“三元素、四模块”嵌入式系统项目化教学平台研究与构建

陈伟 严奎 刘静

摘  要：嵌入式系统技术发展日新月异，针对现有嵌入式系统基础实验箱陈旧、专业类实训内容行业脱节、项目化教学课题单一等问题，论文以“理论、实践、创新”三大元素为导向，设计“CPU处理模块、传感器模块、嵌入式系统模块、数据通信模块”四种嵌入式系统单元，层次化、系统化地构建嵌入式系统基础实验教学平台、专业类实训平台、专业类项目化教学平台，并将其扩展应用于学科电子设计竞赛、省级大学生项目等科研活动中。实践证明，学生能够深入了解工程模块化架构体系、熟练掌握嵌入式系统新技术、新工具的使用方法，自主设计、调试等综合开发能力得到了有效提高，知识体系更加契合企业专业需求。

关键词：嵌入式系统;实验设备;实训平台;传感器;项目化教学

中图分类号：G434    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2021）39-0058-03

电子信息技术作为高新技术发展的先导和核心，已渗透到社会的各行各业，培养高质量的电子信息类专业人才，对推动信息技术的进一步发展有着重要的作用[1]。嵌入式系统技术作为电子信息类专业核心组成部分，与电子技术、计算机、通信等技术结合紧密，深厚的学科理论、扎实的实践能力、较强的创新意识对电子信息类专业的毕业生今后的发展至关重要[2]。应用型本科人才已成为我国高等教育主要的人才培养目标之一[3]。“实验、实训、项目教学”作为嵌入式系统实践教学重要组成部分，对巩固深化多学科理论知识、培养学生创新意识、锻炼分析、解决问题的能力起着决定性作用。

目前，嵌入式系统基础实验设备老旧，实验器材沿用着至少五年以上的实验箱，实验课程沿用多年的实验内容、知识结构孤立;嵌入式系统专业类综合实训上下脱节，设计方法已经不能满足智能化、信息化行业发展需求，学习方法和工具远远脱节于实际的工作生产环节;嵌入式系统项目化教学单一，实施的载体、课题种类无法融合不同行业需求的创新性、创造性。

论文以“理论、实践、创新”三大元素作为研究基础[4]，设计并开发“CPU处理模块、传感器模块、嵌入式系统模块、数据通信模块”四种核心嵌入式单元，由简入繁、由浅入深，层次化、系统化地构建嵌入式系统基础实验教学平台、专业类实训平台、专业类项目化教学平台，并将嵌入式系统平台进一步应用于学科电子设计及竞赛、江苏省研究生项目训练等科研活动中，使学生了解工程项目模块化架构体系，熟练掌握嵌入式系统新技术、新工具的使用方法，提升自主设计、调试及测试等综合开发能力，从而契合企业对电子类专业毕业生的专业需求。

一、“三元素、四模块”总体架构

嵌入式系统技术作为现有电子信息类产业核心基础技术，其融合电子、计算机、通信为一体，通过与不同行业场景结合，形成不同的产业应用案例。扎实的理论基础、工程项目化的实践教学、创新的方法和理念，是培养企业需求人才的主要发展方向。

平台架构以“模拟电子线路”“数字电子及EDA技术”“C语言程序设计”等为理论基础，构建“CPU处理模块、传感器模块、嵌入式系统模块、数据通信模块”四大基础模块，结合“自动化控制、信号与信息处理、物联网”等专业、行业发展方向，引进开源项目，改变现有的只重视基于实验箱的教学方法，摒弃目前已不实用的实训项目，有效扩展电子类综合实践课题的多样性，营造课堂外、线下项目化教学的氛围环境。平台架构图如图1所示。

二、模块平台设计与构建

（一）CPU处理模块

CPU处理模块以NXP i.MX6Ultrelite处理器为核心。i.MX6Ultrelite处理器采用性能优越的ARM Cortex-A7内核架构，可提供快速的数据处理和流畅的界面显示。核心处理单元带有8路独立UART、2路USB OTG、最高2路CAN总线、最高2路10M/100M以太网等通讯接口。板卡集成i.MX6G2C处理器、标配256MB DDR3和256MB NAND Flash、硬件看门狗、硬件加密等功能，具备完整的最小系统功能。

（二）嵌入式系统模块

嵌入式系统模块是一款集实验、实训、项目化教学功能于一体的控制主板。主板提供了多种功能接口，所有接口通过严格的抗干扰、抗静电测试，可在零下40℃到零上80℃温度范围内稳定工作，并采用双Mini-PCIE接口设计，满足各种条件实训、项目化教学应用，可应用于如智能网关、电力、重工、数据采集终端、工厂自动化、机械设备控制、智能交通、航海船舶、電梯物联网等行业案例开发。

（三）数据通信模块

数据通信模块作为嵌入式控制系统核心数据交互单元，分为有线通信、无线通信两大模块。有线通信模块已经集成在嵌入式系统模块中，并向用户提供完备的RS232、RS485、CAN、以太网通信手段。本模块单元中，主要为系统设计全面的无线交互接口，从而扩展专业类实训项目、项目化教学案例，为后续学科竞赛、科研活动提供更多的创新元素。设计中采用SX1301射频基带芯片，SX1301是多通道高性能发射机/接收机，集成了LoRa集中器IP，设计使用随机信道上的随机扩展因子同时接收多个LoRa数据包。该芯片针对物联网、数据采集、自动化控制等行业应用，旨在中央无线数据集中器和大量的无线端点之间建立可靠的连接。

