《嵌入式系统》DIY自主实验指导方法研究

摘 要： 嵌入式系统课程是一门实践性要求很高的电子类专业基础课程。本文尝试总结一套指导学生如何在学习课程的同时快速地制作课程实验板并完成课程设计。实践证明，该方法对于提高教学质量和学生素质是很显著的。

关键词： 嵌入式系统 ARM μC/OS-Ⅲ

引言

嵌入式系统是一个很宽泛的概念，我们一般将以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统称为嵌入式系统。近十年来，随着当前各行各业对单片机能力的要求越来越高，如主频高、功耗低、外设多、互连方便、支持操作系统等，嵌入式处理器市场正在32位化，ARM芯片以其高性价比取代51芯片成为嵌入式系统设计的新宠，同时μC/OS-Ⅲ嵌入式操作系统因源码获取方便成为嵌入式系统学习的首选对象。

在实际教学中发现：（1）学生拘泥于嵌入式软硬件知识细节，不能从嵌入式产品的系统层面和设计过程中整体地动态地了解、理解和掌握嵌入式系统设计知识；（2）学生太过依赖学院实验室现有的嵌入式实验箱或自己购买的嵌入式开发板，不敢或很少尝试设计并制作自己的嵌入式开发板；（3）学生对嵌入式操作系统了解有限，忽视相关开发工具的使用与掌握。

本文将从嵌入式系统课程实验板DIY（Do It Yourself）开始，探索课程实验板DIY自主实验指导方法，尝试通过适当的适度的DIY实验操作指导，训练学生在规定的时间内和有限的成本下制作自己的嵌入式系统实验板，培养学生进一步自主探索学习嵌入式系统知识的兴趣。

1.研究目标与关键问题

1.1研究目标

依据《嵌入式系统》课程教学内容，研究课程实验板DIY教学方法，制定课程实验板DIY指导手册，指导学生逐步DIY自主制作自己的课程实验板，让学生在实践课程实验板DIY过程中亲身领会并掌握嵌入式系统软硬件设计方法，并最终基于ARM Cortex-M3微处理器和实时操作系统μC/OS-III搭建嵌入式系统的软硬件平台，完成课程实验并定制特色功能。

1.2关键问题

（1）如何让学生快速设计、投板、焊接并调试自己的ARM实验板，并且时间和成本可控。

（2）如何让学生在自己的ARM实验板上主动探索来完成课程实验，并且及时总结相关问题和对应的解决方案。

2.《嵌入式系统》DIY实践

借助当前便利的电路板PCB制作与生产工艺，在课程实验板DIY指导手册帮助下，指导学生逐步完成课程实验板DIY实践。

值得一提的是，当前电路板PCB打样双面板价格50元/款起，尺寸大小10cm*10cm以内，完全满足课程实验板制作要求。

2.1实践任务布置

在《嵌入式系统》授课之初，强调嵌入式系统课程实践的重要性，引导学生思索如何动手实践。然后课程设计任务，要求自己动手制作ARM最小系统板，运行μC/OS-III操作系统，满足课程各项实验要求，定制开发自己的特色功能。

说清楚两个限制：（1）必须使用ARM Cortex-M3微处理器和μC/OS-Ⅲ实时操作系统；（2）必须在一学期内完成（大约3个月）并且成本可控（100元左右）。

2.2实验板硬件制作

针对选定微处理器芯片（如ARM STM32F103），提供课程实验板原理图，仅涉及最小系统板硬件（包括ARM芯片、晶振、SWD调试、USB供电模块）和课程实验所需硬件支持（包括基于GPIO的LED和KEY，以及UART模块）。芯片管脚全部基于排线引出，便于学生后续的扩展实验。考虑到学生可能初次进行PCB制版，因此实验板PCB图提供半成品，完成最后的布线。

当然，学生完全可以部分或全部修改实验板原理图和PCB图，前提是学生必须有电路板制版经历。强烈建议初学者不要做太多的修改，而是完成剩下的PCB布线，并投板、焊板，进而编程与调试。

本阶段计划时间两周，可阶段验收成果为：（1）丝印学生姓名的PCB空板；（2）焊接完成的ARM实验板。

2.3实验板程序练习

实验板程序分为两部分，本着简单易学和循序渐进的学习原则，依据《嵌入式系统》课程教学内容，仅涉及LED、KEY和UART三个常见外设，训练内容包括ARM裸板程序和操作系统程序两部分，下表仅列举部分实验内容。

在此过程中，为了调动学生积极主动性，可以实行一定的奖励措施，如通过额外的平时分鼓励学生，将在硬件制作与软件编程实践过程中遇到的问题和对应的解决办法记录下来，并通过教师确认后集中给各位学生以参考。

本阶段时间持续整个学期，可阶段验收成果为课后作业和实验报告。

2.4特色功能实现

学生通过在ARM实验板硬件基础上扩展功能模块，基于μC/OS-III任务程序实现自己的特色功能，如红外测距、温湿度采集、小车控制等，并完成课程设计报告。

课程设计报告内容包括：（1）课程设计简述，阐述目的、内容和意义；（2）需求分析，阐述功能需求、技术指标、设计约束；（3）总体方案设计，涉及系统框图、功能框图、业务流程图等；（4）硬件设计，涉及硬件框图、器件选型、模块电路图等；（5）软件设计，涉及软件框图、关键数据结构、核心模块流程图等；（6）系统测试，包括测试目的、测试步骤、测试结果、结果分析；（7）附录，主要包括扩展的功能原理图和关键代码。

本阶段时间为学期的最后两周，可阶段验收成果为课程设计实物和报告。

结语

经过近三年的嵌入式系统课程教学实践，初步形成一套比较完整的自主实验指导方法和对应的实验板DIY指导手册，已成功指导百余名学生制作自己的ARM实验板，并实现自己设计的特色功能。

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