滕召勝， 唐 求， 溫 和， 歐陽博， 黎福海

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 長沙 410082)

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理

單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

滕召勝， 唐 求， 溫 和， 歐陽博， 黎福海

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 長沙 410082)

提出了基于單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室的全程學(xué)習(xí)與應(yīng)用模式，開發(fā)了一款以ADuC848為核心的功能強(qiáng)、成本低、體積小的單片機(jī)最小系統(tǒng)，學(xué)生利用單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室可以隨時、隨地實(shí)訓(xùn)，還能應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計劃、學(xué)科競賽的培訓(xùn)與畢業(yè)設(shè)計等，提高了學(xué)生的實(shí)踐興趣、科研意識和工程實(shí)踐能力。

口袋實(shí)驗(yàn)室； 單片機(jī)； 實(shí)踐教育； 創(chuàng)新訓(xùn)練

單片機(jī)是測控技術(shù)與儀器等信息類專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，是信息類專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計和實(shí)際科研需要用到的重要專業(yè)基本知識。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)以演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多[1]，實(shí)訓(xùn)缺乏一定的系統(tǒng)性，學(xué)生對單片機(jī)的理解不夠深入，后續(xù)應(yīng)用還得結(jié)合設(shè)計需要再學(xué)一次單片機(jī)，教學(xué)效果有待提高。在多年教學(xué)與實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)上，針對卓越工程師培養(yǎng)計劃要求，探索了基于單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提出了基于單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室的全程學(xué)習(xí)與應(yīng)用模式：選定一款目前流行的高性能51系列單片機(jī)ADuC848[2-3]，設(shè)計了最小系統(tǒng)電路板，學(xué)生人手一塊電路板、一套元器件。在講解電路原理與裝配調(diào)試工藝后，由學(xué)生焊接、裝配、調(diào)試，形成基于ADuC848的單片機(jī)最小系統(tǒng)。在后續(xù)教學(xué)進(jìn)程中，邊教、邊學(xué)、邊做，把教師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)任務(wù)有機(jī)結(jié)合起來，后續(xù)的創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科競賽、實(shí)際項目研究繼續(xù)使用“口袋實(shí)驗(yàn)室”。這一方式促進(jìn)了學(xué)生的實(shí)踐興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力與研發(fā)意識，對提高學(xué)生工程實(shí)踐能力起到了良好的推動作用。

1 傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的局限性

傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，學(xué)生需在規(guī)定時間、地點(diǎn)利用指定的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱完成指定的實(shí)驗(yàn)項目，以演示性、驗(yàn)證性為主，學(xué)生的主動性受到一定的限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時常與教學(xué)內(nèi)容脫節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)滯后于課堂教學(xué)[4]，很難保證學(xué)生在有實(shí)驗(yàn)激情、創(chuàng)作靈感的時候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與探索。此外，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱體積大、攜帶不便、更新周期長、成本高，不可能人手一套裝備。

2012年，美國德州儀器公司(TI)提出了“口袋實(shí)驗(yàn)室”理念[5]。所謂口袋實(shí)驗(yàn)室，是指不受時間、空間限制的，并且實(shí)驗(yàn)功能豐富的小型開發(fā)板，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和二次開發(fā)[6]。近年，口袋實(shí)驗(yàn)室越來越得到廣泛應(yīng)用[7-8]。

單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室，即一塊單片機(jī)最小系統(tǒng)開發(fā)板和必要的附件，可隨身攜帶，學(xué)生隨時有想法可及時做實(shí)驗(yàn)。

