微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室建設(shè)的探索與實踐

孫寶法

（安徽文達(dá)信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 合肥 231201）

教學(xué)研究

微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室建設(shè)的探索與實踐

孫寶法

（安徽文達(dá)信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 合肥 231201）

分析建設(shè)微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室的必要性與意義，指出應(yīng)用型本科院校在微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室建設(shè)方面的現(xiàn)狀和存在的不足，提出微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室建設(shè)的方向，總結(jié)我校在微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室建設(shè)實踐中的措施與經(jīng)驗.

微控制系統(tǒng)；設(shè)計；實現(xiàn)；實驗室建設(shè)

0 引言

在IT行業(yè)中，單片機和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，熱度與日俱增.目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為IT業(yè)界甚至整個社會的熱門話題，被認(rèn)為是下一個極具潛力的經(jīng)濟增長點.物聯(lián)網(wǎng)的核心是傳感器、計算機與網(wǎng)絡(luò)，其中，傳感器與單片機構(gòu)成對物體進(jìn)行感知和控制的嵌入式控制系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)的終端，因此，在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中，單片機與嵌入式系統(tǒng)必將扮演著舉足輕重的角色，并將得到長足的發(fā)展.

要想學(xué)好單片機，并能夠以單片機作為核心芯片設(shè)計出嵌入式控制系統(tǒng)，必須理解單片機以及相關(guān)外設(shè)的基本原理，只有具備堅實而深厚的理論基礎(chǔ)，才能真正進(jìn)入嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計領(lǐng)域.然而，對于單片機的應(yīng)用而言，理論很重要，實踐更重要.必須親自動手，在掌握原理的基礎(chǔ)上，從最簡單的微控制系統(tǒng)設(shè)計開始，大膽嘗試，逐步深入，反復(fù)試驗，積累經(jīng)驗，吸取教訓(xùn)，不斷提高.為了保證學(xué)生有條件進(jìn)行微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的訓(xùn)練，必須建設(shè)微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室.

1 建設(shè)微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室的意義

建設(shè)微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室具有下列重要意義.

（1）通過引導(dǎo)學(xué)生動手操作，開發(fā)學(xué)生在微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方面的潛力，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力，提升學(xué)生的就業(yè)質(zhì)量.

在過去的二十年里，計算機類專業(yè)曾經(jīng)一度成為炙手可熱的火爆專業(yè)，幾乎所有的大學(xué)都設(shè)置這類專業(yè)，學(xué)生也競相填報.這陣熱潮催生目前計算機類專業(yè)畢業(yè)生供大于求的局面.近五年來，計算機類專業(yè)面臨的就業(yè)形勢越來越嚴(yán)峻.由于就業(yè)困難，很多學(xué)生不再積極填報計算機類專業(yè)，不少高校計算機類專業(yè)的招生計劃都不能完成.如果不主動尋找出路，計算機類專業(yè)必將陷入困境.

計算機類專業(yè)走到今天這一步，除復(fù)雜的社會原因之外，高校在課程設(shè)置、教學(xué)模式方面也存在著很多值得深刻反思的地方.近幾年，雖然計算機類專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)前景黯淡，但是每年還是有一些從事微控制系統(tǒng)開發(fā)的企業(yè)來學(xué)校招聘能夠勝任微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)崗位的人才，這些崗位的待遇和前途比其他崗位還要優(yōu)越一些，然而，應(yīng)聘者寥寥無幾.經(jīng)過大量調(diào)查得知，學(xué)生不是不愿意到這些企業(yè)去工作，而是對自己在硬件方面的能力缺乏信心，不敢面對面試官的提問.究其原因，根源還是在于課程設(shè)置、教學(xué)模式等方面.

