微控制器模塊化綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

孫維超，高 權(quán)，解廣云，李 悅

（南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京211167）

微控制器已廣泛應(yīng)用于智能家電、工業(yè)控制、醫(yī)療、通信和軍事等諸多領(lǐng)域[1],對掌握微控制器技術(shù)的人才的需求也越來越大。掌握微控制器技術(shù)更是自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人員必備的能力。然而，現(xiàn)在的畢業(yè)生，并不能完全滿足社會(huì)的需求。究其原因主要有以下幾個(gè)方面：(1)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，學(xué)生難以得到實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)；(2)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱，所有的電路和器件都設(shè)計(jì)在一塊電路板上,學(xué)生只需按指導(dǎo)書的電路進(jìn)行接線，從而禁固了學(xué)生的思維；(3)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)成為紙上談兵?？傊?，學(xué)生的思維得不到擴(kuò)展，動(dòng)手能力的提高也極為有限。

1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的總體方案

微控制器綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的主要應(yīng)用對象是理工科相關(guān)專業(yè)的大一以后的學(xué)生。在該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上可以開展的工作有：課后實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、課外電子科技創(chuàng)新活動(dòng)、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽賽前訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計(jì)等。上述實(shí)踐環(huán)節(jié)具有以下特點(diǎn)：(1)根據(jù)所涉及的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目難度不同，需要用到多種MCU；(2)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,允許學(xué)生二次開發(fā)；(3)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模塊化要清晰合理，便于使用者按需求搭建。根據(jù)以上要求，綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由MCU模塊、傳感器模塊、A/D與D/A轉(zhuǎn)換模塊、DDS模塊以及通信模塊等模塊組成。表1列出了各模塊的型號及主要配置[2]。

表1 模塊型號及主要配置表

綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在PC端，配套了虛擬仿真軟件,采用PROTEUS虛擬仿真[3]。PROTEUS軟件含有豐富的電子元器件和電路分析工具，學(xué)生可以利用該軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真，從根本上克服了沒有物理原型就不能進(jìn)行硬件和軟件調(diào)試的弊端。PROTEUS軟件是實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主創(chuàng)新的良好工具。在實(shí)踐過程中，學(xué)生先在PROTEUS中進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真;然后，在綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上選擇實(shí)訓(xùn)模塊，搭接實(shí)訓(xùn)電路，進(jìn)行軟硬件調(diào)試與驗(yàn)證。

2 MCU模塊設(shè)計(jì)

MCU模塊是整個(gè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的核心部分?？紤]到使用者對微控制器的了解程度、編程水平和應(yīng)用需求的不同，微控制器綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)精選了4種最具有代表性的單片機(jī),分別是AT89S52、AVR（ATMEG8）、MSP430、STM32。MCU與各功能模塊的連接如圖1所示。

(1)51系列單片機(jī)作為使用最廣泛的8 bit微控制器之一，具有使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，也是各高等院校作為課堂教學(xué)首選的微控制器[4]。因此，選用AT89S52單片機(jī)作為MCU控制模塊最具有代表性,它適用于剛剛接觸單片機(jī)的初學(xué)者，也可以用來進(jìn)行一些基礎(chǔ)的開發(fā)。

(2)AVR單片機(jī)因速度快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，而且是8 bit單片機(jī)中第一種真正的RISC單片機(jī),所以被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家用電器中。在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中配置AVR模塊具有實(shí)際意義。

(3)MSP430是一種16 bit單片機(jī)，擁有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、功耗超低、片內(nèi)資源豐富的特點(diǎn)。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選用G2553系列，可以用來開發(fā)實(shí)用性強(qiáng)、難度較高的項(xiàng)目。MSP430也是全國電子科技競賽指定使用的微控制器，對大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽賽前訓(xùn)練具有較強(qiáng)的針對性。

(4)STM32是目前32 bit微控制器的典范，它使用ARM最新的先進(jìn)架構(gòu)——Cortex-M3內(nèi)核,具有優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能、杰出的功耗控制、出眾及創(chuàng)新的外設(shè)、最大程度的集成整合，易于開發(fā)，可使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場。學(xué)會(huì)STM32應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬設(shè)計(jì)才能真正成為控制系統(tǒng)的工程師。

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)配置的4種MCU控制模塊，從學(xué)習(xí)的角度看具有從易到難的遞進(jìn)式特點(diǎn)，適合不同使用者和不同應(yīng)用場合，具有較大的覆蓋面。