2 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室設(shè)計

2.1 單片機(jī)選型

51單片機(jī)性能卓越、價格低廉、資料豐富、入門容易，一直是單片機(jī)入門學(xué)習(xí)的經(jīng)典芯片[9]。但目前教材介紹的8051芯片，從性能、功能、貨源等方面都已經(jīng)失去實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)越性。ADuC848是ADI公司推出的一款具有軍品標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容單片機(jī)，大容量64 KB Flash ROM、4 KB片上Flash、2304字節(jié)片上RAM、高性能單循環(huán)內(nèi)核，16位多通道-型ADC和Flash微控制器完全集成在一個芯片上，運(yùn)行速度比標(biāo)準(zhǔn)的8051快近20倍，外部晶振32 kHz、可倍頻達(dá)到12.58 MHz，ISP在線高速下載編程，具有24個I/O口、11個中斷源(2個優(yōu)先級)、雙數(shù)據(jù)指針、內(nèi)部節(jié)電模式、12位D/A轉(zhuǎn)換器以及UART、SPI和I2C串行通信模式、看門狗定時器WDT和電源監(jiān)視器PSW等。52引腳的ADuC848的MQFP封裝僅14×14 mm，工作溫度可達(dá)125 ℃，正常工作最大電流4.8 mA。ADuC848可用一個RS-232串口完成程序調(diào)試、下載和燒錄，方便開放與在線升級。

基于ADuC848的單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室平臺，集成了多個基礎(chǔ)硬件資源模塊，既可用于51單片機(jī)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，完成功能與綜合性較強(qiáng)的單片機(jī)課程設(shè)計，又有利于大學(xué)生的后續(xù)單片機(jī)學(xué)習(xí)與應(yīng)用研究。

2.2 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成

圖1為基于ADuC848的單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)電路圖與實(shí)物圖(外形13.8×10.2 cm)。系統(tǒng)具有單片機(jī)P0、P2、P3口引出接口、圖形點(diǎn)陣LCD12864接口和LCD1602接口、兩路16位ADC輸入(可作差分輸入)、12位DAC輸出、無源蜂鳴器、PWM模塊輸出、8位數(shù)碼管、SPI接口、RS-232串口、步進(jìn)電機(jī)(5V/70Ω/6線4相)接口、8路LED、復(fù)位按鍵和下載按鍵、I2C總線上接EEPROM AT24C08和RTC DS1307、I2C接口、PS/2接口、紅外接收頭、功能選擇和配置插針、4×4矩陣式鍵盤(或4個獨(dú)立按鍵)、直流電源輸入、紅外輸入接口、USB電源輸入接口等。

利用該口袋實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，可以完成I/O口控制、定時器與中斷、數(shù)碼顯示、矩陣鍵盤管理、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、步進(jìn)電機(jī)控制等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，和程控多波形信號發(fā)生器、多功能計數(shù)器、搶答器、數(shù)字密碼鎖、簡易電子琴、微波爐控制、洗衣機(jī)控制、仿電梯控制、仿汽車自動報站、電壓監(jiān)視等大量系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗(yàn)。以口袋實(shí)驗(yàn)室為核心，配合一定的外部電路及程序，可實(shí)現(xiàn)更多的測量、控制功能。

圖1 單片口袋實(shí)驗(yàn)室電路設(shè)計圖與實(shí)物

3 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)體系

3.1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

Proteus仿真環(huán)境的單片機(jī)在沒有晶振、復(fù)位電路情況下可以運(yùn)行，而實(shí)際單片機(jī)就不能，僅憑仿真實(shí)驗(yàn)認(rèn)識會產(chǎn)生理解偏差[10]，因此單片機(jī)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)非常重要。單片機(jī)課程學(xué)習(xí)過程必須強(qiáng)調(diào)邊做邊學(xué)、學(xué)做結(jié)合[11]。

根據(jù)多年教學(xué)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)資源，構(gòu)建了圖2所示的“單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室+單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺+單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室”的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

圖2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系簡圖

3.2 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

在學(xué)習(xí)了單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識、焊接與調(diào)試工藝后，發(fā)放ADuC848單片機(jī)系統(tǒng)套件，學(xué)生人手一套，由學(xué)生焊接、裝配。

