高職單片機教學中總線接口實踐訓練的探討

朱琳

摘?要：目前實際設備中，功能模塊往往基于總線連接，維護維修設備必須具備總線相關知識技能。為了讓培養(yǎng)對象熟悉單片機與模塊的總線連接的操作方式與常見問題。高職教學需要為學生提供總線基礎知識學習平臺。單片機類實踐課程是一個適合進行總線教學的課程平臺，合理設計課程內容與教學方式，能幫助學生由易到難掌握該項知識與實踐技能。

關鍵詞：單片機;總線接口;實踐訓練;SPI;IIC

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.36.072

1?高職教學目前存在的短板

單片機類課程是高職工科院校一類重要的專業(yè)基礎課。在多個專業(yè)大類均有開設，是后續(xù)控制類，應用類等專業(yè)課程的前序課程。該門課程在高職中有較長開設歷史，各類專業(yè)教學課程資源比較豐富，市面上成熟的實驗器材和系統(tǒng)種類繁多，為社會和行業(yè)培養(yǎng)了大批專業(yè)技術人才。

但從目前教學的側重點來看，總線部分比較薄弱，學生對單片機內部結構與功能學習時間較長，單片機與外部設備或模塊連接學習時間較短，內容也相對比較簡單，學生接觸比較多的是使用輸出口直連的方式。而隨著物聯網，智能控制等行業(yè)的發(fā)展，典型智能終端設備中MCU連接外部擴展芯片往往采用總線結構，實際工作中涉及設備維護，組裝等總線應用日益增多。如果學生所在專業(yè)沒有后續(xù)詳細介紹總線的專業(yè)課，學生面對實際工作場景，會感到無所適從。

特別目前教學和學生自學場景中，廣泛使用了Protues仿真軟件。利用KEIL編譯器和Protues軟件的仿真功能，可以在無硬件的條件下，方便快捷進行程序編制，甚至可以完成單片機與外設的綜合實踐訓練。但使用Protues仿真完成單片機實踐訓練連線過于抽象，器件過于理想，無法讓學生掌握總線連接的線路特點，無法實踐處理易發(fā)故障。另外，仿真器件庫器件有限，單片機通過IIC和SPI總線連接實際器件種類繁多，少量仿真達不到實踐的要求。

最后，由于早期單片機除了串口外無其他硬件總線接口，需要利用普通IO口仿真總線接口輸入輸出，導致輸入輸出設計總線接口時序的編程，比較復雜，對于高職中職層次學生獨立編寫難度比較大。

2?在實踐環(huán)節(jié)加強單片機接口連接

為了加強單片機接口訓練，除了在教學后期加強講解串口通信等方式，還可以在顯示模塊上提前引入接口實踐。傳統(tǒng)單片機教學實踐中，往往采用LED和七段碼做輸出顯示設備，該類設備原理簡單，連方便，便于初學者理解。為了讓學生更加熟悉總線接口，完成基本實驗之后，應該讓學生在復雜實驗接觸其他外設連接方式。例如可以采用IIC或者SPI接口的0.96寸OLED屏幕作為顯示終端，將實驗結果反饋在OLED屏幕上。在完成仿真后，一定讓學生通過杜邦線等方式完成實驗的實物連接，排除可能出現的故障，讓學生逐步熟悉其他的接口的連接方式。出于降低難度的考慮，可以提前將接口輸入輸出函數封裝好，讓學生直接引用，但要求學生掌握接口輸入輸出的邏輯。

當學生熟悉OLED屏的連接后，可以在串口通信實驗后，增加多個IIC設備或SPI設備基于總線的互連實驗。實驗功能可以僅限于簡單數據傳送，主要目標力求通過直觀的方式，讓學生接觸基于接口的總線連接方式，對SPI環(huán)形總線和IIC普通總線結構有初步的認識，為后續(xù)其他專業(yè)課中接觸設備總線打下良好基礎。

