通信类嵌入式实验教学构思

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嵌入式系统是计算机技术、通信技术、微电子技术等先进技术和具体应用对象相结合的更新换代产品。嵌入式系统面向具体的应用领域，随着产品智能化、小型化的普遍需求，嵌入式系统已经渗透至各个行业，具有广阔的市场前景[1]。近年来，各高校信息自动化计算机类专业逐渐将嵌入式系统纳入重要专业课程范围，尤其在嵌入式实践教学体系方面进行了深入的探讨[2-4]。考虑到通信类学生的培养与实际就业情况的需求，在嵌入式教学中，除了使学生掌握基本的通信技术原理和嵌入式软件设计的一般方法和流程外，还应注重培养学生的实际应用开发能力。因此，嵌入式教学应该倾向于实践而不是仅仅局限于只是传授理论知识。本文针对本专业嵌入式实验教学中普遍存在的专业针对性弱、设备缺乏、课程系统性和层次性的不足等问题，利用研究所自主研发的嵌入式实验教学平台，设计了具体的实验教学方案。

1嵌入式实验教学中存在的问题

嵌入式系统课程的实践性非常强，为了加强学生对嵌入式系统理论知识的认知，提高学生解决实际问题的能力和创新能力，实验教学在嵌入式课程教学中有着至关重要的作用。到目前为止，在嵌入式实验实际教学中发现了以下问题。缺乏针对性强的实验平台。嵌入式课程教学和人才培养具有高度的实践性，通常情况下，教学所用的实验平台(实验箱)是委托科教仪器公司开发的。由于教学投入不足，经常出现设备板子烧毁，讲义资料不全，实验箱不完善导致能开设的实验不多，由于部分源代码不开源等现象，所以相关实验基本上都是演示性的实验，或者与其他学科共同使用一套实验设备，没有本学科专业特色，很难实现视频采集、音视频压缩、网络传输等功能。这些因素皆不利于通信专业学生实践能力的培养。其次，缺乏灵活的实验设计及讲义。在嵌入式系统应用领域，嵌入式系统中的软件开发困难，既要考虑不同平台的差异，又要具备一定的稳定及易行性条件。以往这些类型的软件开发都是由硬件厂商包办，且提供的嵌入式系统软件解决方案五花八门。而实验设计应侧重于主流操作系统下软件的实践和创新。此外，大多数学生照着详细的实验指导书按部就班，缺乏自主创新的意识，甚至不深入思考实验现象背后的理论知识。这显然与培养学生创新性思维和能力的目的背道而驰。而实验课时少也是实践教学中亟待解决的一个问题。嵌入式系统课程对学生的专业知识要求较高，学生先要学习单片机原理及应用、C/C++程序设计、DSP原理及应用等嵌入式相关课程，等到具备了一定的实验操作和编程能力之后，在大三下半学期或大四上半学期开设嵌入式系统课程。理论性教学和实验教学交叉进行，再加上总课时的限制，使得学生自主实验时间大大减少。虽然已从原有实验课时占较少课时的状态，调整到实验课时占总课时一半的状态，课内实验还是远不能满足对学生的培养需求。

2实验教学配套设施

本研究所自主开发的嵌入式系统实验平台是一套功能完善的实验箱，选用ARM处理器+Linux操作系统的主流配置。实验箱上提供有教学系统采用的各种测试点(包括图像视频采集输入、I/O输出等)，方便教学中使用示波器等测试仪器；多路数字信号源(包括四路视频输入功能)；ARM开发系统功能等众多功能。此套基于双核处理器架构(双核处理器架构，是指采用一个ARM核及一个SoC图像处理核的架构芯片)的四路DVR教学实验箱，可以实现视频采集，H.264压缩，音频压缩，网络传输以及嵌入式Linux操作系统等功能，主要为高等院校通信工程类专业、电子信息类专业等高年级学生的通信专业课程设计、通信专业大型实验、毕业设计、电子设计竞赛以及研究生的数字通信实验而设计，也可供相关专业的本专科毕业班学生使用以及自学使用。此外，还配有教学资料光盘，以及分层次、系统的实验指导书。实验系统构架如图1所示。由于嵌入式系统涉及的知识广、综合性强和应用性强，且软硬件技术不断革新，这就需要授课老师具有一定的项目开发经验。而本套实验箱正是由授课老师参与研发，对于一些新进的通信类教师也开放学习与研究。在对嵌入式实验平台有个系统的认识之后，遇到突发问题也可以及时解决，这大大降低了教师的授课难度，提高了实验课效率。

3实验教学设计

结合理论教学，嵌入式系统实验的重点放在软件的开发上。充分考虑到嵌入式软件系统的结构、开发内容和方式的特殊性，从而设置多种配置方案、多层次实验项目的实验教学内容。学生边学习理论知识，边进行实验操作，设置一些基础型和模块化的实验使其对原理有更透彻的认知。当学生理论知识积累到一定的程度，可通过设置综合型的实验使学生进行系统学习与提高。此外，为了达到学生自主创新能力提高的目的，创新型实验的设置也必不可少。减少基础型实验，同时增大综合型和创新型实验的比例，并加入可选项，学生可根据自己的能力兴趣，自主制定实验内容。另外，为了适应本专业学生的培养，除了需要掌握嵌入式系统基本的方式方法之外，还在综合型实验中设置了较多通信类实验课程。这样，学生在实验过程中，由浅到深、由基础到综合地进行实践操作，符合渐进性的教学规律。为了解决课时少的问题，设置了一部分课外可操作的实验，使一部分有兴趣而不满足于课内学习设计的学生有更广阔的学习时间与空间。

