學習新型單片機培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力

徐科軍, 許 偉, 邵春莉， 張 毅

(合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院， 安徽 合肥 230009)

0 引言

單片機是一種采用超大規(guī)模集成電路技術把中央處理器、存儲器和其它片上外設等集成到一塊硅片上而構(gòu)成的一個小而全的微型計算機系統(tǒng)。它是實現(xiàn)底層自動化和各種設備控制的核心芯片，其應用是工科電類和機類專業(yè)本科生必須掌握的一門技術。近年來，16位的MSP430單片機以其超低功耗、強大處理能力等特點，在過程控制、智能電網(wǎng)、無線通信、能源收集、便攜儀表、消費類電子產(chǎn)品和公共事業(yè)計量等方面得到廣泛的應用。

我們根據(jù)在MSP430單片機應用方面的科研積累，在TI(美國德州儀器)大學計劃的支持下，編寫教材，開發(fā)實驗裝置，制作微視頻課，為單片機的教學打下了良好的基礎。正是在此基礎上，我們以MSP430單片機的學習和應用為抓手，開設校級平臺選修課，指導學生申報大學生創(chuàng)新項目，組織假期創(chuàng)新項目活動，舉辦校內(nèi)單片機比賽，進行畢業(yè)設計等，從課內(nèi)到課外、從線上到線下、從大一到大四，積極培養(yǎng)大學生的實踐創(chuàng)新能力。

1 創(chuàng)造學習條件

針對目前在單片機學習和開發(fā)的過程中，在線仿真困難且實驗裝置不易擴展的情況，我們研制了基于TI公司板載仿真器的MSP430F5529 LaunchPad。該LaunchPad的硬件包括板載仿真器、MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)、USB通信接口電路及BoosterPack接口等。軟件包括基本的CCS操作、USB通信控制程序、GPIO輸出控制程序、定時器計時中斷程序、PWM產(chǎn)生和按鍵外部中斷程序。實驗表明，該LaunchPad軟硬件資源豐富、易于擴展且成本較低[1]。

針對TI公司推出的MSP430單片機實驗板-MSP-EXP430F5529實驗板，開發(fā)實驗套件，包括實驗例程、實驗指導書、教程PPT和實驗視頻[2]。TI公司大學計劃部已將我們開發(fā)的實驗套件公布在網(wǎng)站上，實驗指導書也發(fā)送給包括上海交通大學、浙江大學、西安電子科技大學、北京理工大學等200多所高校，已有超過15000名學生使用并學習了該實驗套件。我們利用該實驗套件成功舉辦了兩次MSP-EXP430F5529開發(fā)板培訓活動；一次于2012年10月，在TI公司舉辦的全國教育者年會上，對部分與會教師和學生進行了MSP-EXP430F5529實驗板培訓。另一次于2013年3月，在合肥工業(yè)大學，利用該實驗套件舉辦MSP-EXP430F5529開發(fā)板培訓，受到了同學們的熱烈歡迎。

我們還分別研制了基于MSP430F5529和基于MSP430F6736單片機的綜合實驗裝置。前者主要包括MSP430 LaunchPad和母板兩部分。較傳統(tǒng)單片機實驗裝置增加了模擬電路的設置，可進行模塊基礎實驗和綜合實驗兩大類實驗。后者，主要包括MSP430單片機最小系統(tǒng)、電源變換部分、模擬輸入輸出模塊、數(shù)字輸入輸出模塊。對傳統(tǒng)單片機實驗裝置的電源部分進行改進，實現(xiàn)了三種供電電源之間的自動切換。實驗裝置功能豐富，可進行包括儀器儀表類在內(nèi)的6大類實驗，這兩類實驗裝置都非常適合自動化和電氣信息類大學生學習使用[3～4]。

