本科生AVR 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與研究

李有光， 聞 新， 南 英

(南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，江蘇 南京210016)

0 引 言

AVR 單片機(jī)采用雙總線的哈弗結(jié)構(gòu)，其RAM 中的前32 個(gè)單元作為通用寄存器，直接與運(yùn)算邏輯單元相連，可實(shí)現(xiàn)寄存器文件的快速存取。AVR 單片機(jī)還采用精簡(jiǎn)指令集，且具有高速低功耗等優(yōu)點(diǎn)，目前已被包括我校航天學(xué)院在內(nèi)的眾多院校選定為本科生必修課程，AVR 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)起著舉足輕重的作用［1-2］。開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)的目的是提高學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力［3-4］。

在教學(xué)方法和手段方面，為提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，需要采用合理的教學(xué)方法和手段［5-6］，對(duì)于初學(xué)單片機(jī)的本科生適合采用以C 語(yǔ)言學(xué)習(xí)為主，匯編語(yǔ)言學(xué)習(xí)為輔的方針，以避免枯燥的匯編指令困擾。C 語(yǔ)言編譯器目前流行的主要有CVAVR、WinAVR、AVR Studio 和ICCAVR 等，同時(shí)采用可以對(duì)AVR 單片機(jī)及接口芯片實(shí)現(xiàn)硬件仿真功能的軟件Proteus 進(jìn)行教學(xué)［7-9］。以學(xué)生作為認(rèn)知主體，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)面向?qū)嶋H應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)探索精神，使學(xué)生在學(xué)到扎實(shí)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，掌握項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基本方法，逐步培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力有著極為重要的指導(dǎo)意義。

在專業(yè)差異性方面，不同專業(yè)本科學(xué)生所需的實(shí)踐技能側(cè)重點(diǎn)也有所差異。對(duì)于控制專業(yè)的學(xué)生，主要側(cè)重于直流無(wú)刷電機(jī)、各種壓力、溫度、電壓和電流傳感器等控制對(duì)象的使用方面［10-12］。對(duì)于信息專業(yè)的學(xué)生，則主要注重各種通信協(xié)議和代碼生成及轉(zhuǎn)換等［13］。以往，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和研制上沒(méi)有考慮學(xué)生所學(xué)專業(yè)的差異性，沒(méi)有設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目以滿足本科生自身及專業(yè)差異性發(fā)展的要求。

目前已開(kāi)始了大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并在培養(yǎng)自主意識(shí)、創(chuàng)新素質(zhì)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面，取得良好的教學(xué)效果。同時(shí)，面對(duì)眾多實(shí)驗(yàn)，不同專業(yè)的教學(xué)也出現(xiàn)一些新問(wèn)題。本文討論了在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題，并在“面向工程的軟硬件整合”方面做了一些探索和研究。

1 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

(1)有些程序代碼工程實(shí)用性不足。針對(duì)目前

AVR 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)編寫的代碼功能不全，有些代碼只實(shí)現(xiàn)了部分硬件功能，且這些代碼與硬件的關(guān)系論述不清楚，例如在字符式LCD1602 液晶顯示實(shí)驗(yàn)里，延遲函數(shù)設(shè)定的延遲時(shí)間由內(nèi)部芯片HD44780 和HD44100 響應(yīng)時(shí)間決定，不同指令執(zhí)行時(shí)間不同，用很長(zhǎng)的延遲時(shí)間雖然可以完成功能，但相應(yīng)的查詢“忙”狀態(tài)的時(shí)間也相應(yīng)增加，而且在復(fù)雜的工程應(yīng)用中很容易被中斷，增加MCU 負(fù)擔(dān)，實(shí)際應(yīng)用的程序還需處理很多其他任務(wù)，因此需要充分了解指令與硬件的關(guān)系，以及同時(shí)進(jìn)行的其他任務(wù)特點(diǎn)，相應(yīng)修改程序，例如為節(jié)省資源盡量用4 位總線，最少的延遲時(shí)間。

(2)Proteus 軟件并未被普遍采用。Proteus 軟件是英國(guó)Lab Center Electronics 公司開(kāi)發(fā)的EDA 軟件，于1989 年問(wèn)世，已發(fā)展25 年，得到全世界范圍的廣泛應(yīng)用。Proteus 軟件具有通用EDA 軟件的原理圖編輯、制板和數(shù)模電仿真功能，除此外還是目前世界上唯一能進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)與仿真功能的軟件，它可以對(duì)基于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)及眾多的外圍接口芯片、電子元器件以及外部的各種測(cè)試儀器一起仿真。Proteus 提供了30 多個(gè)元件庫(kù)，涉及到8086、51、AVR和Cortex-M3 等各種嵌入式處理器芯片、數(shù)字和模擬等上萬(wàn)種元器件，并提供了各種激勵(lì)源和虛擬儀器(示波器、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀和計(jì)數(shù)定時(shí)器等等)，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的虛擬仿真提供了各種方便的硬件電路和軟件的調(diào)試手段。該軟件使得單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試方法與設(shè)計(jì)思想發(fā)生根本性的變革，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的諸多不足［14-16］，對(duì)提高本科生的設(shè)計(jì)與調(diào)試能力以及實(shí)踐能力有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。但此軟件目前只在學(xué)院個(gè)別班級(jí)使用，并未全面普及。