三、基础实验课程

当前嵌入式系统基础实验设备老旧体现在两个方面：

一方面是实验设备老旧，现有的实验项目沿用至少五年以上的实验箱，大部分实验芯片已经更新换代，实验器件难以购买，造成相关实验内容维护成本高、维修困难，影响学生对实验结果的正确性判断，使其产生厌学、敷衍等情绪，影响教学质量。

另一方面教学手段老旧，现有的基础实验课程沿用多年的实验方法、实验器件、实验内容、实验目的，项目内容单一，且章节知识结构孤立。因为手段陈旧，导致学生做完相关实验后，后续研究和工作中基本不会再去使用。

论文针对上诉问题，从嵌入式系统理论课程入手，梳理嵌入式系统BSP、Kernel、RootFs三大层次组织结构，规划各个部分主要内容，形成了以硬件层为载体，系统、接口软件为支撑，应用层开发为实验教学的架构图。见图2：

现有的基础实验教学平台更倾向以模块化、层次化为主，通过接口硬件实验、软件设计开发实验、算法应用实验等方式，让学生能够更加透彻地了解器件内部的工作原理，掌握现代嵌入式应用开发流程和方法，能够结合理论知识，实现综合实验案例实践。研究通过多批次实验教学积累、不断修订实验教学案例，并在此基础上总结和撰写了相关实用实训教程。

四、专业类综合实训平台

当前，专业类嵌入式综合实训上下脱节，一是新方法与新工具脱节，电子信息类专业与电子技术、计算机、通信和信息技术等结合紧密，设计方法和工具日新月异[5];二是理论课实验与实训脱节，理论课实验内容与实训课程内容一致性差，实训课程涉及的相关理论课工具、软件等完全不匹配，甚至有些工具和软件已经过时多年，影响教学质量。

针对上述问题，嵌入式综合实训案例总结提炼相关专业技术要点，在实验教学基础上，紧扣智能化、信息化专业需求，结合国家相关专业类竞赛，形成专业特色的实训案例。研究以“CPU处理模块、传感器模块、嵌入式系统模块、数据通信模块”为基础平台，构建实训装置，成功应用于“物联网实训平台”“边缘计算实训平台”“自动化检测实训平台”“数据采集与分析实训平台”等，依托于基础实验课程，进一步拓展模块化教学覆盖面，促使学生学习的方法和工具更加贴近于实际的工作生产环节。通过多批次案例教学积累、不断修订应用教学案例，并在此基础上总结和撰写相关应用手册。

五、项目化教学平台

创新性的项目化课题需要多样化的实现载体，根据项目需求，模块化的构建系统功能，学生可以选择不同的组件通过不同的方法实现课题需求。目前，大部分项目实现载体单一，实现方式方案单一，导致班级方案雷同现象较多，极大地影响了学生的自主性。此外，项目教学多以教师为中心，由老师统一布置讲解项目化教学课题内容、方法，学生被动接受实践教学知识，很难调动学生的学习兴趣和积极性，学生实践能力和创新意识的提升有限。

针对上述问题，嵌入式项目化教学平台紧密结合行业发展需求，邀请行业技术专家，将相关典型应用抽象化、小型化为项目实训课题。项目化教学平台还可以引进开源项目，鼓励学生参与国内、国际开源社区项目，通过对项目需求、系统架构、软/硬件设计、系统调试、系统部署等进行团队化训练，进一步锻炼学生团队协作、创新创业能力。

六、结论

通过设计、制作“CPU处理模块、传感器模块、嵌入式系统模块、数据通信模块”四种嵌入式系统单元，系统化地构建嵌入式系统基础实验教学平台、专业类实训平台、专业类项目化教学平台，并将其应用于学科电子设计竞赛、省级大学生项目等活动中。有助于学生更加深入了解工程模块化架构体系、更加熟练掌握嵌入式系统新技术、新工具的使用方法，学生的自主设计、调试及测试等综合开发能力都能够得到有效提高，知识体系也更加契合企业专业的需求。

参考文献：

[1] 溫秀平，陈巍，黄家才，等. 基于项目化教学的创新型人才培养模式与考核评价方法研究[J]. 中国现代教育装备，2021（13）：137-138+144.

[2] 于迎霞. 高校电子信息类创新型人才培养的实践探索——以新疆大学为例[J]. 高教论坛，2018（03）：22-27.

[3] 史金飞，郑锋，邵波，等. 能力导向的应用型本科人才培养模式创新——南京工程学院项目教学迭代方案设计与实践[J]. 高等工程教育研究，2020（02）：106-112+153.

[4] 温秀平，解乃军，黄家才，等. “三维度、四层次、进阶式”创新创业项目化教学课程体系构建与实施[J]. 工业和信息化教育，2021（07）：5-9.

[5] 何晓红. 电子信息专业课程设置及实验实践教学的探讨[J]. 硅谷，2009（21）：164.

（荐稿人：陈巍，南京工程学院工程中心教授）

（责任编辑：淳洁）