ARM嵌入式系统课程教学辅助系统的设计与应用
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摘 要： 设计了以arm LPC2148 MCU为核心的ARM嵌入式系统课程教学辅助系统。系统硬件设计包含了最小系统、串行通信及程序下载接口电路，矩阵键盘和可以用作中断输入的独立按键、字符和点阵LCD等组成的输入/输出人机界面接口；软件设计配备了系统的教学例程、完整的Proteus电路原理图和相关硬件模块的应用程序包。实践证明，该教辅系统对嵌入式系统课程的课堂教学、实验教学以及学生课外竞赛科研等都起到了很好的辅助作用，能很好地帮助学生学习掌握嵌入式系统的应用开发技术，并有助于学生自主学习能力和工程素质的培养。
关键词： ARM嵌入式系统； 教学辅助系统； 教学实践； 自主学习能力
中图分类号：TP368；G642 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）03-40-04
Abstract： This paper introduces a teaching assistant system for ARM embedded system course based on ARM LPC2148 MCU. The system hardware design includes the minimum system， the serial communication and program download interface circuits， the matrix-keyboard and the independent keys used as the interrupt input， and the character LCD and dot-matrix LCD interface. The software design includes the standard project template of ARM embedded system， complete Proteus circuit schematic and the application package for the related hardware modules. Proved by the teaching practice， the teaching assistant system plays a good supporting role in the classroom teaching of embedded system courses， and in the experiment and practice training of embedded system courses， and in the students' extracurricular scientific researching. It also effectively helps students learning to master the technology of embedded system， and helps to the students' autonomous learning ability and engineering quality training.
Key words： ARM embedded system； teaching assistant system； teaching practice； autonomous learning ability
0 引言
S着嵌入式软件技术的发展，高校对嵌入式系统应用型人才的培养日益重视[1-5]。国内很多高校在电子类、仪器类、计算机类等专业都开设了嵌入式系统课程。其课程特点：①软硬件技术相结合，专业性、综合性强；②嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合，实用性强。③门槛高，要求学生具有相应的专业基础素质及自主学习能力。其教学大纲要求通过课程学习，学生能够掌握基本的嵌入式系统设计、开发和调试方法。但是在实际教学中往往发现“学生理论学习理解困难，实验过程与理论知识融合困难以及课程综合设计能力差”等问题，而且目前的实验装置普遍追求功能强大，实验内容广，配置高档等指标，使得装置的软硬件复杂，忽视了学生的实际情况，学生很难在课时内实现对装置的理解掌握以及达到课程的教学目的要求。
根据我校的实际情况，考虑学生学习的个体差异，本着简单易懂，实用方便原则，紧密结合课堂教学内容，细分教学例程，研发设计了ARM嵌入式系统课程教学辅助系统，学生和教师每人一套。该系统作为嵌入式系统课程基础阶段的辅助教学装置，既可以在理论课堂上帮助教师很好地展现授课内容，又可以在实验和课程设计等实践教学环节中作为便携的实用开发工具，帮助学生切实地掌握ARM嵌入式系统的开发技术，提高学生的工程实践动手能力。
