面向应用的电类专业嵌入式系统应用技术课程设计实践

2017-12-15齐文娟

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：课程设计嵌入式调试

齐文娟，孙佳，程然

(上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240)

面向应用的电类专业嵌入式系统应用技术课程设计实践

齐文娟，孙佳，程然

(上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240)

为了克服过去电类专业课程设计存在的与实际应用相脱节、硬件条件落后、课程设计内容单一陈旧、学生自主性差等诸多弊端，上海交通大学电气工程系建立了以具有广泛应用前景的LED驱动为应用对象，以掌握基于嵌入式系统的驱动电路的设计和调试为目标的面向应用的嵌入式系统应用技术课程设计课程。通过利用校企联合实验室资源，保证了硬件平台的先进性。内容设置具有自主实践性、综合性和灵活性的特点，实现了由老师为主体到学生为主体的教学方式的转变。采用合理的进度安排方式，使用资源共享、课堂讨论答疑、视频录制、综合考核等多种方法提升学习效果。经过3年的课程设计教学实践验证，取得了良好的教学效果。

课程设计；面向应用；电类专业；嵌入式系统应用技术

0 引言

课程设计教学是本科实践教学的重要环节，其教学效果好坏直接关系到学生实践能力、创新能力以及就业竞争力的提升[1-2]。传统的电类专业课程设计存在多种弊端。由于课程设计大多涉及具体硬件的设计，受到经费、资源的限制，硬件条件和课程设计内容上更新迟缓，远远滞后于工业现场的硬件和技术，与实际工程应用相脱节[3-4]。另外，课程设计的内容多为传统的验证性设计内容，只是按照教师的思路和步骤进行机械式的重复[5]，学生自主性差，在课程设计中没有发现问题、解决问题的实际经历，学生收获甚微[6-8]。课程设计内容跟不上主流知识和技术的步伐，对于学生日后就业和科研工作的帮助不大，不能满足创新型人才培养的要求[9]。

针对以上问题，我校电气工程系对过去课程设计内容和教学方式进行了改革。建立了以LED驱动为应用对象的嵌入式系统应用技术课程设计。课程设计围绕面向应用的嵌入式系统设计与程序开发、调试，强化应用实践能力培养，培养同学综合应用基础知识、结合实际应用实现编程与应用调试的能力。以校企联合实验室的资源为基础，解决课程设计硬件上落后的问题[10-12]。将传统的验证性课程设计改变为面向实际应用的以学生为主体的课程设计内容，同时以学生为主体的同时，注重在教学过程中采用提高学习效果的多种方法，有助于学生实践能力和创新能力的培养[13-14]。

1 课程设计的目标和任务

嵌入式系统应用技术课程设计结合先修课程“嵌入式系统原理与实验”与实际应用对象特点，强化应用实践能力培养。以设计一个具有基本功能的LED驱动和控制电路为基本要求,掌握基于嵌入式系统的驱动电路的设计和调试,加强同学自学能力和实践动手能力的培养。

课程设计目标：①掌握嵌入式系统控制芯片的基本编程方式。②以LED驱动为应用对象，掌握电路的设计和调试。③掌握基于嵌入式系统的两种电路的设计方法,结合软件调试,完成设计报告。

课程设计任务：①LED驱动部分，完成输入为直流电源的LED驱动电路的电路仿真、程序设计、硬件电路设计及样机调试。如果输入为交流电，整流部分作为拓展任务。②嵌入式控制部分，采用TM4C123 LaunchPad 平台，完成对TM4C123或DSP常用端口的使用，根据具体内容编写程序实现相应控制功能。

2 课程设计特点

2.1 利用联合实验室资源保证硬件持续更新

嵌入式系统课程本身需要当前主流的嵌入式系统硬件作为基础，使用过期或者已经退市的产品授课不仅浪费精力而且对同学没有帮助。如何在经费有限的条件下保证课程设计采用当前主流的硬件是需要解决的问题。本课程设计充分利用了校企联合实验室的资源，使用TI公司提供的TM4C123G LaunchPad 开发板，使得课程设计跟得上当今主流产品的步伐。同时联合实验室定期申请新的开发板应用于后续的课程设计当中，保证了课程设计硬件条件持续更新。使用的开发板见图1。

图1 课程设计使用的TM4C123G LaunchPad开发板照片

2.2 课程设计的内容特色

(1) 面向应用。为了解决传统课程设计与实际应用脱节的问题，嵌入式系统应用技术课程设计以当今应用广泛的高效节能和长寿命的LED驱动为对象，具有较强的实用性和良好的应用前景[15]。同时该应用对象涵盖的知识点和技能全面，非常适合作为电类专业课程设计的内容。使用应用广泛的TI公司的TM4C123G LaunchPad 开发板作为嵌入式部分的内容，紧跟当今主流技术和产品的步伐，使得同学的知识和技能跟得上应用的潮流。课程设计内容中涉及反激式开关电源设计，而反激式开关电源广泛地应用于工业场合的电气设备和系统当中[16]。

