设备将进一步增强网络化功能的调试与验证，如基于MQTT协议数据远程上传物联网云平台等。将最新的理论知识融入项目化实践教学，并形成源于工作模式的学习领域课程，注重进一步培养学生的职业岗位能力，培养学习创新、实践动手与团队合作等综合职业素质。

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AResearchonPracticalEquipmentforEmbeddedSystemTeachingandTeachingReform

CUIYemei，LIYuanxi，YANGGuohua

(1. Jiangsu Research and Development Center of Application Technology for Wireless Sensing System， Wuxi 214153, Jiangsu, China； 2. Wuxi Institute of Commerce， Wuxi 214153, Jiangsu, China)

A research on practical equipment for embedded system teaching and build-block is implemented. Combined with the domestic theory of “Electronic Bricks” and overseas “Tower System”, analyzing the disadvantage of the current domestic embedded practical teaching equipment, which is simple and single structure, this paper proposes to design a larger and more complete practical equipment. The research significance, content, design thought and roadmap are introduced, and the traits of cross-platform and build-block are illustrated. The key, difficulty and innovation during the research are also analyzed. This kind of teaching equipment has been applied in the degree exams of the electronic instruments and meters for the middle and the senior engineers. A great achievement has been gotten.

cross-platform; build-block; embedded form; teaching equipment; teaching reform

G 712

A

1006-7167(2017)09-0066-04

2016-12-25

江苏省无线传感系统应用工程技术开发中心,无锡商业职业技术学院专业应用类课题(SYKJ15B32)

崔业梅(1983-)，女，江苏东台人，硕士，实验师，研究方向为教育学、电路技术。Tel.：0510-83270061，13914110693; E-mail：cuiyemei@wxic.edu.cn