此外，我們還編寫并在電子工業(yè)出版社出版了教材《MSP430單片機原理與應用-MSP430F5xx/6xx系列單片機入門、提高和開發(fā)》。該教材以TI公司的MSP430F5xx/6xx系列單片機為例，全面介紹MSP430單片機的原理及應用，包括MSP430單片機概況、MSP430單片機軟件工程開發(fā)的基礎、MSP430F5xx/6xx系列單片機的CPU與存儲器、MSP430單片機的中斷系統(tǒng)、MSP430單片機的時鐘系統(tǒng)與低功耗結(jié)構(gòu)、MSP430單片機的輸入輸出模塊和片內(nèi)通信模塊和控制模塊、各個模塊的應用例程等。還介紹我們實驗室自行研制的基于MSP430F5529單片機的學生創(chuàng)新套件[5]。此外，還制作了83集“MSP430單片機原理與應用”的微視頻，每集在10分鐘至15分鐘左右。

2 進行混合教學

目前，“單片機原理與應用”課程大多講授8位的MCS51單片機，雖然內(nèi)容簡單、容易入門，但是，該單片機的性能相對落后，其應用無法滿足科技和生產(chǎn)發(fā)展的要求。近年來，16位的MSP430單片機以其超低功耗、強大處理能力等特點，已經(jīng)在過程控制、智能電網(wǎng)、無線通信、能源收集、便攜儀表、消費類電子產(chǎn)品和公共事業(yè)計量等方面得到廣泛的應用。為了讓學生學習新的單片機技術，使其知識和技能跟上時代發(fā)展的步伐，有利于他們就業(yè)；同時，也不影響已有“單片機原理與應用”課程的開設，我們特增設了校級平臺選修課“MSP430單片機原理與應用”。這是我們學校第一門工科性質(zhì)的網(wǎng)上視頻選修課程，采用“網(wǎng)絡教學+自主學習”的方式。主要講授新型單片機原理與應用。該課程教學使用我們制作的83集視頻，編寫的教材和開發(fā)的MSP430單片機最小系統(tǒng)實驗板的原型樣機；以網(wǎng)上視頻傳授為主，以面授為輔；提供線上和線下兩種答疑渠道，保證課程的教學質(zhì)量。針對本課程的性質(zhì)，注重實驗，提供給學生單片機最小系統(tǒng)實驗板，能夠方便地在宿舍實驗，鞏固所學的知識，培養(yǎng)動手能力。

2016年上半年全各相關院校共有不同年級的912名學生選修了這門課程，有597人成績合格，獲得了學分。2017年上半年，有來自全校多個學院和不同年級的679名學生選修了這門課，有392名同學成績合格，獲得了學分。

不少學生通過本課程的學習，初步掌握了MSP430單片機的技術，為他們參加各類學科競賽和大學生創(chuàng)新項目等活動打下了良好的基礎。

3 提供課外實踐

3.1 舉辦單片機應用設計大賽

從2012年10月份開始，我們舉辦了一系列單片機專業(yè)知識講座、安排了實驗室開放日和創(chuàng)新設計輔導等活動，指導學生們學習單片機應用設計。這些活動吸引了全校很多學生積極參與，他們利用課余時間制作了很多的課外科技作品。有了這些基礎，我們于2013年3月初，正式啟動了“合肥工業(yè)大學首屆MSP430低功耗單片機應用設計大賽”。此次大賽共吸引了來自全校17個專業(yè)的70多組隊伍、近200位本科生參賽，最終有35組隊伍參加了決賽。評委教師們分別從作品實物完成情況和現(xiàn)場報告答辯情況對各組參賽作品進行了評定，最終評出一等獎2名、二等獎6名和三等獎12名。大賽期間，我們向各參賽隊提供最新的MSP430單片機開發(fā)板，還定期開放實驗室，安排研究生輔導各參賽隊進行作品制作和調(diào)試。本次設計大賽不僅僅為學生們提供了競技、展現(xiàn)自我的平臺，更是提供了一個同學們之間相互學習交流，共同進步的機會。

