嵌入式程序设计实训教学探索

2019-03-14 12:42:40 电脑知识与技术2019年1期

边蓓蓓 许琳 秦钟

摘要:为了深化培养应用型创新人才的教学方法改革,对计算机嵌入式开发实训教学进行思考与探索,结合树莓派实践项目,提出全新的实践教学模式。 关键词:树莓派;嵌入式;创新人才;实践教学

中图分类号:G642      文献标识码:A      文章编号:1009-3044(2019)01-0122-02

1 引言

在建设成创新型国家目标的背景下,社会需求也随之多元化,以“应用型创新人才”为主的人才需求也为高等学校实践类型的课程实训教学改革提供了明确的方向。本次嵌入式实践教学探索依据本专业人才培养目标和教学特点,结合青软实训的基于树莓派的智能小车实训方案,旨在培养学生的应用能力和创新精神,为了进一步学习和就业打下基础。

2 项目介绍

智能小车系统集成了环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体,集中运用了嵌入式、传感、信息、通信、控制等技术。项目使用嵌入式C语言或Python语言开发,树莓派电脑板Raspberry Pi B搭载Raspbian操作系统,通过完成GPIO驱动电机,光电传感器或超声波传感器循迹、避障、测距、云台控制,红外、WIFI、APP等控制功能,使学生熟悉嵌入式开发板硬件知识,掌握树莓派的开发过程以及控制外围设备的原理。

树莓派小车效果图如图1所示。主控部分由树莓派完成,负责感知系统信息的采集与分析,并根据分析结果控制小车的运行方向;感知部分由光电传感器和超声波传感器等组成,进行小车运行轨迹的识别以及障碍物的探测;执行部分由直流电机来完成,控制小车的运行方向和速度。

3 实训教学过程

采用集中周的教学方式,时长是2周或3周,可以根据情况适当增减独立模块。分组教学,每组3-4人,分工合作。

3.1实训目的

在技術方面,学生掌握树莓派操作系统的安装与使用、嵌入式开发语言编程以及如何驱动外围设备控制,同时,熟悉光电传感器、超声波传感器在嵌入式领域中的应用,培养应用能力和创新思维;而在职业素养方面,本次实训教学锻炼学生问题解决能力、总结归纳能力,并培养团队开发和协同工作的意识,提高沟通能力和自我表达能力,这也是专业人才的重要素养。

3.2实训设备

核心板是树莓派三代B型,采用1.2GHz 四核 Broadcom BCM2837 64位 ARMv8处理器,板载WiFi和低功耗蓝,配备1GB RAM4,支持SD卡储存操作系统和数据;搭配操作系统是树莓派专用Raspbian(基于Debian);车轮驱动是TB6612FNG电机驱动;循迹功能和避障功能使用红外传感器和超声波传感器;电源系统采用电池+LM2596S开关电源。

3.3实训任务

项目主模块分为主控模块、循迹模块、红外避障模块、超声波避障模块、摄像头模块;手机APP模块分为行驶功能控制和配置界面。根据以上模块,实训任务可以分为以下几个主要部分,每个部分分配2-8课时:

1)组装小车:此内容可以根据课时选做。

2)开发环境安装和配置:下载和烧写raspbian操作系统,采用ssh方式和VNC方式远程登录并创建开发目录。

3)实现蜂鸣器和报警功能:通过控制蜂鸣器进行报警,掌握wiringPi库的使用。

4)实现小车直行和拐弯:智能小车的行驶控制包括直行、后退、左拐、右拐、停止等动作。四个电机用两个TB6612FNG(IC1、IC2)进行驱动,IC1驱动小车的左前轮与右前轮,IC2驱动小车的左后轮与右后轮,四个车轮分别对应原理图中的A路、B路、C路、D路,原理图如图2所示。

5)红外模块任务:当光电传感器探测到物体即输出脉冲,输入到CPU中进行处理,再对电机驱动模块进行控制小车运行,实现循迹、避障或遥控等功能。

6)超声波模块任务:超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时,最后可以根据声速、时间测出距离。在测距的基础上,再加入行驶控制,实现避障功能。

7)APP控制模块任务:包括手机开发环境的安装和配置、APP界面的设计、APP控制小车行驶等内容。

4.4实训考核

从项目验收和个人表现两方面进行考核,项目验收考核的内容包括代码是否规范、是否有创新、可靠性、可维护性;个人表现包括出勤率,团队配合能力,组长和组员互评,解决问题的能力,工作量的多少、难易程度等,个人成绩可以由指导教师和组内成员共同给出。

4总结

嵌入式开发课程实训不但巩固学生的理论基础,更锻炼学生的实践能力、自主学习能力和团队合作及沟通能力,激发学生的创新精神,同时鼓励学生积极参加课外科技创新活动,参加学科竞赛,提高自身竞争力。另外,实训项目中用到的树莓派是一款成本低、功能全的微型电脑主板,具有较强的扩展和设计能力,是目前很流行的学习工具,这也为学生进一步的创新和实践提供了有利条件。

参考文献:

[1] Brendan Horan. 树莓派实作应用[M].北京:人民邮电出版社,2014.

[2] 车如山. 应用型创新人才之概念解析[J]. 高校教育管理, 2015(1): 81-85.

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[4] Matt R, Shawo W. 爱上Raspberry pi [M]. 北京: 科学出版社, 2013.

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