富雅瓊 吳霞 陳錫愛 鄭恩輝 王桂榮

摘 要： 針對目前單片機(jī)實(shí)踐中存在的理論與實(shí)踐銜接不連貫、技術(shù)更新滯后、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和時(shí)間受到局限等問題，開發(fā)了模塊化單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室套件。設(shè)計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)化接口的核心、基礎(chǔ)及拓展實(shí)驗(yàn)等多種模塊，利用可擴(kuò)展的連接器構(gòu)建基礎(chǔ)、拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并針對課堂、實(shí)驗(yàn)和考核環(huán)節(jié)進(jìn)行了與之相適應(yīng)的探索。所開發(fā)的口袋實(shí)驗(yàn)室具有便攜、靈活、可拓展等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)后有效提高了實(shí)踐效果，從而為進(jìn)一步參加課程設(shè)計(jì)、課外科技活動甚至參加工程項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī); 口袋實(shí)驗(yàn)室; 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn); 拓展實(shí)驗(yàn); 課堂應(yīng)用; 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號： TN99?34; TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）12?0040?04

Abstract： In allusion to the problems such as the incoherence of theory and practice， lag of technology updating， and site and time limitations of the experiment existing in the current SCM practice， a modularized SCM pocket laboratory suite is developed. Multiple modules such as the core module， basic experiment module， and extensional experiment module based on the standard interface are designed. The basic and extensional experiment projects are constructed by using the extensible connector， and the corresponding research is conducted for the links of classroom， experiment and assessment. The developed pocket laboratory has the characteristics of portability， flexibility and extensibility， and can efficiently improve the practical effect after being applied in the SCM experiment， which lays a foundation for further participation in the course design， extracurricular technology activities， and even engineering projects.

Keywords： SCM; pocket laboratory; basic experiment; extensional experiment; classroom application; practical teaching

單片機(jī)是現(xiàn)代電子控制的基本技術(shù)[1]，是電氣信息類本科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一[2?4]。雖然理論與實(shí)踐相結(jié)合是單片機(jī)教學(xué)的重要特征，但實(shí)際效果受到各種限制。仿真技術(shù)的應(yīng)用[5?6]、項(xiàng)目驅(qū)動方法[7?8]以及實(shí)驗(yàn)教具的創(chuàng)新[9?10]等手段都是改善單片機(jī)實(shí)踐效果的有效途徑。筆者結(jié)合多年單片機(jī)與課外科技活動指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于STC51單片機(jī)的模塊化口袋實(shí)驗(yàn)室套件，并將其應(yīng)用于單片機(jī)課堂、實(shí)驗(yàn)及考核環(huán)節(jié)中，取得了較好的效果。

1 單片機(jī)實(shí)踐現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)單片機(jī)理論教學(xué)在課堂進(jìn)行，講授單片機(jī)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、外設(shè)接口等;實(shí)驗(yàn)在機(jī)房的實(shí)驗(yàn)箱上完成。這種模式的問題有：

1） 理論課只講不做、實(shí)驗(yàn)課只做不講，當(dāng)實(shí)驗(yàn)排課滯后時(shí)，理論知識學(xué)習(xí)與實(shí)踐環(huán)節(jié)銜接斷檔，而使得學(xué)生不能夠趁熱打鐵鞏固知識。

2） 傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的優(yōu)點(diǎn)是“大而全”，雖能開設(shè)不少數(shù)量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但形式固化，且5～10年才報(bào)廢更換一輪，不利于學(xué)生接觸新技術(shù)和創(chuàng)新實(shí)踐。

3） 利用實(shí)驗(yàn)箱開展的項(xiàng)目受地點(diǎn)、時(shí)間局限，在題目設(shè)置上也較難發(fā)揮。以兩課時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，一般學(xué)生也只能完成單個(gè)功能或百行左右代碼的編寫調(diào)試，無暇思考程序框架設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)等，其實(shí)踐能力的提升受到限制。

為了應(yīng)對上述單片機(jī)實(shí)踐所存在的問題，本文開發(fā)了模塊化單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室，并以其為基礎(chǔ)展開一系列探索。

2 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

2.1 口袋實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

口袋實(shí)驗(yàn)室開發(fā)目標(biāo)：

1） 促進(jìn)理論與實(shí)踐的銜接。既能用于常規(guī)實(shí)驗(yàn)，也便于理論課堂中演示和互動，幫助學(xué)生更順暢地完成由理論知識向?qū)嶒?yàn)操作的遷移。

