金　紅， 蔣存波

(桂林理工大學 信息科學與工程學院， 廣西 桂林 541004)

0　引言

單片機(嵌入式處理器)具有功耗低、體積小、較高的信息處理能力的特點，因此在現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。正是由于單片機在電子信息系統(tǒng)中的重要作用，“單片機”課程成為大學本科電子信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、自動化等相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課[1-3]?！皢纹瑱C”課程包含硬件和軟件兩方面內(nèi)容，除了課堂講授理論外，還要求通過實驗和設(shè)計制作實踐培養(yǎng)創(chuàng)新學生的應(yīng)用能力。

1　當前“單片機”教學的現(xiàn)狀

“單片機”課程通常是通過課堂教學講授單片機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)以及接口等，更注重匯編語言或C語言程序設(shè)計。目前，普遍弱化單片機硬件原理和PCB結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，實驗課主要是利用實驗箱進行一些基礎(chǔ)性、驗證性的實驗，習慣于用杜邦線在實驗箱中進行信號連接[4,5]。

這種教學方法能夠讓學生初步掌握單片機軟件設(shè)計的基本方法，但從后續(xù)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計過程以及學生畢業(yè)后回訪等反映，這種教學方法還存在一些問題，主要體現(xiàn)在：①學生未掌握對單片機應(yīng)用系統(tǒng)整體設(shè)計方法，尤其在硬件的總體結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計、PCB設(shè)計、各PCB板之間的相互連接等方面的知識傳授存在較大缺失；②學生未建立電子信息處理系統(tǒng)性能指標及理論計算相關(guān)概念，未掌握基本的性能指標計算方法以及影響技術(shù)性能的關(guān)鍵元器件參數(shù)；③學生在軟件設(shè)計中缺少整體思路，大多數(shù)未進行算法和程序流程設(shè)計，也不考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，習慣于從網(wǎng)絡(luò)下載一個類似程序進行簡單修改，程序調(diào)試與排錯能力亟待提高；④對樣機進行實驗測試能力及實驗數(shù)據(jù)分析能力有待提高。

為改善“單片機”教學效果，提高學生單片機系統(tǒng)應(yīng)用能力，我們對“單片機”教學進行如下改革。

2　創(chuàng)新設(shè)計實踐與單片機教學融合

為培養(yǎng)學生的單片機應(yīng)用能力，在“單片機”課程后，我們專設(shè)了一門為期4周的“電子系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計實踐”課程，該課程需要學生利用單片機完成一個信息采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。我們?yōu)榇嗽O(shè)置10～20個設(shè)計題目，以任務(wù)驅(qū)動方式給出具體設(shè)計指標要求和設(shè)計思路。學生可以依據(jù)個人興趣，兩人一組選擇其中的一個設(shè)計題目，通過這一課程，除培養(yǎng)設(shè)計制作能力外，還可培養(yǎng)學生的協(xié)作與溝通能力。

這門實踐課程的主體分為如下兩部分：

(1)案例引導：選擇一個設(shè)計題目。在硬件設(shè)計方面，設(shè)計題目名下的實習指導書詳細描述設(shè)計思路、裝置的結(jié)構(gòu)與電路功能模塊的劃分、各模塊電路原理、各模塊之間的工程連接方法，關(guān)鍵電路參數(shù)計算、PCB設(shè)計等。在軟件設(shè)計方面，實習指導書給出程序設(shè)計思路與方案、算法設(shè)計與程序流程圖、軟件設(shè)計過程、程序調(diào)試過程等。學生通過閱讀實習指導書并模仿進行電路原理、PCB設(shè)計，掌握硬件設(shè)計的基本方法，掌握電子信息系統(tǒng)各功能電路模塊之間的不同連接方法；軟件設(shè)計則是面向過程的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，通過軟件構(gòu)架和流程掌握程序設(shè)計基本方法和結(jié)構(gòu)。

(2)設(shè)計指導：采用導師制，每個導師指導3～4個設(shè)計題目，指導教師需要先熟悉相關(guān)設(shè)計題目包括國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢、基本原理、不同設(shè)計方案及相應(yīng)特點、技術(shù)難點在內(nèi)的相關(guān)內(nèi)容以及實習報告撰寫要求，在設(shè)計過程中指導學生完成硬件軟件的設(shè)計與調(diào)試和設(shè)計報告的撰寫。這樣不僅可以方便對學生的指導，同時經(jīng)過3～5輪次實習，指導教師的相關(guān)能力也能得到較大提升。

