新型高職微控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的探索與設(shè)計(jì)

周文輝 唐啟見(jiàn)

[摘? ? ? ? ? ?要]? 提出一種新的高等職業(yè)院?；谖⒖刂破鞯膶?shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，著重考慮專(zhuān)業(yè)技能抽查的考試要求，結(jié)合湖南軟件職業(yè)學(xué)院微控制器相關(guān)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出具有模塊化特點(diǎn)的適合高職院校學(xué)生實(shí)訓(xùn)需求的微控制器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。既能滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)技能抽查的教學(xué)需求，又能滿(mǎn)足高職院校微控制器相關(guān)課程的教學(xué)、實(shí)訓(xùn)需要，使教學(xué)與實(shí)訓(xùn)時(shí)演示操作更加直觀有效。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 高職;微控制器;教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

[中圖分類(lèi)號(hào)]? TM571? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)]? 2096-0603（2020）08-0142-02

微控制器相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)是相關(guān)軟件知識(shí)與硬件知識(shí)的結(jié)合，從事微控制器相關(guān)開(kāi)發(fā)的研發(fā)人員既要懂得單片機(jī)、FPGA/CPLD、RAM的硬件結(jié)構(gòu)，又要懂軟件編程，才能駕馭，使其為開(kāi)發(fā)目的服務(wù)。正是“軟”“硬”結(jié)合這個(gè)必備條件，使許多初學(xué)者難以理解智能控制的工作過(guò)程，始終難以明白“為什么寫(xiě)幾個(gè)命令進(jìn)去，就能接收到傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)并送到顯示器顯示出來(lái)？”因而很多人對(duì)微控制器具有“畏懼”情緒。微控制器控制“難”就難在入門(mén)難，而入門(mén)難的根本原因就是“實(shí)踐難”，學(xué)了不能實(shí)踐、無(wú)法實(shí)踐，增強(qiáng)了微控制器的抽象感。

在這些課程教與學(xué)的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)是必不可少的。隨著微控制器及信息技術(shù)相關(guān)新技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于模塊化的高職院校微控制器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)該隨著新技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)更新，不斷增加軟硬件企業(yè)崗位所需要的新技術(shù)和內(nèi)容，微控制器課程的教學(xué)內(nèi)容始終與軟硬件企業(yè)崗位所需要的新技術(shù)和內(nèi)容保持一致，這就使培養(yǎng)出來(lái)的軟件硬件人才相關(guān)與軟件硬件企業(yè)職業(yè)崗位的要求一致。構(gòu)建模塊化、核心技術(shù)新穎、與對(duì)應(yīng)的高職院校學(xué)生將來(lái)就業(yè)的職業(yè)崗位技能實(shí)際需求的微控制器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，對(duì)我國(guó)高職應(yīng)用電子相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)訓(xùn)，以及微控制領(lǐng)域的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

一、高職微控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀

目前基于微控制器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在高等職業(yè)院校的應(yīng)用情況：（1）主要是針對(duì)普通高等學(xué)校本科相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，功能多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高職學(xué)生一看見(jiàn)這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，易產(chǎn)生“畏懼”感，學(xué)習(xí)積極性一下子就被打消了，不適合高職高專(zhuān)培養(yǎng)技能型人才教與學(xué)的需求;（2）實(shí)驗(yàn)裝置只適用于單芯片系列，由不同的廠家生產(chǎn)，價(jià)格昂貴，每個(gè)實(shí)驗(yàn)箱大約在8000～12000元，購(gòu)齊這幾種微控制器需要3～4萬(wàn)元，如果開(kāi)一個(gè)新的微處理器的課程，則需要重新配置實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，提高學(xué)校的投入。（3）開(kāi)發(fā)人員不懂教學(xué)，提供的實(shí)例不一定符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

二、高職微控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)改革實(shí)踐

針對(duì)現(xiàn)有高職院校微控制器實(shí)驗(yàn)儀器主要現(xiàn)狀存在的缺陷，我們開(kāi)發(fā)出了一種高職微控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠進(jìn)行8位/16位/32位單片機(jī)、CPLD/FPGA等常用微控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)的完整方案，包括51單片機(jī)、MSP430、STM32最小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板以及EPM240最小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板等，能夠配合各種微控制器完成相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)并制作了5塊核心電路板：51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板、MSP430系統(tǒng)板、STM32_Mini實(shí)驗(yàn)板（含STM32最小系統(tǒng)和10個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K）、EPM240最小系統(tǒng)板、微控制器進(jìn)階實(shí)驗(yàn)板（含10個(gè)應(yīng)用模塊）。本研究從具體應(yīng)用切入主題，以主要微控制器為主構(gòu)建實(shí)驗(yàn)主板，一套成本在800元以?xún)?nèi)，可以達(dá)到原來(lái)4個(gè)實(shí)驗(yàn)箱（約2～3萬(wàn)元）相近的學(xué)習(xí)效果。

在設(shè)計(jì)時(shí)各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，使用時(shí)用連接線將各個(gè)模塊連接起來(lái)綜合應(yīng)用，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)分層次、分階段進(jìn)行及方便性的目的，微控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

作為一個(gè)半開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主板電路模塊化，固化教學(xué)所需基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但可以在此基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)充。其他最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)時(shí)，既考慮了實(shí)驗(yàn)的方便性又考慮了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的直觀性，還考慮了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的易擴(kuò)展性要求，所以所有的I/O口都直接引出。

