莫玉華

江蘇省常州技師學(xué)院 江蘇常州 213031

一、研究的背景及價值

近年來，隨著計算機技術(shù)及集成電路技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)日漸普及，在通訊、網(wǎng)絡(luò)、工控、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。單片機課程是技師學(xué)院機電一體化、電子電工、計算機等專業(yè)重要的核心課程之一，是集單片機組成原理、軟件設(shè)計、通訊、接口技術(shù)與應(yīng)用為一體，把C語言、微機接口、通信技術(shù)等知識綜合在一起的一門具有很強技術(shù)性、工程性、實踐性的課程，是高素質(zhì)復(fù)合技能型人才所需自動控制類知識結(jié)構(gòu)的載體。8位51單片機的應(yīng)用越來越不能滿足現(xiàn)代技術(shù)的需求，采用C語言編程是嵌入式技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。從教學(xué)實際出發(fā)，將傳統(tǒng)的教學(xué)方法與實驗驗證的教學(xué)法與項目教學(xué)的方法有機地結(jié)合起來，由淺入深為單片機課程實踐研究提供一定的參考。通過在實踐中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機在汽車電子中的具體運用，最后實現(xiàn)開發(fā)、創(chuàng)新。

在技職院校主要培養(yǎng)學(xué)生動手能力，學(xué)生的技能訓(xùn)練能與企業(yè)生產(chǎn)實踐接軌是我們教學(xué)的最終目標(biāo)，故開發(fā)出新的實用價值較高的教學(xué)課題是件刻不容緩的事情。

在學(xué)院相關(guān)專業(yè)中開設(shè)基于汽車電子的單片機課程實用性較強，意義也重大，飛思卡爾半導(dǎo)體是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，其生產(chǎn)的嵌入式處理器占整個汽車電子的微處理器市場份額70%以上。因此，學(xué)習(xí)基于飛思卡爾系列嵌入式處理器的單片機技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

二、MC9S12XS128處理器教具的設(shè)計

（一）教具的整體設(shè)計方案

在選取開發(fā)對象后，立即進入到收集資料以及設(shè)計階段，本設(shè)計在市場上已開發(fā)的MC9S12XS128嵌入式處理器學(xué)習(xí)板的基礎(chǔ)上進行了二次開發(fā)，使之成為適合我們學(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)板，同時也共同增強了教師和學(xué)生的開發(fā)設(shè)計制作的能力，在原學(xué)習(xí)板的基礎(chǔ)上去掉一些冗余的接口電路，采用單片機豐富的擴展接口功能同樣能實現(xiàn)實驗結(jié)果，前期通過計算機仿真驗證了可行性，然后進行PCB版的繪制以及送去工廠加工，板子上的元器件都由我們的學(xué)生采用回流焊的方式完成。學(xué)習(xí)板所有實驗都能正常驗證。學(xué)習(xí)板的實物圖如下圖1所示：

圖1 學(xué)習(xí)板實物圖

（二）各主要模塊電路設(shè)計

1、電源電路

該開發(fā)板的電源電路可以適用于 12V汽車電源。LM29405為電源轉(zhuǎn)換芯片，可將接入的電源電壓轉(zhuǎn)換成5V。D1為電源指示燈。電路中的電容起到穩(wěn)壓和濾波的功能。R8和R9將電源電壓分壓后接到單片機的AD口，用于電源電壓的監(jiān)測。

2、LED 電路

該開發(fā)板設(shè)計有8個獨立的LED，通過單片機的I/O口直接控制。電路采用了I/O口灌電流的驅(qū)動方式來驅(qū)動LED，所以不需要驅(qū)動就可以點亮LED，引腳輸出高電平時LED熄滅，低電平時LED點亮。

3、蜂鳴器電路

蜂鳴器使用NPN三極管Q1進行驅(qū)動控制，當(dāng)輸入端BUZZ輸入為1時，Q1導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴；當(dāng)輸入端BUZZ輸入為0時，Q1截止，蜂鳴器停止蜂鳴。

4、按鍵電路

該開發(fā)板有4路獨立的按鍵輸入，當(dāng)按鍵未按下時，由于有上拉電阻R14、R17、R19、R23的作用，CPU檢測到的電平為高電平；當(dāng)按鍵按下時，CPU檢測到引腳為低電平。

5、模擬信號輸入電路

XS128單片機內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。該開發(fā)板使用兩個電位器對5V分壓作為模擬輸入源。

