嵌入式实训室建设方案

　　嵌入式实训室概述

　　随着物联网和人工智能的快速发展,嵌入式技术迎来了发展机遇的同时,也给高校的嵌入式系统课程带来了挑战。嵌入式系统具有体积小、功能强、可靠性高等特点,已经广泛应用于各个领域,深入人们生活方方面面,对应培养多样化、化人才的需求。因此,越来越多高校开设了嵌入式系统技术与应用课程。以新兴应用型本科院校为例,信息工程学院计算机科学与技术设置了嵌入式技术的理论课程、实验课程、课程设计和系统集成项目实训,目的是培养同时具备嵌入式系统软硬件综合开发与应用能力的高素质嵌入式应用系统开发人才。

　　嵌入式系统实训室是进行嵌入式系统课程教学的重要场所,它为学生提供一个的嵌入式系统学习实训环境。实训室一般设置有嵌入式系统开发平台、各种传感器模块、嵌入式处理器开发板、仪器设备等硬件设施。同时还配备了完善的软件平台,如嵌入式操作系统、开发工具链、仿真平台等。

　　在实训室内,学生可以接触各种主流的嵌入式处理器和微控制器,如ARM、MIPS、AVR、DSP等,学习嵌入式系统硬件电路设计、嵌入式操作系统移植、驱动程序开发、系统仿真、应用程序设计等内容。通过完成一系列的嵌入式系统课程设计实训,学生可以较系统地掌握嵌入式系统开发方法,培养解决实际嵌入式系统开发问题的能力。

　　实训室还要注重培养学生的动手能力和团队合作精神。学生需要通过团队形式开展项目实训,在指导教师的指导下,从需求分析、系统设计到项目实现全过程中练习嵌入式系统开发。这不仅巩固了学生的知识,也提高了实际能力,对今后从事嵌入式系统开发工作非常有帮助。

　　部分 嵌入式实训室概念及背景

　　1.1什么是嵌入式

　　嵌入式系统（embedded system），是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。嵌入式系统常被用于高效控制许多常见设备，被嵌入的系统通常是包含数位硬件和机械部件的完整设备，例如汽车的防锁死煞车系统。相反，通用计算机如个人电脑则设计灵活，可以智能处理各式各样的运算情况，以满足广大终端用户不同的需要。

　　现代嵌入式系统通常是基于微控制器（如含集成内存和/或外设接口的中央处理单元）的，但在较复杂的系统中普通微处理器（使用外部存储芯片和外设接口电路）也很常见。通用型处理器、专门进行某类计算的处理器、为手持应用订制设计的处理器等，都可能应用到嵌入式系统。常见的专用处理器有数字信号处理器。

　　嵌入式系统的关键特性是处理特定的任务，因此工程师能对其进行优化，以降低产品的体积和成本，提升可靠性和性能。

　　嵌入式系统的物理形态包括便携设备如计步器、电子手表和MP3播放器，大型固定装置如交通灯、工厂控制器，大型复杂系统如混合动力汽车、磁共振成像设备、航空电子设备等。它们的复杂度低至单片机，高至大型底盘或外壳内安装有多个部件、外设和网络。

　　嵌入式系统的主要特征包括:

　　代码体积小,可以在嵌入式系统的有限存储空间内运行;

　　提供统一的应用程序接口,简化应用程序的开发;

　　实现模块间的解耦合,不同模块可以灵活组合和拆卸;

　　具备优异的实时性,可以应用于各类实时控制场景;

　　系统可靠稳定,能够独立运行,及时处理各种事件与故障。

　　1.2 嵌入式知识结构

　　嵌入式系统分为四层结构，分别为：硬件层、驱动层、操作系统层和应用层。

　　硬件层：

　　包括处理器、存储器、微控制器、I/O、DAC ADC、电源、总线、定时器 计数器等等。此外根据不同的应用场景，嵌入式硬件会集成不同的传感器，例如摄像头、雷达、GPS等等。