學(xué)習(xí)初期，進(jìn)行基礎(chǔ)電路與簡單程序設(shè)計，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容以基本輸入/輸出控制、按鍵輸入、數(shù)碼顯示實(shí)驗(yàn)等驗(yàn)證型、演示型實(shí)驗(yàn)為主，培養(yǎng)學(xué)生興趣，有利于促進(jìn)學(xué)生掌握單片機(jī)最小系統(tǒng)及軟件譯碼、硬件顯示等基本概念，理解I/O口。具有一定基礎(chǔ)后，增加鍵盤管理、顯示管理與單片機(jī)查詢、中斷、定時器、串口控制、時序控制等相關(guān)，且有一定技巧性的設(shè)計型實(shí)驗(yàn)，學(xué)會交互電路的程序設(shè)計方法。隨著學(xué)生對單片機(jī)學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)的深入，自然產(chǎn)生技能擴(kuò)展的需求，此時通過應(yīng)用型、設(shè)計型實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步掌握硬件資源擴(kuò)充、接口芯片運(yùn)用、定時器/計數(shù)器工作方式擴(kuò)展、A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換應(yīng)用、輸入/輸出模塊使用等技能，為單片機(jī)系統(tǒng)的科研應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。單片機(jī)實(shí)訓(xùn)的關(guān)鍵內(nèi)容包括：

(1) 單片機(jī)的I/O口控制。利用按鈕輸入，通過發(fā)光二極管的顯示判斷I/O口的輸出電平，由此理解數(shù)字電路的邏輯功能。

(2) 定時器使用。通過定時器實(shí)現(xiàn)時序控制，例如通過按指令，按鍵短時按一次顯示器顯示的時間增加一個步進(jìn)量，長時間按下按鍵則時間量連續(xù)增加，實(shí)現(xiàn)不同的時間控制。

(3) 中斷響應(yīng)。中斷功能學(xué)習(xí)的難點(diǎn)在于把握什么情況下允許中斷(開中斷)，什么情況下不允許中斷(屏蔽中斷)、設(shè)置哪些寄存器才能使哪種中斷起作用、中斷開始時該執(zhí)行怎樣的程序、中斷完成后該執(zhí)行怎樣的程序。學(xué)會了中斷，才能編制復(fù)雜結(jié)構(gòu)程序，賦予程序執(zhí)行1項任務(wù)、監(jiān)視另一些任務(wù)，一旦監(jiān)視的事件發(fā)生，可通過中斷請求、響應(yīng)使單片機(jī)轉(zhuǎn)向處理監(jiān)視的事件。

(4) USB接口與TCP/IP接口通信。利用USB接口、TCP/IP接口，不僅可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與其他智能系統(tǒng)的信息交互，還可以獲得大量的有用資源，提高單片機(jī)的學(xué)習(xí)效率和應(yīng)用效率。

(5) RS-232通信。USART是單片機(jī)的重要接口，通過該接口，利用MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可以使單片機(jī)與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)信息交換。

(6) A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換是單片機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)有助于學(xué)生區(qū)分模擬信號、離散信號、數(shù)字信號、模擬地、數(shù)字地、基準(zhǔn)電壓、采樣速率、采樣時間、轉(zhuǎn)換速率、量化誤差等概念。

(7) PCI總線與I2C總線?？偩€是實(shí)現(xiàn)芯片連接、外部設(shè)備連接的通道，對于單片機(jī)的功能擴(kuò)展非常重要。

(8) 在掌握了比較、捕捉、PWM等功能的設(shè)計應(yīng)用后，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)豐富的測量、控制功能。

(9) 將演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向綜合性、設(shè)計型、研究型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化，將傳統(tǒng)的教師是實(shí)驗(yàn)教學(xué)主體向?qū)W生是實(shí)驗(yàn)主體轉(zhuǎn)化，鼓勵學(xué)生利用單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室由簡及繁地開展自主創(chuàng)意設(shè)計，循序漸進(jìn)地掌握單片機(jī)的應(yīng)用技能。

