摘要：為了解決目前大部份高校缺乏嵌入式開發(fā)平臺的問題，提出了構建嵌入式虛擬開發(fā)平臺方案。方案采用μVision4 IDE和Proteus進行整合，在不需要購置嵌入式硬件設備的情況下，通過改造、整合原有實驗設備，實現(xiàn)具有嵌入式系統(tǒng)設計、開發(fā)等款、硬件同步仿真調(diào)試功能的嵌入式虛擬實驗室。同時給出了具體的教學模式革新和實施方法。
關鍵詞：嵌入式；虛擬；開發(fā)平臺；Proteus；ARM
隨著嵌入式設備(如智能MP4、數(shù)碼相機、智能手機、TV機頂盒及PDA等)的普及程度越來越高，嵌入式培訓、嵌入式開發(fā)成為熱門，這些嵌入式設備多采用32位RISC嵌入式處理器作為核心部件，其中基于ARM核的嵌入式處理器獨占鰲頭，在32位RISC處理器中占據(jù)超過75％的市場份額。形成鮮明對比的是：目前大部份普通高校缺乏嵌入式實驗室，或者規(guī)模太小，設備數(shù)量嚴重不足，學生缺乏嵌入式開發(fā)實訓環(huán)境，很大程度上挫傷了學生的學習熱情和學習興趣。為了解決這種狀況，本文提出了構建基于KeilμVision4 IDE和Proteus的嵌入式虛擬實驗室。在原有設備的基礎上，通過改造、整合等手段，實現(xiàn)具有嵌入式系統(tǒng)設計、開發(fā)等軟、硬件同步仿真調(diào)試功能的嵌入式虛擬實驗室。這將對學生就業(yè)起到很大的幫助，有助于提升學生就業(yè)能力和擇業(yè)優(yōu)勢。
1 高校嵌入式教學現(xiàn)狀
1．1 嵌入式設備嚴重缺乏
傳統(tǒng)的實驗教學主要依賴價格昂貴的實驗設備，存在前期投入大、后期維護費用高等問題。電子信息類專業(yè)實驗儀器設備的更新?lián)Q代非?？欤捎谠O備昂貴，大批量采購嵌入式硬件設備的可能性非常小，而且由于經(jīng)費的限制，購置的實驗箱數(shù)量往往不能滿足教學的需要，導致多人共用實驗箱，無法保證學習效果，學生動手能力受到限制。更嚴重的，部分普通高校沒有嵌入式實驗室，學生在校期間從未進行過
嵌入式實驗學習和嵌入式開發(fā)訓練，實驗教學無法有效開展，嚴重影響教學質(zhì)量。
1．2 教學實訓手段及內(nèi)容受限制
嵌入式是一門軟、硬結合的實踐性很強的課程，需要配合電腦、仿真機、開發(fā)板、編程器進行綜合練習。常規(guī)嵌入式硬件實驗箱不但昂貴，而且只能完成實驗箱內(nèi)置的驗證性實驗或者靈活度非常小的設計性實驗，很難進行教學內(nèi)容創(chuàng)新設計，限制了學生能力的培養(yǎng)和教學內(nèi)容的革新。
1. 3 創(chuàng)新性開發(fā)無法進行
由于嵌入式硬件實驗箱內(nèi)部模塊固化，設計的不合理或者操作的失誤極其容易損壞設備，導致了兩方面的問題：一是教師為了不損壞設備。不會輕易讓學生嘗試創(chuàng)新設計；二是學生做實驗時，怕承擔賠償責任，不能隨心所欲地設計具體功能模塊，不能根據(jù)自己的需要進行必要的實驗驗證和調(diào)試。這些不但限制了教學的效果，而且極大地制約了學生的自主創(chuàng)新能力，學生沒有真正能夠實踐的環(huán)境，不能真正大膽、創(chuàng)新地設計，束縛了學生的手腳。
1．4 實訓時間的限制
由于實驗室安全和實驗室管理方面的諸多因素，目前實驗室開放都局限于正常上班時間，其他時間很少開放，不夠靈活，使得學生不能根據(jù)自己的時間安排實驗，實訓時間有很大的局限。
以上種種問題抑制了學生的主動性、積極性和創(chuàng)新思維，對學生的能力培養(yǎng)、學生就業(yè)競爭力和學校的發(fā)展都不利。因此如何改變當前這種被動教學的局面，建立一個適合學生實際、合理科學、又與時俱進的嵌入式實驗環(huán)境，是一個值得研究的課題。[!--empirenews.page--]
2 ARM開發(fā)平臺設計
2．1 Proteus和μVision IDE簡介
Proteus是英國Labcenter公司推出的是一款極好的仿真軟件，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，支持8051、HC11、PIC10／12／16／18／24／30／DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430、Cortex和DSP等處理器模型。在編譯方面，支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。可以在沒有實際硬件的條件下，利用PC以虛擬仿真方式實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件同步仿真調(diào)試，使嵌入式應用系統(tǒng)設計變得簡單容易。
μVision4 IDE是ARM發(fā)布的集成開發(fā)環(huán)境，提供了豐富的庫函數(shù)和各種編譯工具，支持ARM、Cortex-M、C166、C251和C51等微處理器，用來在微控制器和智能卡設備上創(chuàng)建、仿真和調(diào)試嵌入式應用。μVision4 IDE引入了靈活的窗口管理系統(tǒng)，可以使用多臺監(jiān)視器，可以更快速、更高效地開發(fā)和檢驗程序，為開發(fā)應用提供整齊高效的環(huán)境。
