嵌入式电路设计教程范文第1篇

关键词：嵌入式教学；企业需求；教学内容；教学改革

作者简介：谭斐（1983-），女，江苏镇江人，江苏大学电气信息工程学院，实验师；王伟然（1983-），男，江苏镇江人，江苏科技大学电子信息学院，讲师。（江苏 镇江 212000）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）33-0125-02

国际电气和电子工程师协会（IEEE）对嵌入式系统定义为：用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。[1]实质上嵌入式系统就是一种以应用为目的，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等都有严格要求的专用计算机系统。[2，3]近年来，随着嵌入式系统的迅猛发展，嵌入式系统被广泛应用到各个现代高新产业中。随着嵌入式系统在产业应用中比例的快速增长，企业需要大量同时能够掌握硬件和软件设计的嵌入式新型复合人才。由于高校课程设置的滞后，尽管每年大约有50万左右的电气工程类高校毕业生，企业对嵌入式人才需求的缺口仍然达到每年80万左右。这个现象说明目前高校对于电气类课程的教学还是基于传统模式，没有跟上企业的需求，这种情况极大违反了课程设置的要求，同时也给在高校中开展嵌入式教学体系的设置和改革带来了机遇和挑战。如何设置电气专业嵌入式课程的教学和实验，通过教学内容和教学方法的改革，培养符合企业标准的嵌入式实践型复合人才是当前最需要研究解决的目标。

一、嵌入式课程教学及其实验的特点

嵌入式系统是一个硬件平台和软件编程的结合体，当前国际各大电气公司都推出了自己相关的嵌入式系统，比如TI公司的DSP系列、飞思卡尔的DSC系列、三星公司的ARM系列、Xilinx公司的FPGA系统等。目前嵌入式系统种类较为复杂，软件编译平台也有所不同，但是学习嵌入式系统的总体思路是不变的，只要熟练掌握了一种嵌入式平台的设计，举一反三地自学其他嵌入式系统也是相对较为简单的。[4，5]

嵌入式系统的教学涉及到一系列基础课程的学习，比如模电数电、计算机系统、单片机控制、C语言、操作系统甚至还有汇编语言等等。结合江苏大学（以下简称“我校”）电气类专业课程建设以及电气工程及其自动化专业的建设目标，和当前企业对于嵌入式专业人才的需求，将对嵌入式系统实验教学体系进行改革。教学改革以增强学生的实际动手能力，提高学生的科技创新能力，贴近企业需求，以培养符合复合型嵌入式实用型人才为目的。从整体上考虑嵌入式教学和其他学科的契合点，研究符合本校、符合学生学习规律的嵌入式实验教学方法，以使学生尽快熟悉嵌入式平台的设计及其操作，同时培养学生思考问题、解决问题的能力，为将来学习其他嵌入式系统打下良好的基础。

二、嵌入式教学体系设置的思路

以扎实理论基础，提高实践动手能力，增强学生思考能力，培养符合企业需求的嵌入式复合型人才为教学指导思想；以思考与动手相结合，授课与实验相结合，课内教学与课外自修相结合，理论与实践相结合，知识与创新相结合，能力与素质相结合，目标与需求相结合为教学理念。将基础教学、嵌入式系统硬件设计、软件综合实验、嵌入式课程设计、本科毕业设计及课外科技创新活动等环节相结合，构建了较为完善的嵌入式系统课程实验教学体系（图1）。[6-8]

1.相关基础课程的学习

学好嵌入式系统不是可以一蹴而就的，这涉及到一系列的基础课程，需要熟悉硬件设计开发流程，掌握基本的接口设计及相关的程序编写方法，熟练规范地使用C语言，了解一部分的汇编函数，掌握一定的通信原理知识。这些需要在课程设置时考虑到学生前期铺垫的专业基础课程，所以一上来就直接开设嵌入式课程不仅不能帮助学生快速上手，反而会混淆学生的思维，打击他们学习嵌入式课程的兴趣。教师应该循序渐进设置好相关基础课程，为学生进一步的嵌入式学习打下基础。当学生在嵌入式学习阶段遇到问题时，可以通过前面所学习到的知识来思考和解决问题，同时这也是对前面基础知识的一个复习过程。

2.针对某一嵌入式芯片设计其数字控制系统

设计嵌入式数字控制系统首先最主要的是设计其核心控制模块。随着选择的嵌入式芯片的不同，核心控制模块也是有所区别的，设计时应查找芯片厂商所提供的资料，构建嵌入式自身独有的核心控制模块。一般来说，嵌入式芯片自身都带有一定的存储空间ROM/Flash ROM，但是如果在工程运用中容量不够的情况下，就需外扩存储器。外扩存储器、通用设备接口、I/O接口和特殊功能模块需要根据工程实际情况选择添加。其设计时也需根据工程要求参考芯片厂商所提供的资料，确定芯片的型号及其硬件连接走线。

