曾繁政?李釗海

摘要：分析了應(yīng)用型本科院校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，提出了實(shí)驗(yàn)靈活、模塊分明、擴(kuò)展性好、維護(hù)方便的基于8051單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)敘述了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的硬件開發(fā)與實(shí)驗(yàn)講義的編寫。通過單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)與探討，不僅提高了教師的科研能力，也鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，這符合應(yīng)用型本科院校的教學(xué)模式與培養(yǎng)要求。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)平臺

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0192-02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育教學(xué)活動的一個重要且不可代替的環(huán)節(jié)，特別是以培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才為主要目標(biāo)的應(yīng)用型本科院校，實(shí)驗(yàn)教學(xué)則變得更為重要。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以讓學(xué)生加深對所學(xué)理論知識的掌握，同時也是提高學(xué)生實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的重要途徑。實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)，也是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的主要內(nèi)容，[1]因此，選擇一套適合教學(xué)、合適學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備顯得特別重要。

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是大部分電類專業(yè)必學(xué)的課程，其理性論和實(shí)踐性很強(qiáng)，教學(xué)中包含了大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。要使學(xué)生真正掌握并運(yùn)用知識，只有通過親自動手實(shí)踐，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備已成為主要的實(shí)踐工具。目前高校的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要以箱式的成套設(shè)備為主，其存在以下問題：一是價格相對較高；二是實(shí)驗(yàn)電路死板，實(shí)驗(yàn)靈活性和可擴(kuò)展性降低，開發(fā)軟件單一，實(shí)驗(yàn)平臺升級困難；三是實(shí)驗(yàn)平臺出故障難排除，維護(hù)的難度大、周期長。[2]

針對以上問題，筆者根據(jù)多年的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生自行開發(fā)了一套適合賀州學(xué)院學(xué)生使用的基于MCS-51單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺，通過實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)不僅使學(xué)生的動手能力得到了很大提高，也使教師的科研能力得到了鍛煉，效果良好。

一、實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)思想

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般分為兩種：一是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板，二是單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)開發(fā)板面積較小，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少，成本低且便于攜帶，適用于個人或資金不多的開發(fā)者使用。實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，實(shí)驗(yàn)電路相對比較復(fù)雜，攜帶不方便，且造價比較高，適合院校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)使用。為了解決賀州學(xué)院單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備少的問題，降低實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本，開發(fā)了一套適合賀州學(xué)院單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在設(shè)計(jì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱電路時，如果把所有的電路單元都集中在一塊電路板上，會造成布線混亂，分析硬件電路困難，實(shí)驗(yàn)箱出故障難排除，維護(hù)的難度大、周期長等問題。因此，通過對以往實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行分析，把實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，即“總線+模塊”和“底板+模塊”的設(shè)計(jì)。需要在某個模塊做實(shí)驗(yàn)時使對應(yīng)模塊與單片機(jī)母板相連接。這種設(shè)計(jì)方法既可以解決單片機(jī)接口資源少的問題，也可以降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的故障率，同時學(xué)生還可以利用各種模塊進(jìn)行相關(guān)課程的課程設(shè)計(jì)，必要時還可以帶出實(shí)驗(yàn)室使用。

模塊化的設(shè)計(jì)思想對于單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)有著很重要的作用，在較復(fù)雜的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中模塊化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。模塊化設(shè)計(jì)不僅可以優(yōu)化電路，還可以提高設(shè)計(jì)效率。因此，模塊化設(shè)計(jì)思想的培養(yǎng)在單片機(jī)課程教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)該具有十分重要的地位，本實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)也體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與安排

單片機(jī)課程涉及知識面廣，實(shí)踐案例豐富，結(jié)構(gòu)層次也比較清晰。在確定單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)方案前，應(yīng)根據(jù)單片機(jī)課程的特點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和安排。根據(jù)賀州學(xué)院單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及學(xué)生的特點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容安排為基礎(chǔ)篇、提高篇、綜合篇三個部分。本實(shí)驗(yàn)平臺也將圍繞這三個部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.基礎(chǔ)篇