1 教学辅助系统设计
1.1 硬件设计
如图1所示，该教学辅助系统以经典的ARM7 LPC2148/38 MCU为学习对象，分为核心板和扩展板两部分，配有串口通信/ISP下载控制接口，USB接口等常用接口，扩展有矩阵键盘，可以用作中断输入的独立按键，字符/点阵LCD显示接口等输入/输出人机界面接口。系统基本功能齐全，所有引脚及电源均有引出，体积小，携带方便，便于学生自主扩展应用。
1.1.1 ARM处理器
系统MCU采用ARM7系的一款经典产品ARM LPC2148/38 MCU作为系统的核心CPU。其引脚少，功能模块较为齐全，配有512KB的高速Flash存储器和32KB的RAM，具有丰富的外设资源。它还含有向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址，片内Boot装载程序可以实现ISP/IAP编程，具有空闲和掉电两种低功耗模式，并且可通过外部中断唤醒[6]。ARM LPC2138/48 MCU工作原理简单且具有强大的处理和控制功能，同时在proteus仿真软件和keill编程软件中均支持该MCU，因此特别适合用于ARM嵌入式系统课程基础阶段的教学与学习。
1.1.2 串口通信接口及ISP电路
串口通信使用的是LPC2148/38 MCU的串口0。LPC2148/38 MCU的串口0是其主要组成部分之一，不仅可以用于学习与PC机的串行通讯，配以相应的ISP电路后，PC机借助编程软件还可以将应用程序直接下载到MCU中，从而降低了教辅系统的使用要求，方便了实践教学的需要。
1.1.3 USB接口及电源
为了使用方便，教辅系统直接利用PC机USB接口为其供电，无需额外配接电源。同时LPC2148 MCU自备有USB2.0从控制器，配以相应的接口电路后，可以方便地进行关于USB的相关教学，有效地提高了系统功能资源的利用率。
1.1.4 输入/输出及引脚扩展
为了提高教辅系统的通用性、实用性和扩展性，同时兼顾教学案例的需要，在系统扩展板中设计了显示接口、键盘输入端口、A/D采集及调节电位器、LED及蜂鸣器输出以及相应的电源输入输出端口。在系统扩展板中将MCU的P1端口用于字符LCD（LM1602）与点阵LCD（QC12864）共用输出，配合矩阵键盘输入端口，以及AD采集及两个电位器分别设计有相应的教学案例，有效地降低了学生的使用难度，提高了学生对嵌入式系统技术的直观理解。在扩展板上还通过插针引出了对应的全部引脚和电源，极大地方便了学生对其他应用硬件电路的设计，这也对教辅系统实现进一步的应用开发使用提供了便捷。
1.2 软件设计
软件设计工作主要体现在开发环境搭建、驱动开发，应用开发及SDK程序的移植等方面。
1.2.1 开发环境搭建
该教辅系统的软件开发环境搭建主要是Proteus仿真软件，Keill开发软件，Flash Magic编程下载软件安装，以及项目工程的建立与配置，程序文件的新建与添加，工程的编译与链接，电路原理图的绘制，程序下载与仿真运行，程序纠错等。这是学习嵌入式系统不可绕开的基础环节，学生在实际学习过程中容易出错，导致学习的自信心受挫。根据这一特点，除了在课程学习资料中细分教学例程讲解、对关键步骤进行详细注解外，还在教学过程中要求学生跟着教师逐步操作学习，而且写出书面总结作业，确保学生在嵌入式系统学习中能顺利迈出这第一步。
1.2.2 例程开发
例程开发是帮助学生更好地进入嵌入式系统技术学习的有效方式，既是理论课堂授课的范例教学，也是实践教学的应用例程。因此，例程设计至关重要，它不仅是对课程教学内容的验证，也能使学生加深和巩固对嵌入式系统技术的认识，是合理组织教学内容、设计教学例案、帮助引导学生自主学习提高实践创新能力的主要方式。例程开发设计按照单元模块知识架构以及系统开发应用的连续性，遵循“从基础开始，由简而难，从小模块到大系统，应用与原理并存”的原则，设计了教学基础例程与教学综合例程。基于ARM嵌入式教辅系统设计的教学基础应用例程有10个，涉及了对系统的基本认识、验证以及基本使用等工程应用实践的各个方面，如表1所示。
教学综合例程主要是将ARM LPC2148硬件资源、教学案例及其他应用所涉及内容的驱动程序，应用程序集合在一起，供学生阅读和参考，方便学生在练习中模仿和借鉴，帮助学生逐步过渡到独立自主应用开发阶段。同时，通过综合教辅案例，为学生建立嵌入式系统开发的规范与好的应用习惯打下基础。基于ARM嵌入式教辅系统设计了近30余道综合训练题目，学生可在综合实验和课程设计环节自主选择训练，进度快的学生也可在此基础上进一步发挥，提高嵌入式产品开发和设计能力。
2 教学应用
ARM嵌入式系统相较于其他单片机应用技术等专业基础课程教学而言，ARM芯片资源丰富，实际应用广泛，具有综合性、实践性强的特点，学生不容易理解和掌握。因此在教学中要以应用为主，强调体系结构及实用的设计开发技术等工程实践概念，基于教辅系统配以相应的例程项目及实践，结合项目驱动式教学模式[7-8]，在课堂教学、实验教学以及课程设计实践环节中进行项目分解讲授，直观、实用，引导学生自主学习，由浅入深，由易到难，由基础到综合，切实让学生从硬件到软件，再从软件到硬件实现对嵌入式系统技术的完整认识。
