創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐促進(jìn)“單片機(jī)”課程教學(xué)

金　紅， 蔣存波

(桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

0　引言

單片機(jī)(嵌入式處理器)具有功耗低、體積小、較高的信息處理能力的特點(diǎn)，因此在現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。正是由于單片機(jī)在電子信息系統(tǒng)中的重要作用，“單片機(jī)”課程成為大學(xué)本科電子信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課[1-3]?！皢纹瑱C(jī)”課程包含硬件和軟件兩方面內(nèi)容，除了課堂講授理論外，還要求通過實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)制作實(shí)踐培養(yǎng)創(chuàng)新學(xué)生的應(yīng)用能力。

1　當(dāng)前“單片機(jī)”教學(xué)的現(xiàn)狀

“單片機(jī)”課程通常是通過課堂教學(xué)講授單片機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)以及接口等，更注重匯編語言或C語言程序設(shè)計(jì)。目前，普遍弱化單片機(jī)硬件原理和PCB結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)課主要是利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行一些基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，習(xí)慣于用杜邦線在實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行信號(hào)連接[4,5]。

這種教學(xué)方法能夠讓學(xué)生初步掌握單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)的基本方法，但從后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)過程以及學(xué)生畢業(yè)后回訪等反映，這種教學(xué)方法還存在一些問題，主要體現(xiàn)在：①學(xué)生未掌握對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方法，尤其在硬件的總體結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、各PCB板之間的相互連接等方面的知識(shí)傳授存在較大缺失；②學(xué)生未建立電子信息處理系統(tǒng)性能指標(biāo)及理論計(jì)算相關(guān)概念，未掌握基本的性能指標(biāo)計(jì)算方法以及影響技術(shù)性能的關(guān)鍵元器件參數(shù)；③學(xué)生在軟件設(shè)計(jì)中缺少整體思路，大多數(shù)未進(jìn)行算法和程序流程設(shè)計(jì)，也不考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，習(xí)慣于從網(wǎng)絡(luò)下載一個(gè)類似程序進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，程序調(diào)試與排錯(cuò)能力亟待提高；④對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試能力及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析能力有待提高。

為改善“單片機(jī)”教學(xué)效果，提高學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用能力，我們對(duì)“單片機(jī)”教學(xué)進(jìn)行如下改革。

2　創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐與單片機(jī)教學(xué)融合

為培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)應(yīng)用能力，在“單片機(jī)”課程后，我們專設(shè)了一門為期4周的“電子系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程，該課程需要學(xué)生利用單片機(jī)完成一個(gè)信息采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。我們?yōu)榇嗽O(shè)置10～20個(gè)設(shè)計(jì)題目，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式給出具體設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和設(shè)計(jì)思路。學(xué)生可以依據(jù)個(gè)人興趣，兩人一組選擇其中的一個(gè)設(shè)計(jì)題目，通過這一課程，除培養(yǎng)設(shè)計(jì)制作能力外，還可培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作與溝通能力。

這門實(shí)踐課程的主體分為如下兩部分：

(1)案例引導(dǎo)：選擇一個(gè)設(shè)計(jì)題目。在硬件設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)題目名下的實(shí)習(xí)指導(dǎo)書詳細(xì)描述設(shè)計(jì)思路、裝置的結(jié)構(gòu)與電路功能模塊的劃分、各模塊電路原理、各模塊之間的工程連接方法，關(guān)鍵電路參數(shù)計(jì)算、PCB設(shè)計(jì)等。在軟件設(shè)計(jì)方面，實(shí)習(xí)指導(dǎo)書給出程序設(shè)計(jì)思路與方案、算法設(shè)計(jì)與程序流程圖、軟件設(shè)計(jì)過程、程序調(diào)試過程等。學(xué)生通過閱讀實(shí)習(xí)指導(dǎo)書并模仿進(jìn)行電路原理、PCB設(shè)計(jì)，掌握硬件設(shè)計(jì)的基本方法，掌握電子信息系統(tǒng)各功能電路模塊之間的不同連接方法；軟件設(shè)計(jì)則是面向過程的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，通過軟件構(gòu)架和流程掌握程序設(shè)計(jì)基本方法和結(jié)構(gòu)。

(2)設(shè)計(jì)指導(dǎo)：采用導(dǎo)師制，每個(gè)導(dǎo)師指導(dǎo)3～4個(gè)設(shè)計(jì)題目，指導(dǎo)教師需要先熟悉相關(guān)設(shè)計(jì)題目包括國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)、基本原理、不同設(shè)計(jì)方案及相應(yīng)特點(diǎn)、技術(shù)難點(diǎn)在內(nèi)的相關(guān)內(nèi)容以及實(shí)習(xí)報(bào)告撰寫要求，在設(shè)計(jì)過程中指導(dǎo)學(xué)生完成硬件軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試和設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫。這樣不僅可以方便對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)，同時(shí)經(jīng)過3～5輪次實(shí)習(xí)，指導(dǎo)教師的相關(guān)能力也能得到較大提升。

