口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)研制與應(yīng)用

石 飛, 陳 娟, 王建英, 趙彩蕓, 李金欣, 房俊杰

(新疆大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830046)

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是電子信息類專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,其相應(yīng)的實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和思維能力等方面起著至關(guān)重要的作用,這就對實驗教學(xué)提出了更高的要求[1-2]。

目前,市場上生產(chǎn)的教學(xué)實驗系統(tǒng)雖然功能眾多,但是存在結(jié)構(gòu)不合理,設(shè)備穩(wěn)定性差、效率低下，設(shè)備價格昂貴、維修困難等問題難以解決，這些教學(xué)設(shè)備在下載過程中需要額外的下載器和電源,并且實驗過程中多以插線為主,在使用和功能上也很難滿足自身教學(xué)的需求,甚至存在與教學(xué)內(nèi)容都不一致的情況。另外,教學(xué)設(shè)備體積大,不便于攜帶。

解決實驗教學(xué)設(shè)備問題行之有效的辦法是高校結(jié)合自身實際情況進(jìn)行自主研制設(shè)備。為此,本項目組結(jié)合多年實驗教學(xué)和科研的經(jīng)驗,自主研制了一款口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)。自制的實驗設(shè)備具有很強(qiáng)的實用性,低成本,易于維護(hù),并且能與自身的理論教學(xué)緊密結(jié)合且相互促進(jìn)[3-6]。

1 設(shè)計思想

近年來,隨著電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)在片上資源擴(kuò)展、技術(shù)指標(biāo)方面取得了很大進(jìn)步,新器件的功能更加豐富。然而,新研制的單片機(jī)系統(tǒng)不僅要滿足教學(xué)的要求,還要為學(xué)生進(jìn)行課外創(chuàng)新、課外實驗提供有力的支持,鑒于以上的考慮,設(shè)計過程中主要從以下幾個方面著手:

(1) 系統(tǒng)體積小且便于攜帶,將單片機(jī)下載功能、串口通信功能、系統(tǒng)供電功能集成在一個USB接口上實現(xiàn)；

(2) 為了讓學(xué)生能扎實掌握常用的通信協(xié)議,學(xué)會根據(jù)時序圖通過軟件模擬實現(xiàn)協(xié)議時序,在一般系統(tǒng)常用外設(shè)的基礎(chǔ)上,增加了多種通信協(xié)議接口,如SPI接口、I2C接口以及單總線數(shù)據(jù)接口；

(3) 提供多種形式的通信接口,包括有線通信(串口通信)和無線通信(藍(lán)牙通信)；

(4) 引入新的模塊,如OLED顯示、藍(lán)牙模塊；

(5) 元器件盡量選用貼片封裝,電路連接盡量固定,以免實驗中手工連線造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；

(6) 多余的IO預(yù)留出來,以便進(jìn)行擴(kuò)展實驗。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由輸入單元、顯示單元、傳感器單元、邏輯控制單元、外設(shè)單元和通信單元組成,口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)設(shè)計框圖

2.2 邏輯控制單元電路設(shè)計

圖2 邏輯控制單元電路原理

2.3 串口下載、通信及供電單元設(shè)計

為了克服傳統(tǒng)單片機(jī)實驗系統(tǒng)的下載功能、供電功能與單片機(jī)核心系統(tǒng)相分離,以及體積大且不易攜帶的弊端,本系統(tǒng)將串口通信、程序下載以及供電功能集成在一個USB接口上,極大節(jié)省了設(shè)計空間,實現(xiàn)了只需要一根USB線與電腦連接就可完成上述功能,其電路原理見圖3。

圖3 串口通信、下載和供電單元電路原理圖

3 口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用案例

3.1 口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)

口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)不僅可以作為電子類的多個教學(xué)平臺,比如單片機(jī)原理及應(yīng)用實驗,電路制作工藝以及電工實習(xí)等; 還可以支持大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新活動。其系統(tǒng)實物圖如圖4所示。

圖4 口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)實物圖

3.2 口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)實驗內(nèi)容

該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到信息科學(xué)與工程學(xué)院的電子信息工程、通信工程和計算機(jī)專業(yè)的單片機(jī)課程,可進(jìn)行的實驗分為基礎(chǔ)實驗、進(jìn)階性實驗、系統(tǒng)綜合設(shè)計性實驗,其課程結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[7-8]。