2） 提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可拓展性。允許教師以較小成本對改進(jìn)教具或增加新技術(shù)和新項(xiàng)目。

3） 延展實(shí)驗(yàn)空間與時(shí)間。讓學(xué)生能在課堂外的時(shí)間和地點(diǎn)實(shí)踐，從而將實(shí)驗(yàn)與課后練習(xí)相貫通，進(jìn)而布置有一定復(fù)雜程度的實(shí)踐項(xiàng)目。

基于以上目標(biāo)，口袋實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

套件包括三部分：

1） 核心模塊。包含用于連接各模塊的連接器板、單片機(jī)最小系統(tǒng)和仿真下載電路。

2） 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，實(shí)現(xiàn)外部中斷、LED、數(shù)碼管、矩陣鍵盤、A/D?D/A、UART等常規(guī)單項(xiàng)功能，用于課堂和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

3） 拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)K。結(jié)合專業(yè)特色開發(fā)了如尋跡/避障小車、溫度變送器、TEC控制器等多個(gè)拓展功能模塊，用于開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、課程設(shè)計(jì)、課外科技競賽培訓(xùn)等。

連接器板和各模塊間采用了統(tǒng)一的安裝接口，使其具有高度的靈活性。不同模塊可相互替換和搭配，從而組合出更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.2 核心模塊設(shè)計(jì)

所有實(shí)驗(yàn)可通過在核心模塊的基礎(chǔ)上疊加其他模塊來構(gòu)成。

基于STC51單片機(jī)的最小系統(tǒng)和仿真下載電路被設(shè)計(jì)在同一塊PCB板上。最小系統(tǒng)包括STC51單片機(jī)插槽、復(fù)位電路、晶振電路以及P0口外部上拉電路。最小系統(tǒng)可兼容從STC89C51到STC15F2K61S2等多個(gè)系列的STC51單片機(jī)型號。一般提供IAP15F2K60S2作為實(shí)驗(yàn)用單片機(jī)，這款單片機(jī)不僅具有大容量FLASH ROM和RAM、3組16位定時(shí)器、2組UART、10位A/D、PWM等功能，還提供了IAP在線仿真調(diào)試功能。

核心模塊提供了USB仿真下載電路供電和外部供電兩種方式，可以在在線和離線兩種調(diào)試方式下使用。

STC系列單片機(jī)采用串口方式下載程序，因此設(shè)計(jì)了基于CH340芯片的板載USB轉(zhuǎn)串口下載電路。MicroUSB接口使得學(xué)生可用易獲取的手機(jī)數(shù)據(jù)線進(jìn)行程序的下載或仿真。

連接器是如圖2b）所示的184 mm×130 mm大小的PCB板，與一般32開本圖書尺寸相同，便于攜帶。連接器板上設(shè)置了四組完全相同且相連的插槽，可在任意插槽上安裝實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

連接器板上四組插槽可以滿足絕大部分實(shí)驗(yàn)的需求。為了進(jìn)一步提高可擴(kuò)展性，在連接器板兩側(cè)設(shè)計(jì)了基于9001?18481COOA板對板接插口，以滿足級聯(lián)擴(kuò)展的需要。

2.3 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K用于輔助課堂教學(xué)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)。共設(shè)計(jì)了五個(gè)模塊以滿足常見需求，其功能和對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

2.4 拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)K用于開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、課程設(shè)計(jì)、課外科技競賽培訓(xùn)等。已開發(fā)的包括尋跡/避障小車、超級電容充放電器、熱電偶變送器、TEC溫度控制、直流電機(jī)控制等多個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)K。如圖3所示。

拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)K分兩類：一類是完全兼容連接器板的模塊，如熱電偶變送模塊，將其安裝到連接器板上，配合最小系統(tǒng)和LCD模塊等即可開展實(shí)驗(yàn); 另一類需要更多外部器件配合，如尋跡/避障小車是按照連接器板的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了小車形狀的連接器底板，以及符合安裝標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)驅(qū)動和路徑檢測模塊，將拓展模塊和最小系統(tǒng)板安裝在小車上即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由于有統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，教師設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)不需要重新開發(fā)全部電路，只需要按照接口標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)新增功能模塊，再利用連接器板和原有的模塊即組合成新的實(shí)驗(yàn)。

3 基于口袋實(shí)驗(yàn)室的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 口袋實(shí)驗(yàn)室在課堂中的應(yīng)用