当设计嵌入式数字系统硬件的时候，需要用到电子设计自动化工具（EDA）来辅助进行相关设计。EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量的工作可以通过计算机完成，并且可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。现在一般常用的EDA工具有Protel、Altium Designer、PSPICE、multisim12、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等。这些工具都具有较强的功能，除了一般的电子设计之外，还可以实现计算机上的电路仿真、PCB自动布局排线、输出多种电子表格、多种实用的第三方软件接口。学生在学习嵌入式数字系统硬件设计时应选择其中一种或者多种进行熟练掌握。

3.嵌入式芯片平台的理论教学和实验教学

嵌入式芯片平台的理论教学和实验教学是嵌入式教学的重点。

首先，教师在教授嵌入式系统之前自身就应该具有较强的专业知识、工程经验和丰富的教学经验。嵌入式系统是一门综合性强，知识量丰富，并且需要实际工程经验的课程，这不是只靠着一些教材或者课外辅导书可以教授好的。目前许多教授这一门课程的教师自身就有着一定的不足，这就需要教授这一课程的教师不断进行自身的充电。学校也应为教师创造机会，让教师可以实际参加到工程生产的设计中去。

其次，课程教授的过程中需要强化设计环节。嵌入式的学了书本和资料上面的内容外，最重要的是教授学生该如何使用，如何考虑相关问题。这需要除了在基本功能验证外，增加设计综合性实验项目。综合性实验项目包括资料的查找、方案的设计、硬件设计及其PCB制版、软件的编写、组装调试。通过针对嵌入式的设计环节，综合训练学生嵌入式系统的实际开发能力，同时培养学生自主思考问题、查找资料、解决问题的能力，为学生今后的嵌入式学习之路打下基础。

最后，科学设置嵌入式教学的考查环节。由于嵌入式的特点，注定一般以考试为主体的考查环节是不适合嵌入式教学的。个人认为嵌入式系统的考查应以这几个方面的形式：

（1）专题演讲。要求学生整理自己感兴趣的嵌入式方面的内容。比如，当前嵌入式的发展动态、一种嵌入式芯片的使用说明、一种主流的嵌入式软件的使用方法、一个针对实际问题的嵌入式系统解决方案、现在嵌入式系统的一些不足或者不方便的地方及其可以对其进行改进的设想等等。

（2）设计报告。教师就一个实际问题要求学生分组设计嵌入式解决方案，包括芯片选型、硬件设计、软件编写、总体调试。如果这个问题比较复杂，可以允许各小组之间分工配合。

（3）读书笔记。要求学生就学习嵌入式系统这一课程后的心得及对教材、资料、课外书籍的认识、总体概念写成读书笔记。

（4）科技竞赛。允许学生自由分组，就自己感兴趣的内容设计一个嵌入式系统，并进行样品自主试制，最后相互之间进行评比。

4.嵌入式系统相关的助研实践和科技竞赛

鼓励学生进行科技创新，提高学生的创新意识，培养学生的实践能力。现在大部分教师都进行着纵向或者横向课题的研究，这里基本上都涉及到嵌入式系统的应用。学校应该鼓励学生参与到这些课题的研究当中，针对这些课题进行相关方案设计及其硬件样品制作和软件编写。

现在国家、省市和相关电子企业都大力支持大学生科技创新竞赛，举办了如全国大学生电子设计竞赛、中国机器人大赛、江苏省大学生课外学术科技竞赛、飞思卡尔杯全国大学生智能车竞赛、德州仪器杯电子设计竞赛等。科技创新竞赛本身就是一个综合性的教学活动。学生在竞赛的过程中将专业理论知识运用到实际问题中，不仅培养了独立思维的意识，还培养了发散型创新思维的能力。

三、结语

嵌入式教学中需要建立以学生为主体，企业要求为目标的互动型教学方式。在课程教学方案中需选择主流典型的嵌入式系统进行教学，主要讲解嵌入式系统学习中的共性。平时注意收集资料，除了所讲解的嵌入式系统外，也需分类介绍其他一些常用的嵌入式系统的特点。注意串联知识点，及时发现学生知识体系中的不足，当发现学生基础知识体系中有所不足的时候，需要及时给学生补充或者制订课余学习计划，并及时检查学生的完成情况；在实验教学方案中需要从学生的实际情况出发，结合实际，不断探索新的实验方法和手段，注意实验过程中的每一个环节，加强对学生实际动手能力的培养。

参考文献：

[1]李佑军.嵌入式系统综述[J].现代电子技术，2003，（6）：41-44.