　　基于ARM平台的设计开发（Cortex-A8/Cortex-A9/Cortex-A53/Cortex-M系列等）

　　基于TI DSP平台的设计开发（2000/5000/6000系列、DM6446/DM6447 达芬奇系列）

　　基于FPGA 平台的设计开发（Altere/Xilinx 系列）

　　驱动层：

　　基于Linux操作系统的Bootloader、平台支持代码、各类设备驱动

　　基于 Windows CE/Mobil/phone 平台的驱动定制、开发

　　Cortex-M系列的uC/OS、FreeRTOS

　　VxWorks BSP 开发

　　操作系统层：

　　Linux 内核开发（内存管理、文件系统、进程管理、进程通信、电源管理、实时性改进等）

　　Android框架层开发

　　应用层：

　　Android应用开发

　　QT/E的应用与开发

　　VxWorks 应用开发

　　IOS应用开发

　　Windows CE应用开发

　　1.3嵌入式技术与应用人才培养

　　本培养面向软件和信息技术服务业的嵌入式系统设计工程技术人员、软件和信息技术服务人员等职业群，能够从事智能终端、物联网等嵌入式系统应用开发、测试、集成、技术支持与维护等工作的高素质技术技能人才。

　　1.4嵌入式实训室配备核心课程主要教学内容

　　（1）单片机项目开发

　　单片机系统开发流程概述；Keil C51集成开发环境搭建和运行；C51程序设计；单片机中断系统应用；定时器/计数器应用；串口通信应用；数码显示与键盘接口 ； A/D与D/A应用；常用外设芯片接口应用等

　　（2）ARM系统结构与应用

　　ARM微处理器结构简介；ARM指令系统与应用；ARM开发平台搭建；ARM 的GPIO端口编程；ARM存储器应用；ARM接口技术；Bootloadeo移植；嵌入 式Linux内核移植及嵌入式Linux文件系统移植等。

　　（3）智能硬件技术与应用

　　智能硬件产品概述；传感器应用技术；硬件控制技术；网络接入技术和智能 系统等部分。传感器应用包含生物传感、物理传感及化学传感等内容，网络接入包含红外、蓝牙、NFC、ZigBee、Wi-Fi和二维码等内容，智能系统则主 要是云计算应用。

　　（4）嵌入式Android项目设计与开发

　　Android开发环境搭建；Android控件Widgets应用；Android图形界面设计； Android数据存储；Android应用数据交互；Android多线程程序设计；Android 多媒体程序设计；Android异步程序设计及Android嵌入式实例项目应用等。

　　（5）移动智能终端应用开发

　　物联网技术概论；无线传感网络技术；自动识别技术；条形码技术；定位技术；Android应用层技术开发及系统项目集成案例等。

　　（6）嵌入式系统应用开发

　　嵌入式串口通信程序设计；驱动应用程序设计；多任务多线程程序设计；基于QT或Android界面交互程序设计；嵌入式接口程序设计；基于BOA服务器远程程序控制及综合控制程序设计。

　　1.5嵌入式实训室基本要求

　　(1)嵌入式硬件技能实训室

　　嵌入式硬件技能实训室应配备服务器、投影设备、白板、计算机、Wi-Fi环境、电路实 训箱、单片机和ARM实训板，提供云计算环境接入等；用于数模电路基础、单片机项目开发、ARM系统结构与应用、ARM接口高级技术及编程等课程的教学与实训。

　　(2)嵌入式软件开发实训室

　　嵌入式软件开发实训室应配备服务器、投影设备、白板、计算机、Wi-Fi环境，提供云 计算环境接入，嵌入式操作系统虚拟环境、计算机编程相关软件、V交互设计软件及软件 测试工具等；用于计算机编程语言、嵌入式软件测试、C+ +高级编程等课程的教学与实训。

　　(3)嵌入式综合技能实训室

　　嵌入式综合技能实训室应配备服务器、投影设备、白板、计算机、Wi-Fi环境，提供云计算环境接入、Android开发相关软件及工具、物联网实训平台及智能硬件实训系统；用于智能硬件技术与应用、嵌入式Android项目设计与开发、移动智能终端应用开发、嵌入式系统应用开发、嵌入式项目综合实践等课程的教学与实训。

　　(4)校外实训基地基本要求

　　校外实训基地基本要求为：具有稳定的校外实训基地；能够开展嵌入式技术与应用相关实训活动，实训设施齐备，实训岗位、实训指导教师确定，实训管理及实施规章制度齐全。

　　第二部分 嵌入式实训室介绍

　　2.1嵌入式系统综合应用开发平台

　　嵌入式系统综合应用开发平台是针对嵌入式系统开发中的关键技术进行教学的平台。由核心控制单元、无线通信单元、电机驱动单元、循迹功能单元、功能扩展单元、功能电路单元、边缘智能处理单元等部分组成。

