【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系统大实验的项目教学法实施方案。本文详细阐述了每个项目的设计要求、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
The Exploration and Research of the Comprehensive Experiment Teaching for ARM Embedded System
（College of Electrical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu Anhui， 241000，China）
【Abstract】This paper puts forward a set of teaching project implementation plan for ARM system experiment which based on the training objectives of electronic information science and technology professional， combining with the characteristics of the students" knowledge structure. This paper proposes the design requirements， scheduling， teaching methods and assessment methods of each project. From the comparison of objective achievement scale， we found that this scheme can effectively improve the quality of teaching， more practical to improve students" ability of ARM system independent development and innovation.
【Key words】ARM； Embedded system； Comprehensive experiment
0 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Intel CPU的市场占有率产生了巨大的冲击。2016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Windows Server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计划中[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服务，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，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Tiva C Series TM4C123G LaunchPad和上海德研电科的DY-Tiva-PB口袋板作为实验平台，Tiva C Series TM4C123G LaunchPad的处理器为TM4C123GH6PM芯片，是 TI 公司推出的一款基于 ARM Cortex-M4 的32位处理器，主频 80MHz，256kB Flash，32kB SRAM，具有 USB Host，Device 和 OTG 的能力。TivaC LaunchPad 则是一块基于 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Ti Tiva TM4C123G（ARM Cortex-M4）LaunchPad使用的扩展板，该板体积小、使用方便，只要将其与Tiva C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项目开发。
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开发板驱动程序Stellaris_icdi_drivers，最后通过Tiva Flash Programming Bin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Code Composer Studio（CCS）集成开发环境进行软件开发。
2 实验内容的制定
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项目。
2.1 基础知识实验项目
由于《ARM系统原理与应用》课程中已经有6-8学时的基础知识验证性实验了，因此在大实验中，我们在对基础实验已经有了一定掌握的基础上，首先安排了4学时做基础知识综合性实验项目，也为下一步嵌入式系统开发的学习夯实基础。项目一的任务要求：安装程序和硬件驱动，熟悉Keil实验平台，对Tiva C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项目
在对基本知识掌握和理解的基础上，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，项目三的具体设计要求：（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，（3）LCD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 自主开发实验项目
为了使学生初步成为一名嵌入式系统开发人员，对所学知识融会贯通，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，项目四的设计要求：（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。该项目使学生了解和掌握整个嵌入式系统的基本开发流程，在模仿的基础上创新，开发一些新的功能，整个项目约需18-20学时。
3 实验教学方式
该课程采用项目教学法，学生二人为一组，分工合作，以项目的层层推进来实现理论知识的深化，并能融会贯通、学以致用。教学环境则配备了60台计算机、配套40块Tiva C Series TM4C123G LaunchPad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
合理的考核方式能督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达到该课程的培养目标。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项目完成的快慢和该项目完成质量为依据，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，因此在每个项目完成后，利用课余时间完成实验报告电子文档，并提交给任课教师，根据实验报告反馈的情况，下一次上课再及时订正。特别是项目一的实验报告，问题主要是格式方面的错误，针对有部分同学还不太会调整格式的问题，我们在项目一和项目二之间，特地安排了1～2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项目的目标达成度，项目一的教学目标达成度达到0.876，项目二的教学目标达成度为0.833，项目三的目标达成度为0.780。从达成度可以看出项目一的达成度最高，这是因为项目一主要考核基础知识的掌握程度，难度较小，0.876的达成度说明学生较好地掌握了ARM系统的主要基本知识和操作流程。项目三的达成度虽然最低，但是也超过了0.75，达到了中等偏上的水平，并较往年提高了0.052。总体而言，三个项目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，2009，11-30.
[2]快科技.Windows Server全面支持ARM：高通48核旗舰上阵.http：//app.techweb.com.cn/wp/2017-03-09/2497325.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，2015（1）：77-78.
[4]沈建华.ARM 处理器与嵌入式系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（11）：5-7.
[5]严国志.基于电气工程专业的 ARM 嵌入式系统教学研究[J].电气电子教学学报，2010（2）：11-13.
[6]谭婕娟.高职院校嵌入式系统 ARM 教学的探讨[J].大众科技，2011（2）：148-149.
[7]王恒，朱海霞，闻凯，刘文波.《ARM 实用技术》精品课程实践教学研究[J].江苏科技信息，2015（6）：31-33.
[责任编辑：朱麗娜]