滕召勝， 高云鵬， 唐 求， 溫 和， 郭斯羽

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

0 引言

“單片機(jī)”是信息類專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，是一門專業(yè)性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[1～2]。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多[3～4]，由于這類實(shí)驗(yàn)缺乏系統(tǒng)性、啟發(fā)性和設(shè)計(jì)性，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)單片機(jī)的理解不夠深入，實(shí)際應(yīng)用能力難以提高。近年來，“口袋實(shí)驗(yàn)室”以其便捷、隨時(shí)隨地、自主實(shí)驗(yàn)等顯著優(yōu)越性，得到了迅速發(fā)展[5～7]。

在多年課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)基礎(chǔ)上，針對(duì)電氣信息類專業(yè)人才培養(yǎng)要求，我們探索單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革，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)作為“口袋實(shí)驗(yàn)室”，提出了“單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室+單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)+單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室”的三結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，把教師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合在一起，在實(shí)踐中取得了很好的效果，提高了學(xué)生的單片機(jī)實(shí)踐興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的研發(fā)意識(shí)與工程實(shí)踐能力，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

1 “三結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

在多年教學(xué)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)資源基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建的“單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室+單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)+單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室”結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，①單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主要完成演示性、驗(yàn)證性等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)單片機(jī)、了解單片機(jī)。②單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和初步綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生的單片機(jī)工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。③單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室主要完成綜合性實(shí)驗(yàn)、工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室解決了傳統(tǒng)固定實(shí)驗(yàn)室單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)脫節(jié)的問題，有助于解決實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與社會(huì)需求結(jié)合不緊密的問題，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)了想做就做的愿望，有利于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)綜合知識(shí)應(yīng)用能力，為后續(xù)學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、科研實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系簡圖

2 “三結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

2.1 單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室

單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)箱完成80C51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)箱采用外掛式51/96通用單片機(jī)仿真器，適應(yīng)Windows XP等操作系統(tǒng)的調(diào)試軟件。實(shí)驗(yàn)箱具有開放式4×6鍵盤實(shí)驗(yàn)電路、128×64組成的LCD圖文實(shí)驗(yàn)電路、16×16點(diǎn)陣電路和8155、8250、8251、8253、8255、0809、0832、RS232/485等常用芯片接口電路，配備了小型直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、溫度壓力、電子音響電路喇叭、8 MHz頻率源模塊、開關(guān)邏輯電平輸入/輸出電路，主板上還配有數(shù)控式實(shí)驗(yàn)演示裝置。生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)、提供了各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的電路接線圖、C語言源程序、匯編語言源程序，學(xué)生通過解讀、模仿，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的預(yù)定功能，進(jìn)行的主要是演示性、能驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。圖2為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)物圖[8]。

圖2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱

單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主要完成演示性、驗(yàn)證性、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：

(1)軟件實(shí)驗(yàn)。主要實(shí)現(xiàn)：清零程序、拆字程序、拼字程序、數(shù)據(jù)區(qū)傳送子程序、數(shù)據(jù)排序子程序、查找相同數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)子程序、無符號(hào)雙字節(jié)快速乘法子程序、多分支程序以及脈沖計(jì)數(shù)、電腦時(shí)鐘設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)。

(2)硬件實(shí)驗(yàn)。主要實(shí)現(xiàn)：P1口亮燈實(shí)驗(yàn)、P1口轉(zhuǎn)彎燈實(shí)驗(yàn)、P3.3口輸入/P1口輸出實(shí)驗(yàn)、工業(yè)順序控制實(shí)驗(yàn)、8255 A/B/C口輸出方波實(shí)驗(yàn)、8255 PA口控制PB口、8255控制交通燈、簡單I/O擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)、ADC0809轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、DAC0832轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、8279鍵盤顯示實(shí)驗(yàn)、I2C儲(chǔ)存卡讀寫實(shí)驗(yàn)、繼電器控制實(shí)驗(yàn)、步進(jìn)電機(jī)控制、小直流電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)、16*16 LED點(diǎn)陣顯示實(shí)驗(yàn)、8250可編程異步通訊接口實(shí)驗(yàn)(自發(fā)自收)、8251可編程通訊接口實(shí)驗(yàn)(與PC機(jī))、單片機(jī)RS-232/485串行發(fā)送實(shí)驗(yàn)(雙機(jī)通訊)、單片機(jī)RS-232/485串行接收實(shí)驗(yàn)(雙機(jī)通訊)、溫度壓力實(shí)驗(yàn)等。