大家知道，從電子管、晶體管計算機，到集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路計算機，主流的計算機基本上都是采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu).這種體系結(jié)構(gòu)的計算機主要采取人機交互式的工作方式，在智能方面的表現(xiàn)不夠突出.從20世紀(jì)80年代開始，日本、美國等國家提出研制第五代計算機的計劃，目標(biāo)是打破以往計算機固有的體系結(jié)構(gòu)，使計算機具有像人一樣的判斷、推理、思維能力，實現(xiàn)接近于人的思維方式，向智能化方向發(fā)展［1］.智能計算機不再具有通常見到的微型計算機的外形.例如，智能家電中的控制系統(tǒng)就是智能計算機的一個實例，汽車電子中的控制系統(tǒng)也是智能計算機.這些智能計算機實際上就是基于單片機的微控制系統(tǒng)［2］.隨著自動控制應(yīng)用需求的擴展和自動控制技術(shù)的發(fā)展，很多微控制系統(tǒng)還需要操作系統(tǒng)的支持，這就是基于ARM的嵌入式系統(tǒng)［3］.

目前，大多數(shù)高校的計算機類專業(yè)都設(shè)置“單片機原理與應(yīng)用”和“嵌入式系統(tǒng)”課程［4］.通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)教師仍然采取老套的、陳舊的、落后的教學(xué)方法，課堂上放放PPT，絕大多數(shù)實驗是驗證性的實驗，基本上是在實驗箱上完成的，課堂教學(xué)和實驗都沒有充分調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性，學(xué)生在教學(xué)活動中的主體地位沒有得到體現(xiàn).學(xué)生就是聽課、看書、復(fù)習(xí)、考試，如果考試及格，這門課也就結(jié)束.在這種課程設(shè)置和教學(xué)模式下，學(xué)生沒有得到充分的實際操作訓(xùn)練，動手能力不夠，不敢去應(yīng)聘微控制系統(tǒng)設(shè)計一類的崗位也就不足為奇.

為克服這種課程設(shè)置和教學(xué)模式的弊端，真正培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，必須進(jìn)行大膽的嘗試.對于“單片機原理與應(yīng)用”課程來說，可以在這門課程結(jié)束之后，通過對學(xué)生進(jìn)行調(diào)查和考察，根據(jù)學(xué)生的成績、興趣、特長等對學(xué)生進(jìn)行分類，因材施教，針對不同的學(xué)生采取有針對性的教學(xué)模式.對那些有意從事微控制系統(tǒng)設(shè)計工作、對單片機和嵌入式系統(tǒng)有濃厚興趣、具有一定發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)生，再開設(shè)一門選修課程“微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”，一方面幫助他們鞏固所學(xué)的理論知識，更主要的是開發(fā)他們在微控制系統(tǒng)設(shè)計方面的潛力.這些教學(xué)、實訓(xùn)、開發(fā)工作都可以在微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室里進(jìn)行.

（2）通過設(shè)計與實現(xiàn)一些實際的微控制系統(tǒng)，在設(shè)備、人才、理論、經(jīng)驗等方面進(jìn)行積累，為學(xué)校建設(shè)新專業(yè)——“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè)奠定基礎(chǔ).

IT業(yè)從來就是一個充滿活力和朝氣的產(chǎn)業(yè)，新生事物層出不窮.早在20世紀(jì)末，國際上就已經(jīng)興起物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究熱潮.2008年后，隨著國際金融危機的蔓延，美國、歐盟、日韓等國家和地區(qū)紛紛將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)上升到國家信息產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的高度.

物聯(lián)網(wǎng)市場潛力巨大，根據(jù)2010年11月發(fā)布的《中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展年度藍(lán)皮書》的統(tǒng)計，2007年全球物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模達(dá)到700億美元，2008年達(dá)到780億美元，年增長10%以上.未來全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢，預(yù)計2012年全球市場規(guī)模將超過1 700億美元，2015年接近3 500美元，年平均增長率接近25%.

我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)起步良好，具有一定的發(fā)展基礎(chǔ).我國相繼成立傳感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組、泛在網(wǎng)技術(shù)委員會等組織，并在制定國家標(biāo)準(zhǔn)、參與制定國際標(biāo)準(zhǔn)等方面積極工作，取得國際標(biāo)準(zhǔn)制定的話語權(quán).在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)方面，無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院等單位致力于物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層和應(yīng)用層三層架構(gòu)體系的搭建和系統(tǒng)集成.在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面，面向國家重大戰(zhàn)略和應(yīng)用需求，完成一系列研發(fā)工作和產(chǎn)業(yè)化工作，包括機場入侵防御、電網(wǎng)、物流、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用，使我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用研究在國際上有較高的地位.

