基于帕累托法則的單片機課程設(shè)計教學優(yōu)化

張小鳴 萬軍 何可人

(常州大學信息科學與工程學院，江蘇 常州 213164)

基于帕累托法則的單片機課程設(shè)計教學優(yōu)化

張小鳴 萬軍 何可人

(常州大學信息科學與工程學院，江蘇 常州 213164)

為了改變單片機課程設(shè)計中普遍存在的學生動手能力差、教學效果欠佳的局面，應用帕累托法則，對課程設(shè)計課題的選題和實驗手段進行優(yōu)化配置，教師的指導精力集中關(guān)注少數(shù)骨干學生，通過課題小組的分工合作，把創(chuàng)新知識傳遞放大，使學生在有限的時空中，利用有限的教學資源，學到更多的知識。教學實踐表明，考慮單片機課程設(shè)計選題與工程應用相結(jié)合、課題硬件設(shè)備成本與覆蓋課程知識面相結(jié)合、學生的精力投入與教師的精力投入相結(jié)合的多目標優(yōu)化，可以得到帕累托最優(yōu)解，使學生單片機技術(shù)的綜合應用能力和團隊合作能力都得到普遍的提高，并產(chǎn)生良好的教學效果，為培養(yǎng)工程應用型人才奠定了基礎(chǔ)。

單片機;課程設(shè)計;帕累托最優(yōu)解;優(yōu)化

0 前言

普通高校電子信息類本科專業(yè)一般都在大三開設(shè)“單片機原理及應用”課程，并在該課程結(jié)束后的1～3周內(nèi)，繼續(xù)開設(shè)單片機課程設(shè)計，以加強學生的單片機綜合開發(fā)應用能力。單片機課程設(shè)計的選題內(nèi)容一般都是由代課指導教師自行擬定，教學方法也因人因?qū)W校存在差異，但總的來說，選題歸結(jié)為三類:第一類題源是從《無線電》、《電子報》和《電子制作》等專業(yè)期刊中提取，或從適于單片機初學者學習單片機制作等知識的單片機網(wǎng)站提取。[1]第二類題源來自單片機實驗系統(tǒng)平臺配套的綜合性實驗程序，學生主要是在單片機實驗系統(tǒng)平臺上編寫軟件，把實驗結(jié)果調(diào)出即可，基本上不接觸硬件設(shè)計。這類題型缺乏軟硬件相結(jié)合的綜合設(shè)計訓練，課程設(shè)計效果達不到使學生深入了解單片機作為微控制器在電子產(chǎn)品中發(fā)揮的檢測、控制、通信等核心作用。[2]第三類題源來自指導教師所完成科研項目的提煉，一般包括軟硬件相結(jié)合的綜合設(shè)計，這對提高課程設(shè)計效果大有益處，但指導教師的科研項目對題源的質(zhì)量影響很大。[3]無論題源如何，目前單片機課程設(shè)計存在的兩大突出問題是:

1)單片機原理及應用課程涉及的理論內(nèi)容涵蓋模擬電路、數(shù)字電路、微機接口技術(shù)、匯編語言程序及C語言設(shè)計等，知識面廣、概念多，大部分學生學完該課程理論教學后感覺很茫然，難以在短時間內(nèi)形成完整的概念，獨立進行單片機課程設(shè)計，編寫代碼和硬件設(shè)計都非常困難，幾乎無從下手。[4]

2)學生抄襲現(xiàn)象較普遍，敷衍過關(guān)。[5]

為了改變這種狀況，國內(nèi)許多高校開展了單片機課程設(shè)計改革實踐，主要從以下三方面入手:

1)改革單片機課程設(shè)計選題與設(shè)計內(nèi)容，選題均為軟硬件綜合設(shè)計題型，設(shè)計中既包含硬件設(shè)計也有軟件設(shè)計，這樣讓學生參與單片機應用系統(tǒng)的整體開發(fā)過程，通過設(shè)計原理解讀、硬軟件設(shè)計、調(diào)試和實驗結(jié)果測試等環(huán)節(jié)，提高學生主動查閱資料、分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的綜合能力。[6]