(3)課程考核方式不全面。該實(shí)驗(yàn)課和理論課作為一門課進(jìn)行教學(xué)，考核方式采用期末試卷成績(jī)占70%，平時(shí)成績(jī)占30%的方法，把大作業(yè)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的考核計(jì)入平時(shí)成績(jī)里，這樣導(dǎo)致后者比重太小，學(xué)生的學(xué)習(xí)重點(diǎn)還是放在書本上，會(huì)出現(xiàn)死記硬背的現(xiàn)象。

2 軟硬件整合的改革與實(shí)踐

分析上述問(wèn)題，不難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題關(guān)鍵在于以工程需求為背景，有效提高學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計(jì)能力。解決的根本辦法是設(shè)置大量具體的工程項(xiàng)目，充分利用Proteus軟件與硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行深入整合。

2.1 與工程應(yīng)用相結(jié)合

用傳統(tǒng)方法學(xué)習(xí)AVR 單片機(jī)過(guò)程中，各個(gè)章節(jié)單獨(dú)講授，講授的目的是使學(xué)生掌握基本概念、基本知識(shí)和基本設(shè)計(jì)方法。在初學(xué)時(shí)往往是“只見(jiàn)樹(shù)木不見(jiàn)森林”，但使用AVR 單片機(jī)完成實(shí)際工程項(xiàng)目時(shí)，一定要使各章節(jié)有機(jī)結(jié)合。因此為使學(xué)生能夠融會(huì)貫通地使用AVR 單片機(jī)，需要設(shè)置大量基于工程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每人一題，使題目都不相同。以“拋錨式法”提出，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，由學(xué)生從資料查詢、收集、整理，消化吸收現(xiàn)有成果，直至完成既定目標(biāo)，讓學(xué)生在真實(shí)的工程環(huán)境中去感受和體驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，通過(guò)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和協(xié)助學(xué)習(xí)，來(lái)完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)，這也是今后完成本科畢業(yè)設(shè)計(jì)或?qū)?lái)科研和工作中所采取的方法。

這一過(guò)程的考核適宜以大作業(yè)的形式進(jìn)行，每個(gè)大作業(yè)盡量涵蓋課堂講授的AVR 單片機(jī)的基本概念、基本知識(shí)以及基本設(shè)計(jì)方法，每個(gè)作業(yè)要盡量涉及較多的片內(nèi)功能部件與各種擴(kuò)展，這可以鍛煉學(xué)生的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，軟硬件聯(lián)調(diào)能力。在理論教學(xué)一開(kāi)始就給學(xué)生分配下來(lái)，使他們能夠有充足的時(shí)間去完成任務(wù)。實(shí)際上大作業(yè)題目完成的過(guò)程，就是學(xué)生設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力提高的過(guò)程。對(duì)大作業(yè)的考核是看其運(yùn)行是否通過(guò)，功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)大作業(yè)中不足之處和精彩的地方也要予以指出，最好學(xué)生和老師一起討論，使班級(jí)每個(gè)人都能從自己和其他人的大作業(yè)中受益，相互促進(jìn)，相互提高，起到事半功倍的效果。這樣才真正有利于學(xué)生設(shè)計(jì)水平的不斷提高。因此，大作業(yè)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)提高學(xué)生設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐能力的一個(gè)重要舉措。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，新理論和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，AVR 單片機(jī)和Proteus 軟件的出現(xiàn)便是最好的例證。Proteus 軟件在單片機(jī)課程中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，它用軟件模擬了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這使得單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試可以先于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，使單片機(jī)的設(shè)計(jì)理念發(fā)生了根本的變革，這是傳統(tǒng)的教學(xué)模式所無(wú)法比擬的，對(duì)提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與聯(lián)合調(diào)試能力以及工程實(shí)踐能力有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。

建議Proteus 在單片機(jī)教學(xué)中的使用方法如下:

(1)在講授單片機(jī)內(nèi)容前大致介紹Proteus ISIS軟件和C 語(yǔ)言編譯軟件，并提供學(xué)習(xí)視頻資料，限定學(xué)習(xí)范圍。