6、SCI接口電路

該開發(fā)板設(shè)計了兩路SCI接口電路，其中一路可與PC機串口通訊的接口相連，電平轉(zhuǎn)換通過MAX232芯片實現(xiàn)。

7、LIN 總線電路

該開發(fā)板設(shè)計有一個 LIN總線接口，使用芯片為TJA1020，該芯片與串口0相連來實現(xiàn)LIN通信的功能。芯片使用12V的電源供電，模擬汽車上的應(yīng)用。

8、CAN 總線電路

該開發(fā)板設(shè)計有一個 CAN總線接口，使用芯片為TJA1050，該芯片與芯片內(nèi)的CAN模塊相連來實現(xiàn)CAN通信的功能。芯片使用5V的電源供電。

9、485總線

該開發(fā)板設(shè)計了一個485總線接口，采用MAX485芯片，MAX485與單片機的串口1連接。

10、數(shù)碼管電路

該開發(fā)板設(shè)計了一個數(shù)碼管顯示電路，D111為4位8段數(shù)碼管模塊，四個三極管是四位數(shù)碼管每一位的選通開關(guān)，因為要想使四位數(shù)碼管的每一位顯示不同的數(shù)字，必須用掃描這種方式來實現(xiàn)，即每一位可以單獨控制通斷，四個三極管就是起到這個作用。

11、12846漢顯液晶模塊接口電路

該開發(fā)板引出了一個漢顯液晶模塊接口，該接口為一個有20針的接口，可以調(diào)試12864液晶模塊。單片機與液晶之間可以通過IIC或并口通信。

12、SD 卡接口

該開發(fā)板設(shè)計了一個SD卡接口，LM1117將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V，用來給SD卡供電，SD卡用SPI模式進行讀寫。

13、溫度傳感器

該開發(fā)板設(shè)計了一個溫度傳感器，采用18B20芯片，用單線串行總線進行通信。

14、接口

開發(fā)板上設(shè)計了豐富的接口，包括單片機的接口 P15-P18，SPI模塊接口J_SPI，IIC模塊接口J_IIC。

15、最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)是XS128單片機及其外圍電路。D8為供調(diào)試用的指示燈，通過單片機的PK4口控制。電路采用了I/O口灌電流的驅(qū)動方式來驅(qū)動LED，所以不需要驅(qū)動就可以點亮LED，引腳輸出高電平時LED熄滅，低電平時LED點亮。P8為BDM調(diào)試接口，KEY5為復(fù)位按鍵。

（三）可完成的教學(xué)實驗

本學(xué)習(xí)板能完成10個基礎(chǔ)實驗：蜂鳴器實驗、獨立按鍵實驗、燈光控制實驗、A/D轉(zhuǎn)換實驗、脈寬調(diào)制實驗、SCI串口實驗、定時器應(yīng)用實驗、RTI實驗、數(shù)碼管顯示實驗、周期中斷實驗。設(shè)計的每個實驗都能充分體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)需要達到的目的，如完成蜂鳴器實驗就能使學(xué)生掌握XS128單片機普通I/O口輸出功能的使用，并熟悉開發(fā)板的接線帽的使用，MCU的很多引腳和片上功能模塊復(fù)用，當(dāng)引腳的復(fù)用功能未使用到時，那么引腳作為普通I/O口使用；完成獨立按鍵實驗就能使學(xué)生掌握XS128單片機I/O口的輸入功能，并掌握輸入中斷的使用；完成燈光控制實驗就能使學(xué)生熟練掌握XS128單片機普通I/O口輸出功能的使用；完成A/D轉(zhuǎn)換實驗?zāi)苁箤W(xué)生掌握XS128單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換(ATD)模塊的使用；完成SCI串口實驗可以使學(xué)生熟悉XS128單片機的SCI口的使用，掌握查詢和中斷方式的發(fā)送和接收功能；完成RTI實驗?zāi)苁箤W(xué)生掌握XS128單片機實時中斷功能的使用；完成周期中斷實驗可以使學(xué)生掌握XS128單片機PIT模塊功能的使用等等。