　　嵌入式系统综合应用开发平台作为新型教学载体，按照项目和任务驱动的教学模式,采取模块化、积木式的设计理念,可以根据不同的教学实训需求,通过组合功能模块单元,完成不同难度和不同系统框架的实验实训系统的自主设计和搭建。

　　系统可以选配和定制各种传感器、执行器、自动识别和创新应用模块来扩充功能。支持选配全系列的物联网通信单元实现无线组网和智能互联,可以接入多种云平台进行云端的数据交互和互联控制。

　　系统支持视觉(图像分类、目标检测、图像分割)和语音这两大典型AI应用领域的开发,可实现边缘智能和云端智能两种AI技术路线,从而达到智能驾驶和车联网等综合应用效果。系统全面融合了不同层次和背景人才的培养需求,完全满足电子信息、嵌入式、物联网、人工智能、移动互联、机器人等电子信息大类的核心课程日常教学、实践训练和竞赛创新的使用要求。

嵌入式系统综合应用开发平台

　　课程资源：

　　《嵌入式MCU开发高级-RT-Thread应用开发》

　　《嵌入式微控制器应用开发》

　　《嵌入式微控制器应用开发|项目实战》

　　《Python编程》

　　《OpenCV计算机视觉应用开发》

　　《机器学习与应用》

　　《深度学习框架开发》

　　《人工智能应用开发实践》

　　硬件参数：

　　1.核心控制单元

　　2.通信显示单元

　　3.电机驱动单元

　　4. 功能扩展单元

　　5.通信应用单元

　　6. 视觉感知单元

　　7.智能控制单元

　　8.边缘智能处理终端

　　主要实验项目：

　　1.Arduino核心板实验

　　2.核心板实验

　　3.核心控制单元实验

　　4.扩展模块实验

　　5.机器视觉应用实验

　　2.2嵌入式系统综合应用创新实训开发装置

　　嵌入式系统综合应用创新实训开发装置包含数控云台摄像头、智能小车运动控制自动纠正转速、码盘测速单元、现场总线通信单元、RFID射频通信模块、信息显示单元、智能循迹模块、OLED显示模块、电量监测单元、WiFi通信单元、ZigBee通信单元、离线式语音识别单元、红外通信单元、超声波、光照强度等多种传感器单元。

　　装置配套STM32F4开发资源包、离线式语音识别开发资源包、图像数据处理终端开发资源包、RFID开发资源包、Android应用开发资源包、图像识别与处理资源包等相关教学资源。

　　智能小车完成运动控制与自动纠正转速、传感器数据采集、视频采集与处理、二维码识别、车牌识别、颜色识别、红外控制、WiFi传输、ZigBee通信、RFID射频识别、APP应用开发等功能。

　　装置留有多种应用扩展接口，可与多种设备互联互通，可联网、组网控制，支持窄带物联网通信技术，可作为多种教学平台使用，适用于单片机、传感器、嵌入式、物联网、机器人、汽车电子、移动互联与智能控制等电子通信类相关教学实践应用。

　　装置满足嵌入式技术应用开发技能大赛日常技能训练与教学需求，符合嵌入式技能大赛的通信协议标准。

　　平台支持多门在线学习课程，需提供包括但不限于《Android AI应用与开发|项目式教学》、《Android高级程序设计》、《移动机器人自动驾驶》、《嵌入式竞赛平台应用开发》、《嵌入式竞赛平台无线组网通信》课程的在线学习服务平台。

嵌入式系统综合应用创新实训开发装置

　　2.3智能移动小车

　　智能移动小车集智能视觉摄像头、智能视觉摄像头俯仰角度控制单元、智能移动小车运动控制单元、测速码盘模块、信息显示单元、电量监测单元、WiFi通信单元、ZigBee通信单元、超声波测距单元、光照强度检测单元、语音识别单元等智能硬件单元于一体。