[2]舒展.嵌入式系统综述[J].现代计算机（专业版），2011，（5）：44-46.

[3]戴明华，李长云，曾志浩，等.嵌入式Linux驱动程序框架研究综述[J].长沙大学学报，2012，（2）.

[4]张晓东，孙丽君，鲁可.高校嵌入式系统课程教学改革探索[J].中国电力教育，2013，（8）：35-36.

[5]李永壮.校企合作模式下的嵌入式教学研究及订单培养的好处[J].计算机教育，2008，（22）：20-22.

[6]张淑艳，马春龙，王金莉，等.嵌入式系统课程教学改革与实践[J].中国科教创新导刊，2012，（11）：31-33.

嵌入式电路设计教程范文第2篇

关键词：嵌入式系统 产学研 项目驱动 考核模式

随着物联网、通信技术的发展，嵌入式产品在全球各行业得到广泛应用。但我国嵌入式人才一方面市场供不应求、企业选人难；一方面高校毕业生就业难。主要问题是毕业生不能满足市场对人才的要求，校企合作不够紧密。这种现象不仅存在于本科毕业生中。随着研究生的扩招，提高研究生就业率也提上了议事日程。学校不能向学生提供足够的实践机会，有些教学只有理论讲解，没有实践操作，或者学生做实验仅仅是基于实验箱的步骤完成实验，不能提高学生的动手能力和实际工程项目研发能力，故不能满足嵌入式研发企业对于人才的要求。对于微电子专业而言，芯片设计更新换代很快，系统集成、片上系统甚至片上可编程系统需求大批既懂芯片设计又懂嵌入式系统的复合人才，这方面与国际同行业先进企业对人才的要求还有很大的差距。因此，如何破解这些问题，形成适应市场对嵌入式系统人才需求培养的新模式，是微电子专业嵌入式系统教学面临的一个重要课题。

国内外很多高校和实验室都对嵌入式系统课程进行了教学改革和尝试，如英国雷丁大学、德国波恩-莱茵-锡格大学、新加坡南洋理工大学和加拿大卡尔顿大学等；国内有清华大学、哈尔滨工程大学、江西理工大学和华中理工科技大学等。上述研究往往涉及计算机专业或电子工程专业较多，但是对微电子专业嵌入式系统课程的教学改革研究报道较少，并且大多数嵌入式系统教学改革主要是实验部分的改革。

为了贯彻落实《国家中长期教育改革与发展规划纲要（2010-2020年）》的精神，不断深化本科生、研究生教学改革，提高本科生、研究生教育质量和就业率。旨在探索研究微电子专业嵌入式系统学研产教育新模式，走出一条将实际科研项目、教学环节和企业生产紧密结合的特色之路。以市场甚至国际市场为导向、以企业甚至跨国公司为依托、学研产相结合的新模式，把微电子专业嵌入式系统科学研究、企业技术研发和人才培养紧密结合起来。尤其是对微电子专业研究生的教育，与企业甚至跨国公司合作进行技术研发，提高人才的创新能力、解决工程实际问题的能力和专业工程素养，培养出基础较扎实、实践能力强、专业工程素养较高和企业欢迎的微电子专业毕业生。为破解高校学生就业难、企业选人难的问题；为缩小我国与先进国家微电子专业复合人才的差距，具有重要的现实意义和长远的社会意义。

1 建立微电子专业嵌入式系统学研产平台

嵌入式系统是微电子专业研究生和本科生的一门专业选修课。微电子专业嵌入式系统的特点是紧跟芯片和软件前沿发展动向、涉及学科多、国际性器件多且更新换代快。该课程要求理论与实践紧密结合，企业需求解决工程实际问题的嵌入式人才，这些都促进了微电子专业嵌入式系统学研产教育新模式的开展，提高学生理论联系实际和工程项目研发能力。我校已与北京华芯微特科技有限公司、深圳仙苗科技有限公司和北京飞漫软件有限公司等单位合作，建立了嵌入式联合实验室，正在与跨国公司相关人士洽谈；另外，本研究室在科学研究中已初步建立了小型物联网系统、RFID系统、光栅测量系统、火炮发射计数系统、烟雾报警系统和完成芯片设计并成功流片的项目等，这些为该课程学研产新模式的探索和研究搭建了很好的基础和平台。部分学生在华芯微特公司运用所学的ARM汇编语言进行指令集的测试设计和应用设计。部分学生运用所学软硬件系统设计方法，设计和制作出电子产品，部分产品已应用于企业。微电子专业嵌入式系统学研产新模式的建立，很重要的一项内容就是教学方法和考试方法改革。以实际工程项目驱动为主要形式，以实际课题研究、技术开发为主要内容，整合校企优质资源，优化微电子专业嵌入式系统教学与考试方法，提高学生的知识水平、学习、动手和实际工程实践项目的研发能力，实现与企业的紧密合作，为学生成功走向市场，进入企业增加一份较强劲的推动力。