根據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心的預(yù)測數(shù)據(jù)，我國物聯(lián)網(wǎng)整體市場規(guī)模：2010年為2 000億元，2011年為2 500億元，2012年為3 300億元，2013年為4 200億元，2014年為5 400億元，2015年為7 500億元.5年的復(fù)合增長率超過30%，具有巨大的市場投資潛力［5］.

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起，IT業(yè)出現(xiàn)重大的發(fā)展機遇，作為IT業(yè)重要組成部分的計算機類專業(yè)也將在物聯(lián)網(wǎng)這個新興產(chǎn)業(yè)中找到自己的位置，并發(fā)揮重要的作用.東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)、電子科技大學(xué)等一批國內(nèi)知名高校紛紛在無錫設(shè)立物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)機構(gòu)，并積極申報“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè).據(jù)粗略統(tǒng)計，全國“物聯(lián)網(wǎng)工程”本科專業(yè)招生的高校，2011年有40所，2012年有120所，2013年有200所，2014年有350所，2015年達(dá)到400多所.可以預(yù)見，最近幾年申報“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè)的高校還會進(jìn)一步增加，而且，歷史經(jīng)驗告訴我們，在不久的將來，“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè)又將達(dá)到飽和.為能夠在市場潛力巨大的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)一席之地，并且避免計算機類專業(yè)目前所處的尷尬局面，應(yīng)該特別重視先發(fā)優(yōu)勢，積極、主動、大力開展“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè)建設(shè).

從系統(tǒng)角度來看，物聯(lián)網(wǎng)可以劃分為3層體系結(jié)構(gòu)，即感知互動層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層.其中感知互動層的核心就是基于單片機或ARM的微控制系統(tǒng).因此，建設(shè)微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室是為建設(shè)“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè)在設(shè)備、人才、理論、經(jīng)驗等方面進(jìn)行儲備，具有前瞻性.

2 微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室建設(shè)的現(xiàn)狀

有些大學(xué)的機械設(shè)計制造及其自動化、電氣工程及其自動化、電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、通信工程、自動化、計算科學(xué)與技術(shù)等本科專業(yè)的人才培養(yǎng)方案開設(shè)“單片機原理與應(yīng)用”“嵌入式系統(tǒng)”等硬件類課程，這是符合市場需求的，值得肯定.不過，與這些課程配套的大多數(shù)實驗仍然停留在實驗箱階段，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.在實驗箱上做實驗存在如下的缺點.

（1）學(xué)生對硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)了解不夠，對接口技術(shù)涉及不多.在實驗箱上做實驗，硬件系統(tǒng)的構(gòu)建主要是通過連線實現(xiàn)的，學(xué)生只需按照實驗指導(dǎo)書所指定的步驟，一步一步地把系統(tǒng)中應(yīng)該連接在一起的端口用導(dǎo)線連接起來就可以.很少有學(xué)生去鉆研該微控制系統(tǒng)的電路原理圖，更不用說去研究這些接口連接所依據(jù)的基本原理，而這些都是進(jìn)行微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)所必須經(jīng)歷的過程.

（2）學(xué)生對軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與流程理解不深，程序代碼編寫能力訓(xùn)練不足.在實驗箱上做實驗，為使學(xué)生在有限的時間內(nèi)能夠完成實驗，提高實驗的成功率，對于某個微控制系統(tǒng)，一般都提供與硬件系統(tǒng)相配合的程序代碼，學(xué)生只需在Keil C等程序編譯平臺上編譯、調(diào)試、運行程序就可以.這樣一來，學(xué)生就不會自己動腦筋編寫程序代碼，更不會主動去提高基于硬件系統(tǒng)的軟件設(shè)計能力.

（3）學(xué)生對系統(tǒng)的概念缺乏整體認(rèn)識.由于硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都可以依賴他人，因此，學(xué)生沒有必要從宏觀角度去思考微控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，也沒有必要從微觀角度去深入研究微控制系統(tǒng)的局部細(xì)節(jié).這樣，他們就不可能完整地建立起一個微控制系統(tǒng)的概念.

