ARM嵌入式系统综合大实验教学的探索与研究

1、ARM嵌入式系统综合大实验教学的探索与研究韩名君张艳【摘要】本文根据电子信息科学与技术专业的培养目标，结合学生的知识结构特点，提出了一套软硬结合、由浅入深的ARM系统大实验的工程教学法实施方案。本文详细阐述了每个工程的设计要求、学时安排、教学方式和考核方法。最后，通过对课程目标达成度的计算与比较，我们发现该方案能有效地提高教学质量、更切合实际地提高学生ARM系统的自主开发和创新的能力。【关键词】ARM嵌入式系统综合大实验TheExplorationandResearchoftheComprehensiveExperimentTeachingforARMEmbeddedSystemCollege

2、ofElectricalEngineering，AnhuiPolytechnicUniversity，WuhuAnhui，241000，China【Abstract】ThispaperputsforwardasetofteachingprojectimplementationplanforARMsystemexperimentwhichbasedonthetrainingobjectivesofelectronicinformationscienceandtechnologyprofessional，combiningwiththecharacteristicsofthestudents

3、9;knowledgestructure.Thispaperproposesthedesignrequirements，scheduling，teachingmethodsandassessmentmethodsofeachproject.Fromthecomparisonofobjectiveachievementscale，wefoundthatthisschemecaneffectivelyimprovethequalityofteaching，morepracticaltoimprovestudents'abilityofARMsystemindependentdevelopm

4、entandinnovation.【Keywords】ARM；Embeddedsystem；Comprehensiveexperiment0前言ARM处理器自问世以来，以其体积小、功耗低、性能高的特点越来越多地被广泛运用到通讯产品、嵌入式系统中。ARM处理器采用的精简指令集体系提供了更高的执行效率，扩充后能同时兼容Thumb16指令集、DSP指令集，并能执行Java代码【1】。在处理器的中高端市场，ARM处理器对IntelCPU的市场占有率产生了巨大的冲击。2021年12月，微软和高通正式宣布达成合作，Windows全面支持ARM，高通的48核ARM处理器将用来打造全新的WindowsServ

5、er产品【2】。正由于ARM处理器在无线通讯、智能人工，以及各种嵌入式系统中的运用，?ARM系统原理与应用?课程的学习已经被纳入本科以及高职院校电子类各个专业的教学方案中3-6。对于电子信息科学与技术专业而言，?ARM系统原理与应用?属于人才培养方案中的专业课，我校目前已经开设了40学时的?ARM系统原理与应用?，该课程以理论课为主，其中课内实验课时分配为6-8个学时，课内实验内容为嵌入式实验平台的操作、Thumb16汇编指令的使用和编程等。由于课内实验是为理论教学效劳，故而內容设计较为浅显。除此之外，我校还开设了40学时的实践课ARM嵌入式系统综合大实验。针对培养方案中所提出的分层次培养目标

6、，要求学生能灵活运用所学知识，进行嵌入式系统综合设计的目标，ARM嵌入式系统综合大实验正好能适配该培养目标【7】。下面就结合不同层次的教学目标，探讨其教学内容和考核方法。1实验平台的搭建1.1硬件平台选用德州仪器公司开发的TivaCSeriesTM4C123GLaunchPad和上海德研电科的DY-Tiva-PB口袋板作为实验平台，TivaCSeriesTM4C123GLaunchPad的处理器为TM4C123GH6PM芯片，是TI公司推出的一款基于ARMCortex-M4的32位处理器，主频80MHz，256kBFlash，32kBSRAM，具有USBHost，Device和OTG的能力。T

7、ivaCLaunchPad那么是一块基于TM4C123GH6PM控制器的实验板卡，自带仿真器，连接上USB即可进行开发和编程。DY-Tiva-PB口袋板是配合TiTivaTM4C123GARMCortex-M4LaunchPad使用的扩展板，该板体积小、使用方便，只要将其与TivaC系列的XL接口对插即可使用。系统集成了LED、LCD、音频、温度传感器、PWM与滤波、串口通信，以及AD/DA转换和TF卡等单元，不仅可以进行一般MCU、单片机实验，还可以进行课程设计和工程开发。1.2软件平台主要选用Keil软件为开发平台，编译生成二进制bin文件，开发板通过USB口与PC连接，连接后需要正确安装