2014年5月18日，我校迎來了“合肥工業(yè)大學第二屆暨安徽省首屆MSP430低功耗單片機應用設計大賽”決賽。來自我校、安徽建筑工業(yè)大學、安徽工業(yè)大學、三聯(lián)學院、宿州學院、合肥學院等六所高校的254支隊伍，700多位本科生參賽。經(jīng)過預賽初評，選出了34支作品參加決賽。決賽最終評選出一等獎2隊、二等獎6隊、三等獎12隊和優(yōu)秀獎14隊。在整個大賽中，我們向各參賽隊提供了最新的MSP430單片機實驗板及MSP430單片機教材，舉辦了一系列的MSP430單片機專業(yè)知識培訓，創(chuàng)建了MSP430單片機QQ群，對參賽學生進行網(wǎng)上指導。

3.2 組織小學期和暑期實踐項目

2014年6月至7月，我校開展了小學期創(chuàng)新實踐團隊訓練項目“超低功耗MSP430單片機應用系統(tǒng)設計”。該項目面向二年級本科生開設，要求學生以MSP430超低功耗單片機最小系統(tǒng)為核心，設計和研制數(shù)據(jù)采集、信號處理、電機控制和電源管理應用系統(tǒng)，整合和應用基礎知識，訓練本科生的應用系統(tǒng)設計和實踐動手能力，培養(yǎng)他們的團隊合作精神，激發(fā)他們綜合應用知識的欲望和創(chuàng)新思維。共有來自電氣與自動化工程學院和醫(yī)學工程學院的8支隊伍，24位本科生參加。本項目歷時近一個月，在項目實施的過程中，我們?yōu)閰⒓禹椖康膶W生提供了MSP430單片機實驗套件、基本電子器件和MSP430單片機教材，還為參加項目同學做了兩場MSP430單片機基礎知識培訓和兩場有關MSP430單片機實驗套件培訓、一場應用系統(tǒng)硬件設計和軟件設計輔導和點評、一場應用系統(tǒng)測評和總結(jié)。

在2016年的7月至8月，我校組織和開展了暑期創(chuàng)新實踐團隊的新型單片機應用訓練項目。該項目要求學生基于我們提供的MSP-EXP430F5529綜合實驗平臺，開發(fā)和調(diào)試以單片機為核心的傳感器應用、觸摸按鍵、液晶顯示、數(shù)據(jù)通信等綜合實驗；或者基于我們提供的MSP430F5529 LaunchPad(單片機最小系統(tǒng))，設計各種應用系統(tǒng)。通過這一項目訓練本科生的應用系統(tǒng)設計和實踐動手能力，培養(yǎng)他們的團隊合作精神，激發(fā)他們綜合應用知識的欲望和創(chuàng)新思維。我們發(fā)放了35 套實驗板和11本配套教材以及其他相關學習資料，并進行輔導。根據(jù)假期的住宿條件，能回家的同學可以利用自己的筆記本電腦，在家開展項目和完成綜合實驗。對有條件留校的同學，我們開放了實驗室，給他們安排位置，提供相應的設備，并隨時答疑解惑，使他們順利完成項目。我們通過QQ、微信、郵件、電話，保持與參加項目的同學的聯(lián)系，指導他們的項目進展。這一期我們共指導14 組、25位同學完成了暑期項目。其中，6名同學被選中參加了第十屆“藍鷗杯”中國大學生iCAN物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽比賽。

3.3 指導大學生創(chuàng)新實踐項目

以MSP430單片機為核心，指導學生申報和完成國家級大學生創(chuàng)新實踐項目。其中，比較優(yōu)秀的成果有：2013年 “具有感知的智能紅燈警戒線”、2014年“基于RFID技術的養(yǎng)老院智能管理系統(tǒng)”、2016年“跌倒預防與報警一體化的老人智能拖鞋”、2017年“基于RFID與GPS技術的防老人/兒童走失與防物品丟失系統(tǒng)”還包括2014年校級重點項目“主從結(jié)構(gòu)式老人摔倒報警器”。