總之，在實驗箱上做實驗，學(xué)生所做的只是重復(fù)別人已經(jīng)做過的實驗過程，而對微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作的整個流程缺乏了解，在微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)能力方面得不到有效的鍛煉，雖然學(xué)生最后看到預(yù)期的實驗結(jié)果，但是，他們的收獲其實并不大.如果讓他們自己設(shè)計與實現(xiàn)一個微控制系統(tǒng)，他們一定會茫然無措，無從下手.

在“單片機原理與應(yīng)用”“嵌入式系統(tǒng)”等硬件類課程中，應(yīng)該讓學(xué)生多接觸實物，在自己動手的基礎(chǔ)上，牢固掌握所學(xué)的知識，進(jìn)而提高微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的能力.特別是“單片機原理與應(yīng)用”課程的實驗，應(yīng)該鼓勵、指導(dǎo)每位學(xué)生做一個小系統(tǒng).通過這樣的訓(xùn)練，學(xué)生不但可以深刻理解單片機片內(nèi)功能部件的功能，而且可以在實際應(yīng)用中利用匯編語言或C語言進(jìn)行程序設(shè)計，還可以真正建立系統(tǒng)的概念.這些目標(biāo)在基于實驗箱的實驗中是不可能達(dá)到的，而必須進(jìn)行專門的微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作的訓(xùn)練.

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)多的高校已經(jīng)認(rèn)識到對學(xué)生進(jìn)行微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作訓(xùn)練的必要性和重要性，但是他們自己卻沒有能力開展這項訓(xùn)練，因此只好聘請其他單位代為培訓(xùn).例如，合肥學(xué)院、合肥師范學(xué)院、滁州學(xué)院、安慶師范學(xué)院、池州學(xué)院、淮南師范學(xué)院等高校，紛紛與合肥某公司合作，邀請該公司到學(xué)校進(jìn)行培訓(xùn).

安徽三聯(lián)學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系也于2011年委托該公司代為培訓(xùn).但是，由于公司技術(shù)人員常年在外地培訓(xùn)，在時間安排上存在很大的困難.即使技術(shù)人員回到合肥，他們也因為參訓(xùn)人數(shù)較少而不愿意到學(xué)院來培訓(xùn)，學(xué)生必須自己到公司去接受培訓(xùn).采用這種培訓(xùn)方式，學(xué)生的安全存在隱患，而且還要交納不少培訓(xùn)費用.

如果建成微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作實驗室，那么就可以在校內(nèi)完成微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作的訓(xùn)練任務(wù)，既保證學(xué)生的安全，又節(jié)約費用，一舉多得，甚至走在很多院校的前頭，因此，建設(shè)微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作實驗室的舉措具有一定的創(chuàng)新性.

3 微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室建設(shè)

在建設(shè)微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作實驗室之前，必須確定實驗室建設(shè)的方向與目標(biāo)，才能做到目標(biāo)明確，有的放矢.

（1）建設(shè)一個實驗室實體.微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作是一項操作性很強的工作，學(xué)生在設(shè)計與制作微控制系統(tǒng)時，必須有一個固定的活動場所，還需要比較齊備的工作臺、工具、零件、儀器與儀表等，這些物質(zhì)條件只能由單位來籌備，學(xué)生個人是無法置辦齊全的.

（2）培養(yǎng)一支實驗教師隊伍.實驗教師是實驗室的重要組成部分，在一定程度上決定實驗與實訓(xùn)的質(zhì)量，因此，必須精心挑選合格的實驗教師.要求實驗教師不但能夠指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作的實驗與實訓(xùn)，而且能夠親自設(shè)計與制作一些微控制系統(tǒng)，還要創(chuàng)作性地構(gòu)思一些微控制系統(tǒng)設(shè)計項目供學(xué)生選擇練習(xí)，在指導(dǎo)學(xué)生實驗與實訓(xùn)的同時，不斷積累經(jīng)驗，逐步提升自己的業(yè)務(wù)水平.我們期望，在實驗教師與參訓(xùn)學(xué)生的互動中，實現(xiàn)教學(xué)相長，逐漸豐富實驗室的底蘊，提升實驗室的層次.