(1) 基礎(chǔ)實驗內(nèi)容涵蓋單片機(jī)自身固有的資源,包括IO口、定時計數(shù)器、中斷、串口通信等的使用。本階段的實驗要求采用匯編語言編寫,其主要目的就是讓學(xué)生能夠掌握匯編指令、單片機(jī)內(nèi)部資源的使用、單片機(jī)底層運(yùn)行機(jī)制,從根本上解決學(xué)生對單片機(jī)認(rèn)識不清的問題。

(2) 進(jìn)階性實驗包括ADC0809和8255外圍設(shè)備的擴(kuò)展以及常用的I2C、SPI、單總線協(xié)議器件。該階段的實驗采用C語言進(jìn)行編寫,主要讓學(xué)生深刻理解在進(jìn)行外設(shè)擴(kuò)展的時候,外設(shè)地址如何確定; 理解I2C、SPI、單總線協(xié)議原理,掌握讀寫時序圖的方法,并且掌握如何用軟件編程的方式模擬相關(guān)協(xié)議,通過該階段的訓(xùn)練以此來達(dá)到提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計的能力。

(3) 系統(tǒng)綜合性設(shè)計實驗除了根據(jù)實驗板自身擁有的資源進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計外,還可以利用藍(lán)牙的無線通信技術(shù),結(jié)合當(dāng)前的Android技術(shù)開發(fā)、語音識別以及利用智能機(jī)中功能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本階段的實驗主要是提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力,掌握運(yùn)用課本外知識的能力。

圖5 口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)實驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用效果

自制的實驗系統(tǒng)因根據(jù)自身的實際情況進(jìn)行設(shè)計,故能將理論教學(xué)和實踐教學(xué)結(jié)合更緊密; 對高校的專業(yè)建設(shè)、教育教學(xué)改革、教師研發(fā)能力的提升、學(xué)生的創(chuàng)新能力提升都有很好的促進(jìn); 同時,節(jié)約了教學(xué)成本,在教學(xué)方面也取得了較好的效果。

(1) 促進(jìn)了實驗室的建設(shè)。自制的實驗平臺成本低,維修更加方便,能根據(jù)技術(shù)的發(fā)展,持續(xù)改進(jìn)實驗系統(tǒng)[9]。

(2) 豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容,促進(jìn)了實驗教學(xué)改革的發(fā)展。自制的實驗系統(tǒng)具有較強(qiáng)的針對性,將理論教學(xué)與實踐教學(xué)緊密結(jié)合，并且實驗設(shè)備功能齊全,能滿足不同水平學(xué)生的需求[10]。

(3) 促進(jìn)學(xué)生實踐能力的提升。提高工科學(xué)生的實踐能力的最好方法就是多實踐,傳統(tǒng)的實驗平臺限制了學(xué)生進(jìn)行實驗的時間和空間。口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)的體積小,將供電與下載功能集成與一體,學(xué)生只需要一根USB線、一臺筆記本電腦和一個口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)就可以隨時進(jìn)行實驗開發(fā)。讓學(xué)生有足夠的時間和空間進(jìn)行單片機(jī)的學(xué)習(xí),真正掌握單片機(jī)的運(yùn)行機(jī)理。

(4) 錘煉教師隊伍,提高教師的研發(fā)能力。實驗設(shè)備的開發(fā)需要調(diào)研實際情況、查閱大量的相關(guān)資料,需要不斷地進(jìn)行電路設(shè)計和改進(jìn)。在設(shè)備研制過程中不僅提高了教師的電路設(shè)計能力、分析能力,還增強(qiáng)了工程實踐經(jīng)驗，得到了鍛煉。

5 結(jié)語

從目前的實驗效果來看,自制的口袋式單片機(jī)實驗系統(tǒng)能較好地將理論與實踐相結(jié)合,促進(jìn)了實驗教學(xué)改革,提升了教師的研發(fā)能力和工程能力，能打破傳統(tǒng)實驗的局限性,利于學(xué)生課外隨時進(jìn)行實驗,也利于學(xué)生創(chuàng)新思維的激發(fā)。在實際應(yīng)用中取得了教好的效果。