基于远程访问的嵌入式实验教学方案分析_袁渊.pdf

Application 创新应用142 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月高，功能越来越强大，应用也越来越广泛。尤其伴随着通信技术、互联网技术、物联网技术、人工智能技术的进步，嵌入式技术的应用呈现出了爆发式的发展。小到各种智能穿戴设备1，如智能手表、智能手环；大到各种智能家电2，如智能冰箱、智能空调、智能电视；寻常到最为常用的个人设备，如手机、平板电脑、无人机3、汽车4；尖端到国家之重器，如高速铁路5、航空航天设备6等，都离不开嵌入式系统的支持。嵌入式系统广泛的应用带来了市场对于嵌入式开发人才的大量需求，各高校的电子、自动化、计算机等专业都将嵌入式开发作为主干课程之一。2 嵌入式系统的设计嵌入式课程是一门综合性很强的学科，要求学生具备一定的专业背景知识，如编程语言、操作系统、数字电路等，并且本课程的重点在于将这些知识融会贯通，运用到实际开发当中，因此，实践教学在嵌入式课程中占据很大的比重。如何培养应用型、实践性嵌入式系统开发人才，是嵌入式教学改革中研究的热点。不同于一般的程序设计类课程，嵌入式实践教学需要将软件编程与硬件载体结合起0 引言在线教学是一种新兴的授课模式，特别是在新冠疫情期间，在线教学被广泛使用，也得到了快速的发展。目前，在线教学对于理论课的教学可以得到很好支持，但是在实践课的教学方面，由于实验设备的限制，可操作性要求无法被满足。针对嵌入式实验教学，文章提出了一种基于远程访问技术的在线教学方案，可以在现有技术条件下很大程度地提高实验的真实体验感，并且具有很好的经济性和可行性。1 嵌入式系统嵌入式系统的定义是“以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的计算机系统”。相对于“通用”计算机系统而言，嵌入式系统是作为一个设备系统或者设备子系统的“控制中心”被嵌入其中的，从而实现该设备系统或者设备子系统的智能化、自动化。自1970年代，嵌入式技术首先被应用于工业控制领域以来，历经多年的发展，嵌入式技术经历了从单片机、到微控制器、再到系统级芯片三大阶段，集成度越来越基金项目：宁夏医科大学校级线上教育教学改革专项研究项目（NYJY2075，NYJY2055），宁夏医科大学校级教育教学改革研究项目（NYJY2022050）。作者简介：袁渊，宁夏医科大学理学院，硕士；研究方向：嵌入式系统。通信作者：杨德仁，宁夏医科大学理学院；研究方向：嵌入式实验教学。收稿日期：2022-11-14；修回日期：2023-02-12。摘要：阐述在线教学对于理论课的教学有很好支持，对于实践课教学中的实验设备限制，可操作性要求无法被满足。针对嵌入式实验教学，探讨一种基于远程访问技术的在线教学方案，可以在现有技术条件下很大程度提高实验的真实体验感。关键词：计算机教学，在线教学，远程访问，对嵌入式，实践课教学。中图分类号：TP3-4，TP368.1-4文章编号：1000-0755(2023)02-0142-03文献引用格式：袁渊，刘哲，董富江，杨德仁.基于远程访问的嵌入式实验教学方案分析J.电子技术,2023,52(02):142-144.基于远程访问的嵌入式实验教学方案分析袁渊，刘哲，董富江，杨德仁（宁夏医科大学 理学院，宁夏 750004）Abstract This paper expounds that online teaching has a good support for the teaching of theoretical courses,and the operational requirements cannot be met due to the limitations of experimental equipment in the teaching of practical courses.For embedded experimental teaching,it discusses an online teaching scheme based on remote access technology,which can greatly improve the real experience of the experiment under the existing technical conditions.Index Terms computer teaching,online teaching,remote access,embedded,practical teaching.Analysis of Embedded Experimental Teaching Scheme Based on Remote AccessYUAN Yuan,LIU Zhe,DONG Fujiang,YANG Deren(College of Science,Ningxia Medical University,Ningxia 750004,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 143来，具有以下特点：（1）实验设备品类多更新快。嵌入式实验需要依托于嵌入式开发板来完成，针对不同的实验内容，需要连接不同的外接模块，开发与调试过程也离不开专业设备工具的支持。此外，随着嵌入式芯片技术的飞速发展，以及市场上不断涌现出的新需求，最新嵌入式技术被不断应用到实际开发之中。为保证嵌入式课程内容紧随技术发展迭代的节奏，在教学中适时更新实验设备是十分必要的。（2）实验设备需要专业的维护。嵌入式开发板及其他实验设备，日常需要保存在干燥、安全的环境，尤其是对于价格高昂、脆弱易损的设备，更需要格外的关注。一些嵌入式设备还可能因为在实验过程中反复的编程、擦写而运行异常，需要专业人员进行修复。不当的使用或维护，可能会造成实验设备的损坏，导致无法正常开展实践教学。