（3）確定實驗室的基本訓(xùn)練內(nèi)容.為使微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作實驗室能夠有計劃、按步驟地開展工作，實驗室必須有明確的訓(xùn)練內(nèi)容.第一，電路焊接技術(shù)訓(xùn)練；第二，設(shè)計并制作微控制系統(tǒng)訓(xùn)練板，在訓(xùn)練板上進(jìn)行針對微控制系統(tǒng)的C語言程序設(shè)計訓(xùn)練；第三，在電路輔助設(shè)計平臺Protel上進(jìn)行PCB設(shè)計與制作實訓(xùn)；第四，在電路仿真平臺Proteus上進(jìn)行電路仿真實訓(xùn)；第五，每個學(xué)生選擇一個典型的微控制系統(tǒng)設(shè)計項目，獨立地進(jìn)行微控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作.

（4）在前期實訓(xùn)工作的基礎(chǔ)上，編寫實訓(xùn)指導(dǎo)教材“微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”，并使用該教材開展實訓(xùn)，通過實際的訓(xùn)練工作，檢驗本實驗室的實際培訓(xùn)效果.

（5）確定實驗室的長遠(yuǎn)目標(biāo).雖然目前微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作還有自己的舞臺和生存空間，但是，孤立的微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作是狹隘的，隨著時間的推移，其生命力會逐漸減弱.為使微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作能夠與時俱進(jìn)，必須把它融入到物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)之中，讓其在物聯(lián)網(wǎng)工程中找到自己的位置.為此，微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作實驗室必須擁有一些基于物聯(lián)網(wǎng)視角的設(shè)計與制作項目.

4 微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室建設(shè)的實踐

根據(jù)微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作實驗室建設(shè)的方向與目標(biāo)，做了如下探索.

（1）建成一個實體實驗室.本實驗室具有如下硬件條件：面積70 m2的實驗室1間，實驗臺10套，工具和元器件儲存柜4個，電子設(shè)計作品展示柜5個，PCB雕刻機1臺，數(shù)字電子示波器2臺，AT89C51單片機芯片30片，STC12C5A16S2單片機芯片30片，恒溫烙鐵10套，萬用表5個，電工螺絲刀5套，帶放大鏡臺燈2臺，臺鉆1臺，銼刀1套，手鋸1把，其他電工工具若干，其他元器件若干，實驗耗材若干.

（2）初步培養(yǎng)出一支實驗教師隊伍.對安徽三聯(lián)學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系的“單片機原理與應(yīng)用”“嵌入式系統(tǒng)”“計算機組裝與維護(hù)”等課程的任課教師進(jìn)行培訓(xùn)，讓他們擔(dān)任微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作實驗室的實驗指導(dǎo)老師.另外，從2012屆計算機科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)的畢業(yè)生中遴選1名優(yōu)秀學(xué)生擔(dān)任本實驗室的實驗員，負(fù)責(zé)實驗室的日常管理工作，協(xié)助實驗指導(dǎo)老師指導(dǎo)參訓(xùn)學(xué)生進(jìn)行微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作，并作為指導(dǎo)老師負(fù)責(zé)組隊參加“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車大賽.經(jīng)過長時間的磨合，這支實驗教師隊伍已經(jīng)能夠承擔(dān)本實驗室的基本任務(wù).

（3）開展微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作的培訓(xùn)工作.2012年，嘗試自己開展微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作的培訓(xùn)工作.首先，對學(xué)生進(jìn)行電路焊接訓(xùn)練.發(fā)給每位學(xué)生兩塊電路焊接訓(xùn)練板，一塊用于進(jìn)行插針式元器件焊接訓(xùn)練，另一塊用于貼片式元器件焊接訓(xùn)練.其次，采用青島某公司的單片機訓(xùn)練板，對學(xué)生進(jìn)行硬件實物焊接訓(xùn)練以及基于實際應(yīng)用的C語言程序設(shè)計訓(xùn)練.接著，向?qū)W生介紹使用Protel 99 SE設(shè)計電路原理圖、畫元件原理圖符號、畫元件封裝圖、設(shè)計電路板的基本方法.最后，要求每位學(xué)生選擇一個適合自己的應(yīng)用項目，獨立設(shè)計并制作硬件系統(tǒng)，編寫程序，調(diào)試運行，形成完整的成品.訓(xùn)練結(jié)果表明，采取的教學(xué)模式效果很好.

在開展培訓(xùn)工作的過程中，參考、借鑒合肥某公司、青島某公司的單片機訓(xùn)練板的設(shè)計思想，設(shè)計并制作以單片機AT89C51為核心的微控制系統(tǒng)訓(xùn)練板；學(xué)習(xí)合肥某公司的輪式機器人、跳舞機器人、掃地機器人、滅火機器人、機械臂、智能玩具等電子產(chǎn)品，設(shè)計并制作5個實際的微控制系統(tǒng)，以實例為引導(dǎo)，介紹微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的一般方法與詳細(xì)過程.在以往的工作經(jīng)歷中，多次采取走出去、請進(jìn)來的辦法，通過參考、借鑒他人的成功經(jīng)驗，尋找捷徑，少走彎路.實踐證明，這種辦法是有效的、可行的.

（4）依托微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室，積極參與大學(xué)生創(chuàng)新實踐活動.從2011年起，5次組隊參加“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車大賽，參賽的15支隊伍取得1個國家級二等獎、3個省級一等獎、10個省級二等獎、2個優(yōu)秀獎的良好成績.通過參加全國性的大學(xué)生智能車大賽，既調(diào)動學(xué)生進(jìn)行微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的熱情，為學(xué)院爭得榮譽，又檢驗本實驗室的水平.

（5）編寫實訓(xùn)指導(dǎo)教材“微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”.建設(shè)一個微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實訓(xùn)室，實訓(xùn)指導(dǎo)教材“微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”由4篇和2個附錄組成.

第1篇，實訓(xùn)任務(wù)包括：插針式電子元器件的焊接，閃光電路的焊接與調(diào)試，貼片式電子元器件的焊接，微控制系統(tǒng)開發(fā)訓(xùn)練板的焊接等.通過親自動手進(jìn)行焊接練習(xí)，了解、熟悉電子元器件的類型、特征，逐步掌握電子元器件的焊接技術(shù)，為微控制系統(tǒng)的電路設(shè)計與制作奠定基礎(chǔ).

第2篇，設(shè)計并制作以單片機AT89C51為核心的微控制系統(tǒng)訓(xùn)練板，該訓(xùn)練板涵蓋單片機AT89C51的存儲器、通用I/O口、定時器/計數(shù)器、外部中斷、ADC/DAC、串口等內(nèi)部資源，同時包括鍵盤、鼠標(biāo)、LED數(shù)碼管、點陣LED顯示器、LCD等外部設(shè)備.利用該訓(xùn)練板，學(xué)生可以進(jìn)行微控制系統(tǒng)的硬件焊接、C語言程序設(shè)計、系統(tǒng)調(diào)試與運行等方面的實訓(xùn)，從而加深對單片機AT89C51各項功能的理解，提高對微控制系統(tǒng)的整體認(rèn)識，培養(yǎng)基于實際應(yīng)用的程序設(shè)計能力.

第3篇，學(xué)習(xí)EDA的常用軟件Protel 99 SE.簡要介紹Protel的基本功能和設(shè)計環(huán)境，以及使用Protel設(shè)計電路原理圖、畫元件原理圖符號、畫元件封裝圖、設(shè)計電路板的基本方法.

第4篇，進(jìn)行微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的實際訓(xùn)練.引導(dǎo)學(xué)生自己動手，設(shè)計與實現(xiàn)一些實際的微控制系統(tǒng).通過這些實例，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，強化硬件設(shè)計方面的訓(xùn)練，提高程序設(shè)計能力.更重要的是，通過這些接近于實際設(shè)計的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作精神，鍛煉他們敢于面對挫折與困難的意志品質(zhì)，幫助學(xué)生建立系統(tǒng)的概念，熟知項目研究的一般過程，為學(xué)生將來工作奠定基礎(chǔ).

附錄1，介紹電路仿真軟件Proteus 7 Professional的功能與使用方法.對于一個微控制系統(tǒng)而言，在PCB和控制程序設(shè)計完成之后，一般就可以考慮制作微控制系統(tǒng)的實物.但是，為提高系統(tǒng)制作的成功概率，節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計和制作的成本和時間，先在電路仿真平臺上進(jìn)行仿真實驗，待仿真實驗證明硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)都正確之后，再制作實物.

附錄2，列舉20個微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的題目，供學(xué)生在課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計時選用.在安徽三聯(lián)學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系2012屆計算機科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計中，筆者指導(dǎo)的學(xué)生中有多人所做的課題是關(guān)于微控制系統(tǒng)設(shè)計的，設(shè)計出的微控制系統(tǒng)有電子時鐘、溫度控制器、安保報警器、交通控制信號燈、電子計算器、戶外廣告顯示系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、運動計時器等.通過這些微控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作，微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室研究團隊積累豐富的工作經(jīng)驗.

（6）注意設(shè)計作品的展示和工作經(jīng)驗的積累.在實驗室建設(shè)的過程中，注意收集、保存參訓(xùn)學(xué)生設(shè)計與制作的電子作品，讓這些作品見證微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室的發(fā)展歷史.在實驗室的電子設(shè)計作品展示柜中，陳列5次組隊參加“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車大賽的所有車模，從這些車模上，既可以看出在智能車設(shè)計與制作方面的技術(shù)進(jìn)步，也可以看出微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室的發(fā)展歷程，還可以看出微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室建設(shè)團隊的成長足跡.另外，始終注意微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作經(jīng)驗的積累，實驗室建設(shè)團隊的負(fù)責(zé)人和主要成員出版/發(fā)表相當(dāng)多與本課題有關(guān)的著作/論文［6-12］.

5 結(jié)束語

基于單片機或嵌入式系統(tǒng)的微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作是一種開放性的實踐活動，設(shè)計思路是廣闊的、發(fā)散的.只要勇于創(chuàng)新，就能不斷推出有特色的設(shè)計成果.建設(shè)一個微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)實驗室，旨在為有志于從事微控制系統(tǒng)設(shè)計與制作的大學(xué)生提供一個實驗、實訓(xùn)、交流、開發(fā)的平臺.

［1］袁方，王兵，李繼民.計算機導(dǎo)論［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［2］張毅剛，彭喜元.單片機原理及接口技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［3］徐成，凌純清，劉彥，等.嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京：中國鐵道出版社，2011.

［4］孫寶法.應(yīng)用型本科計算科學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)方案的研究［J］.教育教學(xué)論壇，2012，53（15）：29-30.

［5］劉海濤，馬建，熊永平.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［6］孫寶法.單片機原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

［7］SUN Baofa.Study on the addressing mode of assembly language instruction set of 80C51 MCU［C］//Advanced Materials Research，2012：1511-1514.

［8］SUN Baofa.Software design of smart car tracking with camera［C］//Applied Mechanics and Materials，2013：2619-2622.

［9］張慶，孫寶法，張佑生.基于MC9S12XSl28的智能車的硬件系統(tǒng)設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2012，34（3）：107-109.

［10］孫寶法，梁月放.基于MC9S12XSl28的智能車的軟件系統(tǒng)設(shè)計［J］.價值工程，2012，31（15）：210-211.

［11］孫寶法，張曉玲.用攝像頭循跡的智能車的硬件系統(tǒng)設(shè)計［J］.價值工程，2012，31（30）：201-202.

［12］孫寶法.微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

Exploration and Practice of Construction of Micro Control System Design and Implementation Laboratory

SUN Baofa
（Electronic Engineering School of Anhui Wonder University of Information Engineering，231201，Hefei，Anhui，China）

The necessity and significance of construction of micro control system design and implementation laboratory were analyzed，the status of construction of micro control system design and implementation laboratory and existing problems in the application undergraduate colleges were pointed out，the target of construction of micro control system design and implementation laboratory was put forward，our measures and experience in construction of micro control system design and implementation laboratory were summarized.

micro control system；design，implementation；construction of laboratory

TP 36

C

2095-0691（2017）01-0084-06

2016-09-26

安徽省教育廳省級質(zhì)量工程項目（2015gxk085）；安徽省高等教育振興計劃項目（2015zytz074）；安徽省教育廳省級質(zhì)量工程項目（2016jxtd053）；安徽文達(dá)信息工程學(xué)院自然科學(xué)基金項目（XZR2016A01）

孫寶法（1965-），男，安徽合肥人，博士，副教授，研究方向：計算機應(yīng)用、計算機仿真、通信對抗、數(shù)學(xué)建模.