單片機實驗教學平臺的構(gòu)建與應用

陸旭明

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，江蘇常州213164)

隨著教育部教學質(zhì)量提升工程的推進，高校對教學實踐體系的內(nèi)涵建設越來越重視。傳統(tǒng)的單片機實驗設備功能單一，系統(tǒng)性、先進性、開放性較差，與人才培養(yǎng)和教學質(zhì)量的要求差距愈來愈遠，更談不培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，加之高?，F(xiàn)有投入資金有限，單片機實驗室的建設不可能一步到位。要想讓單片機實驗室發(fā)揮其應有的功效，利用現(xiàn)有資源，自主建設一個科學合理、資源豐富、軟硬件結(jié)構(gòu)合理的單片機實驗平臺成了一種有效解決問題的手段。

本文探索了一種從仿真設計到實踐的單片機開發(fā)平臺建設方案，從單片機工程項目開發(fā)設計的角度出發(fā)，選取由淺入深的教學實踐模塊，從單片機仿真設計到系統(tǒng)安裝調(diào)試，使學生掌握單片機技術(shù)；培養(yǎng)學生專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)他們學以致用、動手創(chuàng)新的實踐能力。

1 單片機實驗平臺系統(tǒng)設計

教師首先要對整個理論實踐系統(tǒng)進行通盤考慮，要有整體設計和單元設計并重的意識，并在以目標為本的教學設計觀指導下對教學活動進行有意識的整體規(guī)劃。

根據(jù)以往單片機教學實踐經(jīng)驗，實踐單元設計沒有全局觀，實踐單元任務安排目的性不明確、重點不突出、難點相對集中、趣味性和實用性不強，往往影響學生的動手興趣，甚至造成學生懼怕動手實踐的心理。

圖1 單片機實驗平臺系統(tǒng)構(gòu)建

實驗單元只有按照由淺入深、由易到難、循序漸進進行實施，才可能克服教學實踐的盲目性和隨意性。實驗單元按照重點突出、難點分散的原則，按照難易程度進行科學序化。為此，單片機實驗平臺主要分仿真設計和實物裝調(diào)兩部分，理論學習與實踐同步進行，實驗模塊的選取遵循學生的認知規(guī)律，循序漸進地安排了基礎(chǔ)模塊、拓展模塊、創(chuàng)新模塊?；A(chǔ)模塊圍繞如何使學生了解單片機最小系統(tǒng)的構(gòu)造設置，培養(yǎng)學生正確運用單片機最小系統(tǒng)進行輸入/輸出接口進行信號燈、鍵盤控制，定時器的簡單應用，該模塊目的旨在引導學生快速入門，選取的單元內(nèi)容相對簡單，趣味性也比較強。拓展模塊主要圍繞單片機接口進行，重點培養(yǎng)學生單片機接口電路的設計能力，主要有A/D、D/A和串口通信模塊組成。拓展模塊是在學生完成了基礎(chǔ)模塊上進行的，此時學生對單片機的系統(tǒng)設計有了一定的基礎(chǔ)。創(chuàng)新模塊圍繞單片機綜合應用能力進行的實踐單元，主要選取了廣告屏的讀寫顯示、機器人的智能導航、LCD1602的萬年歷顯示等單元，重點培訓學生單片機的綜合設計與應用能力，該模塊主要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

三大模塊選取注重單片機的系統(tǒng)性、先進性、開放性、漸進性、可操作性、可應用性、可評價性。

整個實驗開發(fā)平臺系統(tǒng)設計如圖1所示。

在圖1中在選取相應的功能模塊后，采用Keil C進行軟件設計、編譯、調(diào)試，再采用Proteus仿真設計進行硬件仿真，將編譯通過的目標文件加載到CPU后臺進行仿真調(diào)試，仿真調(diào)試成功后，進行單片機模塊的硬件焊接、調(diào)試、程序下載，最后進行實物調(diào)試，檢查功能能否正確實現(xiàn)。在整個環(huán)節(jié)中，每個環(huán)節(jié)如不能正常工作，返回到上一環(huán)節(jié)中進行檢查并修改，正確后再往下執(zhí)行。