3　具體實施過程

3.1　預(yù)設(shè)的設(shè)計題目

從2013年開始在我校電子信息工程專業(yè)進行試點，在“單片機原理與應(yīng)用”、“傳感器原理與應(yīng)用”課程后，增加一門“電子系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計實踐”課程，時間為4周，預(yù)設(shè)的設(shè)計題目如表1所示。實習指導書中給出了每個設(shè)計題目的詳細功能和技術(shù)指標要求。每年實習學生人數(shù)115～135人，指導教師5-6人。

表1　預(yù)設(shè)的設(shè)計題目

3.2　案例引導

在單片機信號檢測與處理裝置中，模擬信號的檢測一般是將被測信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓UT，對這個電壓信號放大到適當?shù)闹礥AD=K×UT后，送到AD轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號NAD，單片機讀取數(shù)字信號NAD并進行數(shù)字處理。電壓測量是此模擬信號測量的基礎(chǔ)并具有典型性，因此以電壓測量裝置設(shè)計為一個題目。在此設(shè)計題目的實習指導書中給出電壓測量裝置的詳細描述。

1)總體方案

實習指導書中詳細描述了電壓測量的原理和總體方案，給出總體方案原理框圖，對框圖的工作過程進行描述，說明哪些功能是由硬件實現(xiàn)的，哪些是由軟件實現(xiàn)的。

2)硬件設(shè)計

以任務(wù)驅(qū)動方式給出硬件設(shè)計思路說明以及硬件結(jié)構(gòu)示意圖、電路原理圖、PCB設(shè)計圖。特別強調(diào)注重電路不同功能單元PCB之間的連接方法，以引導學生拋開杜邦線，逐步了解電子信息系統(tǒng)中的電路模塊的工程連接方法。電壓測量裝置為了反映PCB之間的連接關(guān)系，采用兩塊PCB結(jié)構(gòu)，一塊為信號調(diào)理電路，另一塊為單片機電路，如圖1所示。圖1中4為單片機PCB，7為信號調(diào)理電路PCB，1為單片機與信號調(diào)理電路的板對板連接器，6為LCD模塊，5為LCD模塊與單片機的板對板連接器，3為各支撐各模塊PCB之間的塑料螺柱，2為固定螺絲，8為測量表筆(表夾)。通過該圖和樣機實物，可使學生掌握一種電路板之間的連接方法和電子裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

圖1　電壓測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3)軟件設(shè)計

實驗指導書詳細說明電壓測量算法，給出軟件設(shè)計方法說明和程序流程圖、數(shù)據(jù)存儲格式，以及軟件工程建立、軟件模塊結(jié)構(gòu)劃分、源代碼編輯、程序調(diào)試的詳細步驟。

3.3　設(shè)計指導

實驗指導書還詳細說明設(shè)計的電壓測量裝置需要測試的內(nèi)容、測試原理與方法、測試數(shù)據(jù)的記錄以及給出測試數(shù)據(jù)的處理方法等，以此檢驗所設(shè)計裝置在功能、性能指標上是否達到設(shè)計要求。在完成該設(shè)計題目過程中，要引導學生從模仿開始，逐步過渡到在導師指導下自主獨立完成所選的設(shè)計任務(wù)。

4　結(jié)語

“單片機”是一門應(yīng)用性和實踐性很強的專業(yè)課程，在課堂理論教學與實驗教學的基礎(chǔ)上，我們嘗試增加一門設(shè)計制作單片機應(yīng)用裝置的實踐課，讓學生完成一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計并完成樣機的制作與調(diào)試。

2013～2015年三年在電子信息工程專業(yè)的試點表明，這門新設(shè)的實踐課程對學生單片機技術(shù)的掌握和應(yīng)用能力的提高具有較明顯的效果，試點班級學生初步掌握單片機應(yīng)用裝置設(shè)計和制作的人數(shù)從以往的極少數(shù)提高到近1/4。通過三年的指導，相關(guān)教師的單片機應(yīng)用能力也得到顯著提高。從2016年開始，試點已擴大到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，期待進一步改進完善后推廣到其他相關(guān)專業(yè)。

參考文獻:

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