（一）51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板

2015年我們開(kāi)發(fā)了“DP-51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，湖南軟件職業(yè)學(xué)院訂購(gòu)了40套配置在單片機(jī)實(shí)訓(xùn)室，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足教學(xué)需要，由于價(jià)格較貴、體積較大，不便于學(xué)生帶回宿舍課后練習(xí)，為此，我們將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的24個(gè)模塊進(jìn)行了裁減，根據(jù)單片機(jī)崗位能力需求、湖南省應(yīng)用電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)技能抽查標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了只有16個(gè)模塊的51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板，成本大幅度降低，51開(kāi)發(fā)板價(jià)格只有原來(lái)51實(shí)驗(yàn)箱的1/10。

51單片機(jī)可選用STC89C52/AT89S52/STC12C5A系列51單片機(jī)，51單片機(jī)以及其連接的外圍功能電路包括USB通信電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、4*4獨(dú)立鍵盤(pán)電路、4*4矩陣鍵盤(pán)電路、ISP編程下載口電路、8*8LED點(diǎn)陣電路、AT24C02電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路、RS232串口電路、8路LED電路、8路數(shù)碼管電路、蜂鳴器電路、繼電器電路、DS1302電路、DS18B20電路、雙向可控硅電路、1602液晶接口電路、12864接口電路以及IO口引出電路。

（二）MSP430最小系統(tǒng)板

MSP430以MSP430F149為核心，提供一個(gè)簡(jiǎn)潔的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，也是一個(gè)研究深造的工具。MSP430板載MSP430F149芯片;提供32.768KHZ和8MHZ兩種晶振連接方式;采用USB供電和程序下載;采用標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口（14針），支持硬件仿真;所有IO口（包括AD電源等）均引出;4路彩色LED全部上拉，可以借此觀察程序運(yùn)行狀態(tài);2個(gè)優(yōu)質(zhì)獨(dú)立按鍵;板載手動(dòng)復(fù)位電路;板載蜂鳴器電路，可做音樂(lè)實(shí)驗(yàn)等;提供NRF24L01+無(wú)線模塊接口;板子集成USB轉(zhuǎn)串口功能;向外提供3.3V和5V電源排針。

（三）STM32_Mini開(kāi)發(fā)板

STM32_Mini開(kāi)發(fā)板，設(shè)計(jì)了10個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K（紅外接收頭、數(shù)字溫度傳感器DS18B20接口、24C02EEPROM、20針標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試口、USB轉(zhuǎn)串口接口、PS2鼠標(biāo)/鍵盤(pán)接口、SD卡接口、無(wú)線模塊、液晶顯示模塊），再結(jié)合實(shí)際使用的經(jīng)驗(yàn)及STM32的特點(diǎn)，性?xún)r(jià)比最高。

（四）EPM240最小系統(tǒng)板

EPM240最小系統(tǒng)板是一款入門(mén)級(jí)CPLD學(xué)習(xí)板，完美的硬件設(shè)計(jì)其豐富例程代碼，配合詳細(xì)的說(shuō)明，讓學(xué)生輕松進(jìn)入CPLD/FPGA的世界。

EPM240最小系統(tǒng)板，系統(tǒng)板引出了所有的I/O管腳。只需要連接電腦的USB電源或自己提供的5V電源即可工作，支持并口Byte-Blaster和USB-Blaster下載器。

主要特點(diǎn)：

1.板載ALTERA公司MAX II的EPM240T100C5N邏輯芯片;

2.標(biāo)配有緣晶振50MHz，還預(yù)留有備用晶振的位置（連接CLK1）;

3.1個(gè)電源指示燈，1個(gè)輕觸按鍵，2個(gè)可編程LED指示燈;

4.IO口全部引出并且有絲印標(biāo)識(shí);

5.配有JTAG下載接口;

6.適用于課程教學(xué)與實(shí)訓(xùn)、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等。

（五）微控制器進(jìn)階實(shí)驗(yàn)板

該實(shí)驗(yàn)板包含10個(gè)模塊：FM收發(fā)、3D加速度傳感器、音頻編解碼、RS485接口、CAN接口、游戲手柄接口、OLED/攝像頭模塊接口、音頻選擇、音頻輸出、電源供電等模塊，為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)得較扎實(shí)并想進(jìn)一步提高的學(xué)生設(shè)計(jì)了能進(jìn)行音頻、視頻處理、各種通信接口等進(jìn)階實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

總之，本新型高職微控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的探索與設(shè)計(jì)，結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)化的各種微控制器開(kāi)發(fā)平臺(tái)、高職教學(xué)的實(shí)際情況和湖南省高等職業(yè)院校應(yīng)用電子學(xué)生專(zhuān)業(yè)技能抽查、關(guān)注移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新技術(shù)應(yīng)用方面考慮，開(kāi)發(fā)適合高職教學(xué)需求的微控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

從具體應(yīng)用切入主題，以一種微控制器為主構(gòu)建實(shí)驗(yàn)主板，進(jìn)行相關(guān)模塊的外部擴(kuò)展，再根據(jù)不同教學(xué)需要，設(shè)計(jì)新的微控制器最小系統(tǒng)模塊、新技術(shù)應(yīng)用模塊，各主要功能模塊之間相互獨(dú)立，方便學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，并自行動(dòng)手連接，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生的動(dòng)手能力，充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模塊化與實(shí)用性。

適應(yīng)面廣、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、內(nèi)容豐富、價(jià)格極低，為高職院校培養(yǎng)微控制器應(yīng)用的高端技術(shù)技能型人才提供實(shí)驗(yàn)保障。

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編輯 馬燕萍