2 实际项目驱动教学方法改革

基于嵌入式系统学研产平台，紧跟嵌入式学术前沿的发展动向，不断改进企业所需的产品功能，并将实际的研发项目和研发过程引入到嵌入式系统课堂，采用课内外学习、作业和实验相结合的方法，使学生能完成嵌入式系统的实际硬件电路设计、程序编制、调试环境搭建、板级调试、网络通讯、系统集成和文档编写等环节，提高学生的工程项目研发和实际动手能力。将企业一线专家请到校内，使学生近距离聆听企业嵌入式专家的报告和指导，提高学生工程项目经验、创新能力、实践能力，丰富学生的专业素养，也可以提高学生的就业率。同时也为企业产品研发提供人才保障。另外，也使学生和教师及时了解企业对毕业生的要求、对课程内容的建议和企业技术创新的需求等，紧跟嵌入式市场的发展需求，及时调整教学内容和规划，培养符合市场及企业一线需求的微电子嵌入式人才。切实建立以国际市场为导向，以国内企业和国际企业为依托、学研产紧密结合的微电子专业嵌入式系统教育新模式。同时进一步加深与企业之间长期紧密的学研产用合作关系，使平台成为企业技术创新和我校微电子专业嵌入式人才培养的重要基地。

嵌入式电路设计教程范文第3篇

论文摘 要:为提高高校计算机专业嵌入式系统课程的教学效果,以适应社会对嵌入式人才的要求,在分析嵌入式系统体系结构的基础上,分析了高校计算机专业嵌入式系统的教学现状、教学内容和教学方法,指出现有教学过程中存在的不足之处,并提出相应的解决方案。

嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁减的计算机系统,通俗地讲,就是具有智能处理功能的电子产品。如今,嵌入式系统已经被广泛应用于工业控制、医疗仪器、智能仪表、通信设备等众多领域,可以说,嵌入式系统无处不在,人们的生活也离不开嵌入式系统。

如今,社会对掌握嵌入式技术的人才需求量较大,近几年高校中的自动化类、电子类以及计算机类专业均开设了嵌入式系统的相关课程,社会上也有一些培训机构开始开展嵌入式工程师的培训。然而,由于面向对象、培养目标以及基础知识的不同,高校中各专业以及培训机构培养出的嵌入式人才的能力也不尽不同。本文结合嵌入式系统的体系结构和高校计算机专业的课程结构,对高校计算机专业嵌入式系统的教学现状、教学内容和教学方法展开探讨,指出现有教学过程中存在的不足之处,并提出相应的解决方案。

1 嵌入式系统的体系结构

一个完整的嵌入式系统可以分为软件部分和硬件部分,因此,大体上讲,嵌入式工程师可以分为嵌入式软件工程师和嵌入式硬件工程师。但我们认为,一个合格的嵌入式工程师应该既要懂软件,又要懂硬件,软件和硬件之间是相辅相成的。

嵌入式软件包含应用程序开发、驱动程序开发、操作系统的移植和裁减三个主要方面。然而,并非所有的嵌入式系统都需要进行驱动程序的开发以及操作系统的移植和裁减,如果使用的单片机较为简单,或者开发的程序较为简单,那么就没有必要基于操作系统来进行应用程序的开发。但是,如果基于操作系统来开发应用程序,那么应用程序开发过程和普通的软件开发几乎没有区别。

嵌入式硬件主要包含pcb设计和原理图设计两个方面。在原理图设计阶段,工程师需要根据实际需求选择合适的芯片,设计相应的电路图;而pcb设计主要是指pcb的布局和布线。对于高频电路,在布线完成之后,还需要进行pcb电路图的电磁兼容仿真和分析,以保证生产出的产品能够正常工作。

由此可见,嵌入式系统开发涉及到的知识面较多,这对相应的从业人员提出了较高的要求,因此,要称为一名合格的嵌入式工程师必须对上述所有方面都有所了解,并精通其中若干个方面。

