陸旭明

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇常州213164)

隨著教育部教學(xué)質(zhì)量提升工程的推進(jìn)，高校對(duì)教學(xué)實(shí)踐體系的內(nèi)涵建設(shè)越來(lái)越重視。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能單一，系統(tǒng)性、先進(jìn)性、開(kāi)放性較差，與人才培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量的要求差距愈來(lái)愈遠(yuǎn)，更談不培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，加之高校現(xiàn)有投入資金有限，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不可能一步到位。要想讓單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮其應(yīng)有的功效，利用現(xiàn)有資源，自主建設(shè)一個(gè)科學(xué)合理、資源豐富、軟硬件結(jié)構(gòu)合理的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成了一種有效解決問(wèn)題的手段。

本文探索了一種從仿真設(shè)計(jì)到實(shí)踐的單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)建設(shè)方案，從單片機(jī)工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，選取由淺入深的教學(xué)實(shí)踐模塊，從單片機(jī)仿真設(shè)計(jì)到系統(tǒng)安裝調(diào)試，使學(xué)生掌握單片機(jī)技術(shù)；培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)他們學(xué)以致用、動(dòng)手創(chuàng)新的實(shí)踐能力。

1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

教師首先要對(duì)整個(gè)理論實(shí)踐系統(tǒng)進(jìn)行通盤考慮，要有整體設(shè)計(jì)和單元設(shè)計(jì)并重的意識(shí)，并在以目標(biāo)為本的教學(xué)設(shè)計(jì)觀指導(dǎo)下對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行有意識(shí)的整體規(guī)劃。

根據(jù)以往單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐單元設(shè)計(jì)沒(méi)有全局觀，實(shí)踐單元任務(wù)安排目的性不明確、重點(diǎn)不突出、難點(diǎn)相對(duì)集中、趣味性和實(shí)用性不強(qiáng)，往往影響學(xué)生的動(dòng)手興趣，甚至造成學(xué)生懼怕動(dòng)手實(shí)踐的心理。

圖1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)單元只有按照由淺入深、由易到難、循序漸進(jìn)進(jìn)行實(shí)施，才可能克服教學(xué)實(shí)踐的盲目性和隨意性。實(shí)驗(yàn)單元按照重點(diǎn)突出、難點(diǎn)分散的原則，按照難易程度進(jìn)行科學(xué)序化。為此，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要分仿真設(shè)計(jì)和實(shí)物裝調(diào)兩部分，理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐同步進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)?zāi)K的選取遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，循序漸進(jìn)地安排了基礎(chǔ)模塊、拓展模塊、創(chuàng)新模塊。基礎(chǔ)模塊圍繞如何使學(xué)生了解單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)造設(shè)置，培養(yǎng)學(xué)生正確運(yùn)用單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行輸入/輸出接口進(jìn)行信號(hào)燈、鍵盤控制，定時(shí)器的簡(jiǎn)單應(yīng)用，該模塊目的旨在引導(dǎo)學(xué)生快速入門，選取的單元內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，趣味性也比較強(qiáng)。拓展模塊主要圍繞單片機(jī)接口進(jìn)行，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)能力，主要有A/D、D/A和串口通信模塊組成。拓展模塊是在學(xué)生完成了基礎(chǔ)模塊上進(jìn)行的，此時(shí)學(xué)生對(duì)單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了一定的基礎(chǔ)。創(chuàng)新模塊圍繞單片機(jī)綜合應(yīng)用能力進(jìn)行的實(shí)踐單元，主要選取了廣告屏的讀寫顯示、機(jī)器人的智能導(dǎo)航、LCD1602的萬(wàn)年歷顯示等單元，重點(diǎn)培訓(xùn)學(xué)生單片機(jī)的綜合設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力，該模塊主要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三大模塊選取注重單片機(jī)的系統(tǒng)性、先進(jìn)性、開(kāi)放性、漸進(jìn)性、可操作性、可應(yīng)用性、可評(píng)價(jià)性。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

在圖1中在選取相應(yīng)的功能模塊后，采用Keil C進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試，再采用Proteus仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行硬件仿真，將編譯通過(guò)的目標(biāo)文件加載到CPU后臺(tái)進(jìn)行仿真調(diào)試，仿真調(diào)試成功后，進(jìn)行單片機(jī)模塊的硬件焊接、調(diào)試、程序下載，最后進(jìn)行實(shí)物調(diào)試，檢查功能能否正確實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)環(huán)節(jié)中，每個(gè)環(huán)節(jié)如不能正常工作，返回到上一環(huán)節(jié)中進(jìn)行檢查并修改，正確后再往下執(zhí)行。