　　平台配套的开源硬件开发资源包、智能视觉识别开发资源包、Python开发资源包等相关资源。

　　可完成智能移动小车运动控制、传感器数据采集、智能视觉识别（颜色、图形识别）、红外通信、WiFi传输、ZigBee通信等功能。

　　智能移动小车留有多种应用扩展接口，可与多种设备互联互通，可组网控制，可作为多种教学平台使用，适用于单片机、传感器、机器人、智能控制等教学实践应用。

　　智能移动小车可与智能手机、PAD等终端互联互通，其上位机与智能移动小车的通信方式满足全国职业院校技能大赛嵌入式技术应用开发赛项的标准通信协议，方便学生训练使用。

智能移动小车

　　硬件参数

　　1. 车体

　　2.控制器单元一

　　3.控制器单元二

　　4. 智能视觉摄像头单元

　　5. 智能视觉摄像头俯仰角度控制单元

　　6.智能显示通信单元

　　7.电机单元

　　8.车载供电单元

　　9. 任务板单元

　　实训项目

　　配套智能移动小车动作控制，自动行驶，与沙盘标志物交互控制实训。

　　2.4物联网工程应用实训系统

　　物联网工程应用实训系统一套面向物联网领域的多功能教学实训平台,系统架构遵循典型的物联网三层模型,包含感知层、网络层和应用层。系统通过智能家居、智慧农业、智能交通和智慧安防等案例,给学生提供一个全面的实训环境,用于学习物联网的底层硬件、业务原理和应用开发。

　　实训装置集成运用了传感器技术、RFID技术、接口控制技术、无线传感网技术和Android应用开发等。平台配合实训台上集成的433M无线设备、ZigBee节点、射频设备、各种控制设备、网关和物联网云平台。通过模块化设计,构建了既包含基础实训又具备验证性、设计性、综合性和创新性的多层次实训平台。可实现智能家居的门禁安防监控、环境监测、设备智能控制,以及农业环境的智能检测和农业设备的智能控制等功能。

　　2.5 “虚实结合”开发式嵌入式系统教学实训云平台

　　实践教学是高校培养高素质人才不可或缺的重要组成部分，如何 “以学生为中心”建构一流的实验教学课程，切实提高实践教学质量，始终是高校各建设的重要工作之一。随着信息技术的发展，作为传统实验教学的一种有效补充，开放式实验教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，“虚实结合”已经成为了实验教学的重要发展方向，在一定程度上克服了传统实验教学的制约。

　　针对传统嵌入式系统教学实训存在的资源有限、体验效果差、过程难记录和量化等问题,我们设计开发了新的嵌入式系统实验课程教学平台。首先,利用场景化对象代替简单的模拟控制,加强学生对实验的综合认知;其次,应用虚拟现实技术,构建三维的虚实结合场景,远程实时反映控制对象信息,提升远程实验效果;再次,平台具备开放性,学生可以随时随地通过互联网进行实验,适应新生代学习需求;,平台可以实时记录学生完整的实验过程,为实验的量化评价和教学改进提供数据支持。

　　该嵌入式系统教学实训云平台采用统一的软件系统进行管理。软件系统具有用户管理、场景管理、界面管理、通信管理、硬件管理、文档管理和实验预约等功能模块。系统采用B/S架构,学生可通过电脑终端访问用户软件,连接实验平台完成场景化实验。学生的典型实验流程是:登录用户软件,选择实验场景和项目,进行实验操作,软件实时反馈硬件状态,保存实验结果。该软件管理系统实现了对整个实验过程的集中控制和记录。

　　该嵌入式系统教学实训云平台由用户电脑、软件系统、服务器、工控机、检测/控制/驱动模块、场景对象和摄像头组成。平台采用统一的软件系统实现用户、资源和场景的集中管理。教师和学生通过登录软件系统,根据身份选择不同的实验场景和任务。为合理利用资源,软件系统支持“分时复用”策略,教师可根据实际情况灵活规划场景、设备和通信资源的使用时间和分配,学生则按预约时间进行实验。这样既保证学生获得充足资源,也提高资源利用效率。

　　该平台可根据需要增加不同类型和数量的场景化对象,扩展平台功能,满足教学需求。平台设计理念先进,功能完备,可以根据教学需求和资源状况合理规划和实现。它既确保平台的先进性和可操作性,也兼顾了实现的可行性。

嵌入式系统教学实训云平台