單片機(jī)新型開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與教學(xué)改革

劉偉春 黃同城 周建華

邵陽學(xué)院 湖南邵陽 422000

單片機(jī)新型開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與教學(xué)改革

劉偉春 黃同城 周建華

邵陽學(xué)院 湖南邵陽 422000

對(duì)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與問題進(jìn)行了分析，提出了設(shè)計(jì)新型開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，面向就業(yè)市場(chǎng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生項(xiàng)目開發(fā)作為教學(xué)補(bǔ)充的改革方案，實(shí)踐證明取得了一定的效果。

單片機(jī)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；項(xiàng)目開發(fā)；開放式

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)得到了飛速的發(fā)展。各種型號(hào)的單片機(jī)不斷涌現(xiàn)，單片機(jī)的性價(jià)比也不斷提高，開發(fā)平臺(tái)越來越完善，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。目前，高等學(xué)校自動(dòng)化、電子、通信等專業(yè)都開設(shè)了單片機(jī)類課程，對(duì)單片機(jī)的教學(xué)研究也加大投入力度，涉及教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)研究等諸多領(lǐng)域。［1］以下從開發(fā)新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)入手，提出了單片機(jī)教學(xué)改革的方法。

1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問題

在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)過程中，存在的問題和現(xiàn)狀如下。第一，單片機(jī)課程相對(duì)于其他課程而言比較枯燥，需從匯編指令學(xué)起，程序可讀性差，并且需掌握硬件電路設(shè)計(jì)，否則無法完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會(huì)產(chǎn)生畏難情緒，妨礙了學(xué)生對(duì)單片機(jī)知識(shí)的學(xué)習(xí)。［2］第二，單片機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，出現(xiàn)了許多新型單片機(jī)，新的開發(fā)平臺(tái)技術(shù)也更加完善，更加便于程序的調(diào)試和燒寫。企業(yè)一般采用高性價(jià)比的單片機(jī)型號(hào)和開發(fā)平臺(tái)，學(xué)校教學(xué)中的內(nèi)容更新需要一定周期，教材和實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以同步跟上，讓學(xué)生難以學(xué)以致用。第三，單片機(jī)課程實(shí)踐性強(qiáng)，需要大量的動(dòng)手設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但高校安排實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，一般做幾個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般局限于實(shí)驗(yàn)箱，無法自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，只是簡(jiǎn)單的連線，下載程序，觀看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生短時(shí)間就可以完成實(shí)驗(yàn)，但完成后對(duì)實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)根本沒有接觸 。

2 傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒治?/h2>

傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)一般采用兩種方式進(jìn)行：一是用PROTEUS搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，優(yōu)點(diǎn)是可以讓學(xué)生熟悉整個(gè)電路設(shè)計(jì)，直觀地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在設(shè)計(jì)過程中可以多樣化；缺點(diǎn)是只能進(jìn)行軟件仿真驗(yàn)證，學(xué)生沒有真正看到實(shí)物，實(shí)物制作與仿真還是有很大區(qū)別的，能通過仿真驗(yàn)證的程序在真實(shí)平臺(tái)上不一定能成功。二是購買的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一般只留出少量的端子，學(xué)生只能簡(jiǎn)單機(jī)械的連線，下載已經(jīng)編好程序，做一個(gè)驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程學(xué)生十分被動(dòng)，只是一個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3 新型開放式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

設(shè)計(jì)研制一個(gè)新型開放式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。整個(gè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，集成了一些工業(yè)常用的傳感器電路，并把市場(chǎng)上應(yīng)用較廣的TI公司生產(chǎn)的MSP430g2553單片機(jī)與AT89C51單片機(jī)集成在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，兩個(gè)單片機(jī)共用基本外設(shè)模塊和電源模塊。

為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖诘膯栴}，新型開放式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)把所有芯片引腳單獨(dú)引出，整個(gè)實(shí)驗(yàn)電路從電源的引入到I/O端口的規(guī)劃，從單片機(jī)型號(hào)的選擇到系統(tǒng)資源分配，全由學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)，沒有固定模式，不同的學(xué)生設(shè)計(jì)出不同的硬件電路，對(duì)應(yīng)編出不同的軟件，有助于學(xué)生真正理解單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理，掌握一些芯片的使用和控制，方便學(xué)生在原有的電路基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用系統(tǒng)。如果要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)基于AT89C51的溫度控制器，一般用到DS18B20溫度傳感器模塊、LED顯示模塊和單片機(jī)最小系統(tǒng)。學(xué)生用杜邦線把溫度傳感器的3個(gè)引腳連到單片機(jī)的P1口，把LED顯示模塊的8條數(shù)據(jù)線接到單片機(jī)的P0口，LED顯示模塊位選線連接到單片機(jī)的P2口，整個(gè)系統(tǒng)就搭建成功。其中I/O的連接沒有固定模式，不同的硬件連接對(duì)應(yīng)不同的軟件代碼，可以有效避免學(xué)生抄襲。能力強(qiáng)的學(xué)生可以進(jìn)一步創(chuàng)新，采用LCD的顯示模塊，可以加上自己的個(gè)性設(shè)計(jì)，提高實(shí)驗(yàn)的趣味性。新型開放式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)留有多組電源接口，只要把新的芯片或外設(shè)做成模塊，把其所有的引腳連到外接端子上，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就可以隨時(shí)增加市場(chǎng)上新的芯片和外設(shè)。新型開放式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件框圖如圖1所示。