(2)在講授前幾章內(nèi)容時(shí)，詳細(xì)給出程序的編譯和.HEX 或.coff 文件的生成過(guò)程，演示Proteus ISIS 中元器件查找的方法和常用庫(kù)文件分類，演示原理圖的繪制、熔絲位配置、.hex 文件或.coff 文件的加載、仿真調(diào)試和波形觀察等。在學(xué)生熟練掌握軟件使用后上述操作可僅做演示或讓學(xué)生自行完成。

(3)因Proteus 設(shè)計(jì)不受時(shí)間、地點(diǎn)以及硬設(shè)備、儀器的限制，可以布置課后作業(yè)，讓學(xué)生逐步掌握Proteus ISIS 及編譯軟件?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)要求先在Proteus ISIS 下仿真通過(guò)，然后再在相應(yīng)的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試通過(guò)。

(4)可以根據(jù)需要講授Proteus ARES。

在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，需建立一套基于Proteus 和硬件實(shí)驗(yàn)箱相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)與課程教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)題目，包括必做題目5 個(gè):I/O 中斷和數(shù)碼管顯示、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信、鍵盤和顯示、A/D和D/A 等基本實(shí)驗(yàn);選做題目5 個(gè):溫度及壓力測(cè)量、電動(dòng)機(jī)控制、繼電器以各種擴(kuò)展功能等。上述實(shí)驗(yàn)可根據(jù)不同專業(yè)特點(diǎn)適當(dāng)修改。需向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，由于時(shí)延和噪聲等因素，仿真不能完全代替實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

從軟硬件結(jié)合和工程應(yīng)用的角度布置實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生的單片機(jī)的理解深度，使學(xué)生脫離了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的束縛，降低了學(xué)習(xí)成本，提高了學(xué)習(xí)效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量，目前已取得了很好的效果。

2.3 考核方式的改革

目前，單片機(jī)課程的考核是試卷成績(jī)占70%，平時(shí)成績(jī)占30%，大作業(yè)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)成績(jī)計(jì)入平時(shí)成績(jī)。閉卷考試重點(diǎn)考核理論知識(shí)，學(xué)生經(jīng)常是在考試前一周死記硬背基本概念，對(duì)基本概念和概念間的聯(lián)系不甚理解，考試結(jié)束一段時(shí)間后很容易忘記。單片機(jī)是實(shí)用性很強(qiáng)的課程，其應(yīng)用靈活多樣，這種考核方式很難考察出學(xué)生的應(yīng)用水平，甚至有可能使學(xué)生誤解單片機(jī)只要會(huì)背例程和概念就可以了，并不深究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)本質(zhì)和周圍接口芯片特點(diǎn)，這對(duì)他們今后的發(fā)展極為不利。既然Proteus 軟件已在單片機(jī)課程中廣泛應(yīng)用，使得課程的教學(xué)理念、教學(xué)方法以及實(shí)驗(yàn)手段都產(chǎn)生了變革，因此相應(yīng)的考核方式也應(yīng)變革。

應(yīng)采取多樣化的考核方式，考核包括三個(gè)方面，理論知識(shí)的考核，占總成績(jī)的50%，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的考核，占總成績(jī)的30%，大作業(yè)的考核占總成績(jī)的15%，平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的5%。對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和大作業(yè)中的實(shí)驗(yàn)，全部要求學(xué)生先在Proteus 中仿真通過(guò)，然后在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證。平時(shí)成績(jī)可以作為課堂表現(xiàn)的考核分?jǐn)?shù)。通過(guò)這種方式既可以了解學(xué)生理論知識(shí)的掌握程度，也可以考查學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

以AVR 單片機(jī)應(yīng)用為基礎(chǔ)，以提高學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，結(jié)合航天學(xué)院各專業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況，整合了軟硬件教學(xué)方法和考核手段，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)資源配置，節(jié)約硬件開(kāi)發(fā)成本和周期。經(jīng)過(guò)3年的改革實(shí)踐表明，通過(guò)軟硬件教學(xué)方法和考核方式改革的實(shí)施，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，減輕了學(xué)生學(xué)習(xí)壓力，學(xué)生不但掌握教學(xué)大綱要求的軟硬件基礎(chǔ)知識(shí)，而且對(duì)單片機(jī)及外圍芯片的內(nèi)部電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有深入的了解。從本學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以看出，學(xué)生在實(shí)際工程應(yīng)用項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)質(zhì)量和數(shù)量上都有較大幅度提高，并且改革措施已面向全院本科生推廣開(kāi)來(lái)。

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