(2) 自主实践性。课程设计最重要的作用就是设计和动手实践。过去传统的课程设计大多有固定的课程内容和固定的操作步骤，同学们自由发挥的空间不大。而嵌入式课程设计课堂上只讲解理论内容和基本的软件操作，具体设计和实践都是同学们自主完成。硬件方面，课程理论讲解只涉及反激式开关电源的基本原理，而反激式LED驱动电路则是学生们根据实际要求自行计算设计，并制作PCB板。软件方面也只是针对所用到的DSP芯片各个模块进行训练，实际电路中的代码都是同学们自己编写。

(3) 综合性。相对于其他课程设计内容，嵌入式课程设计不是围绕单一器件的简单应用，而是设计一个具有实际应用背景的系统。可以培养同学电源电路设计、制作、嵌入式系统程序开发与调试等多方面的能力。课程设计中要求同学根据指标进行LED驱动电源参数计算，原理图设计，器件选型，PCB电路板绘制，变压器绕制，电路焊接，调试，嵌入式系统程序开发和调试等。同学可以进行自主设计，通过实际的电路制作调试，初步培养了同学在工程实践中发现问题和解决问题的能力。课程中涉及多方面基础知识的应用，涉及调试能力的培养，大大提高了学习的积极性。为同学日后进行毕业设计、研究生阶段的科研工作以及日后相关工作作了很好的准备。

(4) 灵活性。课程内容的综合性同时也带来了课程设计的灵活性。传统的课程设计一般都是教师统一安排，同学单纯模仿教师操作。由于教师一般会提前试验成功，因此在课设中发现的问题很少，也就失去了在实践中提高的机会。而在本课程设计中，学生可以根据技术指标进行相应的设计。反激式开关电路原理图的设计、PCB板制作，给同学提供条件制版，调试。由于同学设计方案不同，设计出来的系统不同，在设计过程当中发现的问题不同，通过相互交流，进一步丰富了同学们的收获。同时安排开放实验室为同学课外调试电路提供方便，期间安排答疑解决同学遇到的实际问题。

除了上述特点，在课程设计的内容安排上考虑难度适中，太容易不能达到能力提高的效果，太难容易打击同学的积极性。考虑有限的时间内达到良好的效果，在独立设计的内容前面安排集中授课培训的内容补充课程设计的理论知识、技能和软件操作知识。在此基础上同学进行自主设计完成自己的课程设计作品。这样既补充了同学的知识能力体系，又锻炼了同学独立设计、动手实践的能力。

3 课程进度安排

课程设计的进度安排是否科学直接决定着课程设计进展和教学效果。课程内容包括理论和实践两大环节。其中实践又包括硬件设计和软件设计。由于课程任务量较大，既要有对课程有整体认识，又要掌握设计作品必备的理论知识、工具和经验，还要进行设计任务的具体实践。虽然课程设计中的实践部分十分重要，但是前面基础知识的掌握情况直接决定着实践作品的完成效果。

学期初前三周讲解课程概况以及LED的应用背景，让同学对课程设计有清晰的认识，明确了课程的最终目的。同时也详细讲解反激电源的原理和设计方法。接着进行课程设计相关开发工具的培训。硬件方面重点介绍Altium Designer在原理图和PCB制作方面的应用。包括原理图绘制以及原理图库的使用，PCB走线以及PCB库的使用。软件方面则使用TI的嵌入式处理器系列的集成开发环境Code Composer Studio，重点介绍DSP芯片的GPIO，Timer，ADC，串口以及PWM等模块，为后面的软件设计打下坚实基础。

在反激式LED驱动电路的设计阶段，同学根据反激电源的原理，基于矽力杰SY5840芯片进行反激电路的设计，制作PCB板并焊接电路。在模拟电路的基础上又增加数字部分，同学结合硬件电路，设计软件程序，对反激电源进行有效的控制。

最后是课程设计的检测与考核，根据各小组的实际电路效果进行评价打分。课程设计进度安排见表1。

表1 课程设计进度安排

4 提升学习效果的方法

相对传统课程，课程设计的难度较大，任务比较繁重，学生容易产生畏难情绪。在培养学生自主性的同时，需要在过程中给与足够的重视，采用多样化教学方法帮助，使同学利用好资源，打好基础，同时保持思维上的灵活性，遇到问题时具有积极的态度，学习寻找解决问题的途径，学习团队合作，最终设计出满意的课程设计作品。为推进学习进度，培养讨论氛围，增强学习信心，提升学习效果，采用了下列方法：

