“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”課程教學(xué)及實踐探索

章安良

(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

MSP430是美國TI(德州儀器)公司生產(chǎn)的超低功耗、高性能16位混合信號處理器。［1］它可以針對實際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，提供“單片”的解決方案。［2］

MSP430微處理器具有卓越的特點，如早期的MSP430169系列，其工作電壓范圍1.8～3.6 V;超低功耗，活動模式時電流僅為330 μA，在1 MHz的時鐘條件下運行時，待機(jī)模式電流僅為1.1 μA，關(guān)閉模式(RAM 保持)電流為0.2 μA;具有5種低功耗省電模式，且從等待方式喚醒時間僅需6 μs;16位RISC結(jié)構(gòu)，125 ns指令周期;內(nèi)置多個通道DMA;12/16位A/D帶采樣保持內(nèi)部參考源;雙12位D/A同步轉(zhuǎn)換;16位定時器Timer_A/Timer B;設(shè)計有片內(nèi)比較器A;有2個串行通信USART0(UART、SPI、I2C)接口和串行通信 USARTI(UART、SPl)接口;具有可編程電平檢測的供電電壓管理器，監(jiān)視器;欠電壓檢測器和串行在線編程，無需外部編程電壓，可編程的保密熔絲代碼保護(hù)等。目前MSP430有多個系列，微處理器的內(nèi)存和集成的片內(nèi)外圍功能模塊也不斷增強(qiáng)。［3］

雖然MSP430系列單片機(jī)推出時間不是很長，但由于其獨特而卓越的性能，發(fā)展極為迅速，應(yīng)用日益廣泛，不僅可以應(yīng)用于許多傳統(tǒng)單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，如儀器儀表、自動控制以及消費品領(lǐng)域，特別適合于一些電池供電的低功耗便攜式產(chǎn)品，如水表、氣表、電表、手持設(shè)備、智能傳感器及需要較高運算性能的智能儀器設(shè)備等。［4-6］

鑒于MSP430應(yīng)用的廣泛性和產(chǎn)業(yè)的實際應(yīng)用性，許多高校開設(shè)了MSP430單片機(jī)課程，以擴(kuò)大學(xué)生就業(yè)范圍和增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)技能，它已成為工科高校電子類專業(yè)一門重要課程。［7-9］

該門課程涉及的知識面廣，幾乎涵蓋電子系統(tǒng)設(shè)計所需的知識內(nèi)容，且實踐性強(qiáng)，無法僅僅通過課堂理論教學(xué)來提高學(xué)生的動手能力和實際應(yīng)用能力。在課堂教學(xué)過程中雖然安排了一些實驗課程，對學(xué)生的動手實踐能力有所提高，但仍然與電子系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)企業(yè)所期望的實踐能力有一定的差距。如何進(jìn)一步提高學(xué)生基于MSP430微處理器的電子系統(tǒng)設(shè)計實踐能力是教學(xué)工作者所必須認(rèn)真思考及付諸教學(xué)的急迫問題。

1 現(xiàn)行課程教學(xué)存在的問題

目前“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”課程教學(xué)多以課堂上傳授MSP430處理器原理、各功能模塊結(jié)構(gòu)及控制各功能模塊的寄存器應(yīng)用方法，再配以實驗箱進(jìn)行驗證性實驗，實驗?zāi)康膬H限于驗證、鞏固和加深理論教學(xué)。學(xué)生只需按實驗指導(dǎo)書按部就班地操作，完成實驗內(nèi)容，無法充分發(fā)揮學(xué)生的自主能動性和創(chuàng)造性，也無法充分提高學(xué)生實踐應(yīng)用能力和電子系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)能力。因此，現(xiàn)行該課程常規(guī)的教學(xué)方法所培養(yǎng)出學(xué)生的能力與社會所要求的電子系統(tǒng)設(shè)計人員所具備的實踐能力存在脫節(jié)和差距。如何改革“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”這一課程教學(xué)，使學(xué)生具備MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)實踐能力，已經(jīng)成為教師所面臨的緊迫問題。

2 教學(xué)改革思路

以MSP430為核心的電子系統(tǒng)設(shè)計是一門實踐性和應(yīng)用性極強(qiáng)的課程，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)課程教學(xué)方法的不足，結(jié)合理論教學(xué)的同時，必須以實踐應(yīng)用貫穿整個教學(xué)過程。

根據(jù)該課程特殊性，進(jìn)行了教學(xué)改革，并提出如下幾方面教學(xué)改革思路，以切實提高學(xué)生設(shè)計、開發(fā)能力。

2.1 教學(xué)環(huán)境改革

根據(jù)“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”這門課程實踐性強(qiáng)的特點，提出“將教學(xué)融入實驗”這一教學(xué)理念。根據(jù)該課程所需的實驗條件，完善實驗教學(xué)環(huán)境，并將教學(xué)融入實驗中，在實驗中進(jìn)行教學(xué)。根據(jù)該課程特點，主要完善如下教學(xué)實驗條件。