2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

2.1 編寫與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配套的理實(shí)一體化教材

自編理實(shí)一體化教材《單片機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用與仿真》[1-2]，該書已經(jīng)由北京大學(xué)出版社正式出版，整個(gè)教材以培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)、能力為主線，內(nèi)容按照單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建選取，構(gòu)建了基礎(chǔ)模塊、拓展模塊、創(chuàng)新模塊，可根據(jù)機(jī)電一體化、電氣自動(dòng)化、電子信息工程等不同專業(yè)或不同課時(shí)進(jìn)行模塊搭配。

2.2 仿真調(diào)試

Proteus軟件是英國(guó)Labcenter Electronics公司出版的EDA工具軟件(該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司)。它不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。[3-4]

獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能(VSM)，將電路仿真和微處理器仿真協(xié)同進(jìn)行，直接在基于原理圖的虛擬原型上與Keil 聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)處理器的軟硬件調(diào)試，并進(jìn)行功能效果驗(yàn)證。[5]它最大的優(yōu)勢(shì)是可以提高開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本，提升開(kāi)發(fā)速度。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可驗(yàn)證整個(gè)控制系統(tǒng)的程序與外圍電路的正確性，提高了調(diào)試效率。在沒(méi)有單片機(jī)實(shí)際硬件的條件下，利用PC機(jī)以虛擬仿真方式實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件同步仿真調(diào)試，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單容易[6]，大大節(jié)約單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中的經(jīng)費(fèi)，減少了浪費(fèi)，縮短了單片機(jī)開(kāi)發(fā)的周期，節(jié)約了課時(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)單片機(jī)開(kāi)發(fā)的體驗(yàn)活動(dòng)。虛擬仿真界面良好的人機(jī)互動(dòng)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)的有效性提供了保障。

以日歷時(shí)鐘為例，說(shuō)明單片機(jī)功能模塊仿真調(diào)試的步驟。日歷時(shí)鐘仿真調(diào)試結(jié)果如圖2所示。

①通過(guò)Keil C編譯通過(guò)DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序，生成的DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘.hex文件。

②在Proteus軟件中打開(kāi)建好的DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘.dsn硬件仿真文件，將DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘.hex文件加載到單片機(jī)CPU AT89C52后臺(tái)。

③在Proteus ISIS環(huán)境中點(diǎn)擊運(yùn)行鍵，可以觀察到DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路從0時(shí)、0分、0秒開(kāi)始計(jì)時(shí)。

④在Proteus ISIS環(huán)境中點(diǎn)擊暫停鍵，打開(kāi)Debug菜單下DS1302中的DS1302 Clock和8051 CPU 中的Interal Memory選項(xiàng)。在圖2中，可以觀察到此時(shí)已經(jīng)將DS1302中時(shí)、分、秒送至AT89C51內(nèi)部存儲(chǔ)器62H、61H和60H中。

在調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)程序調(diào)試的要求可選擇單步、斷點(diǎn)、全速等方式來(lái)運(yùn)行程序，在此調(diào)試過(guò)程中可以看到程序的運(yùn)行軌跡和流程，透視程序運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)的變化和保存情況。

圖2 日歷時(shí)鐘仿真調(diào)試結(jié)果

2.3 實(shí)物裝配調(diào)試

Proteus仿真軟件的應(yīng)用，確實(shí)為學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)提供了極大的便利，但它畢竟是仿真軟件，無(wú)真實(shí)感而言，不利于學(xué)生對(duì)單片機(jī)硬件的掌握，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)最終要面對(duì)實(shí)物進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

以日歷時(shí)鐘為例說(shuō)明單片機(jī)功能模塊裝配調(diào)試過(guò)程。

進(jìn)行裝配調(diào)試的工作平臺(tái)配有溫控電焊臺(tái)、示波器、萬(wàn)用表、穩(wěn)壓源等元器件。根據(jù)教學(xué)進(jìn)度的課時(shí)安排，由實(shí)驗(yàn)員發(fā)放相應(yīng)的功能模塊板及其元器件，其中日歷時(shí)鐘電路板實(shí)物如圖3所示。學(xué)生根據(jù)裝配圖進(jìn)行元器件的安裝、焊接、硬件測(cè)試、軟件下載、程序運(yùn)行燈環(huán)節(jié)，按照?qǐng)D1的操作流程進(jìn)行實(shí)物裝調(diào)，日歷時(shí)鐘實(shí)物如圖4所示。