2.1 课堂教学应用
在课堂教学中，以应用为主，借助教辅系统，帮助学生了解嵌入式系统的特点，理解嵌入式系统的基本构成（微处理器、存储器、外设驱动和I/O接口、电源管理、硬件调试等）；认识嵌入式操作系统，知道操作系统内核，能够对内核进行移植、修改和裁减；掌握某一种嵌入式操作系统，能够构建嵌入式软件的开发环境，编写一些基本的嵌入式设备的驱动程序等。同时，在传统教学模式的基础上，重新调整学时分配，部分引入翻转课堂教学模式，以例程教学和项目开发驱动教学内容的更新，课堂教学更多的辅以实际范例演示讲解和回答学生在课外实践环节中出现的问题，提高学生对嵌入式系统技术的认识和掌握程度。在Proteus仿真软件和教辅系统的支持下，加大实际编程训练内容，针对讲授内容独立设计立足于基本概念原理的例程，根据学生个体差异提出不同的任务要求，至少要求学生能跟着教师操作演示，在训练过程中再学习和升华讲授的知识。
2.2 课程实验应用
嵌入式系统是一个综合性、实践性强的软硬件设计开发平台，实验教学是重要环节，实验教学是嵌入式系统课堂教W的重要延伸。在实验教学中以教辅系统为载体设计实验内容，配合课堂教学，能更好地帮助学生建立对嵌入式系统的完整认识。实验教学除了设计有基础的ARM嵌入式教学内容，如应用开发入门实验、基础接口和显示实验，还有提高的ARM嵌入式教学内容，如音频、麦克风、SD卡、触摸屏等扩展接口实验，UART驱动与应用、LCD驱动及应用、USB接口、PWM驱动及应用等等，基本满足目前嵌入式系统初级阶段的教学需求。经过实际教学应用证明：借助该教辅系统进行实验教学，学生能有效地认识掌握嵌入式系统实验装置的开发环境及软硬件设计方法，理解对应的教学内容与教学目标，提高了学习主动性和实践动手能力。
2.3 课程设计应用
在课程设计教学环节，以教辅系统为支撑设计了近30组综合训练内容，如电子日历制作、音乐播放器、直流电机调速、正弦波示波器、条码扫描显示等，供学生自主选择。由于该系统不仅提供了LPC2148/38的所有硬件资源，还提供了有关输入/输出的SDK，大大节省了ARM基础软硬件平台搭建的时间，使学生将主要精力和时间放在应用开发上，课程设计的效果和质量明显得以提高，而且学生还可在此教辅系统基础上自行研发应用项目，参与各级课外科研竞赛活动，效果良好。学生借助于该教辅系统进行综合应用学习，可掌握和巩固嵌入式系统应用技术的基本原理，掌握了32位ARM单片机和嵌入式操作系统应用的基本技术，能够完成一些简单的项目研发，他们走出校园能尽快适应相应的工作岗位。
3 结束语
该教辅系统已经在我校测控专业两届学生的教学中投入使用。该教辅系统将课堂教学、课程实验、课程设计教学环节无缝连接在一起，并可直接应用于其他课外实践的开发应用中，使得嵌入式系统课程的教学体系具有更好的系统性、实用性和连续性，基本解决了嵌入式系统课程难教、难学、难懂的系列问题。同时该教辅系统也使得嵌入式系统课程的课堂教学更加具体形象化，互动性更好，实验教学内容更加丰富，学生设计制作参与性更强，明显改善了学生以往对理论知识学习的茫然和不明确性，以及对实验装置的畏难情绪，提高了对理论学习和实验的兴趣，培养和锻炼了自主学习能力和工程实践能力。
参考文献（References）：
[1] 油海东.基于ARM-Linux的嵌入式系统开发平台教学实验研究[J].中国现代教育装备，2012.147（11）：15-17
[2] 陈伟，林训超.Cortex时代的ARM教学[J].单片机与嵌入式系统应用，2010.5：5-7
[3] 宋焱翼，陈礼，颜芳.嵌入式系统实验教学改革与实验教学装置开发[J].实验室研究与探索，2011.30（7）：239-241
[4] 张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志，2012.4：46-51
[5] 张腾飞，顾亦然，郭前岗.“嵌入式系统及应用”课程教学改革探索与应用[J].中国电力教育，2012.28：53-55
[6] 高俊尧，黄超.基于ARM微控制器LPC2138的分布式系统设计[J].电子设计应用，2007.5：97-99
[7] 陈豹.嵌入式系统课程教学方法实践与探索[J].吉林省教育学院学报，2015.31（1）：77-78
[8] 李宁，宋薇，库少平.项目化嵌入式教学方法研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2010.2：5-7
[9] 原亮，丁良，李浩，巨政权.嵌入式系统的综合教学实验环境建立[J].实验室研究与探索，2008.27（1）：92-95
[10] 张键，梁建慧.基于Proteus的个人虚拟实验室探究[J].电子测试，2013.8：122-123