3?總線實踐模塊的選型

傳統(tǒng)單片機教學往往從51系列單片機開始，課程資源豐富，但由于型號誕生早，接口比較缺乏。傳統(tǒng)基于8051的單片機教學如果要加強接口訓練，需要使用普通IO口軟件模擬SPI與IIC輸入輸出，無法某些讀取速度有要求的模塊。對于這類情況可以考慮使用STC15系列單片機CPU，該系列與51單片機兼容，一般的8051程序可以直接使用運行在15系列的CPU上。而且該系里型號支持硬件SPI，能軟件模擬IIC。可以最大程度利用現有教學資源，連接IIC或SPI總線外設模塊比較方便。

對于沒有開設單片機或者只開設了微機原理類課程的專業(yè)，也可以考慮采用加入選修課，或者網絡開放課程，讓學生自學加深基礎知識的學習理解。由于不追求與51完全兼容，MCU選擇可以更廣泛。如果希望與51平臺接近，同時支持硬件總線接口，可以使用STC8K系列單片機平臺，同時具備硬件SPI和IIC總結接口，連接比較方便。如果以降低難度為目標，可以采用arudino單片機平臺，支持硬件SPI接口，軟件支持IIC接口，IIC輸入輸出函數已經封裝，例程資源豐富，使用成本低，簡單快捷。如果學生基礎較好，也可直接使用STM32嵌入式平臺。

對于單片機連接的外設，可以考慮通用性好，方便能在多個實驗中采用的模塊。例如顯示模塊，AD模塊，存儲器模塊。一般實驗室可以采用0.96OLED屏幕取代七段碼，1602，12864傳統(tǒng)輸出顯示模塊作為實驗信息的輸出屏幕，不同廠家有支持IIC和SPI總線型號，種類齊全。除了顯示模塊，還可以考慮采用AD模塊，例如基于IIC的ADS1115 AD轉換芯片。AD模塊前端配合不同傳感模塊，可以完成測量電壓、測量溫度、制類實驗。部分MCU內置了AD轉換器，為了加深學生對總線的理解，在實驗中推薦使用通過總線連接的外部AD轉換芯片。采用SPI接口連接的EEPROM芯片做存儲器擴展也是良好的訓練方式。

4?能力培養(yǎng)層次設計

結合目前單片機課程的學習，未來可以設計三段式教學完成MCU與外部接口的技能訓練。

第一階段，無論學生學習哪一種單片機。學生首先掌握信號基本傳輸方法，即學習掌握信號通過I/O口并行輸入輸出。這一階段主要訓練目標讓學生數據輸入輸出格式與MCU與外部電路連接的基本方式。

第二階段，學生學習串口的應用方式，掌握利用串口連接計算機等外部設備。這一階段的訓練目標，讓學生意識到輸入輸出的時序與接觸接口的技術標準。此節(jié)階段可根據學生掌握情況，只接觸RS232和RS485標準串行總線型接口。

第三階段，學生使用單片機通過IIC接口連入外部模塊，獲取數據。掌握IIC總線與SPI總線，了解數據線與地址線的差異，掌握多個設備基于總線的連接，明白模塊相互發(fā)送數據的邏輯。在高職或中職層次教學中，為了降低難度，可以將接口通信程序封裝，讓學生暫時不接觸具體信號時序，將學習重點放在地址設置，器件狀態(tài)設置與不同模塊通信邏輯次序上。

最后，當學生在后續(xù)專業(yè)課上接觸相關總線或CAN工業(yè)總線時，將具備良好的知識基礎，并能抽象理解總線網絡拓撲結構。這樣會以更快的速度接受總線相關知識，并能培養(yǎng)良好的實踐技能。

5?展望

隨著中國2025不斷推進，智能產業(yè)化不斷發(fā)展，對從業(yè)人員的綜合素質要求不斷提升。在未來各行各業(yè)設備信息化不斷提高，設備內子系統(tǒng)，模塊采用總線連接的比例將進一步擴大。為了讓培養(yǎng)人才更適合未來工作崗位的要求，在現場能迅速適應設備，掌握技術文檔，需要在學校教育階段為學生打造一個良好的知識基礎。讓培養(yǎng)對象熟悉單片機與模塊的總線連接的操作方式與常見問題。單片機類實踐課程是一個適合進行總線教學的平臺，相關課程設計中應不斷探索有效教學模式，讓學生接觸總線相關知識，幫助學生由易到難掌握該項技能。

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