2)針對單片機課程設(shè)計選題偏少、單一，不考慮學生的個體差異的問題，增大選題數(shù)量，分成幾級典型題目，由易到難，滿足不同學生的認知要求。[7]

3)采用先進的單片機仿真軟件proteus，利用其設(shè)計周期短、仿真快捷逼真、不用擔心誤操作損壞硬件、電路原理設(shè)計與軟件設(shè)計一氣呵成等特點，提供基于proteus的單片機課程設(shè)計題目，激發(fā)學生對單片機課程設(shè)計的興趣和熱情，有利于提高單片機課程設(shè)計的教學效果。[8-10]經(jīng)過多年的實踐發(fā)現(xiàn)，在單片機課程設(shè)計中，應用帕累托法則，能夠很好地解決單片機課程設(shè)計出現(xiàn)的問題。

19世紀意大利著名經(jīng)濟學家和社會學家弗雷多·帕累托(Vilfredo Pareto)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟社會擁有一種微妙的不平衡關(guān)系，即20%的人口擁有80%的財富，帕累托的這一研究成果被后人稱為帕累托法則(Pareto Principle)，或稱為80/20法則。帕累托法則認為:以小的誘因、投入或努力，可以產(chǎn)生大的結(jié)果、產(chǎn)出或酬勞。[11]在單片機課程設(shè)計中存在的帕累托法則現(xiàn)象是:課程設(shè)計的成果主要來自全班20%左右的學生努力，而80%的學生是在20%左右的學生帶動下完成課程設(shè)計，通過團隊協(xié)作，分享課程設(shè)計的成果，并從20%左右的學生身上學到課堂無法學到的軟硬件設(shè)計知識，體驗課程設(shè)計帶來的實驗美、創(chuàng)造美。[12]用帕累托改進原理提升教學效果的研究成果并不多，主要集中在以下方面:

1)優(yōu)化教學資源，用較少的教學資源，獲得較大的教學效率，包括課堂學時精簡，課外學時增加。[13]課程內(nèi)容的民主決策等。[14]

2)優(yōu)化教學投入，包括把20%左右的精力花在精心備課環(huán)節(jié)上，能獲得80%左右的教學效果。[15]學生花20%的時間，學習20%的重點知識，就可以掌握80%甚至更多的知識，等等。[16]

為此，在單片機課程設(shè)計中教學中應用了帕累托法則，其具體做法如下:主要采用科研項目提煉題源來強化訓練學生的單片機軟硬件設(shè)計能力，指導教師集中精力輔導20%左右的學生骨干，使他們脫穎而出，這些學生表現(xiàn)出的非凡創(chuàng)新能力不僅使指導教師贊嘆不已，而且受到指導教師的不斷鼓勵和贊許后，再帶動設(shè)計小組的其他學生順利完成單片機項目設(shè)計，取得很好的教學效果。

1 單片機課程設(shè)計的優(yōu)化目標

由于單片機課程設(shè)計涉及的因素較多，包括題源、組織形式、設(shè)計流程、指導方式、學生興趣、生源素質(zhì)等諸多方面，采用單一目標優(yōu)化已不能真實反映優(yōu)化目標的可信度和有效性。隨著單片機課程設(shè)計改革的不斷深入，對優(yōu)化目標要求也越來越高，追求多個目標同時優(yōu)化已經(jīng)成為單片機課程設(shè)計改革突破的關(guān)鍵問題。單片機課程設(shè)計的優(yōu)化目標是以學生獲得最大知識與能力鍛煉為目標，同時兼顧投入成本最少，包括設(shè)備成本、教師與學生所花時間與精力成本等。多目標優(yōu)化始終存在著目標之間的相互沖突和不可公度性，也存在決策者給予的各種主觀判斷和偏好信息，從眾多的帕累托最優(yōu)解中找到最終解，是解決單片機課程設(shè)計優(yōu)化的核心問題。