1)采用IAR EW430實驗平臺

“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”這門課程，常用且性能較好的實驗和開發(fā)環(huán)境是采用IAR公司開發(fā)的IAR EW430平臺。該平臺具有高效的編譯性能，可以支持多種開發(fā)工具，支持輸出TI-txt目標(biāo)文件，參考的資源也比較豐富，它是目前MSP430單片機(jī)程序開發(fā)的第一選擇。

2)安裝全功能仿真器MSP430

MSP430全功能仿真器可支持全系列MSP430FLASH單片機(jī)的JTAG/SBW仿真調(diào)試，以及BSL量產(chǎn)燒寫。采用了當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的USB接口，兼容了并口調(diào)試工具。無并口的電腦也可很方便地使用 USB接口對 MSP430系列單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)仿真調(diào)試。該仿真器可廣泛應(yīng)用于教學(xué)和研發(fā)。

3)完善輔助軟件工具

根據(jù)“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”的特點，在該課程教學(xué)和開發(fā)時可能會用到一些輔助工具，如串口波特率計算工具，它可以根據(jù)設(shè)計的工作頻率和波特率，自行計算波特率相關(guān)寄存器UBR1、UBR0和UMCTL的值。此外，常用到的輔助工具還有串口調(diào)試助手、電阻色環(huán)識別軟件、漢字字模提取軟件、字庫、液晶點陣提取等。另外，在教學(xué)過程中還將用到Protel、Proteus等制版及電路功能仿真軟件等，都一一進(jìn)行完善。

4)優(yōu)化實驗硬件環(huán)境

在傳統(tǒng)的教學(xué)及實驗中，學(xué)生實驗往往在現(xiàn)成的實驗箱中完成，各實驗內(nèi)容只要求學(xué)生在實驗箱上插接幾條線路，即可完成實驗驗證，對學(xué)生電子系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)能力提高幫助不大。因此，需要將學(xué)生從這種實驗箱的實驗方法，改進(jìn)到真正MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計上來。為此，需要完善、優(yōu)化實驗硬件環(huán)境，包括基本的電路焊接平臺，電路測試、調(diào)試設(shè)備等硬件環(huán)境。

2.2 教學(xué)主體改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方法大多是以教師為主體，負(fù)責(zé)知識傳授，而學(xué)生則是被動接受知識，這種教學(xué)方法的主要缺點是理論教學(xué)所占比例較重、學(xué)生動手實踐能力較為欠缺，無法滿足社會對學(xué)生實踐能力的要求。因此，需要改進(jìn)這種以教師為主體的教學(xué)方法，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體的教學(xué)方法，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的能動性和創(chuàng)造性。

2.3 教學(xué)方法改革

為提高學(xué)生實踐動手能力，對傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行改革，自始至終貫穿以具體應(yīng)用、實踐操作為核心的教學(xué)方法。

“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”課程教學(xué)主要分為熟悉IAR EW開發(fā)環(huán)境和掌握MSP430微處理器片內(nèi)功能模塊結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用兩大部分內(nèi)容。

介紹IAR EW開發(fā)環(huán)境時，要求學(xué)生在完成課堂教學(xué)同時，在實驗室中操作IAR EW開發(fā)環(huán)境，使得學(xué)生從實踐中學(xué)會開發(fā)環(huán)境的新項目的建立、源文件編輯、源文件添加到新項目、開發(fā)環(huán)境的配置、編譯、連接和調(diào)試等完整過程，從而為本課程的學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件。

掌握MSP430片內(nèi)功能模塊的相關(guān)知識是在進(jìn)行MSP430電子系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計和熟悉IAR EW開發(fā)環(huán)境的的基礎(chǔ)上，分模塊在實踐中掌握其原理、結(jié)構(gòu)和各寄存器的編程設(shè)置。學(xué)生初步學(xué)習(xí)了MSP430系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)時鐘模塊后，開始設(shè)計、制作并焊接MSP430的最小系統(tǒng)，學(xué)生在制作過程中對MSP430微處理器會有更深入了解。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行輸入/輸出端口模塊的教學(xué)和實踐，介紹完各輸入/輸出端口工作原理、結(jié)構(gòu)和各寄存器含義及應(yīng)用方法后，在學(xué)生自行制作的電路上進(jìn)行輸入/輸出端口編程，并應(yīng)用示波器觀察驗證，從而加深和掌握了該模塊功能及應(yīng)用。其他功能模塊也依此在實踐中學(xué)習(xí)和掌握。