口袋實(shí)驗(yàn)室套件的核心和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K會按照1∶1的比例在學(xué)期初發(fā)放給學(xué)生。課堂中，允許2～3名同學(xué)為一組攜帶一臺筆記本電腦，并提前向?qū)W生發(fā)放當(dāng)堂例程代碼。課堂講解例程后，學(xué)生可將例程編譯、下載至單片機(jī)中。通過當(dāng)堂觀察例程的效果，學(xué)生有更明顯的參與感。

口袋實(shí)驗(yàn)室還用于課堂互動。以定時(shí)/計(jì)數(shù)器為例：講解寄存器和工作模式之后，課堂上給出定時(shí)器實(shí)現(xiàn)LED閃爍的例程。經(jīng)分析后先讓學(xué)生下載程序、觀察現(xiàn)象。然后提出要求，將閃爍頻率增至原來的兩倍。這個(gè)題目只需將例程代碼中定時(shí)器初值部分進(jìn)行兩行修改。但是通過互動，學(xué)生能夠當(dāng)堂鞏固知識點(diǎn)，并得到及時(shí)反饋。這類環(huán)節(jié)設(shè)置也使得課堂氣氛更為活躍。

3.2 口袋實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

只要在自己的電腦中安裝Keil等軟件，再配備一根手機(jī)數(shù)據(jù)線，學(xué)生即可進(jìn)行單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試。在普通機(jī)房、多媒體教室甚至學(xué)生寢室都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由于口袋實(shí)驗(yàn)板允許實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)課堂外完成，因此在題目的設(shè)計(jì)上就突破單個(gè)功能驗(yàn)證的限制。隨著課程推進(jìn)，通過疊加功能的方式能讓學(xué)生逐步接觸到復(fù)雜程序的設(shè)計(jì)。

例如針對外部中斷、定時(shí)計(jì)數(shù)器、數(shù)碼管顯示這三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如圖4所示，每個(gè)實(shí)驗(yàn)在保留前面實(shí)驗(yàn)功能的基礎(chǔ)上再加入新的實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)，最終做成一個(gè)秒表。將前幾個(gè)元素簡單疊加并不能夠得到最終結(jié)果，只有采用時(shí)間片輪詢等合理框架對數(shù)碼管動態(tài)刷新、計(jì)時(shí)數(shù)值刷新和按鍵檢測等任務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，才能夠完成實(shí)驗(yàn)。

通過對實(shí)驗(yàn)所涉及知識點(diǎn)的合理安排，使學(xué)生循序漸進(jìn)地理解單片機(jī)開發(fā)更多的工程問題與解決方法，最終完成從簡單程序到復(fù)雜工程設(shè)計(jì)的理念蛻變。

由于部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是學(xué)生課后完成，減弱了教師對實(shí)驗(yàn)過程的把控。為了減少抄襲現(xiàn)象，需要對實(shí)驗(yàn)代碼進(jìn)行重復(fù)率檢查。Dick Grune發(fā)布的SIM等免費(fèi)軟件可以作為代碼檢測的工具。

3.3 口袋實(shí)驗(yàn)室在考核環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

口袋實(shí)驗(yàn)室的低成本還解決了學(xué)生數(shù)和教具數(shù)配比不足的問題，這就允許以更靈活多樣的形式開展實(shí)踐能力考核。筆者自2013年起使用口袋實(shí)驗(yàn)室，逐步探索出口袋實(shí)驗(yàn)室與開放實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的考核方式。

通過對口袋實(shí)驗(yàn)室所具備的基礎(chǔ)功能和拓展功能進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)出一套用于實(shí)驗(yàn)考核的題庫。在學(xué)期后期，每周固定時(shí)間開放實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生通過網(wǎng)上系統(tǒng)預(yù)約考試?？己嗽u分依據(jù)包括：功能的實(shí)現(xiàn)程度、程序設(shè)計(jì)思路、代碼規(guī)范性等。近兩年還放寬了學(xué)生預(yù)約考核的次數(shù)限制，即學(xué)生對前期考核結(jié)果不滿意時(shí)，經(jīng)過加強(qiáng)復(fù)習(xí)后再次預(yù)約考試，從而提高了學(xué)生自主參與實(shí)踐的積極性。

4 評估與討論

筆者于2016—2017學(xué)年度對其中一個(gè)自然班進(jìn)行了問卷調(diào)查，針對口袋實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐教學(xué)中的效果，學(xué)生匿名評價(jià)的統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