2 單片機實驗平臺建設內(nèi)容

2.1 編寫與實驗平臺配套的理實一體化教材

自編理實一體化教材《單片機設計應用與仿真》[1-2]，該書已經(jīng)由北京大學出版社正式出版，整個教材以培養(yǎng)學生的知識、能力為主線，內(nèi)容按照單片機實驗平臺系統(tǒng)構(gòu)建選取，構(gòu)建了基礎(chǔ)模塊、拓展模塊、創(chuàng)新模塊，可根據(jù)機電一體化、電氣自動化、電子信息工程等不同專業(yè)或不同課時進行模塊搭配。

2.2 仿真調(diào)試

Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司出版的EDA工具軟件(該軟件中國總代理為廣州風標電子技術(shù)有限公司)。它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。[3-4]

獨特的單片機協(xié)同仿真功能(VSM)，將電路仿真和微處理器仿真協(xié)同進行，直接在基于原理圖的虛擬原型上與Keil 聯(lián)調(diào)實現(xiàn)處理器的軟硬件調(diào)試，并進行功能效果驗證。[5]它最大的優(yōu)勢是可以提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，提升開發(fā)速度。通過對仿真結(jié)果進行分析，可驗證整個控制系統(tǒng)的程序與外圍電路的正確性，提高了調(diào)試效率。在沒有單片機實際硬件的條件下，利用PC機以虛擬仿真方式實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的軟、硬件同步仿真調(diào)試，使單片機應用系統(tǒng)設計變得簡單容易[6]，大大節(jié)約單片機教學實踐活動中的經(jīng)費，減少了浪費，縮短了單片機開發(fā)的周期，節(jié)約了課時，增強了學生對單片機開發(fā)的體驗活動。虛擬仿真界面良好的人機互動激發(fā)了學生學習單片機的興趣，對單片機課程教學的有效性提供了保障。

以日歷時鐘為例，說明單片機功能模塊仿真調(diào)試的步驟。日歷時鐘仿真調(diào)試結(jié)果如圖2所示。

①通過Keil C編譯通過DS1302實時時鐘程序，生成的DS1302實時時鐘.hex文件。

②在Proteus軟件中打開建好的DS1302實時時鐘.dsn硬件仿真文件，將DS1302實時時鐘.hex文件加載到單片機CPU AT89C52后臺。

③在Proteus ISIS環(huán)境中點擊運行鍵，可以觀察到DS1302實時時鐘電路從0時、0分、0秒開始計時。

④在Proteus ISIS環(huán)境中點擊暫停鍵，打開Debug菜單下DS1302中的DS1302 Clock和8051 CPU 中的Interal Memory選項。在圖2中，可以觀察到此時已經(jīng)將DS1302中時、分、秒送至AT89C51內(nèi)部存儲器62H、61H和60H中。

在調(diào)試過程中，根據(jù)程序調(diào)試的要求可選擇單步、斷點、全速等方式來運行程序，在此調(diào)試過程中可以看到程序的運行軌跡和流程，透視程序運行過程中數(shù)據(jù)的變化和保存情況。

圖2 日歷時鐘仿真調(diào)試結(jié)果

2.3 實物裝配調(diào)試

Proteus仿真軟件的應用，確實為學生學習單片機提供了極大的便利，但它畢竟是仿真軟件，無真實感而言，不利于學生對單片機硬件的掌握，單片機的開發(fā)最終要面對實物進行開發(fā)的。

以日歷時鐘為例說明單片機功能模塊裝配調(diào)試過程。

進行裝配調(diào)試的工作平臺配有溫控電焊臺、示波器、萬用表、穩(wěn)壓源等元器件。根據(jù)教學進度的課時安排，由實驗員發(fā)放相應的功能模塊板及其元器件，其中日歷時鐘電路板實物如圖3所示。學生根據(jù)裝配圖進行元器件的安裝、焊接、硬件測試、軟件下載、程序運行燈環(huán)節(jié)，按照圖1的操作流程進行實物裝調(diào)，日歷時鐘實物如圖4所示。

