ARM嵌入式系統(tǒng)綜合大實驗教學(xué)的探索與研究

韓名君　張艷

【摘 要】本文根據(jù)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)特點，提出了一套軟硬結(jié)合、由淺入深的ARM系統(tǒng)大實驗的項目教學(xué)法實施方案。本文詳細(xì)闡述了每個項目的設(shè)計要求、學(xué)時安排、教學(xué)方式和考核方法。最后，通過對課程目標(biāo)達(dá)成度的計算與比較，我們發(fā)現(xiàn)該方案能有效地提高教學(xué)質(zhì)量、更切合實際地提高學(xué)生ARM系統(tǒng)的自主開發(fā)和創(chuàng)新的能力。

【關(guān)鍵詞】ARM 嵌入式系統(tǒng) 綜合大實驗

The Exploration and Research of the Comprehensive Experiment Teaching for ARM Embedded System

（College of Electrical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu Anhui， 241000，China）

【Abstract】This paper puts forward a set of teaching project implementation plan for ARM system experiment which based on the training objectives of electronic information science and technology professional， combining with the characteristics of the students' knowledge structure. This paper proposes the design requirements， scheduling， teaching methods and assessment methods of each project. From the comparison of objective achievement scale， we found that this scheme can effectively improve the quality of teaching， more practical to improve students' ability of ARM system independent development and innovation.

【Key words】ARM； Embedded system； Comprehensive experiment

0 前言

ARM處理器自問世以來，以其體積小、功耗低、性能高的特點越來越多地被廣泛運用到通訊產(chǎn)品、嵌入式系統(tǒng)中。ARM處理器采用的精簡指令集體系提供了更高的執(zhí)行效率，擴充后能同時兼容Thumb16指令集、DSP指令集，并能執(zhí)行Java代碼[1]。在處理器的中高端市場，ARM處理器對Intel CPU的市場占有率產(chǎn)生了巨大的沖擊。2016年12月，微軟和高通正式宣布達(dá)成合作，Windows全面支持ARM，高通的48核ARM處理器將用來打造全新的Windows Server產(chǎn)品[2]。正由于ARM處理器在無線通訊、智能人工，以及各種嵌入式系統(tǒng)中的運用，《ARM系統(tǒng)原理與應(yīng)用》課程的學(xué)習(xí)已經(jīng)被納入本科以及高職院校電子類各個專業(yè)的教學(xué)計劃中[3-6]。

對于電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)而言，《ARM系統(tǒng)原理與應(yīng)用》屬于人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)課，我校目前已經(jīng)開設(shè)了40學(xué)時的《ARM系統(tǒng)原理與應(yīng)用》，該課程以理論課為主，其中課內(nèi)實驗課時分配為6-8個學(xué)時，課內(nèi)實驗內(nèi)容為嵌入式實驗平臺的操作、Thumb16匯編指令的使用和編程等。由于課內(nèi)實驗是為理論教學(xué)服務(wù)，故而內(nèi)容設(shè)計較為淺顯。除此之外，我校還開設(shè)了40學(xué)時的實踐課——ARM嵌入式系統(tǒng)綜合大實驗。針對培養(yǎng)方案中所提出的分層次培養(yǎng)目標(biāo)，要求學(xué)生能靈活運用所學(xué)知識，進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)綜合設(shè)計的目標(biāo)，ARM嵌入式系統(tǒng)綜合大實驗正好能適配該培養(yǎng)目標(biāo)[7]。下面就結(jié)合不同層次的教學(xué)目標(biāo)，探討其教學(xué)內(nèi)容和考核方法。

1 實驗平臺的搭建

1.1 硬件平臺

選用德州儀器公司開發(fā)的Tiva C Series TM4C123G LaunchPad和上海德研電科的DY-Tiva-PB口袋板作為實驗平臺，Tiva C Series TM4C123G LaunchPad的處理器為TM4C123GH6PM芯片，是 TI 公司推出的一款基于 ARM Cortex-M4 的32位處理器，主頻 80MHz，256kB Flash，32kB SRAM，具有 USB Host，Device 和 OTG 的能力。TivaC LaunchPad 則是一塊基于 TM4C123GH6PM 控制器的實驗板卡，自帶仿真器，連接上 USB 即可進(jìn)行開發(fā)和編程。DY-Tiva-PB口袋板是配合Ti Tiva TM4C123G（ARM Cortex-M4）LaunchPad使用的擴展板，該板體積小、使用方便，只要將其與Tiva C系列的XL接口對插即可使用。系統(tǒng)集成了LED、LCD、音頻、溫度傳感器、PWM與濾波、串口通信，以及AD/DA轉(zhuǎn)換和TF卡等單元，不僅可以進(jìn)行一般MCU、單片機實驗，還可以進(jìn)行課程設(shè)計和項目開發(fā)。

1.2 軟件平臺

主要選用Keil軟件為開發(fā)平臺，編譯生成二進(jìn)制bin文件，開發(fā)板通過USB口與PC連接，連接后需要正確安裝開發(fā)板驅(qū)動程序Stellaris_icdi_drivers，最后通過Tiva Flash Programming Bin軟件進(jìn)行程序燒錄。軟件開發(fā)平臺不僅可以使用Keil軟件，也可以使用德州儀器推出的Code Composer Studio（CCS）集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件開發(fā)。

2 實驗內(nèi)容的制定endprint

在ARM系統(tǒng)大實驗中，我們結(jié)合電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法，讓學(xué)生根據(jù)不同的任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，同時在做中學(xué)、學(xué)中做，另外通過不同的教學(xué)層次的設(shè)置，逐步培養(yǎng)學(xué)生在該課程上具有軟件仿真、硬件驅(qū)動，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與移植的能力。下面就根據(jù)課程培養(yǎng)目標(biāo)制定了三個項目。