MCS-51單片機(jī)的基礎(chǔ)知識主要包括CPU、存儲器、RAM、輸入輸出、中斷系統(tǒng)、定時計(jì)數(shù)器、串口、匯編指令系統(tǒng)等。對于基本篇的實(shí)驗(yàn)主要針對輸入輸出接口、中斷系統(tǒng)、定時/計(jì)數(shù)器、串口設(shè)計(jì)了幾個比較簡單的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生們對單片機(jī)有了最基本的了解。

2.提高篇

學(xué)生通過基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，對單片機(jī)有了一定的了解，接下來安排一些模塊實(shí)驗(yàn)來提高學(xué)生對單片機(jī)的認(rèn)識。提高篇實(shí)驗(yàn)主要是從應(yīng)用的角度出發(fā)，選擇一些典型的模塊電路，具體包括：A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的使用；單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展；液晶顯示器LCD1602、LCD12864的使用；16×16點(diǎn)陣顯示的使用；直流、步進(jìn)電機(jī)的使用；I2C總線的使用；單總線的使用等。

3.綜合篇

為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，實(shí)驗(yàn)箱安排了綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)都是對前面做過的部分實(shí)驗(yàn)?zāi)K的綜合，如多功能萬年歷、溫度控制系統(tǒng)等。當(dāng)然為了滿足學(xué)生不同實(shí)驗(yàn)課題的需要，學(xué)生也可以對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱提供的模塊根據(jù)需要組合起來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，或者學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)外設(shè)模塊再用到實(shí)驗(yàn)平臺上做實(shí)驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)方案

1.總體方案

采用“底板+模塊”的結(jié)構(gòu)布局，把單片機(jī)實(shí)驗(yàn)所需要運(yùn)行的最小系統(tǒng)和接口都設(shè)計(jì)在底板上，把單片機(jī)外設(shè)模塊都設(shè)計(jì)在小電路板上，這樣小模塊電路板可以靈活接線或者移動，還可以借出實(shí)驗(yàn)室供學(xué)生進(jìn)行相關(guān)課外設(shè)計(jì)。同時還可以讓同學(xué)自己設(shè)計(jì)模塊電路，接到單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱上來擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)平臺硬件核心為單片機(jī)最小系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.實(shí)驗(yàn)平臺的布局

“總線+模塊”的設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)靈活性強(qiáng)、擴(kuò)展性好的設(shè)計(jì)要求決定了本單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)布局為“底板+模塊”。

實(shí)驗(yàn)平臺把單片機(jī)最小系統(tǒng)、下載接口、通信接口設(shè)計(jì)在底板上，一些常用的并口LED指示燈、獨(dú)立鍵盤、蜂鳴器和繼電器等比較簡單的電路也一起設(shè)計(jì)在底板上。對于通用性好、比較復(fù)雜的電路則設(shè)計(jì)為模塊，只要插在底板的接口上就可以進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

3.實(shí)驗(yàn)平臺接口

（1）數(shù)據(jù)下載接口。單片機(jī)的數(shù)據(jù)下載方法有很多，常用的有JTAG下載線、并口下載線和USB轉(zhuǎn)ISP下載線等，根據(jù)現(xiàn)在的PC機(jī)常用接口及實(shí)驗(yàn)平臺的要求，選擇USB轉(zhuǎn)ISP形式的下載接口。

（2）模塊連接接口。實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)主要針對8051系列單片機(jī)，但由于單片機(jī)的種類很多，為了更好地兼容其他的單片機(jī)，單片機(jī)的插座采用了緊鎖器以便擴(kuò)展使用。比如通過設(shè)計(jì)一塊AVR轉(zhuǎn)接板，與緊鎖器鏈接后，就可以使用實(shí)驗(yàn)板上的模塊進(jìn)行AVR單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的靈活性，實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)成可插拔式，同時為了減少實(shí)驗(yàn)的接線，在底板的模塊接口附近安排了兩排并行排針，一排接單片機(jī)I/O接口，另一排接模塊的接口，做實(shí)驗(yàn)時接上默認(rèn)的跳線即可。當(dāng)然為了使實(shí)驗(yàn)更靈活、方便也可以不采用默認(rèn)的連接方法而通過連接單片機(jī)的其他I/O口進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.開發(fā)軟件和工具選擇