眾多的帕累托最優(yōu)解(Pareto optimal)在工程技術(shù)中有許多求解方法，如，層次分析法(AHP)、模糊多準則決策算法、啟發(fā)式算法等。[17-21]帕累托最優(yōu)解的概念常用于電力系統(tǒng)分布式配電線路的重構(gòu)，實現(xiàn)負荷平衡優(yōu)化。[22]但在教學改革中應用帕累托最優(yōu)解原理來提高教學效率，是教育界迄今尚未涉及的研究課題，有必要開展單片機課程設(shè)計優(yōu)化目標決策研究。

2 單片機課程設(shè)計優(yōu)化方法

2.1 選題優(yōu)化方法

單片機課程設(shè)計的選題要從利用單片機的典型硬件資源(如，內(nèi)存、定時器、中斷系統(tǒng)、串口等)、外圍電路的使用成本、軟硬件知識覆蓋面廣等方面進行優(yōu)化。

單片機的串口通信涉及到兩套單片機系統(tǒng)的串口導線連接和通信協(xié)議的制訂等復雜因素，單片機課程設(shè)計小組每組只有一套單片機系統(tǒng)，要想通信就要兩組互連，連線空間受實驗室空間的限制，不易實現(xiàn)。如果采用自發(fā)自收又體現(xiàn)不出串口通信的真實含義，因此，優(yōu)化51單片機的典型硬件資源應為內(nèi)存、定時器、中斷系統(tǒng)。

外圍電路的使用成本應適中，調(diào)試方便。這就要求擴展電路不能太復雜，調(diào)試設(shè)備可用性高。對于模擬信號的檢測有A/D轉(zhuǎn)換器連續(xù)檢測和模擬信號閾值的檢測，對于后者可以省去A/D轉(zhuǎn)換器，用比較電壓器替代。比較電壓器比A/D轉(zhuǎn)換器價格更低，而且比較電壓器是接口電路中應用較為廣泛的一種模擬電路，學生可結(jié)合單片機接口電路來學習比較電壓器的應用。因此，對于模擬信號閾值信號的檢測優(yōu)化為基于比較電壓器的檢測電路。外圍電路的調(diào)試手段一般分為顯示器顯示調(diào)試、示波器顯示調(diào)試和仿真器調(diào)試。擴展顯示器接口，尤其是LCD接口，不僅成本高，而且調(diào)試周期長，難度大，不適合短周期的單片機課程設(shè)計使用。示波器顯示是可用性高的設(shè)備，通常單片機實驗室均配備通用示波器和數(shù)字示波器，只要單片機系統(tǒng)能輸出脈沖信號，示波器就能連續(xù)直觀地顯示。仿真器調(diào)試手段是學生使用仿真器調(diào)試單片機應用程序的主要工具，只要設(shè)置斷點和觀察窗口，就能觀察中斷是否發(fā)生，程序運行結(jié)果是否正確等?？梢姡鈬娐返恼{(diào)試手段的優(yōu)化應充分利用現(xiàn)有示波器和仿真器設(shè)備。

軟硬件知識覆蓋面應充分考慮單片機應用的特點是控制與檢測，選題應盡量覆蓋控制與檢測電路的應用范圍，而單片機的控制離不開中斷，因此，軟件設(shè)計的優(yōu)化應至少包含一個外設(shè)中斷請求的中斷服務程序設(shè)計，與主程序設(shè)計構(gòu)成完整的單片機前后臺應用程序架構(gòu)。

2.2 課程設(shè)計過程優(yōu)化

由于單片機課程設(shè)計學時短，一般為1～3周，指導教師一般只有1人，如果把每位學生都指導1遍，不僅時間不允許，即便時間允許，指導教師的體力支出也很大，效果并不好，因為80%的學生對單片機課程設(shè)計的軟硬件設(shè)計很茫然，指導教師的三言兩語的個別指導很難使學生理解、接受并行動。根據(jù)帕累托法則的思想，指導老師在指導單片機課程設(shè)計的過程中，只要集中精力輔導勤學好問、主動肯干的20%左右的學生，并使其帶動其余80%的學生共同完成課程設(shè)計。