本學(xué)習(xí)板還能完成10個高級實驗：秒表及定時器實驗、數(shù)字顯示電壓表實驗、播放音樂實驗、DS18B20使用實驗、液晶屏接口實驗、RS-485串口通信實驗、LIN總線通信實驗、CAN總線通信實驗、1939協(xié)議實驗、SD卡存儲實驗。如完成秒表及定時器實驗可以使學(xué)生深入掌握數(shù)碼管掃描、按鍵中斷、TIM定時和PIT定時功能；完成數(shù)字顯示電壓表實驗可以使學(xué)生深入掌握數(shù)碼管掃描、AD采集和TIM定時功能；完成DS18B20使用實驗可以使學(xué)生了解單線總線，掌握溫度傳感器DS18B20的用法；完成RS-485串口通信實驗可以使學(xué)生掌握RS-485總線的用法；完成LIN總線通信實驗可以使學(xué)生了解LIN通信協(xié)議，掌握使用XS128單片機的SCI模塊進行LIN通訊的方法等等。

還能實現(xiàn)綜合實驗項目的課程設(shè)計，本課題目前已開發(fā)了驅(qū)動直流無刷電機課程設(shè)計。這些實驗的開發(fā)與學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正掌握了XS128單片機的基本編程方法，在實驗中學(xué)習(xí)，改變了枯燥乏味的學(xué)習(xí)方法，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、MC9S12XS128處理器教具應(yīng)用的具體實施

（一）課題分三個年級實施

技師四年級（或高中生二年級）：完成前1-10個基礎(chǔ)實驗，為學(xué)習(xí)C語言單片機編程打下基礎(chǔ)；

技師五年級（或高中生三年級）：完成后1-10個高級實驗，提升應(yīng)用，進行較復(fù)雜的編程；

技師六年級（或高中生四年級）：完成綜合實驗項目的課程設(shè)計——驅(qū)動直流無刷電機課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)設(shè)計能力。

（二）將知識傳授改變?yōu)槟芰ε囵B(yǎng)

以講為主的單片機教學(xué)模式在授課時，大多數(shù)學(xué)生由于對理論知識不能很好的理解或某個知識點沒有跟上教師的講授過程或C語言的枯燥，容易產(chǎn)生畏難和厭學(xué)情緒，導(dǎo)致課堂睡覺和注意力不集中現(xiàn)象增多。采用實驗教學(xué)法，可以克服現(xiàn)行授課模式的缺點和不足，將學(xué)習(xí)到的小的知識點都能用小實驗來驗證，增強了客觀認(rèn)知過程，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性。教學(xué)內(nèi)容在逐步完成實驗項目的過程中展開，學(xué)生由主動參與代替了被動接受，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。實驗項目中遇到問題后，隨時可以和教師進行交流，這種互動性的可以使學(xué)生逐漸加強對課程的興趣，減少課堂注意力不集中現(xiàn)象的發(fā)生。

（三）提高學(xué)生科技創(chuàng)新能力

在單片機課程綜合實驗項目中，充分發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力，積極參加科技創(chuàng)新活動，提高在同類專業(yè)中的競爭力。

四、結(jié)論

（一）設(shè)計制作切實可行的教具

學(xué)習(xí)飛思卡爾系列嵌入式處理器為載體的單片機課程，融入了更多的實用技術(shù)，與企業(yè)的技術(shù)連接更加緊密。對于技工院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的學(xué)生而言，利用本學(xué)習(xí)板可以實現(xiàn)電氣、電子及控制相關(guān)專業(yè)、汽車維修專業(yè)等知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握這類知識后就業(yè)范圍更寬，待遇較高，就業(yè)前景廣闊。

（二）建立“教、學(xué)、做、評”一體化教學(xué)模式

采用基礎(chǔ)實驗+高級實驗+綜合項目的“遞進式”教學(xué)，每個項目都突出學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容，有利于提高學(xué)生的工程實踐能力。課程的每個實驗都有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)、工作任務(wù)、實施過程和評價，學(xué)生在做中學(xué)，老師在做中教。實現(xiàn)“教、學(xué)、做、評”合一。當(dāng)學(xué)生看到自己編寫的程序能正常驗證時，將會充滿內(nèi)心的喜悅，獲得極大的成就感，更加激發(fā)學(xué)好單片機的積極性。

（三）創(chuàng)新之處

飛思卡爾MC9S12XS128嵌入式處理器學(xué)習(xí)板在技工類院校中屬于首創(chuàng)，為提升技工類院校應(yīng)用型人才的嵌入式開發(fā)能力與汽車電子維修提供豐富的教學(xué)環(huán)境。

[1]許泳龍等，單片機原理及應(yīng)用，機械工業(yè)出版社，2005.1

[2]馬忠梅等，單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計，北京航空航天大學(xué)出版社，2003修訂版

[3]劉昌元.基于飛思卡爾MC9S12XS128MCU的模塊講解及測試[OL].http://www.doc88.com 2013