2 高校计算机专业的课程结构

如今,高校计算机专业的课程结构除公共课外,可以分专业基础课程,专业必修课程和专业选修课程。专业基础课程主要是指电子技术基础和计算机程序设计;专业必修课程主要包括计算机体系结构、操作系统、数据结构、软件工程、计算机网络和编译原理等;专业选修课包括信息安全、图像处理、网络程序开发、嵌入式系统等。

从课程结构上,我们不难发现,该专业学生在学习嵌入式系统时存在一定难度,主要体现在对电路、数电和模电三门课程的掌握不牢固上。要想学好嵌入式系统,首先必须学好上述三门课程。而事实上,通常计算机专业将上述三门课程合成一门课程来进行讲授,并且学时较短。学生经过一个学期的学习,只能对这三门课程有个大概的了解,并不能达到较为灵活应用的程度。

3 教学现状、教学内容和教学手段

在教学现状上,如今高校在讲授嵌入式系统时,往往是一个教师会面对几十个,甚至上百个学生。在人数较多时,授课质量会下降。事实上,社会培训机构在进行嵌入式系统培训时,往往会限制学生的数量。

在教学内容上,主要是以一些基本概念为主,如单片机结构,linux嵌入式操作系统的原理和移植,linux嵌入式驱动程序的开发,以及嵌入式软件的设计方法等。事实上,对于刚接触嵌入式系统的学生来说,讲授这些空洞的基本概念是没有任何意义的。根据学生的反映,由于他们没有任何嵌入式方面的基础知识,讲授上述内容使得他们陷入一种迷茫的状态,除了强迫性记住一些概念之外,其它什么都没有学到。

在教学方法上,主要是以教师讲课为主,学生处于被动地接受状态。学生接受了大量的概念,却没有办法真正理解这些概念。尽管学生也会做一些嵌入式系统的实验,但在进行实验时,学生往往是根据实验手册上的说明,按照实验步骤一步步进行下去,最终除了能看到一些实验结果外,几乎根本无法理解其中的原理。

4 解决方案

为此,我们认为,高校计算机专业嵌入式系统的教学内容和教学方法必须进行改革,具体体现在以下三个方面:

第一,改变教学内容,注重实际应用。在教学内容上,不应讲授空洞的基本概念,不应以复杂的单片机,如arm为例进行讲授,不应讲授嵌入式操作系统的原理和移植操作,也不应讲授驱动程序开发,这些内容都不适合初学者。而应该以一个简单的单片机,如c51为例进行讲授。同时,在讲授c51时,应从一个应用者的角度,而不是一个设计者的角度来进行授课,这一点往往是一些教师没有注意到的问题。他们往往过于强调单片机的内部原理,而忽略了单片机的应用方法。

第二,应以教师教课为辅,学生动手为主的教学方法。由于嵌入式系统是一门实践性很强的课程,对于这类课程,过多的教学是无益的,往往会让学生对嵌入式失去兴趣。而如果能够让学生动手实验,学生则能够很直观地感受到嵌入式的魅力。

第三,在动手实践上,应以一个小型项目为主,基于开发板实验为辅的方法。事实上,基于开发板进行实验,学生往往只是简单地对他人的程序进行编译和下载,并观看开发板上的运行效果,并不能主动地研究其中的原理,也无法提高学生解决问题的能力。而如果让学生开发一个小型项目,如温度显示器等,那么学生不仅能够真正了解嵌入式系统的开发流程,解决开发过程中遇到的各种问题,而且能够获得开发成功后的成就感,增加学生对嵌入式系统的乐趣。

5 结语

本论文在分析嵌入式系统体系结构的基础上,分析了高校计算机专业嵌入式系统的教学现状、教学内容和教学方法,指出现有教学过程中存在的不足之处,并提出了相应的解决方案。该方案有利于提高高校计算机专业嵌入式系统课程的教学效果,以适应社会对嵌入式人才的要求。

参考文献

[1] 蒋伟杰．计算机专业本科嵌入式系统方向可见建设研究[j]．计算机教育,2011,10(5):61～64．

嵌入式电路设计教程范文第4篇

关键词：农业电气化专业 电子硬件课程群 研究

【分类号】S24-4；G642

课程群指具有相同内容或者内容具有承接的课程的有机结合或是几门能够互相促进的课程构成的有机群体。结构紧凑、内容合理的课程群能够为专业提供更科学、更高效的教学平台，亦能够为专业的发展提供整合的教学资源，同时能够减轻学生的学业负担，提高学生的学习兴趣，优化学生的知识结构，进而提高学生对专业知识、专业技能的掌握。国内很多高校在开展特色课程群构建方法研究方面进行了有益的探索[1-3]。