教師不需要親自指導每位學生，并不意味著每位學生都能自動掌握單片機課程設(shè)計的內(nèi)容。還必須對課程設(shè)計組織形式進行優(yōu)化，讓20%左右的學生骨干去帶動其余80%的學生。全班分成多組，3人1組，把每位學生都組織起來，明確組員分工，發(fā)揮學生骨干的帶頭作用，既能培養(yǎng)學生的團隊合作精神，又能使80%的學生消除茫然感，學有所依，學有所榜。

為了避免抄襲成風，蒙混過關(guān)的現(xiàn)象發(fā)生，在課程設(shè)計接近尾聲時，指導教師應組織全班學生分組答辯，規(guī)定每組每位學生必須回答1～2個答辯問題，答辯成績占課程設(shè)計總成績的30% ～40%，從而促使學生重視課程設(shè)計過程，防止在答辯中所答非問，保證課程設(shè)計實現(xiàn)絕大多數(shù)學生獲取最大知識點的目標。

3 單片機課程設(shè)計優(yōu)化實例

3.1 選題方案

鑒于單片機控制技術(shù)已廣泛應用于智能儀器儀表、機電一體化、家用電器、實時過程控制、辦公自動化設(shè)備、商業(yè)營銷設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)和通信、醫(yī)用設(shè)備、汽車電子、軍事航空等諸多領(lǐng)域，單片機課程設(shè)計課題與工程應用項目結(jié)合勢在必行，只有這樣，才能促使學生盡快了解單片機課程設(shè)計的實用價值，同時激發(fā)學生探索單片機軟硬件設(shè)計方法的主觀能動性?？紤]到課程設(shè)計時間較短，學生單片機軟硬件設(shè)計能力有限，應采用選題優(yōu)化方法與科研項目提煉相結(jié)合來確定選題方案，最終選擇一硬件投資較少、知識面覆蓋較廣、20%學生的知識夠用、教師不增加超額資源投入的單片機課程設(shè)計優(yōu)化課題——“基于單片機89C2051的絕緣監(jiān)視器的設(shè)計”。工業(yè)現(xiàn)場使用的一種高壓動力鎧裝電纜，最外層是金屬網(wǎng)，中間是三相交流電絕緣導線，周圍是橡膠絕緣層，為了監(jiān)測橡膠絕緣的絕緣程度，在橡膠絕緣層中間加1根監(jiān)視線，如圖1所示。所謂絕緣電阻是指最外層金屬網(wǎng)和監(jiān)視線之間的等效電阻，正常應在3～5 kΩ之間，當其小于3 kΩ或大于5 kΩ時，都應報警。當絕緣電阻小于3 kΩ，表示監(jiān)視線與鎧裝層之間的絕緣橡膠老化，絕緣電阻下降;當絕緣大于5 kΩ，表示監(jiān)視線斷線。

圖1 橡膠絕緣鎧裝與監(jiān)視線示意圖

圖2 絕緣監(jiān)視器工作原理框圖

轉(zhuǎn)換器來測量電阻值方案更經(jīng)濟實用，其測量方案的比較如表1所示。

表1 采用不同測試方案測量電阻閥值的比較

絕緣監(jiān)視器的輸入為絕緣電阻Rx，輸出為頻率。當絕緣電阻Rx在[3～5 kΩ]之間時，89C2051利用P1.3引腳經(jīng)過三極管驅(qū)動輸出200 Hz方波，表示絕緣電阻正常。當絕緣電阻Rx＜3 kΩ或Rx＞5 kΩ時，輸出1 000 Hz方波，表示絕緣電阻異常。該絕緣監(jiān)視器作為一種傳感器將絕緣電阻轉(zhuǎn)換為頻率供給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集處理，對橡膠電纜的絕緣電阻狀態(tài)進行實時檢測，一旦發(fā)現(xiàn)動力鎧裝電纜絕緣性能下降，就發(fā)出故障報警信號，提醒現(xiàn)場工作人員及時更換電纜，防止因動力鎧裝絕緣性能問題造成電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障。