由此可見口袋實(shí)驗(yàn)室獲得學(xué)生的認(rèn)可并取得了積極效果。近年來，本專業(yè)在學(xué)生課外科技活動上也取得了較大進(jìn)展，在智能車競賽、機(jī)器人競賽等活動中獲得國家、省級獎(jiǎng)項(xiàng)多項(xiàng)，從另一個(gè)側(cè)面反映了單片機(jī)實(shí)踐的成效。

5 結(jié) 語

本文開發(fā)的單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室套件經(jīng)過多年的持續(xù)改進(jìn)及應(yīng)用探索，在課堂、實(shí)驗(yàn)和考核等環(huán)節(jié)中都有效地支持了單片機(jī)工程開發(fā)能力培養(yǎng)的目標(biāo)，為學(xué)生今后進(jìn)一步參加課程設(shè)計(jì)、課外科技活動甚至參加工程項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐露新，范航郡，吳黎明，等.單片機(jī)技術(shù)課程啟發(fā)進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（9）：203?207.

TANG Luxin， FAN Hangjun， WU Liming， et al. SCM technology course teaching based on inspiring advanced experiments [J]. Research and exploration in laboratory， 2015， 34（9）： 203?207.

[2] 姜志鵬，陳正宇，史金芬，等.應(yīng)用型工科院?！翱诖鼘?shí)驗(yàn)室”培養(yǎng)模式探索：以電子信息工程專業(yè)為例[J].統(tǒng)計(jì)與管理，2015（10）：173?174.

JIANG Zhipeng， CHEN Zhengyu， SHI Jinfen， et al. Exploration on the training mode of "pocket laboratory" in applied science and engineering colleges： taking the electronic information engineering specialty as an example [J]. Statistics and management， 2015（10）： 173?174.

[3] 張濤，孫國璽，呂曉蘭.應(yīng)用型高校單片機(jī)課程改革探索與實(shí)踐[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2017（19）：30?33.

ZHANG Tao， SUN Guoxi， L? Xiaolan. Exploration and practice of the reform of singlechip microcomputer course in applied universities [J]. Modern computer， 2017（19）： 30?33.

[4] 郭棟，白銳，藍(lán)和慧，等.探索單片機(jī)課程教學(xué)改革提高學(xué)生實(shí)踐及創(chuàng)新能力[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（3）：36?38.

GUO Dong， BAI Rui， LAN Hehui， et al. Exploration on teaching reform of single chip microcomputer curriculum for improving students′ practice and innovation abilities [J]. China modern educational equipment， 2016 （3）： 36?38.

[5] 王自珍，殳國華，張士文.基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的MSP430單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（9）：94?97.

WANG Zizhen， SHU Guohua， ZHANG Shiwen. Application of computer simulation in experimental teaching of MSP430 with low energy consumer [J]. Research and exploration in laboratory， 2013， 32（9）： 94?97.

[6] 梅霆.單片機(jī)仿真在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用與探討[J].中國教育技術(shù)裝備，2017（6）：44?45.

MEI Ting. Application of single chip microcomputer simulation in practice teaching [J]. China educational technology & equipment， 2017（6）： 44?45.

[7] 唐煒.基于“項(xiàng)目驅(qū)動”的單片機(jī)類課程實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（5）：130?132.

TANG Wei. Practical Teaching reform in the courses of MCU based on project?driven mode [J]. Research and exploration in laboratory， 2010， 29（5）： 130?132.

[8] 李訓(xùn)栓，馮娟娟，王心華，等.建設(shè)基于實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開放式高性能單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)想[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2016（4）：87?91.

LI Xunshuan， FENG Juanjuan， WANG Xinhua， et al. Construction of open high?performance microcomputer laboratory based on practical training project [J]. Research on laboratory work in colleges and universities， 2016（4）： 87?91.

[9] 滕召勝，唐求，溫和，等.單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34（10）：223?225.

TENG Zhaosheng， TANG Qiu， WEN He， et al. Application of SCM pocket laboratory in practical teaching [J]. Experimental technology and management， 2017， 34（10）： 223?225.

[10] 董介春，于瑞濤，衛(wèi)成兵.口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（3）：133?135.

DONG Jiechun， YU Ruitao， WEI Chengbing. The construction of pocket labs and experimental teaching reform [J]. Journal of electrical & electronic education， 2017， 39（3）： 133?135.