3.3 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室的課外應(yīng)用

為提高創(chuàng)新性實(shí)訓(xùn)效果，充分利用單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室資源，采取了下列措施：

(1) 鼓勵學(xué)生用單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)解決身邊問題、提高學(xué)習(xí)興趣。例如設(shè)計智能電壓監(jiān)視儀，測量、顯示電壓當(dāng)前值，用鍵盤設(shè)定電壓上、下限給定值和當(dāng)前時間、統(tǒng)計時段，分析、顯示統(tǒng)計時段內(nèi)的最高電壓、最低電壓、電壓合格率、超上限率、超下限率，電壓超限蜂鳴器報警等。

(2) 組織對單片機(jī)興趣濃厚、學(xué)得較扎實(shí)的學(xué)生申報大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計劃(SIT)，形成興趣項目組。興趣項目組通過1年的SIT實(shí)踐，單片機(jī)應(yīng)用技能、專業(yè)綜合知識、協(xié)調(diào)能力、文獻(xiàn)材料組織能力、創(chuàng)新意識都有了顯著提高，進(jìn)一步完成創(chuàng)新性成果研究，參加學(xué)科競賽?；趩纹瑱C(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室，興趣項目組的學(xué)生取得了系列創(chuàng)新成果：單相防竊電電能表獲評全國大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計劃十佳案例，防作弊電子秤獲ADI中國大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計競賽一等獎，便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀獲“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽三等獎。

4 結(jié)語

單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室有助于解決創(chuàng)新能力培養(yǎng)的問題：

(1) 能夠?qū)崿F(xiàn)課堂學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)同步，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)有機(jī)結(jié)合、快速結(jié)合，實(shí)現(xiàn)課程學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力同步增長。

(2) 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室功能豐富，有助于學(xué)生通過課程設(shè)計、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計劃、學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計等單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的綜合過程，聯(lián)系生活與生產(chǎn)實(shí)際需求選題、研究，切實(shí)提高單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用能力。

(3) 實(shí)現(xiàn)想做就做。大學(xué)生正處于創(chuàng)新意識最強(qiáng)的關(guān)鍵成才時期，有了單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室，凡是跟單片機(jī)應(yīng)用相關(guān)的奇思妙想，隨時可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不受場地、時間、人員的限制。

(4) 有利于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)綜合知識應(yīng)用能力。單片機(jī)課程實(shí)訓(xùn)涉及模電、數(shù)電、傳感器、數(shù)字信號處理等多方面知識，通過口袋實(shí)驗(yàn)室，可將課程實(shí)訓(xùn)與課外實(shí)踐緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用與相關(guān)知識的有機(jī)融合。

(5) 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室采用了較多的新器件、新電路，有利于為后續(xù)學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計、科研實(shí)踐服務(wù)。

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Application of SCM pocket laboratory in practical teaching

Teng Zhaosheng， Tang Qiu， Wen He， Ouyang Bo， Li Fuhai

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The whole course learning and application mode based on the SCM pocket laboratory is put forward, and the SCM minimum system with ADuC848 as its core which has the strong function, low cost and small size is developed. Students can use the SCM pocket laboratory anytime and anywhere for practical training. The SCM pocket laboratory can also be applied to the innovative experimental plan for university students, the training of discipline competition, the graduation design, etc., improving the students’ practical interest, research awareness and engineering practical ability.

pocket laboratory; SCM; practical education; innovative training

G642.0

A

1002-4956(2017)10-0223-03

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.055

2017-04-28

教育部首批卓越工程師計劃項目(教高[2011]1號)；全國專業(yè)改革綜合試點(diǎn)項目(教高司函[2011]226號)；湖南省普通高校實(shí)踐教學(xué)建設(shè)項目(湘教通[2012]434號)；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目(湘教通[2013]223號)

滕召勝(1963—)，男，湖南麻陽,博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄軆x器、智能信息處理.

E-mail：tengzs@126.com