基于單片機89C2051的絕緣監(jiān)視器電路成本，按目前市場價格計算約30元，但覆蓋的知識面較廣，包括模電、數(shù)電、光電耦合器、看門狗電路、單片機等，需要了解的主要知識點如下:

1)LM358運放構(gòu)成的電壓比較器的工作特性，畫出輸入輸出特性曲線。

2)6N139光電耦合器在絕緣監(jiān)視器的作用。

3)看門狗電路MAX813在絕緣監(jiān)視器中的作用。

4)單片機89C2051產(chǎn)生方波頻率輸出的工作原理。

5)PNP型硅三極管9012構(gòu)成達林頓三極管驅(qū)動器，對89C2051的P 1.3引腳輸出方波頻率進行驅(qū)動放大的作用。

6)穩(wěn)壓二極管在絕緣監(jiān)視器中的作用。

3.2 設(shè)計與仿真

3.2.1 課程設(shè)計總體要求

根據(jù)任務書圖給出的絕緣監(jiān)視器原理圖紙，用Protel 99SE繪制PCB圖。在了解絕緣監(jiān)視器工作原理的基礎(chǔ)上，畫出單片機程序設(shè)計流程圖，包括初始化程序，主程序，INT0/與INT1/中斷服務程序。然后在Proteus仿真平臺上對絕緣監(jiān)視器原理圖增加虛擬示波器，建立與Keil C51的仿真連接，分別采用單片機匯編、C5l語言來進行軟件設(shè)計與仿真。最后在51硬仿真器上，對絕緣監(jiān)視器硬件樣機進行硬仿真，改變電位器，模擬可變絕緣電阻，用數(shù)字示波器觀察絕緣監(jiān)視器輸出的頻率值。

3.2.2 課程設(shè)計過程

在指導學生繪制PCB設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，學生繪制PCB圖時普遍存在與工程設(shè)計嚴重脫節(jié)問題，具體如下:

第一，元器件的布局不是按照元器件互相之間的連接關(guān)系，利用“航空飛線”將互連關(guān)系密切的元器件互相就近布局，而是本能地把所有的電阻、電容、IC芯片分別排成隊列，更談不上51單片機的外接晶振和振蕩電容應在51單片機晶振引腳附近就近布局的基本原則。

第二，絕緣監(jiān)視器的輸入/輸出插座不是放在PCB板的邊沿上，而是隨意放在PCB板中間，有些學生是按老師的要求把輸入/輸出插座放在PCB板的邊沿上，但接線口沒有朝外，導致PCB板一旦做出來，無法對外接線。

第三，輸入/輸出插座PCB封裝的焊盤尺寸若按Protel 99SE庫中缺省的封裝，焊盤內(nèi)外徑就太小，實際插座的引腳根本無法插入。通過精心指導，骨干學生很快掌握了PCB布局的基本原則，畫出的PCB圖不僅布局合理，而且PCB圖的布線實現(xiàn)了走線較短的優(yōu)化。

PCB設(shè)計完成之后，指導學生繪制單片機程序設(shè)計流程圖。絕緣監(jiān)視器的51單片機初始化程序和主程序流程圖如圖3所示。圖4為絕緣監(jiān)視器的51單片機T0溢出中斷服務程序和INT0/INT1中斷服務程序流程圖。

圖3 絕緣監(jiān)視器51單片機初始化程序和主程序流程圖

圖4 絕緣監(jiān)視器51單片機T0和INT0/INT1中斷服務程序流程圖

圖3、圖4中的R0、R1是51單片機的片內(nèi)工作寄存器，用于暫存絕緣監(jiān)視器方波頻率對應半個周期的16位計數(shù)值。每當單片機在主程序或INT0/INT1中斷服務程序中檢測到絕緣電阻發(fā)生閾值變化(3 kΩ，5 kΩ)時，就將絕緣監(jiān)視器方波頻率對應半個周期的計數(shù)更新值存入R0、R1。一旦T0溢出中斷發(fā)生時，在T0中斷服務程序中，用R0值裝載T0的低8位計數(shù)寄存器TL0T0，用R10值裝載T0的高8位的計數(shù)寄存器TH0。

