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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、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,能够无人值守立运行,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。
掌握以下知识：
(1)掌握的思想政治理论、科学文化基础知识和传统文化知识。
(2)熟悉与本相关的法律法规以及环境保护、安全消防、文明生产等知识。
(3 )掌握数模电路基础及常用传感器基本原理。
(4)掌握计算机程序设计基础。
(5)熟悉单片机、ARM系统结构基本原理。
(6)熟悉嵌入式操作系统基本原理。
(7 )掌握物联网技术原理。
(8)掌握Android应用程序开发基本原理。
(9)掌握嵌入式系统应用开发基本原理。
具备以下能力：
(1 )具有探究学习、终身学习、分析问题和解决问题的能力。
(2)具有良好的语言、文字表达能力和沟通能力。
(3)具有良好的文档策划、编写及图像处理能力。
(4)具有计算机语言程序编程能力。
(5)具有单片机系统设计与开发能力。
(6 )具有Android应用程序开发能力。
(7 )具有嵌入式应用软件测试及撰写测试报告能力。
(8)具有移动智能终端产品开发及测试能力。
(9)具有嵌入式系统应用开发能力。
(10)具有嵌入式系统集成、技术支持及维护能力。
(11)具有综合应用知识进行创新创业的能力。
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+ +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。
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-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
(1) Arduino核心控制单元
1) 核心处理器，主频≤16MHz；
2) 内存和存储：≥256KB Flash，≥8KB SRAM；
3) 板载资源及扩展接口：1路12V供电接口、1路电源管理模块、1路12V供电接口，1路电源管理模块接口，1路硬件复位按键，2个功能按键，2个LED灯，1路任务板接口，1路循迹板接口，1路通信显示板接口，1路电机驱动板接口，1路扩展板接口，1路USB转串口。
(2) STC8A核心控制单元
1) 处理器，主频≥24MHz；
2) 内存和存储：≥64KB Flash，≥8KB RAM；
3) 支持ISP编程，支持单芯片在线仿真；
4) 板载资源及扩展接口：1路12V供电接口、1路电源管理模块、1路12V供电接口，1路电源管理模块接口，1路硬件复位按键，2个功能按键，2个LED灯，1路任务板接口，1路循迹板接口，1路通信显示板接口，1路电机驱动板接口，1路扩展板接口，1路USB转串口。
(3) 核心控制单元
1) 核心处理器，主频≤168MHz；
2) 内存和存储：≥1MB Flash，≥192KB SRAM；
3) 板载资源及扩展接口：1路12V供电接口，1路硬件复位按键，1路电源管理模块接口，4个功能按键，4个LED灯，1路任务板接口，1路循迹板接口，1路通信显示板接口，1路扩展板接口， 5路CAN总线接口，1个SD卡插槽，1路3.5寸TFT显示屏接口，1路RS485通信接口，1路4Pin串口，1路DAC接口。
2.通信显示单元
1) OLED显示屏；
2) 2路通信模块接口，两个通信模块同时工作；
3) 板载资源及扩展接口及接口：1路电源开关、1路以太网接口、1路14Pin核心控制单元接口、2个WiFi模块重置按键、1个WiFi模块供电开关、1个ZigBee模块程序下载接口；
4) 1路WIFI通信模块：支持IEEE802.11b/g 无线标准，频率范围2.412~2.484 GHz，波特率范围 1200~115200bps；1路ZigBee通信模块：采用CC2530芯片，支持2.4~2.4853G主频通信，板载OLED屏。
3.电机驱动单元
1) 电机接口控制电路：4个电机接口，1个电机驱动接口，2个码盘接口；
2) 电源管理电路：1个12V电源接口，1个电源开关，1个电源指示灯和1路5V转3.3V电路；
3) 电机驱动电路：2路双H桥电机驱动器，每个H桥高输出电流，支持单/双刷直流电机、步进电机驱动控制；PWM控制接口；支持4V~18V的宽电源供电电压。
4. 功能扩展单元
(1) 功能扩展板
1) ≥1路6P接口
2) ≥4路3P功能扩展接口
3) ≥1路4P串口
4) ≥1路4P IIC通信接口
5) ≥1路16P核心控制单元接口
(2) 传感器单元
1) 霍尔传感器单元：
2) 火焰传感器单元
3) 红外热释电人体检测传感器单元
4) 温湿度传感器单元
5) 光照度传感器单元
6) 空气污染检测传感器单元
7) 超声波传感器单元
8) 姿态传感器单元
9) 红外测温传感器单元
10) 气压海拔检测传感器单元
11) 压力传感器单元
12) 光敏电阻传感器单元