农业电气化是将传统的农业工作方式与电气、控制、信息等信息化手段相结合的专业，其本身具有交叉学科特点，这就决定了专业的发展既要涉及相关的电子信息知识，又不能像电子信息专业那样过于专注信息类的专业内容，专业中电子信息类知识广度更为重要[4-6]。农业电气化专业课程中的电子硬件类课程，对于专业发展至关重要，电子硬件类课程融合，构建适合农业电气化专业的电子硬件课程群，能够最大程度的满足专业的需求，在知识的广度上对学生进行拓展，同时整合课程资源能够帮助学生构建完整的知识体系。融会贯通的掌握相关的知识和技能。本文以农业电气化的三门核心电子硬件课程：电子线路计算机辅助设计、单片机原理及应用、嵌入式系统为例，着重论述了电子硬件课程群的构建方法与教学方法的改革思路。

一、核心电子硬件课程群建设可能性与必要性分析

线路计算机辅助设计、单片机原理及应用、嵌入式系统。三门课均以了解电子硬件的构成，掌握硬件基本设计原理，理解硬件设计原则，学习硬件设计方法为目的。课程中均涉及到了处理器、寄存器，寻址方式，数据处理等电子设计的基础知识，且具有前后承接的特点，三门课具有构建统一课程群的可能性。授课内容方面有雷同的部分，学生学习起来感受相近，甚至影响学生的学习兴趣和积极性，因此对三门重要课程进行融合构建电子硬件课程群对提升学生的学习兴趣，提高学习效果具有积极的意义。

二、电子硬件课程群建设思路与方法

构建电子硬件课程群以培养学生电子硬件综合设计能力为目标，着力打造完整的学生的完整的电子硬件知识体系，利用统一课程群的知识进行农业电气化系统中电子控制硬件的设计、开发、及基本原理的教学。电子硬件课程群的融合构建思路以实际设计中的流程为导向，对三门电子硬件课程进行有机重构。

电子线路计算机辅助设计课程主要针对电子线路的选型、设计、分析、绘制、检测等方面对学生进行培养，从实际硬件开发设计的流程来看，应作为课程群的第一部分。只有掌握了电子线路的计算机辅助设计才能对后续课程中的单片机、嵌入式系统课程中的硬件仿真部分进行正确的原理图设计，而在设计电子线路时要掌握芯片的硬件I/O接口信息，硬件寄存器的基本连接方式，故将后续课程中的硬件方面的接口内容，放在这一部分进行讲解，使学生能够掌握不同硬件的电子线路设计方法。

单片机原理及应用课程主要针对51级别单片机的设计进行讲解，应作为课程群的第二组成部分。为保证与后续内容稳固衔接，程序设计时应全部使用C/C++复杂语言讲解，将面向对象的硬件程序设计思想渗透到教学中，摒弃传统的汇编语言和C语言，重点强化包括“.h/.c”编程模式、typedef、ifndef与define等面向对象的编程习惯，使学生掌握此类编程方法，为嵌入式系统程序设计打基础，强化I/O口、LED、LCD、键盘等硬件基础部分模/数电路层面知识的讲解，为后续课程打下坚实的基础。

嵌入式系统是课程群的第三组成部分，该部分承接前面的电子线路计算机辅助设计、单片机原理及应用课程的内容，着重在嵌入式系统独有内容的讲解。由于嵌入式系统设计体系复杂，设计层面方面包括bootloader设计，硬件线路设计，软件开发设计等多方面，在有限的本科课程教学体系中，应将嵌入式系统视为“高阶”单片机系统进行讲解，这样既能承接前序的课程内容，又不至于使学生在学习中无所适从，将嵌入式系统与单片机系统进行对照学习，重点在嵌入式系统的原理部分，嵌入式系统的三重抽象程度的编程、嵌入式系统的晶振的工作方式等方面进行有针对性的讲解；软件部分则完全使用面向对象的编程思想讲解编程过程。由于有前面知识点的基础，学生能够很快的进入嵌入式编程的学习状态，达到良好的学习效果。

实验课开设方面，打通原来的课程实验，从电子线路设计，接口设计，程序编写到硬件调试全过程进行实验，使学生对课程群中的全部内容进行系统的复习和知识的融合串联，形成完整的知识和技能体系。