(1) 资源共享。整个课程涵盖软件、数据手册、说明、课件等大量的相关资料，建立了课程相关qq群，教师提前上传课件、软件和相关资料，同学可以课前预习，同学也可以上传自己搜集的资料和自己的学习总结，实现资源共享，有助于学习兴趣和效率的提升。

(2) 课内外的答疑和讨论。课上教师除了讲解基本原理，同时还布置课堂作业，安排时间让同学课上直接操作，可以及时发现学生的问题，学生的疑问可以得到及时的解决，学生积极性提高，使同学基本都能跟上课程进度。另外课外同学们可以在qq群上提出自己的作业上一些疑问，或者分享自己的学习心得，教师和其他同学都会积极解答，讨论氛围良好，实践证明对于学习十分有益。

(3) 课内外作业及讲解。除了课堂作业，课外作业也很重要。教师在课上讲解时保留一定的知识点，用于布置课外作业，需要同学查阅资料才能完成，训练同学信息检索和自行解决问题的能力。提交和批阅均采用电子版，节省时间，提高效率。下次课首先讲解同学作业当中的问题，纠正同学的错误，使得同学对知识的掌握正确、深入。

(4) 录制课程视频。课程设计的授课内容很多涉及软件的操作，录制课程讲解视频，同学课下可按照视频讲解逐步操作。针对没有听懂的知识点也方便同学课下进行思考学习。通过使用课程视频可以使得多数同学都能跟得上教学进度，保证教学效果。同时视频资料也可以作为后续课程设计的参考资料，比其他网络资源更具有针对性，为同学们预习提供资源。

(5) 综合考核方式，注重作品测试。考核成绩由签到、课后作业、设计报告、作品测试4部分成绩组成。改变了过去以设计报告的单一衡量标准，在考核中注重作品的测试部分，既提高了同学的实践能力，又避免了相互抄袭，同时防止任务简单导致的过程中拖拉松垮现象的发生。

5 课程设计的成效

课程设计的成效体现在学生作品、课程设计报告、学生掌握的技能以及学生满意度等方面。

(1) 学生作品。经过课程设计，每组同学都会制作电路并进行调试(见图2～4)。

图2 同学进行电路制作和变压器绕制照片

图3 同学制作的电路作品

图4 电路调试照片

(2) 课程设计报告。课程设计结束时要求每组提交一份课程设计报告。这个报告是整个课程设计尤其是电路设计的总结，是一个具有完整结构的小论文。报告中总结电路设计的思路、过程和测试结果，同时分享心得以及建议。设计报告的书写锻炼了同学科技论文的写作能力，为日后书写论文和毕业设计论文打下良好的基础。这些报告的电子版存档，作为以后课程设计的参考资料。

(3) 学生掌握的技能。通过课程设计的训练，学生锻炼了信息检索能力、动手能力、分析问题和解决问题的能力。学生掌握的专业技能包括：嵌入式系统控制芯片的编程、以LED驱动为应用对象，掌握了基于嵌入式系统的电路的设计方法、软件调试和设计报告书写。这对以后进行科研和工作都将十分有益。

(4) 学生满意度。学生满意度是衡量教学有效性的重要标准。同学提交的课程报告中包括心得体会和同学的意见和建议。对同学的意见和建议进行总结，并根据同学的意见和建议进行后续课程安排改进对于课程的教学效果提高具有重要意义。

6 结语

针对以往课程设计存在的问题，我校电气工程系对嵌入式系统应用技术课程设计进行了改革，以具有广泛应用前景的LED驱动为应用对象，使得嵌入式系统应用技术课程设计与电气专业的实际应用紧密结合。以校企联合实验室资源为基础，保证了嵌入式系统硬件条件的持续更新。课程设计内容设置丰富灵活，在教学过程中采用合理的进度安排方式和多种方法提升学习效果，实现了从教师为主体到学生为主体的教学方式的转变，充分调动了学生的积极性，提升了学生的创新实践能力。

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PracticeofApplication-OrientedEmbeddedSystemTechnologyCourseDesignforElectricalSpecialty

QIWenjuan,SUNJia,CHENGRan

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

There are many disadvantages in traditional course design for electrical specialty such as separating from practice, bad hardware conditions, monotonous content and students’ passive learning. To overcome the disadvantages, application-oriented embedded system technology course design is established in Electrical Engineering Department of Shanghai Jiao Tong University. The application object is LED driver and the goal is to master the design and debug of the drive circuit based on embedded system. The resource of school-enterprise joint laboratory is fully used and then advanced hardware can be used in the course. The course content has many characteristics such as independence, practicality, comprehensiveness and flexibility. The arrangement of reasonable teaching schedule, methods such as resource sharing, class discussion and question answering, video reel and comprehensive assessment are adopted to promote the effect of study. Three-year teaching practice has proved that the reformed course has a better teaching effect.

course design; application-oriented technology; electrical specialty; application of embedded system