為了方便學生采用數(shù)碼管或LCD液晶顯示，在電路板設計時增設了LCD液晶顯示接口。

單片機功能模塊一般在教學實踐環(huán)節(jié)進行，在單片機綜合實訓階段，則要求學生完全按照單片機硬件、軟件設計的全過程進行設計開發(fā)，其中電路板的設計由學生獨立完成，采用面包板設計的LCD日歷時鐘實物如圖5所示。

圖3 日歷時鐘電路板實物圖

圖4 日歷時鐘功能實物圖

圖5 LCD日歷時鐘實物

2.4 學生考核與評定

單片機實驗平臺的建設最終目的是為了培養(yǎng)學生進行單片機工程項目的開發(fā)，培養(yǎng)學生軟件調(diào)試、硬件調(diào)試的能力。[7]為了對單片機教學效果進行評價，必須配備完善的考評體系。

學生在進行單片機的教學實踐活動中，教師將根據(jù)其在某個項目活動中的表現(xiàn)進行全面、綜合地考評，學生單片機項目實施考評表如表1所示，教師將對其進行過程和結(jié)果、能力與素養(yǎng)的綜合考評。

表1 學生單片機項目實施考評表

2.5 資源庫建設

建立教、做、學立體化教學資源，全面服務項目化教學過程。單片機應用技術(shù)網(wǎng)絡教學平臺如圖6所示。

資源庫建設主要圍繞以下三方面進行。

①基本資源庫。主要圍繞本課程教學目的、要求、任務等，為學生提供學習本課程的基本資源?；举Y源庫主要有課程標準、多媒體課件、試題庫、樣卷與參考答案。

②指導資源庫。主要圍繞在項目化課程實施過程中培養(yǎng)學生軟、硬件系統(tǒng)的認知、調(diào)試、分析、修改、設計能力的培養(yǎng)，為學生提供引導性學習資源庫。指導資源庫主要有教學錄像、案例分析、項目實訓、仿真設計、實物裝調(diào)、學生研討。

③操作資源庫。主要圍繞學生實際操作過程中，學生必須知曉提交要求、操作過程中需要關(guān)注的事項、提交成果的考核要求等，使學生明確目標。操作資源庫主要有學習指南、工作表單、在線測試、資料查詢、網(wǎng)站友情鏈接等，教師在學生提交的工作表單中按照表1中學生單片機項目實施考評表要求進行考評。

圖6 單片機應用技術(shù)網(wǎng)絡化教學平臺

3 單片機實驗平臺使用效果

單片機實驗平臺使用以來，學生的學習興趣和動手能力得到提高，實驗平臺的使用效率也大幅提高。該實驗平臺不僅可以滿足教學任務，還

可以滿足學生的業(yè)余培訓?？萍荚穼W生利用該實驗平臺開發(fā)了一些小制作，教師通過該平臺指導大學生完成江蘇省創(chuàng)新訓練計劃，為大學生電子競賽提供了良好的學習和開發(fā)平臺。尤其在電子大賽競賽期間，通過仿真設計，可以及早驗證設計思路的正確與否，為后期制作節(jié)省時間和成本。實驗平臺為硬件制作提供良好的安裝與調(diào)試環(huán)境，院校借助該平臺獲得了江蘇省大學生挑戰(zhàn)杯、江蘇省大學生電子競賽等獎項，激發(fā)了學生參與工程實踐的興趣和熱情。部分學生的畢業(yè)設計在這樣的實驗平臺下完成，方便了教師對學生的指導工作。

該實驗臺也為教師從事單片機開發(fā)設計提供了較好的科研環(huán)境，完善的配套設施促進教師在工作之余進行科研工作及自身素質(zhì)的提高。