2．2 平臺設計
利用Proteus與Keil μVison4 IDE整合構建嵌入式虛擬開發(fā)平臺，教學及演示過程都可利用平臺進行，可以直接在基于原理圖的虛擬模型上進行編程，實現(xiàn)源碼級的程序仿真詞試，如顯示及輸出，能夠看到程序運行后的輸出效果，配合各種虛擬儀器來展現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行過程，使嵌入式的學習過程變得直觀形象。另外，在原理圖設計階段就可以對設計進行評估，驗證所設計電路是否滿足技術指標的要求，還可以通過改變元器件參數(shù)使整個電路性能達到最優(yōu)化。這樣就無須多次購買元器件及制作印刷電路板，節(jié)省了設計時間與經(jīng)費，提高了設計效率與質(zhì)量。具體做法如下：
在現(xiàn)有設備的基礎上，通過改造、整合、加裝Proteus 7．7sp2和Keil μVision4 IDE等軟件，在沒有單片機實際硬件的條件下，利用PC以虛擬仿真方式實現(xiàn)ARM系統(tǒng)的軟、硬件同步仿真調(diào)試功能的嵌入式虛擬實驗室。同時鼓勵有個人電腦的學生在自己的機器上安裝相關軟件，以便充分利用學生的課余時間。
改造后的虛擬實驗室框架如圖1所示，由Proteus與KeilμVision4 IDE聯(lián)接調(diào)試，形成程序固化，軟、硬件結合的應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件環(huán)境和軟件平臺整合而成，Proteus提供硬件電路的設計、調(diào)試及仿真，Keil則完成應用程序的編寫、調(diào)試，并可將調(diào)試好的程序下載到仿真電路MCU中，最后由Proteus與μVision4 IDE的整合調(diào)試實現(xiàn)系統(tǒng)的總調(diào)，不但能夠直接地觀看仿真效果，同時還可以對仿真結果進行分析。
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3 教學模式及方法
通過建立虛擬開發(fā)平臺，使得教學方法和教學模式得到革新。這種革新改變了傳統(tǒng)“以教師為中心”的教育觀念，從以往的演示性、驗證性實驗教學內(nèi)容及模式轉變成為以“案例驅動、項目教學”的設計性、創(chuàng)新性、靈活性并存的啟發(fā)式教學模式。此外，由于通常的軟件開發(fā)是基于X86處理器和Windows操作系統(tǒng)，而嵌入式軟件開發(fā)通常是在特定的嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)上完成的，學生缺乏相關的開發(fā)設計經(jīng)驗，不能真正掌握嵌入式開發(fā)能力，導致學生就業(yè)困難。通過虛擬開發(fā)平臺，以實例開發(fā)為驅動，讓學生充分自主地用學到的知識去設計、開發(fā)其自己想象的作品，達到改善就業(yè)的目的?；陧椖俊咐寗拥慕虒W模式構架四可用圖2來描述。
該構架包括主體、客體、媒體和過程4個要素：
主體由教師和學生組成，教師角色由權威型轉變?yōu)榛锇樾?，教師不再高高在上，而以一種有利于學生主體意識發(fā)展的形式一一伙伴出現(xiàn)，促使學生敢發(fā)言、敢動腦、敢動手。學生角色由被動接受轉變?yōu)橹鲃訁⑴c，學生不再受老師的操縱，而是主動參與到實踐當中，成為學習的主體，在實踐活動中發(fā)揮自主性、主動性、創(chuàng)造性。
客體由項目和案例組成，通過“案例驅動、項目教學”這樣一種教學模式，模擬整個工程項目過程，借鑒CDIO的工程教學觀念，培養(yǎng)學生通過思考、規(guī)劃、實施和運營等工程實踐經(jīng)驗，以及系統(tǒng)分析、項目管理和組織協(xié)調(diào)能力。
媒體作用(也即教學手段)由驗證工具轉變?yōu)樵O計開發(fā)工具，由于Proteus和Keil μVision4 IDE構成的虛擬開發(fā)平臺的無損壞性，使得學生可以不受限制地自由發(fā)揮，激發(fā)學生的潛能。
實踐教學過程由“依樣畫葫蘆”轉變?yōu)閱l(fā)、互動型，教師的作用在于如何調(diào)動個性化的學習方式，提倡學生的獨立探索，是實踐活動的引導者、組織者；學生則是整個實踐活動的主體，對于老師提出的知識點，可以自由發(fā)揮，在老師的指引和幫助下設計自己感興趣的作品，充分體現(xiàn)學生的個性模式。
4 結束語
目前人才市場對于嵌入式人才需求巨大，諸如手持儀器設備、智能家電、醫(yī)療設備、城市建設、工業(yè)控制、軍事應用等等領域，嵌入式技術都無處不在。
本文描述了嵌入式虛擬開發(fā)平臺的設計，提出了以“案例驅動、項目教學”的設計性、創(chuàng)新性、靈活性并存的啟發(fā)式教學模式。在目前的市場需求和企業(yè)(特別是中小企業(yè))人才需求都是偏向軟硬件設計人才、應用開發(fā)等綜合性人才的情況下，學生擁有嵌入式開發(fā)技術，不但在工作應聘上有明顯優(yōu)勢，而且也增強了企業(yè)內(nèi)部的競爭實力。
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