2.4 課程考核方法改革

鑒于本課程重實踐應(yīng)用的特點，考核方法區(qū)別于傳統(tǒng)的閉卷考核方式，采用設(shè)計以MSP430為微處理器的綜合性應(yīng)用系統(tǒng)，作為考核方式。在學(xué)期結(jié)束前一個月，布置考核內(nèi)容，要求學(xué)生自主獨立設(shè)計、制版、焊接和調(diào)試等全過程。學(xué)期結(jié)束后，授課教師檢查學(xué)生制作的硬件和軟件是否完成，制作電路版質(zhì)量，電路設(shè)計的合理性和科學(xué)性，電路功能參數(shù)指標(biāo)的完成情況，同時要求學(xué)生現(xiàn)場予以演示，給出考核成績。通過這種考核方式，完全激發(fā)了學(xué)生的主動性，也進(jìn)一步提高了學(xué)生對MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計的實踐能力，體現(xiàn)了以實踐為核心的教學(xué)方法，能很好地檢驗出學(xué)生的實踐動手能力和應(yīng)用開發(fā)能力。

進(jìn)行以上一系列教學(xué)改革后，大多學(xué)生在學(xué)期考核時都能自主獨立設(shè)計以MSP430為核心的電子系統(tǒng)。以2013年第二學(xué)期教學(xué)為例，在學(xué)期結(jié)束前一個月，布置了要求學(xué)生自行獨立設(shè)計、制版、調(diào)試MSP430簡易學(xué)習(xí)版的考核任務(wù)，它包含電源模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊、流水燈顯示模塊、LCD顯示模塊、鍵盤模塊、串口通信模塊、蜂鳴器模塊和JTAG調(diào)試模塊等功能。圖1為MSP430簡易學(xué)習(xí)版的PCB版圖，圖2是學(xué)生自行設(shè)計焊接的數(shù)碼管顯示模塊程序運行實物圖。

圖1 學(xué)生設(shè)計的MSP430簡易學(xué)習(xí)版的PCB版圖

圖2 學(xué)生自行設(shè)計焊接的數(shù)碼管顯示模塊程序運行實物圖

圖2的編程思想:P2.4～P2.6設(shè)置為輸出狀態(tài)，P2.0～P2.3設(shè)置為輸入狀態(tài)，可先將每一行拉低，讀取P2.0～P2.3的電平;如果沒有按鍵按下，應(yīng)該都是為高電平，否則那一列將會被拉低;當(dāng)判斷出有按鍵按下后，第1行拉低，第2行第3行拉高，讀取P2.0～P2.3的電平;判斷是否有按鍵按下，如果有，即可判斷出第一行的哪個鍵按下，否則再掃描第二行，以此類推，即可確定是哪個按鍵按下。

當(dāng)源程序編譯鏈接后下載到MSP430單片機(jī)，全速運行，分別按下矩陣鍵盤上的各個鍵，都能在數(shù)碼管上顯示出來。

通過學(xué)生自行獨立設(shè)計和開發(fā)的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，可以檢驗出學(xué)生學(xué)習(xí)效果及實際動手能力。

3 教學(xué)改革效果

通過對“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”課程教學(xué)改革的實踐，按照所提出的教學(xué)改革方法完成教學(xué)，各方面都得到了顯著改善。

1)提高了學(xué)生電子系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)和實踐能力。通過改進(jìn)的教學(xué)方法教學(xué)本課程，學(xué)生基本上都能獨立完成電子系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)、制版、焊接和調(diào)試等實踐技能，滿足社會對學(xué)生的實踐能力的要求。

2)促進(jìn)教師科研能力提高。教師實現(xiàn)教學(xué)方法改革同時，需要不斷從生產(chǎn)實踐中提煉綜合性、應(yīng)用性電子系統(tǒng)開發(fā)項目，不僅給學(xué)生提供了課堂教學(xué)開發(fā)的內(nèi)容，同時也提高了教師科研能力，具有現(xiàn)實意義。

3)促進(jìn)教學(xué)實驗室建設(shè)。為滿足MSP430電子系統(tǒng)實踐教學(xué)需要，改善實驗教學(xué)環(huán)境與條件，不斷提高了電子系統(tǒng)設(shè)計硬件和軟件環(huán)境的投入，在原來的MSP430電子實驗箱基礎(chǔ)上增加了硬件焊接和調(diào)試測試設(shè)備，滿足綜合性電子系統(tǒng)開發(fā)實驗要求，促進(jìn)了實驗室的建設(shè)。

4 結(jié)語

“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”是一門實踐性強(qiáng)、教學(xué)內(nèi)容豐富的專業(yè)課，經(jīng)過以上幾方面的改革和探索，學(xué)生由原來的被動接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩嵺`中完善和豐富知識”，極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性。教師教學(xué)投入的精力較以往顯著加大，學(xué)生對“MSP430電子系統(tǒng)設(shè)計”教學(xué)的滿意度也隨之得到提高，教學(xué)改革取得了良好的教學(xué)效果和社會效益。

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