3.2.3 仿真分析

用Proteus仿真實現(xiàn)絕緣監(jiān)視器輸出頻率就更加簡便，調(diào)試更加直觀。調(diào)用一個虛擬示波器接在達林頓三極管輸出端，Proteus運行按照流程圖圖3、圖4編寫的絕緣監(jiān)視器51應用程序，虛擬示波器就可以直觀顯示絕緣監(jiān)視器輸出頻率。圖5、圖6分別為絕緣監(jiān)視器監(jiān)視絕緣電阻為5 kΩ(10 kΩ電位器調(diào)在短路50%的電阻位置，絕緣電阻正常)輸出200 Hz方波的仿真界面和絕緣電阻為5.1 kΩ(10 kΩ電位器調(diào)在短路50%的電阻位置，絕緣電阻異常)輸出1 000 Hz方波的仿真界面。

圖5 絕緣電阻為5 kΩ時輸出200 Hz方波仿真界面

圖6 絕緣電阻為5.1 kΩ時輸出1 000 Hz方波仿真界面

最后在Medwin V3單片機開發(fā)環(huán)境下，用Insight硬仿真器真實仿真絕緣監(jiān)視器樣機電路板，仿真運行基于89C2051的絕緣監(jiān)視器應用源程序，絕緣監(jiān)視器樣機電路板的頻率輸出接真實示波器。旋轉(zhuǎn)模擬絕緣電阻的電位器，使絕緣電阻在[3 kΩ，5 kΩ]之間變化，觀察示波器屏幕頻率波形的變化，當絕緣電阻為5 kΩ時，輸出波形為200 Hz方波;絕緣電阻值小于3 kΩ或大于5 kΩ時，輸出方波為1 000 Hz方波。

4 結(jié)語

利用帕累托法則對單片機課程設(shè)計的選題、硬件資源配置、重點指導對象，調(diào)試手段等進行優(yōu)化教學實踐，實現(xiàn)用較少的教學資源，獲得較大的教學效果。教學實踐證明，只要調(diào)動全班20%骨干學生的積極性和創(chuàng)造性，把他們指導到位，就能帶動其他80%的學生一起進步，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際和解決工程實際問題的能力，順利完成單片機課程設(shè)計的既定目標。單片機課程設(shè)計選題與工程應用相結(jié)合，使學生深入了解了單片機系統(tǒng)在工程實踐中的應用價值，外圍設(shè)備選型應考慮性價比因素，解決什么問題需要采取什么最佳應對策略等等。單片機課程設(shè)計采用Proteus設(shè)計與仿真，有助于優(yōu)化資源，合理應用，加快設(shè)計進度，節(jié)約硬件開發(fā)成本。單片機課程設(shè)計采用硬仿真器對單片機樣機板仿真，設(shè)置斷點觀察中斷請求發(fā)生，有助于提高學生對單片機程序運行方式的認識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

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Teaching Optimization of Single Chip Microcontroller Curriculum Design Based on Pareto Principle

ZHANG Xiao-ming WAN Jun HE Ke-ren

(Information Science and Engineering College of Changzhou University，Changzhou 213164)

In order to improve the student's operating capability and the teaching effect in single chip microcontroller(SCM)curriculum design，the selection of curricular topics and laboratory facilities is optimized to enable the teacher to concentrate their attention on some key students and the limited teaching resources and teaching effect to be optimized in the given period.It is shown in the teaching practice that the pareto optimal solution can be obtained by optimizing the combination of SCM curricular topics and engineering application，the balance of hardware equipment costs and curricular knowledge so covered，and the efforts made by students and the teacher，thereby improving the student's capability of utilizing SCM technology and the teaching effect.

single chip microcontroller;curriculum design;Pareto optimal solution;optimization

G642

B

1671-0436(2012)06-0080-07

2012-10-22

張小鳴(1958— )，男，博士，教授。

責任編輯:張秀蘭