三、农业电气化电子硬件课程群构建效果展望

通过对农业电气化专业电子硬件类的三门课程的融合，构建电子硬件课程群，以统一的授课模式，对电子硬件课程群进行1-2个学期的连续讲授，按照统一的教学规划对课程内容进行重新的教学规划，打破培养方案、实验教学方案之间的限制，能够为学生构建具有整体知识体系结构和技能提供保障。此类课程群的教学模式能够最大限度满足r业电气化类的交叉学科培养要求，能够培养出知识面广、知识体系完整的高素质人才。随着农业电气化专业课程群建设模式的成熟，根据学科的特点还可以考虑构建知识结构的横向融合课程群，将不同学科门类的课程进行融合，培养出知识复合层次更加丰富的农业电气化人才。

参考文献

[1] 郭必裕.对高校课程群建设中课程内容融合与分解的探讨[J]，现代教育科学，2005（2）：66-68

嵌入式电路设计教程范文第5篇

摘 要：为了提高工科院校学生工程实践能力，基于能力进阶型系列化项目教学法的基本思路，以自动化和电子信息工程专业嵌入式系统设计及应用课程为背景，设计了渐进式项目教学系列，介绍了项目选型原则和教学方案设计。详细描述了项目分层次实施的具体要求、主要内容以及相应特点，并对实施效果进行了分析和讨论。

关键词：嵌入式系统设计及应用 教学改革 能力进阶型系列化项目教学法

对于高校工科专业而言，以实际操作为代表的工程能力是考核学生水平的重要标准之一。但是目前追求复杂的工程分析，过分偏重理论教学仍然是我国高等院校工科专业普遍存在的问题。这种忽略工程实践的教学模式培养出来的毕业生与企业的实际需求相去甚远，造成了一方面企业急需大量专业人才，另一方面高校培养的大批应届毕业生不被企业所接受的尴尬局面。因此，转变教学方法，创建具有中国特色的工程教育模式是当前高等院校工科专业应当重点研究的问题。为了推进高校工程教育改革，增强国家核心竞争能力，2009年年底教育部提出“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”），对高校人才工程能力的培养提出了新的要求。我校作为全国首批试点单位，围绕“卓越计划”开展了一系列研究和实践，结合CDIO等国际先进工程教育模式，创新性地提出了“能力进阶型系列化项目教学法”，并将其应用于不同专业[1-3]。本文以自动化和电子信息工程专业嵌入式系统设计及应用课程为背景，对该教学法的设计、构建、实施以及成果进行相应的讨论与分析。

1 项目选题

随着信息技术的飞速发展，嵌入式系统已经在许多领域中得到了广泛应用，例如：移动电话、电视机机顶盒、DVD播放机。许多嵌入式系统的复杂性、功能的多样性已经达到了很高的程度，几近于一台小型计算机。因此，以ARM处理器为核心的嵌入式系统硬件设计技术越来越热门。而随着系统功能的日益强大，嵌入式系统的软件部分也变得异常复杂，在裸机上直接编写软件常常显得非常困难，这就需要有一个嵌入式（实时）操作系统来简化应用软件的开发过程。除此之外，由于手持设备对系统续航能力以及体积、重量的要求越来越高，电路的低功耗化和小型化需求也日益突出。基于这些技术特点，以FPGA/CPLD为核心的专用数字电路芯片设计技术也得到越来越广泛的应用。将一个完整的数字电路集成到一片FPGA/CPLD中已经成为数字系统设计的趋势。鉴于上述分析，综合考虑目前就业市场需求，设计基于ARM和FPGA的嵌入式系统综合开发平台是符合当前自动化和电子信息工程专业就业需求的。

2 项目教学方案设计

基于ARM和FPGA的综合开发平台涉及的课程和技术较多，所需要的设计时间较长，对学生的综合素质要求较高，在没有设计基础和经验的条件下完成设计任务难度很大，因此不适宜放在某一个学期进行，跨学期计划后项目教学设计如下：

项目内容方面：将项目分解为难度递进的三个分项目，每个分项目均来自实际工程。

时间安排方面：三个分项目分别计划在第五、第六和第七学期完成。每个分项目内容主要涵盖当前学期的主要课程。

组织结构方面：由于实际工程项目综合性较强，可采取多名学生组成项目教学团队分工合作完成的实施方法。

3 项目教学实施与实践

3.1 第一阶段，单FPGA开发平台设计

项目名称：基于FPGA的综合教学实验平台

系统功能：本系统面向FPGA课程教学，要求学生能够完成以FPGA为核心的基本实验。开发平台包含按键/指示灯模块、RS-485通信模块、RS-232C通信模块、并/串行控制数码管模块、SRAM模块、电源模块、下载模块、VGA模块、PS2模块、备用地址/控制信号模块等。