3.1基础型实验基础型实验多为验证型实验，其目的是为了让学生掌握基本的理论知识以及嵌入式软件的一般开发流程，熟悉开发工具与开发环境，为之后的综合型实验和自主创新型实验做好准备。这部分实验指导书较详细，学生能够扎实地掌握嵌入式系统的基本软件开发知识。基于本实验系统设计的基础实验主要如下。ADS环境下的汇编指令实验。本实验介绍了ADS环境下用汇编语言进行编程和调试的一般流程，以及使用汇编语言实现对GM8180开发板进行初始化的方法。目的是为了让学生熟悉和掌握ADS开发环境。建立Linux虚拟机及熟悉常用命令实验。通过本实验，学生需要掌握如何在Windows系统下面搭建Linux服务器，并学会基本的Linux命令和操作。Linux交叉编译平台实验。通过在Linux下建立交叉编译平台和使用交叉编译平台编译源代码的方法，使学生熟悉和理解交叉编译的原理和概念，学会建立Linux交叉编译平台。程序下载烧写实验。本实验介绍了配置和编译BootLoader(ARMBOOT)和Linux内核的方法，从而学生可以掌握下载编译好的BootLoader(ARMBOOT)和Linux内核的方法以及建立NFS文件系统的方法。Mount挂载(nfs/usb/sd)实验。通过本实验，学生能掌握配置linux下nfs服务的方法和mount挂载usb/sd的方法。

3.2综合型实验综合性实验旨在培养学生的综合设计能力。根据之前的理论教学与基础性实验的练习，综合所学知识，具备基本的软件开发能力。这部分教学实践实行“教师逐步放手，学生动手去做”的原则，故实验指导书编写得简明扼要。为了达到综合培养的目的，既要包括多方面的知识与设计要求，又要有空间让学生自己发挥。ADS下混合编程。本实验让学生熟悉和掌握在ADS环境下C语言和汇编语言的混合编程和调试，巩固使用AXD和Mulit-ICE调试的方法。C语言程序设计与串口通信实验。通过本实验，学生可以掌握在ADS环境下的操作和JTAG的下载和调试，掌握使用C语言对GPIO端口控制。GPIO驱动实验、I2C驱动实验。在理解Linux驱动程序的结构、原理和I2C协议的原理，掌握Linux驱动程序的编程的基础上，学生能够掌握Linux动态加载驱动程序模块的方法。图像合成实验。本实验要求学生具有图像合成的知识，熟练进行实验设备的连接和调试、寄存器的设置，能够修改配置文件，深入理解图像合成的原理。MMC/SD驱动实验。在学生掌握了MMC/SD卡接口的基本原理、MMC/SD驱动的结构以及SD卡的挂载的方法和测试方法后，能够配置、编译Linux内核，在实验箱上烧写Linux内核，建立NFS文件系统，并运行测试程序进行SD卡的读写。视频网络传输实验。学生在了解了视频网络传输协议工作过程及原理之后，学会在IP网络中实现视频传输的方法。Web服务器实验、单Server多Client实验。在本实验之前，学生已经熟悉了Web服务器原理及工作过程，通过路由器将实验箱和PC机连接，编写简单的服务器代码，在PC机上运行IE浏览器，能够查看网页服务器是否运行；以及熟练开启Linux，能向多个客户端发送视频数据。远程控制视频实验。本实验要求学生理解远程控制的原理，通过本实验掌握在Windows下TCP客户端建立及通信的过程，及Linux下TCP服务器建立及通信的过程。

3.3创新型实验在嵌入式系统的应用领域里，嵌入式软件已经逐渐成为嵌入式产品设计创新和增值的关键因素，所以实验教学应侧重于软件实践和创新。理论和实践要相结合，而学生的创新能力要着重培养。针对本实验系统的可开放性，设计了一些具有创新型的实验，比如修改内核的内部代码，从而能使学生深入理解实时操作系统的一些机制，加深对理论知识的理解与巩固。再加上指导教师对实验系统原理的熟知，即使学生在操作的过程中导致实验系统瘫痪也能及时得以解决，让学生放心大胆进行实践设计。在实验课堂上，学生难免会依赖于实验设备以及教师的指导而缺乏自主思考的动力，再加上实验室开放场地和时间的限制，要在有限的时间和空间里完成自主创新设计有些困难。课程选用ARM处理器+Linux操作系统的主流配置，学生可以在课外利用PC机上的Linux进行代码编写，可行之后再利用实验箱进行验证。这样，一方面可以减少场地和时间的限制，加强学生对所学知识渗透性的认知，另一方面提高了学生自主学习能力，培养其创新能力。基于此，在课程设置上，加进了学生自主安排时间。

3.4课外实践鼓励学生参加院校级“建龙基金”、“运河杯”等课外科技立项活动。活动基金提供实验平台，而通信类学生可以根据自己的兴趣与长处设立通信网络与设备等的项目计划，申请资金设备并在导师的同意后获得实验室开放资源。此外，通过组织学生参加省级、国家级电子设计大赛及其他各种嵌入式应用型竞赛，让感兴趣、学有余力的学生得到更好的实践与创新能力锻炼的机会。

4结语

嵌入式系统产品发展迅猛，不断渗透各个行业，人才要求也日益迫切。近几年来，为顺应社会和企业人才的需求，越来越多的高校将嵌入式系统的课程加入通信类专业教学体系，使之成为专业选修课甚至专业必修课。然而，嵌入式教学体系还未成熟，存在诸多问题。针对前文分析的课程设置缺陷，及我们在教学中发现的问题，本文以研究所自主开发的嵌入式实验教学平台为例，提出了针对通信学生的层次性的实验教学方案。根据软件实验环境，设置合理的实验课程，突出自主性与创新性，提高学生自主学习的能力，对培养学生的创兴能力具有重要意义。