（3）实验内容灵活且难度高。除了简单的基本的实验之外，嵌入式实验可以根据不同的应用场景，进行更加具有代入感、体验感的设计。为了完成实验内容，需要教师在实验过程提供较多的指导，实验结果通常也只能在嵌入式开发板上运行之后，才能进行判定，教学难度较大。3 在线实验的局限性随着通信技术、互联网技术的发展，涌现了很多的在线教学平台，网络上也出现了大量线教学资源。今年来从网络平台的保障、教学资源的建设、教学方法的完善、到教师的网络教学水平等，各方面均取得了很大的进步和提升，特别是在理论课程方面，网络教学的效果几乎可以做到与线下面对面教学很大程度的接近，但对于实践课程，网络教学依旧面临着很多的问题。就嵌入式而言，由于嵌入式系统开发的硬件依赖、内容丰富、配置灵活、难度较大、高时效性等特点，绝大部分实验无法通过教师在线讲授、学生自行在家操作的方式完成。通过在线形式开展嵌入式实践教学，嵌入式硬件设备成为需要打破的最主要的壁垒。为解决这一难题，个别学校采取了邮寄开发板给学生的方法，但是这种方式成本过高，更不便于实验设备的维护管理，只能提供十分有限的硬件资源，无法进行丰富多样的嵌入式实验另外一种方法是虚拟仿真，即采用嵌入式模拟器来代替真实的嵌入式开发板，这种方法在线下课堂中也被用于部分实验中。嵌入式模拟器是一种计算机软件，它可以在电脑上使用图形界面的形式对真实的嵌入式开发板进行仿真，可以减少嵌入式实践教学中实验过程对于硬件设备的依赖。但使用模拟器来代替实际的嵌入式设备存在若干弊端。（1）模拟器的开发要远远落后于实际设备的开发，在时效性、功能性方面均无法采用模拟器或者虚拟设备与实际的嵌入式开发设备进行法完全匹配；（2）不符合实际开发的要求，模拟器的运行结果与实际设备的运行结果存在偏差，在实际的嵌入式开发最终的结果必须以真实嵌入式设备上的运行结果为准；（3）嵌入式开发的过程，不仅仅是程序编写的过程，涉及代码与硬件的配合、硬件的配置、调试设备的操作等各方面，通过模拟器是无法达到这一点的；（4）模拟器与真实嵌入式设备的为开发者带来的体验感完全不同，对于学生的心理认知来说，面对模拟器进行嵌入式实验与普通的编程实验并无不同，无法体现出嵌入式开发自身的特点。4 远程在线实验方案通常嵌入式开发需要用到三部分设备：（1）实验室本地机，为一台个人电脑，开发者使用它来完成阅读技术文档、编写代码、调试固件、版本写入等工作；（2）宿主机，用于完源代码管理、代码编译等工作，在商业开发中一般是一台或者多台服务器，出于成本和便捷性考虑，在教学中通常采用虚拟机来代替；（3）目标机，用于固件验证，在商业开发中为所开发产品或设备的硬件，在教学中为开发板及其他外围设备。通过网络进行在线嵌入式实验教学，并尽可能提供贴近真实操作的实验室体验，不仅需要使学生能够通过网络对嵌入式实验设备进行访问来完成基本的操作，还要能够看到实验设备的实时运行情况以观察实验结果，即同时建立学生与设备之间的控制数据通信和监控数据通信。在现有技术条件下，我们可以通过将远程登录技术与在线视频通信技术结合使用，来初步达到以上两点需求。图1所示为嵌入式开发实验设备连接示意图，图1 嵌入式开发实验设备连接示意图Application 创新应用144 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月包括本地实验方案和远程实验方案。控制数据通信，在现有嵌入式开发设备基础上增加远程机（即学生电脑），学生可以通过远程登录技术，建立远程机与本地机之间的网络连接之后，就能够在远程机端对本地机进行操作，从而可以间接地通过本地机对宿主机和目标机进行访问，其体验与实验室操作完全一致；监控数据通信，为了让学生能够实时观测到目标机的运行状态，需要在本地机加装摄像设备完成对目标机的监控。此方案具有以下特点。（1）硬件结构简单。无需对现有实验设备进行大的改动，实验室端只需要增加监控设备，为学生提供实验设备的实时视频画面；学生端则只需要个人电脑，用于对本地机的远程登录、对实验设备的视频监控。（2）技术成熟稳定。远程登录技术以及视频通信技术均已十分成熟，在网络条件良好的情况下，能够提供持续稳定的远程连接，此方案完全可以支持实验的正常进行。（3）经济性好。实验室端需要增加的设备仅需监控设备，普通的高清摄像头即可满足要求，视频通信软件可以采用现有网络教学软件，不会增加过高成本；学生端的电脑所完成的功能简单，对电脑的性能要求不高，不需要为在线实验进行特别的购置。（4）适用性强。实验内容配置丰富灵活，对大部分的嵌入式实验内容，都可以由学生独立来完成并且观察实验结果。5 案例实验以“LED点灯实验”为例，实验要求学生编写LED驱动以及控制程序，通过在开发板上运行控制程序，来打开或者关闭开发板上LED。实验步骤如下：（1）先在学生端电脑运行远程工具“ToDesk”连接本地机（即实验室电脑）。（2）在本地机上运行VMWareWorksation，启动Linux。（3）打开本地机摄像头观察开发板。（4）在虚拟机模拟出的服务器上进行程序的编写和编译。（5）虚拟机中编译好的固件下载到本地机，并通过软件工具写入开发板。（6）启动开发板，并通过本地机的MobaXterm工具与开发板建立数据连接，运行程序。（7）通过本地机摄像头视频窗口观察LED等在程序控制下的点亮、熄灭。图2所示为远程登录界面点灯实验。“点灯实验”是难度适中、涉及人机交互的一例经典实验，学生通过远程登录的方式可以顺利完成此项实验。其实验过程、所做的操作、观察到的实验现象与线下实验基本一致，具有很好的真实体验感。6 结语相较现行其他方法，此方案可以更好地辅助在线嵌入式实验教学工作，具有良好的经济适用性，能够为学生提供品类丰富，又低成本的实验设备，更利于实验设备的管理和维护，能提供更具真实感的操作体验。当然，远程实验也有其不可避免的局限性。由于学生无法直接对实验设备进行操作，远程实验需要实验教师提供更多的现场协助，如更改接线、目标机异常恢复等。但相对于本方案多带来的便利性和接近真实的体验