硬件电路设计要求：硬件部分具体设计要求见表1。

表1 基于FPGA的综合教学实验平台硬件电路设计要求

表1（续）

项目特点：本项目以FPGA为核心，主要任务以硬件设计为主，难度相对较低。在第五学期已经学习过模拟电路、数字电路、PLD原理与EDA技术课程的基础上可以完成设计。

3.2 第二阶段，单ARM开发平台设计

项目名称：基于ARM的通用型嵌入式系统设计

系统功能：本项目针对实际应用中不同ARM系统结构差别，每次均需要重新设计的问题，设计统一的接口定义和尺寸规范，使该嵌入式系统成为一个通用的、标准的模块。

硬软件设计要求：硬件部分包括ARM处理器、时钟电路、复位/看门狗、以太网MII接口单元、FLASH存储器、SDRAM存储器、ARM处理器等单元电路。其中，HDLC，UART，I2C，SMI，通用I/O，数据/地址总线等信号直接引到模块信号接口，提供给电路选择使用。相应的系统硬件原理框图如图1所示[4]。

图1 基于ARM的通用型嵌入式系统原理图

软件主要分为BootROM和VxWorks应用程序两部分。其中，BootROM在设备上电后对系统的各个功能部件和外设进行初始化，为VxWorks应用程序提供系统应用环境，VxWorks应用程序因设备而异。

项目特点：本项目安排在第六学期完成，该学期学生已经学习过ARM原理与设计课程和嵌入式操作系统课程。项目包括硬件电路设计和软件系统设计，具有一定难度。

3.3 第三阶段，ARM+FPGA开发平台

项目名称：基于ARM和FPGA的三轴数控系统控制器设计

系统功能：本项目利用嵌入式技术、Linux技术和基于FPGA软件硬化技术设计出以ARM和FPGA为硬件基础，以Linux多任务操作系统和图形用户框架软件Qt为软件基础的三轴数控系统框架，并在数控机床上实现方案。

硬软件设计要求：硬件平台采用嵌入式微处理器ARM和FPGA作为系统的硬件核心芯片。ARM11作为主控芯片，利用其接口扩展数控系统的存储器和LCD、数控键盘、UART等外部设备；FPGA作为运动控制系统的核心。系统硬件原理框图如图2所示。

图2 基于ARM+FPGA的三轴数控系统控制器硬件框图

软件平台中，ARM部分采用人机界面层、事务管理层和运动控制层作为系统的软件层次来构建。人机界面层是用户和数控系统进行交互的媒介，采用专为嵌入式设备提供图形用户界面的应用框架和窗口系统的Qt进行设计。事务管理层是整个系统的中枢，采用嵌入式Linux操作系统的多线程机制设计。运动控制层是系统对机床控制的执行者，采用Linux加入实时补丁实现。FPGA部分采用Verilog HDL语言编程，实现机床运动控制。

项目特点：本项目硬件部分包含ARM电路和FPGA电路及其通信电路的设计。软件部分包含嵌入式系统编程和硬件描述语言编程，是一个难度较大的综合性项目，需要在完成所有专业课且有一定设计经验的第七学期开展。

4 实施结果与分析

采用“能力进阶型系列化项目教学法”的基本思路，通过“基于ARM和FPGA的嵌入式系统综合开发平台”设计项目的引入，将模拟电子技术、数字电子技术、PLD原理与EDA技术、ARM原理与设计课程和嵌入式操作系统五门课程串联起来。该案例最终设计成果如图3所示。学生对这种教学方法表现出极大的兴趣，一方面渐进式的项目设计使得各门课程知识点得到全面应用；另一方面，来自企业的项目内容使得学生对市场及企业需求有了切身体会。用人单位对接触过上述项目的学生也表示出更大的兴趣。

图3 ARM+FPGA开发平台最终硬件成果

在上述项目的具体实施过程中也遇到了一些相关问题：

（1）由于项目来自实际工程，因此大多数含有各自的行业背景知识，这些背景知识（如前文所描述项目中数控机床控制原理）往往是电子信息工程专业学生没有学过的，因此，选择项目时需要考虑行业背景知识的难度。

（2）由于项目持续时间较长，课程较多，因此涉及任课教师的安排问题，各分项目是由各门任课教师承担还是所有项目均由一名教师承担需要综合考虑。

（3）由于项目综合性较强，因此需要采取团队合作的方式完成，但是合理评定团队成员成绩，确定各人工作量较为困难。

参考文献

[1]汪木兰，周明虎，张艳丽.“卓越工程师教育培养计划”中系列化探究式项目教学的设计原则[J].中国现代教育装备，2011（23）：9-12.

[2]汪木兰，周明虎，李建启.以项目教学为载体制订先进制造技术卓越工程师培养方案[J].中国现代教育装备，2010（12）：15-19.