8、开发板驱动程序Stellaris_icdi_drivers，最后通过TivaFlashProgrammingBin软件进行程序烧录。软件开发平台不仅可以使用Keil软件，也可以使用德州仪器推出的CodeComposerStudioCCS集成开发环境进行软件开发。2实验内容的制定endprint在ARM系统大实验中，我们结合电子信息科学与技术专业培养目标，采用任务驱动教学方法，让学生根据不同的任务进行系统开发，同时在做中学、学中做，另外通过不同的教学层次的设置，逐步培养学生在该课程上具有软件仿真、硬件驱动，嵌入式系统开发与移植的能力。下面就根据课程培养目标制定了三个工程。2.1根底知识实验工程由

9、于?ARM系统原理与应用?课程中已经有6-8学时的根底知识验证性实验了，因此在大实验中，我们在对根底实验已经有了一定掌握的根底上，首先安排了4学时做根底知识综合性实验工程，也为下一步嵌入式系统开发的学习夯实根底。工程一的任务要求：安装程序和硬件驱动，熟悉Keil实验平台，对TivaC开发板安装驱动并快速入门，并设计一个简单的GPIO中断程序，点亮相应的发光管。2.2嵌入式系统综合实验工程在对根本知识掌握和理解的根底上，进一步深化教学内容，使学生的嵌入式设计和开发能力有进一步提高，结合我校实验设备的实际情况，要求学生模拟一个十字路口的交通通行控制系统，分配16学时的学习时间，工程三的具体设计要求

10、：1通过定时器，控制红、黄、绿三色LED发光管，2按键能产生中断并能调整LED发光管的定时时间和发光顺序，3LCD屏幕显示文字，文字包含通行秒数和路口的通行方向，以及该路段的限速等信息。2.3自主开发实验工程为了使学生初步成为一名嵌入式系统开发人员，对所学知识融会贯穿，在此阶段布置实验任务是设计一个模拟的智能家居远程控制系统，工程四的设计要求：1对三个不同房间的环境温度进行采集并将温度数据通过UART发送给PC，使学生掌握温度采集模块、串口通信原理和UART模块的使用；2采集几组电位信号并进行比较，比较结果经LCD屏幕显示，使其熟练应用TM4C123GH6PM的模数转换模块。该工程使学生了解和

11、掌握整个嵌入式系统的根本开发流程，在模仿的根底上创新，开发一些新的功能，整个工程约需18-20学时。3实验教学方式该课程采用工程教学法，学生二人为一组，分工合作，以工程的层层推进来实现理论知识的深化，并能融会贯穿、学以致用。教学环境那么配备了60台计算机、配套40块TivaCSeriesTM4C123GLaunchPad和40块DY-Tiva-PB口袋板，以及相应的多媒体教学资料和教学设施，实现了边学边做边考核的一体化教学模式。4实验考核方式合理的考核方式能催促学生更好地完成任务、学到知识，还能检验教学内容是否能到达该课程的培养目标。该课程的成绩采用五分制计分，考核方式以过程性考核为主，具体分

12、为出勤情况、课堂表现和实验报告三大块，分别占10%、60%和30%。其中，课堂表现主要以每个工程完成的快慢和该工程完成质量为依据，教师当堂记录并对学生的实际操作水平和学习效果进行评价。实验过程固然非常重要，但是学会撰写一篇合格的科学文献也是本科学生必须掌握的技能，因此在每个工程完成后，利用课余时间完成实验报告电子文档，并提交给任课教师，根据实验报告反响的情况，下一次上课再及时订正。特别是工程一的实验报告，问题主要是格式方面的错误，针对有局部同学还不太会调整格式的问题，我们在工程一和工程二之间，特地安排了12课时，教学生如何撰写一篇合格的科学文献，指出学生的常见错误，并特别针对目录的生成和参考文

13、献的整理做了详细说明。课程结束后提交实验报告纸质打印文档并装订。5结论根据专业认证的要求，课程结束后我们统计了各个工程的目标达成度，工程一的教学目标达成度到达0.876，工程二的教学目标达成度为0.833，工程三的目标达成度为0.780。从达成度可以看出工程一的达成度最高，这是因为工程一主要考核根底知识的掌握程度，难度较小，0.876的达成度说明学生较好地掌握了ARM系统的主要根本知识和操作流程。工程三的达成度虽然最低，但是也超过了0.75，到达了中等偏上的水平，并较往年提高了0.052。总体而言，三个工程的达成度都较往年均有一定程度的提高，说明该教学方案能立足我校现有的软硬件条件，同时理论联系实际，开拓学生思维、锻炼学生自主创新能力，有效地提高了教学质量。【参考文献】【1】刘洪涛.嵌入式系统技术与设计M.北京：人民邮电出版社，2021，11-30.【2】快科技.WindowsServer全面支持ARM：高通48核旗舰上阵. ：/app.techweb /wp/2021-03-09/2497325.shtml.【3】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，20211：77-