圖1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件框圖

4 教學(xué)改革措施

4.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的更新與調(diào)整

中國的制造業(yè)正在起步，需要大量具有嵌入式控制編程能力的人才，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的選定必須與就業(yè)緊密相連，要關(guān)注就業(yè)市場(chǎng)，關(guān)注嵌入式的出現(xiàn)的新技術(shù)。依托新型開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為兩個(gè)等級(jí)，除了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外還設(shè)置了基于PT100的工業(yè)溫度控制（見表1），基于CC1000的無線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等較高等級(jí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將所要學(xué)習(xí)的新知識(shí)逐步分解到各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。高等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只提出功能要求，不設(shè)置統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)步驟。讓學(xué)生自由發(fā)揮，自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，自己動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。新型開放式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)高級(jí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置見表2。

表1 新型開放式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表

表1 （續(xù)）

表2 新型開放式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)高級(jí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表

4.2 指導(dǎo)學(xué)生項(xiàng)目開發(fā)作為教學(xué)補(bǔ)充

單片機(jī)課程實(shí)踐性很強(qiáng)，需要不斷地在動(dòng)手訓(xùn)練中積累經(jīng)驗(yàn)。可以從兩方面實(shí)行：一方面是對(duì)能力強(qiáng)的學(xué)生設(shè)置一定的拓展課題，進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)性考核，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神及工程設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。［3］可以選擇曾經(jīng)開發(fā)過的項(xiàng)目做課題，因?yàn)轫?xiàng)目的研制開發(fā)有一定實(shí)用性，這些項(xiàng)目都是經(jīng)過了可行性分析的，能夠在實(shí)際的工作中運(yùn)用。此外，做實(shí)際項(xiàng)目能提高學(xué)生興趣，發(fā)揮其主觀能動(dòng)性。為增加項(xiàng)目來源，開發(fā)研究與市場(chǎng)接軌，需組建教師開發(fā)團(tuán)隊(duì)到沿海開放地區(qū)聯(lián)系開發(fā)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)教學(xué)科研相互促進(jìn)。教師采取“一帶多”的方式，學(xué)生之間可以采用“老幫新”的方式進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神。同時(shí)按照市場(chǎng)定向和企業(yè)需求選取學(xué)生感興趣的項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生單獨(dú)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和科學(xué)研究活動(dòng)，讓學(xué)生掌握開發(fā)流程，出去后能盡快融入開發(fā)團(tuán)隊(duì)。另一方面對(duì)能力一般的學(xué)生，指導(dǎo)他們進(jìn)行電子產(chǎn)品實(shí)物制作，可以購置電子元器件，讓學(xué)生從電路板的制作到軟硬件的調(diào)試，全部自己完成，讓他們?cè)趯?shí)踐中加深對(duì)理論知識(shí)的理解，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心，變被動(dòng)地接受知識(shí)為主動(dòng)的獲取知識(shí)。

5 結(jié)束語

經(jīng)過以上對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改革后，取得了一定的成效。其教學(xué)效果從學(xué)生角度來看：激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力，開闊了視野，鍛煉了實(shí)際工作能力，更加適應(yīng)企業(yè)的要求。從教師的角度來看：通過對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)，轉(zhuǎn)變教育觀念和教學(xué)方式，并通過教師科研團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，提高了自身的科研水平，解決了一部分科研經(jīng)費(fèi)來源。從學(xué)校的角度來看：為學(xué)校建立全新的課程理念，提升了學(xué)校的辦學(xué)思想和辦學(xué)目標(biāo)，通過項(xiàng)目的實(shí)施，把知識(shí)轉(zhuǎn)化為企業(yè)的生產(chǎn)力，回報(bào)了企業(yè)和社會(huì)。

［1］崔勇，袁海文.卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)下的單片機(jī)教學(xué)改革探討［J］.中國電力教育，2013，38（5）：80-81，85..

［2］王威.普通高校自動(dòng)化專業(yè)嵌入式技術(shù)教學(xué)思考［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（3）：9-10，13.

［3］唐煒.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的單片機(jī)類課程實(shí)踐教學(xué)改革［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（5）：131-132，154.

Open SCM Experimental Platform Design and Teaching Reform

Liu Weichun， Huang Tongcheng， Zhou Jianhua
Shaoyang College， Shaoyang， 422000， China

Experiment teaching present situation and the problem in the course of principle and application of SCM is analyzed， puts forward the design model of open experiment platform ， adjusting teaching content orient to the employment ， Guide the students implementing the project as the teaching supplement， practice has proved to be a certain effect.

SCM； experiment platform； project development； open

2015-03-09

劉偉春，碩士，講師。

邵陽學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（編號(hào)：2014JG25）。