（1）開發(fā)軟件。單片機(jī)常用的編程語言有匯編語言和C語言。為了兼顧學(xué)生不同的喜好和學(xué)習(xí)需要，選擇兩種語言開發(fā)平臺。匯編語言的開發(fā)環(huán)境選擇偉福，C語言的開發(fā)環(huán)境選擇Keil uVision3。為了讓學(xué)生更好地理解單片機(jī)的硬件知識和單片機(jī)指令系統(tǒng)，基礎(chǔ)篇實(shí)驗(yàn)使用匯編語言進(jìn)行教學(xué)，開發(fā)環(huán)境使用偉福。為了降低開發(fā)難度并讓學(xué)生更好地理解軟件的模塊化編程思想，提高篇和綜合篇的實(shí)驗(yàn)使用C語言進(jìn)行教學(xué)，開發(fā)環(huán)境使用Keil uVision3。由于下載工具選用USB轉(zhuǎn)ISP下載線，所以下載工具的軟件選擇AVR_fighter。

（2）輔助工具。LCD12864顯示模塊的實(shí)驗(yàn)和點(diǎn)陣顯示模塊的實(shí)驗(yàn)中要用到字模生成工具，選擇字模提取軟件V2.2。在進(jìn)行單片機(jī)與PC及通訊時要用到串口調(diào)試工具，選擇了串口調(diào)試助手V2.1。在實(shí)驗(yàn)過程中先利用軟件仿真，再在系統(tǒng)調(diào)試，因此選擇Proteus仿真軟件。

5.實(shí)驗(yàn)講義編排

一套好的實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺，一冊與之相配套的實(shí)驗(yàn)講義非常重要。學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)講義有針對性的提前預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)時可以把大部分時間用于實(shí)驗(yàn)操作上，較好地提高了實(shí)驗(yàn)課的效率。因此，本實(shí)驗(yàn)平臺也編寫了配套的實(shí)驗(yàn)講義，講義的基本結(jié)構(gòu)編排如下：一是實(shí)驗(yàn)要求——使學(xué)生了解自己的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；二是實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹箤W(xué)生明確進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的目的；三是實(shí)驗(yàn)電路及連線——讓學(xué)生學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理及硬件知識；四是實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)框圖——輔助學(xué)生進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的程序設(shè)計(jì)，并學(xué)習(xí)編程方法；五是實(shí)驗(yàn)說明——輔助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法等關(guān)鍵問題做說明。

四、實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)模式

實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)項(xiàng)目組成員由負(fù)責(zé)單片機(jī)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師和有一定開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生組成。教師承擔(dān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的角色，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)平臺的總體設(shè)計(jì)，合理安排工作進(jìn)度。兩個團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)項(xiàng)目的具體實(shí)施：一個團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)硬件開發(fā)，另一個團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)對平臺的各個模塊的綜合測試與實(shí)驗(yàn)講義的編寫。項(xiàng)目組成員從自己實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)習(xí)過程中的切身體驗(yàn)出發(fā)，分析同類實(shí)驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)實(shí)踐的具體需求對方案進(jìn)行論證并具體實(shí)施。通過該項(xiàng)目的開發(fā)，不僅提高了教師的科研能力，也鍛煉了學(xué)生的動手、實(shí)踐能力，符合應(yīng)用型本科院校的教學(xué)模式與要求。

五、結(jié)語

通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，與購買的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺對比，自行開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺由學(xué)生使用、學(xué)生維護(hù)，這既可以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，又可以滿足單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和大學(xué)生課外創(chuàng)新活動的需要，同時又節(jié)省了學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與維護(hù)經(jīng)費(fèi)，在教學(xué)中取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋蘊(yùn)璞，周文泳，徐鳴謙，等.高校單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方式探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（11）：6-9.

[2]惠煌，賴曉晨，遲宗正，等.高校單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備自制模式探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（5）：229-232.

[3]倪志蓮.單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，

2006，25（7）：843-844.

[4]張智宏，翟曉東.單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)箱的研制[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011，（13）：12-13.

（責(zé)任編輯：孫晴）