基于嵌入式系统设计及应用的教学实践研究

2022-10-28

当下, 随着工业物联网技术发展, 无人化智能设备终端的研发需求愈发强烈, 工业物联网的相关技术必将成为整个工业链的坚实基础[1]。智能预测和预警需求等等工业生产链中的各个环节的迫切需求展现了对工业物联网的应用、普及的强烈呼吁[2]。因此, 工业物联网相关技术的发展必将会为智慧工厂、智能制造提供强有力的支撑。高等教学系统开设相关课程, 旨在培养具备智能仪器开发的大数据、人工智能领域能力的基础人才, 以期满足社会需要。

本文首先以智能仪表开发为切入点, 讨论技术开发环节, 满足教学改革领域要求, 探讨嵌入式系统设计在本科生教学改革中的问题和解决办法。

一、工业物联网架构

整个工业生产链环环相扣, 将工业机器人、智能机床、3D打印设备、运输装备等具体生产环节的生产装备有机结合起来, 利用工业物联网技术监测生产装备状态, 采集生产过程中的设备数据, 通过平台层结合数据处理引擎, 实现展示作业情况、监测设备状态、预估故障情况、高效管理生产等等功能[3]。工业物联网技术在工业生产链中的系统架构如图1所示, 从图中可以看出, 从基础生产设备到上层可视化数据呈现, ZigBee[4]、GSM等工业物联网技术穿插其中实现数据高效稳定传输功能;从信号采集到数据分析、表达, 状态监测系统为指导生产激发企业效益打下基础。

二、嵌入式智能设备产品现状

根据Gartner的预测, 到2020年, 连接到互联网的产品数量将逐渐增加至350亿, 其中47%将具有寻求支持的功能, 体现了工业物联网领域的快速发展;HIS针对各个行业对于传感设备需求的研究表明, 在工业领域传感器的需求量正逐步增加, 预计到2025年占比将接近30%。由此可见, 越来越多的工业生产设备将依靠彼此互联来提升效率, 并且在工业领域对于物联网技术的需求日益增加[5]。

日本三菱公司研制的MHM系统, 可以实现对旋转机械振动情况的实时检测及进行故障诊断;瑞典SPM公司研制的脉冲振动仪, 主要通过脉冲信息实现滚动轴承运行状态的监测;丹麦B&K公司所研制的2520型振动监测系统, 可以实现对机械设备轴承和齿轮的在线监测;美国波音公司研制的AHM系统, 主要应用于民用航空领域对于飞机部件的监测与诊断。这些监测仪器及系统大都具备对设备状态数据的采集、分析及故障诊断能力, 且其设备的准确性、实时性都能得到保证。

诸如此类的嵌入式智能仪器终端主要应用于工业物联网监控领域, 在社会效益和经济效益方面发挥着重要作用。以一款智能监测通信站研发为例, 该设备由信号采集模块、ZigBee无线发送模块、ZigBee无线接收模块、数据处理模块 (ARM9处理器) 、存储模块、显示模块和电压转换模块组成。

智能监测通信站工作原理:信号采集模块采集测点振动和温度数据, 并将数据打包传输给ZigBee无线发送模块, 再通过无线发送模块将数据发送出去。ZigBee无线接收模块将接收到的数据, 传输给ARM9嵌入式主板。主板对数据进行数据拆包、计算, 将处理后数据存入数据库, 并对数据进行实时监测, 将测点信息通过显示屏界面显示, 与管理员完成人机交互。

本次设计所用的ARM9开发平台为海蓝微芯LJD-eWinA8-LH104K, 它是一款基于WindowsCE6.0操作系统下的控制平台。它有拥有一块10.4寸高精度触摸显示屏, 其外观和结构参数如下:

6EJ高速处理器内核。该开发板的优点是实时性好、人机交互性较好、支持多任务操作, 适用于工业控制、智能家居、医疗器械及移动或车载系统以等各领域。通过与串口和单片机等微处理器的控制器相互配合, 能使其在操作功能上更加完美。当前市场上大多数人机交互界面一般采用组态或者是类似的模式。

在上述的研发中, 涉及到硬件和软件的多种内容, 在教学改革中如何无缝插入科研需求和教学任务, 需要进一步讨论。

三、新工科背景下的嵌入式系统教学改革

(一) 开展新工科学生方向探讨

相比于老工科或传统工科, 在培养内容和培养方案中有较大不同, 新工科是新时代科技背景下的产物, 是将大数据、云计算、机器人、人工智能、物联网等一系列技术融合、交叉、衍生的新培养目标, 因此, 需要确定科技引领背景下的专业改革和教学内容改革。

(二) 嵌入式系统教学大纲的探讨

(1) 注重课程目标与专业培养目标的达成, 明确课程目标对专业毕业要求的支撑关系; (2) 细化课程考核要求, 以课程目标考核为导向, 明确每一课程目标的考核环节、成绩占比和考核细则; (3) 落实培养方案中创新创业教学要求, 根据项目特点分类编写创新创业项目大纲。

(三) 嵌入式系统教学内容的探讨

掌握ARM微处理器结构, ARM7TDMI处理器核特点、ARM体系结构、ARM7TDMI功能信号, ARM处理模式和状态, ARM存储器组织存储器格式, 异常类型、异常的优先级及矢量、异常的进入和退出, ARM寻址方式。统一建模语言、结构描述、行为描述, 状态机设计范型、循环队列设计范型, 数据流图、控制/数据流图, 执行时间的描述、性能分析、优化执行速度。

(1) 使学生了解嵌入式处理器ARM9微处理器体系结构及指令系统;

(2) 了解32位嵌入式处理器总体结构、存储器组织、系统控制模块和I/O外围控制模块;

(3) 掌握嵌入式系统的分析与设计方法, 了解各种嵌入式操作系统开发应用方法和嵌入式网络技术;

(4) 能够进行实际系统的设计与分析。

摘要：随着计算机信息技术的高度发展, 工业领域正在迎来与数字化的深度融合, 这将大大提升现有工业系统的信息化和智能化水平, 而工业物联网 (IndustrialInternetOfThings, IIOT) 这一概念正是在这种大背景下应运而生。教育围绕民生, 育才引领科技, 在新工科专业大潮的背景下, 培养嵌入式系统设计及应用相关背景工科学生具有时代科技背景, 本文从IIOT背景下的嵌入式系统技术的发展探讨在本科生教学改革中的方法和效果。

关键词：工业物联网,新工科,嵌入式系统,教学改革