3　具體實(shí)施過程

3.1　預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)題目

從2013年開始在我校電子信息工程專業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)，在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”、“傳感器原理與應(yīng)用”課程后，增加一門“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐”課程，時(shí)間為4周，預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)題目如表1所示。實(shí)習(xí)指導(dǎo)書中給出了每個(gè)設(shè)計(jì)題目的詳細(xì)功能和技術(shù)指標(biāo)要求。每年實(shí)習(xí)學(xué)生人數(shù)115～135人，指導(dǎo)教師5-6人。

表1　預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)題目

3.2　案例引導(dǎo)

在單片機(jī)信號(hào)檢測(cè)與處理裝置中，模擬信號(hào)的檢測(cè)一般是將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓UT，對(duì)這個(gè)電壓信號(hào)放大到適當(dāng)?shù)闹礥AD=K×UT后，送到AD轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)NAD，單片機(jī)讀取數(shù)字信號(hào)NAD并進(jìn)行數(shù)字處理。電壓測(cè)量是此模擬信號(hào)測(cè)量的基礎(chǔ)并具有典型性，因此以電壓測(cè)量裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)題目。在此設(shè)計(jì)題目的實(shí)習(xí)指導(dǎo)書中給出電壓測(cè)量裝置的詳細(xì)描述。

1)總體方案

實(shí)習(xí)指導(dǎo)書中詳細(xì)描述了電壓測(cè)量的原理和總體方案，給出總體方案原理框圖，對(duì)框圖的工作過程進(jìn)行描述，說明哪些功能是由硬件實(shí)現(xiàn)的，哪些是由軟件實(shí)現(xiàn)的。

2)硬件設(shè)計(jì)

以任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式給出硬件設(shè)計(jì)思路說明以及硬件結(jié)構(gòu)示意圖、電路原理圖、PCB設(shè)計(jì)圖。特別強(qiáng)調(diào)注重電路不同功能單元PCB之間的連接方法，以引導(dǎo)學(xué)生拋開杜邦線，逐步了解電子信息系統(tǒng)中的電路模塊的工程連接方法。電壓測(cè)量裝置為了反映PCB之間的連接關(guān)系，采用兩塊PCB結(jié)構(gòu)，一塊為信號(hào)調(diào)理電路，另一塊為單片機(jī)電路，如圖1所示。圖1中4為單片機(jī)PCB，7為信號(hào)調(diào)理電路PCB，1為單片機(jī)與信號(hào)調(diào)理電路的板對(duì)板連接器，6為L(zhǎng)CD模塊，5為L(zhǎng)CD模塊與單片機(jī)的板對(duì)板連接器，3為各支撐各模塊PCB之間的塑料螺柱，2為固定螺絲，8為測(cè)量表筆(表夾)。通過該圖和樣機(jī)實(shí)物，可使學(xué)生掌握一種電路板之間的連接方法和電子裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

圖1　電壓測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書詳細(xì)說明電壓測(cè)量算法，給出軟件設(shè)計(jì)方法說明和程序流程圖、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，以及軟件工程建立、軟件模塊結(jié)構(gòu)劃分、源代碼編輯、程序調(diào)試的詳細(xì)步驟。

3.3　設(shè)計(jì)指導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書還詳細(xì)說明設(shè)計(jì)的電壓測(cè)量裝置需要測(cè)試的內(nèi)容、測(cè)試原理與方法、測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄以及給出測(cè)試數(shù)據(jù)的處理方法等，以此檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)裝置在功能、性能指標(biāo)上是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在完成該設(shè)計(jì)題目過程中，要引導(dǎo)學(xué)生從模仿開始，逐步過渡到在導(dǎo)師指導(dǎo)下自主獨(dú)立完成所選的設(shè)計(jì)任務(wù)。

4　結(jié)語

“單片機(jī)”是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，在課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，我們嘗試增加一門設(shè)計(jì)制作單片機(jī)應(yīng)用裝置的實(shí)踐課，讓學(xué)生完成一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)并完成樣機(jī)的制作與調(diào)試。

2013～2015年三年在電子信息工程專業(yè)的試點(diǎn)表明，這門新設(shè)的實(shí)踐課程對(duì)學(xué)生單片機(jī)技術(shù)的掌握和應(yīng)用能力的提高具有較明顯的效果，試點(diǎn)班級(jí)學(xué)生初步掌握單片機(jī)應(yīng)用裝置設(shè)計(jì)和制作的人數(shù)從以往的極少數(shù)提高到近1/4。通過三年的指導(dǎo)，相關(guān)教師的單片機(jī)應(yīng)用能力也得到顯著提高。從2016年開始，試點(diǎn)已擴(kuò)大到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，期待進(jìn)一步改進(jìn)完善后推廣到其他相關(guān)專業(yè)。

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