為了方便學(xué)生采用數(shù)碼管或LCD液晶顯示，在電路板設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)了LCD液晶顯示接口。

單片機(jī)功能模塊一般在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行，在單片機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)階段，則要求學(xué)生完全按照單片機(jī)硬件、軟件設(shè)計(jì)的全過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，其中電路板的設(shè)計(jì)由學(xué)生獨(dú)立完成，采用面包板設(shè)計(jì)的LCD日歷時(shí)鐘實(shí)物如圖5所示。

圖3 日歷時(shí)鐘電路板實(shí)物圖

圖4 日歷時(shí)鐘功能實(shí)物圖

圖5 LCD日歷時(shí)鐘實(shí)物

2.4 學(xué)生考核與評(píng)定

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)最終目的是為了培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)工程項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生軟件調(diào)試、硬件調(diào)試的能力。[7]為了對(duì)單片機(jī)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，必須配備完善的考評(píng)體系。

學(xué)生在進(jìn)行單片機(jī)的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，教師將根據(jù)其在某個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)中的表現(xiàn)進(jìn)行全面、綜合地考評(píng)，學(xué)生單片機(jī)項(xiàng)目實(shí)施考評(píng)表如表1所示，教師將對(duì)其進(jìn)行過(guò)程和結(jié)果、能力與素養(yǎng)的綜合考評(píng)。

表1 學(xué)生單片機(jī)項(xiàng)目實(shí)施考評(píng)表

2.5 資源庫(kù)建設(shè)

建立教、做、學(xué)立體化教學(xué)資源，全面服務(wù)項(xiàng)目化教學(xué)過(guò)程。單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)如圖6所示。

資源庫(kù)建設(shè)主要圍繞以下三方面進(jìn)行。

①基本資源庫(kù)。主要圍繞本課程教學(xué)目的、要求、任務(wù)等，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)本課程的基本資源?；举Y源庫(kù)主要有課程標(biāo)準(zhǔn)、多媒體課件、試題庫(kù)、樣卷與參考答案。

②指導(dǎo)資源庫(kù)。主要圍繞在項(xiàng)目化課程實(shí)施過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生軟、硬件系統(tǒng)的認(rèn)知、調(diào)試、分析、修改、設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，為學(xué)生提供引導(dǎo)性學(xué)習(xí)資源庫(kù)。指導(dǎo)資源庫(kù)主要有教學(xué)錄像、案例分析、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)、仿真設(shè)計(jì)、實(shí)物裝調(diào)、學(xué)生研討。

③操作資源庫(kù)。主要圍繞學(xué)生實(shí)際操作過(guò)程中，學(xué)生必須知曉提交要求、操作過(guò)程中需要關(guān)注的事項(xiàng)、提交成果的考核要求等，使學(xué)生明確目標(biāo)。操作資源庫(kù)主要有學(xué)習(xí)指南、工作表單、在線測(cè)試、資料查詢、網(wǎng)站友情鏈接等，教師在學(xué)生提交的工作表單中按照表1中學(xué)生單片機(jī)項(xiàng)目實(shí)施考評(píng)表要求進(jìn)行考評(píng)。

圖6 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)

3 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用效果

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用以來(lái)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力得到提高，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用效率也大幅提高。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可以滿足教學(xué)任務(wù)，還

可以滿足學(xué)生的業(yè)余培訓(xùn)。科技苑學(xué)生利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一些小制作，教師通過(guò)該平臺(tái)指導(dǎo)大學(xué)生完成江蘇省創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃，為大學(xué)生電子競(jìng)賽提供了良好的學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。尤其在電子大賽競(jìng)賽期間，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)，可以及早驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的正確與否，為后期制作節(jié)省時(shí)間和成本。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為硬件制作提供良好的安裝與調(diào)試環(huán)境，院校借助該平臺(tái)獲得了江蘇省大學(xué)生挑戰(zhàn)杯、江蘇省大學(xué)生電子競(jìng)賽等獎(jiǎng)項(xiàng)，激發(fā)了學(xué)生參與工程實(shí)踐的興趣和熱情。部分學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)在這樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下完成，方便了教師對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)工作。

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)也為教師從事單片機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了較好的科研環(huán)境，完善的配套設(shè)施促進(jìn)教師在工作之余進(jìn)行科研工作及自身素質(zhì)的提高。