3 配套應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)使用者的使用目的和個(gè)人能力的不同,實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容分為三個(gè)部分。

(1)基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)。包括：基本I/O口輸入輸出、外部中斷、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)八段數(shù)碼管、靜態(tài)八段數(shù)碼管、鍵盤掃描、串行接口通訊等。主要針對單片機(jī)初學(xué)者，使他們對單片機(jī)的使用方法和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)初步的認(rèn)識，具有單元軟、硬件設(shè)計(jì)能力。

(2)綜合設(shè)計(jì)部分。包括：16×16點(diǎn)陣顯示器設(shè)計(jì)、交通信號燈設(shè)計(jì)、電子鐘設(shè)計(jì)、電子密碼鎖設(shè)計(jì)、電機(jī)控制設(shè)計(jì)、溫度采集與顯示設(shè)計(jì)、電子琴設(shè)計(jì)、音樂盒設(shè)計(jì)、計(jì)算器設(shè)計(jì)、簡易波形發(fā)生器設(shè)計(jì)。這些項(xiàng)目主要針對課程設(shè)計(jì)使用者。通過以上兩個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)訓(xùn)，使用者具備了微控制器應(yīng)用系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)能力。

(3)科技創(chuàng)新部分。包括：循跡測距小車、溫濕度檢測與控制系統(tǒng)、數(shù)字信號發(fā)生器、74系列邏輯芯片測試儀、無線藍(lán)牙鼠標(biāo)等。這些設(shè)計(jì)課題具有一定的難度，部分課題需要另外添加模塊，使用的主板也不僅限于基礎(chǔ)的51系列單片機(jī)。它適合科技競賽賽前訓(xùn)練和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過該步驟的實(shí)訓(xùn)，能夠有效地鍛煉使用者的微控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)能力和創(chuàng)新意識。

本文以循跡測距小車為例說明實(shí)訓(xùn)過程。循跡測距小車的原理框圖如圖2所示，硬件系統(tǒng)由6種不同的功能模塊組成。紅外循跡模塊檢測地面黑線，將信號發(fā)回單片機(jī)進(jìn)行處理；單片機(jī)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車沿黑線行進(jìn)；同時(shí)，超聲波測距模塊和霍爾測速模塊將測得的距離和速度發(fā)回單片機(jī)；單片機(jī)處理后將距離和速度實(shí)時(shí)顯示在LCD液晶屏上。實(shí)訓(xùn)進(jìn)程可分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：(1)根據(jù)實(shí)訓(xùn)要求閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料,如 AT89S52單片機(jī)數(shù)據(jù)資料和LCD模塊資料;(2)完成方案設(shè)計(jì)和軟、硬件詳細(xì)設(shè)計(jì),對主要電路進(jìn)行仿真;(3)通過閱讀使用說明書,自行選擇合適的實(shí)驗(yàn)?zāi)K;(4)對主要模塊進(jìn)行測試,如測試紅外對管是否正常工作,是否與仿真結(jié)果一致;(5)搭建完整控制系統(tǒng),完成系統(tǒng)軟、硬件調(diào)試;(6)測試驗(yàn)收,撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。本實(shí)訓(xùn)的深度可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整,如在完成基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上可增加遠(yuǎn)程遙控。該課題可以由2～3位同學(xué)一起完成。采用開放式實(shí)訓(xùn)形式,學(xué)生自主完成,教師作必要的指導(dǎo)。

微控制器模塊化綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)不同于常見的實(shí)驗(yàn)箱,大致可將其分為主板和功能模塊兩大部分，使用者根據(jù)需求自行連接。該平臺(tái)不但功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)清晰、端口開放，而且便于使用和攜帶、方便教學(xué)，適合各類想要學(xué)習(xí)單片機(jī)的人群?？梢杂行У卣{(diào)動(dòng)使用者的積極性，激發(fā)其創(chuàng)造性思維能力。微控制器模塊化綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究依托于江蘇省大學(xué)生科技創(chuàng)新課題，目前已經(jīng)被應(yīng)用于 “南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院卓越工程師班”的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的教學(xué)中，學(xué)生、老師對其反應(yīng)良好。

[1]鄒應(yīng)全.單片機(jī)原理與實(shí)驗(yàn)教程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[2]江世明.模塊化電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(2)：98-100.

[3]伍馮潔,謝陳躍,黃文愷.Proteus在虛擬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2009(3)：101-103.

[4]Intel.MCS-51 family of single chip microcomputers user′s manual[Z].1981.