2.1 基礎(chǔ)知識實驗項目

由于《ARM系統(tǒng)原理與應(yīng)用》課程中已經(jīng)有6-8學(xué)時的基礎(chǔ)知識驗證性實驗了，因此在大實驗中，我們在對基礎(chǔ)實驗已經(jīng)有了一定掌握的基礎(chǔ)上，首先安排了4學(xué)時做基礎(chǔ)知識綜合性實驗項目，也為下一步嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的學(xué)習(xí)夯實基礎(chǔ)。項目一的任務(wù)要求：安裝程序和硬件驅(qū)動，熟悉Keil實驗平臺，對Tiva C開發(fā)板安裝驅(qū)動并快速入門，并設(shè)計一個簡單的GPIO中斷程序，點亮相應(yīng)的發(fā)光管。

2.2 嵌入式系統(tǒng)綜合實驗項目

在對基本知識掌握和理解的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生的嵌入式設(shè)計和開發(fā)能力有進(jìn)一步提高，結(jié)合我校實驗設(shè)備的實際情況，要求學(xué)生模擬一個十字路口的交通通行控制系統(tǒng)，分配16學(xué)時的學(xué)習(xí)時間，項目三的具體設(shè)計要求：（1）通過定時器，控制紅、黃、綠三色LED發(fā)光管，（2）按鍵能產(chǎn)生中斷并能調(diào)整LED發(fā)光管的定時時間和發(fā)光順序，（3）LCD屏幕顯示文字，文字包含通行秒數(shù)和路口的通行方向，以及該路段的限速等信息。

2.3 自主開發(fā)實驗項目

為了使學(xué)生初步成為一名嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員，對所學(xué)知識融會貫通，在此階段布置實驗任務(wù)是設(shè)計一個模擬的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，項目四的設(shè)計要求：（1）對三個不同房間的環(huán)境溫度進(jìn)行采集并將溫度數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送給PC，使學(xué)生掌握溫度采集模塊、串口通信原理和UART模塊的使用；（2）采集幾組電位信號并進(jìn)行比較，比較結(jié)果經(jīng)LCD屏幕顯示，使其熟練應(yīng)用TM4C123GH6PM的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。該項目使學(xué)生了解和掌握整個嵌入式系統(tǒng)的基本開發(fā)流程，在模仿的基礎(chǔ)上創(chuàng)新，開發(fā)一些新的功能，整個項目約需18-20學(xué)時。

3 實驗教學(xué)方式

該課程采用項目教學(xué)法，學(xué)生二人為一組，分工合作，以項目的層層推進(jìn)來實現(xiàn)理論知識的深化，并能融會貫通、學(xué)以致用。教學(xué)環(huán)境則配備了60臺計算機、配套40塊Tiva C Series TM4C123G LaunchPad和40塊DY-Tiva-PB口袋板， 以及相應(yīng)的多媒體教學(xué)資料和教學(xué)設(shè)施，實現(xiàn)了邊學(xué)邊做邊考核的一體化教學(xué)模式。

4 實驗考核方式

合理的考核方式能督促學(xué)生更好地完成任務(wù)、學(xué)到知識，還能檢驗教學(xué)內(nèi)容是否能達(dá)到該課程的培養(yǎng)目標(biāo)。該課程的成績采用五分制計分，考核方式以過程性考核為主，具體分為出勤情況、課堂表現(xiàn)和實驗報告三大塊，分別占10%、60%和30%。其中，課堂表現(xiàn)主要以每個項目完成的快慢和該項目完成質(zhì)量為依據(jù)，教師當(dāng)堂記錄并對學(xué)生的實際操作水平和學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價。

實驗過程固然非常重要，但是學(xué)會撰寫一篇合格的科學(xué)文獻(xiàn)也是本科學(xué)生必須掌握的技能，因此在每個項目完成后，利用課余時間完成實驗報告電子文檔，并提交給任課教師，根據(jù)實驗報告反饋的情況，下一次上課再及時訂正。特別是項目一的實驗報告，問題主要是格式方面的錯誤，針對有部分同學(xué)還不太會調(diào)整格式的問題，我們在項目一和項目二之間，特地安排了1～2課時，教學(xué)生如何撰寫一篇合格的科學(xué)文獻(xiàn)，指出學(xué)生的常見錯誤，并特別針對目錄的生成和參考文獻(xiàn)的整理做了詳細(xì)說明。課程結(jié)束后提交實驗報告紙質(zhì)打印文檔并裝訂。

5 結(jié)論

根據(jù)專業(yè)認(rèn)證的要求，課程結(jié)束后我們統(tǒng)計了各個項目的目標(biāo)達(dá)成度，項目一的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度達(dá)到0.876，項目二的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度為0.833，項目三的目標(biāo)達(dá)成度為0.780。從達(dá)成度可以看出項目一的達(dá)成度最高，這是因為項目一主要考核基礎(chǔ)知識的掌握程度，難度較小，0.876的達(dá)成度說明學(xué)生較好地掌握了ARM系統(tǒng)的主要基本知識和操作流程。項目三的達(dá)成度雖然最低，但是也超過了0.75，達(dá)到了中等偏上的水平，并較往年提高了0.052?？傮w而言，三個項目的達(dá)成度都較往年均有一定程度的提高，說明該教學(xué)方案能立足我校現(xiàn)有的軟硬件條件，同時理論聯(lián)系實際，開拓學(xué)生思維、鍛煉學(xué)生自主創(chuàng)新能力，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint