模塊化單片機(jī)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

范瑞君　李擎　劉金娥　鄧海麗　李永江

【摘要】現(xiàn)有的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)設(shè)備大都針對一門課程，采用整板設(shè)計(jì)，不便于擴(kuò)展。針對這一現(xiàn)象，如果學(xué)校能自己開發(fā)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，不僅能滿足單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、IC智能卡技術(shù)以及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)等多門課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，還具有綜合性、易拓展、可實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)的特點(diǎn)，這也將是教學(xué)設(shè)備的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】實(shí)訓(xùn)系統(tǒng) 單片機(jī) 模塊

電子信息領(lǐng)域的高新技術(shù)發(fā)展迅速，要求相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)資源豐富、結(jié)構(gòu)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)充性和裁剪性好，可隨時(shí)根據(jù)需要增/減實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、升級開發(fā)技術(shù)。目前，國內(nèi)有多教學(xué)儀器生產(chǎn)廠商提供的設(shè)備大都針對一門課程，采用整板設(shè)計(jì)，不便于擴(kuò)展，且造價(jià)高昂。以上海中歐科教儀器有限公司的產(chǎn)品為例，一套模電、數(shù)電、單片機(jī)成套設(shè)備的單臺售價(jià)在1.3萬左右，且不帶傳感器和IC智能卡課程的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

針對上述問題，結(jié)合多年教學(xué)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目組成員自己開發(fā)“模塊化單片機(jī)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”，不僅能滿足單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、IC智能卡技術(shù)以及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)等多門課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，還具有綜合性、易拓展、可實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)的特點(diǎn)，這也將是教學(xué)設(shè)備的發(fā)展趨勢。相信我們開發(fā)的實(shí)訓(xùn)平臺的使用，可以提高課程的實(shí)訓(xùn)效果，并且大大降低設(shè)備更新的費(fèi)用。

一、項(xiàng)目研究的目的和意義

作為一個(gè)教學(xué)用實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，本項(xiàng)目研究的目的在于能滿足單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、IC智能卡技術(shù)以及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)等多門課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，具有綜合性、易拓展、可實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)的特點(diǎn)。同時(shí)，可以提高課程的實(shí)訓(xùn)效果，并且大大降低設(shè)備更新的費(fèi)用。

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對提高電子類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)水平有重大的意義，它突破了課程應(yīng)用的層面，提供并倡導(dǎo)開放式的教學(xué)模式和理念。具體來說有以下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)用范圍廣。本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)適用于電子類專業(yè)基于單片機(jī)的多門課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，例如：單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、IC智能卡技術(shù)、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)等課程。

（2）實(shí)用性強(qiáng)。每個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)、功能劃分與定位均參照了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此各功能模塊之間的各種組合與搭配，不僅可以滿足學(xué)生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子制作、電子設(shè)計(jì)大賽，還可以滿足企業(yè)技術(shù)人員的電子項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研發(fā)、原型樣機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)收評估等活動的實(shí)際需要。

（3）擴(kuò)展性好。電子信息領(lǐng)域的高新技術(shù)發(fā)展迅速，要求相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)資源豐富、結(jié)構(gòu)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)充性和裁剪性好，可隨時(shí)根據(jù)需要增/減實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、升級開發(fā)技術(shù)。由于電子類專業(yè)課程體系中有多門課程是以單片機(jī)的應(yīng)用為基礎(chǔ)的，所以可以在單片機(jī)核心模塊的基礎(chǔ)上，通過預(yù)留接口的方法，與其它實(shí)驗(yàn)?zāi)K重新組合，可達(dá)到資源共享。

（4）趣味性強(qiáng)。在模塊化的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)上，可以最大限度地發(fā)揮學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)，學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)、自己搭建電路，培養(yǎng)了實(shí)作熱情，增強(qiáng)了動手能力，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)了創(chuàng)作欲望。

（5）融通性好。顯著改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的功能和用途相對狹窄，只能適應(yīng)單門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀。通過本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用，可以讓學(xué)生更系統(tǒng)更全面地體會和認(rèn)識電子信息類產(chǎn)品硬件的系統(tǒng)集成、電子信息類諸多學(xué)科的相互交叉、相互溶合、相互融通、相互滲透、相互吸收的演進(jìn)過程和發(fā)展趨勢。

（6）使用方便。由于實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)體積小，便于拆卸、攜帶，學(xué)生可以在宿舍、教室等實(shí)驗(yàn)室以外的場合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大拓展了開放實(shí)踐的時(shí)間和空間。

（7）性價(jià)比高。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱一旦定型就很難改變，結(jié)果是，不僅會影響實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整，而且還會制約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的擴(kuò)充。如果采用這種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，當(dāng)需要更新或增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，只需要再開發(fā)和增添相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K即可。因此便于系統(tǒng)的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)資源的共享和延續(xù)，達(dá)到既節(jié)約經(jīng)費(fèi)、提高設(shè)備利用率的良好效果。

（8）經(jīng)濟(jì)性好。本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)與大型實(shí)驗(yàn)箱相比成本低，且其中的很多模塊可在單門課程或多門課程中重復(fù)多次使用，有效地解決學(xué)生人均實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限的難題。

二、實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

我們遵循模塊化設(shè)計(jì)理念，將整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)劃分為核心板模塊及多個(gè)獨(dú)立的功能電路模塊，每個(gè)模塊即為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)板。每個(gè)外圍功能模塊都可以和核心模塊自由組合，構(gòu)成具有單一功能的實(shí)驗(yàn)電路。如果根據(jù)需求同時(shí)把多個(gè)功能模塊與核心模塊組合，還可以組建成綜合性的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)共包括4類共20個(gè)實(shí)訓(xùn)模塊。

（1）核心板模塊：該模塊既是本實(shí)驗(yàn)平臺的一個(gè)核心模塊，也是一個(gè)基礎(chǔ)模塊，起著控制和支撐其它實(shí)驗(yàn)?zāi)K的重要作用。該模塊由單片機(jī)、外圍晶振電路、復(fù)位電路、串行通信接口電路及電源電路、P0～P3I/O擴(kuò)展電路組成，考慮到方便二次開發(fā)和學(xué)生參與，我們采用在萬能板上搭建電路的方法。

設(shè)計(jì)中我們選用能耗低、高性能的MCS-51系列單片機(jī)作為中央控制器，為了方便下載程序，在核心模塊上集成了串行通信接口RS232C電路，經(jīng)MAX232芯片連接到PC機(jī)的COM口。為了能夠方便其它模塊進(jìn)行實(shí)訓(xùn)、演示，我們把P0～P3口全部采用排針（杜邦TPK插頭）引出，通過杜邦線與其他模塊連接，方便擴(kuò)展，連接牢固，耐插拔，這也是本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。

（2）單片機(jī)實(shí)訓(xùn)類模塊：此類實(shí)訓(xùn)模塊既可完成單片機(jī)課程的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，也可用于傳感器、IC智能卡、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)等其它實(shí)訓(xùn)課程，組合成綜合陛的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。針對本類型模塊，我們項(xiàng)目組開發(fā)了LED發(fā)光二極管模塊、七段數(shù)碼管顯示模塊、8*8LED點(diǎn)陣顯示模塊、LCD液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)鎖存控制模塊、按鍵模塊模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊。全部采用排針（杜邦TPK插頭）引出，通過杜邦線與核心板模塊連接。

（3）傳感器類實(shí)訓(xùn)類模塊：這些基礎(chǔ)模塊主要應(yīng)用于傳感器技術(shù)課程的教學(xué)及實(shí)訓(xùn)，目前開發(fā)了溫濕度計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、霍爾接近開關(guān)模塊、節(jié)能開關(guān)模塊、亮光報(bào)警器模塊，根據(jù)教學(xué)需要，新增加了水銀開關(guān)和觸摸開關(guān)模塊。A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊暫時(shí)沒有開發(fā)（因?yàn)榭紤]到現(xiàn)在大部分單片機(jī)中已經(jīng)集成了A/D、D/A模塊）。采用排針（杜邦TPK插頭）引出，通過杜邦線與核心板模塊連接。

（4）IC智能卡實(shí)訓(xùn)類模塊：這些基礎(chǔ)模塊主要應(yīng)用于智能卡技術(shù)課程的教學(xué)及實(shí)訓(xùn)。智能卡實(shí)訓(xùn)室的實(shí)訓(xùn)臺現(xiàn)有考勤實(shí)驗(yàn)?zāi)K、刷卡消費(fèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、節(jié)水實(shí)驗(yàn)?zāi)K、門禁實(shí)驗(yàn)?zāi)K、巡更實(shí)驗(yàn)?zāi)K等，我們根據(jù)技術(shù)的發(fā)展趨勢，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使其既滿足教學(xué)的需要又能使其配套的終端設(shè)備能用的上，所以我們選購了智能卡讀寫模塊，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，使之與已有的實(shí)訓(xùn)終端設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)考勤實(shí)訓(xùn)模塊、刷卡消費(fèi)實(shí)訓(xùn)模塊、節(jié)水實(shí)驗(yàn)訓(xùn)塊、門禁實(shí)訓(xùn)模塊、巡更實(shí)訓(xùn)模塊的功能，當(dāng)然根據(jù)需要還可以擴(kuò)展出其它功能。

三、結(jié)束語

我們選購的智能卡讀寫模塊采用ST高性能32位ARM處理器和微電子高度集成ISO14443A讀卡芯片，支持ISO14443 TY-PEA、ISO14443-4協(xié)議，支持密鑰管理系統(tǒng)，可方便嵌入大型、復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，物美價(jià)廉。本模塊可以直接與核心板的232串口相連，后接門禁、節(jié)水閥、LCD顯示模塊等不同的終端設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)模擬考勤管理、刷卡消費(fèi)、節(jié)水開關(guān)、門禁系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)等實(shí)訓(xùn)。

以上模塊可以根據(jù)課程需要靈活搭配，可滿足單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能卡技術(shù)、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)等課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要。也可以讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中自己動手組建電路，以便更直觀地了解基于單片機(jī)的電子產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路和方法，更全面系統(tǒng)地掌握單片機(jī)、傳感器、IC智能卡、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)等課程的知識重點(diǎn)和技能要點(diǎn)。