2.2 單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

上節(jié)所述的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱硬件電路是固定的，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以改動(dòng)，顯然不能適應(yīng)單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和單片機(jī)系統(tǒng)的多樣化應(yīng)用需求，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)工程開發(fā)能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識(shí)。利用單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以在一定程度上彌補(bǔ)上述不足。

單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室每臺(tái)PC機(jī)上安裝了Proteus軟件仿真系統(tǒng)，編譯調(diào)試環(huán)境選用集編輯、編譯和調(diào)試于一體，支持多種匯編和C語言編程KeilC51 uVision3軟件，Proteus軟件支持KeilC51uVision3 聯(lián)合調(diào)試[9]。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)Proteus和KeilC51 uVision3的使用方法和二者聯(lián)合調(diào)試方法后，利用Portus虛擬仿真環(huán)境，可以在計(jì)算機(jī)上自行設(shè)計(jì)原理圖，編寫源代碼，完成程序調(diào)試，觀察運(yùn)行結(jié)果，完成所需實(shí)驗(yàn)[10]，節(jié)省開發(fā)時(shí)間和開發(fā)費(fèi)用，逐漸適應(yīng)工程實(shí)踐。

圖3為單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖[11]。

單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上可完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，主要有：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)(含I/O口實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)等)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(含時(shí)鐘電路及其實(shí)時(shí)顯示設(shè)計(jì)、16×16點(diǎn)陣漢字顯示設(shè)計(jì)等)、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(含溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等)。

圖3 單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.3 單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室

課堂聽課、課后看書、演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都不可能使學(xué)生完全學(xué)會(huì)單片機(jī)[11,12]。例如：Proteus仿真環(huán)境下的單片機(jī)，在沒接晶振電路和復(fù)位電路的情況下可以運(yùn)行，而實(shí)際單片機(jī)不能；再如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能導(dǎo)致理解偏差。單片機(jī)學(xué)習(xí)過程必須強(qiáng)調(diào)邊做邊學(xué)、學(xué)做結(jié)合。但單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱、單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都只能在指定實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生必須在規(guī)定時(shí)間、地點(diǎn)利用指定設(shè)備完成指定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅以演示性、驗(yàn)證性為主，學(xué)生的主動(dòng)性受限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也常與教學(xué)內(nèi)容脫節(jié)、滯后[12]，而且不能保證學(xué)生在有實(shí)驗(yàn)激情、創(chuàng)作靈感迸發(fā)的時(shí)候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與開發(fā)。此外，實(shí)驗(yàn)箱體積大、攜帶不便、更新周期長、技術(shù)相對(duì)落后、數(shù)千元一套的成本過高，不可能實(shí)現(xiàn)學(xué)生人手一套。

為此，我們開發(fā)了基于ADuC848的單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室，既可用于前期的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(jì)，又有利于學(xué)生完成后續(xù)的單片機(jī)應(yīng)用研究。

ADuC848是ADI公司的一款具有軍品標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容單片機(jī)，具有大容量64 KBFlash ROM、4 kB片上Flash、2304字節(jié)片上RAM、高性能單循環(huán)內(nèi)核。它將16位多通道Σ-Δ型ADC和Flash微控制器完全集成在一個(gè)芯片上，運(yùn)行速度比標(biāo)準(zhǔn)的8051高近20倍，外部晶振32 kHz可倍頻至12.58 MHz，ISP在線高速下載編程，具有24個(gè)I/O口、11個(gè)中斷源(2個(gè)優(yōu)先級(jí))、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(shí)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，節(jié)電模式下最大電流僅20 μA。ADuC848可用一個(gè)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(jí)。

在學(xué)習(xí)了單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)、焊接與調(diào)試工藝后，我們?yōu)閷W(xué)生發(fā)放了ADuC848單片機(jī)系統(tǒng)套件，人手一套，由學(xué)生焊接、裝配。

圖4為基于ADuC848的單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室的實(shí)物圖(外形13.8×10.2 cm)。

圖4 單片口袋實(shí)驗(yàn)室實(shí)物

學(xué)習(xí)初期，讓學(xué)生在單片機(jī)袋實(shí)驗(yàn)室上進(jìn)行基礎(chǔ)電路與簡單程序設(shè)計(jì)，以基本輸入/輸出控制、按鍵輸入、數(shù)碼管顯示等驗(yàn)證型、演示型實(shí)驗(yàn)為主，培養(yǎng)學(xué)生興趣，也有利于促進(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，再增加鍵盤管理、顯示管理內(nèi)容并開展與單片機(jī)查詢、中斷、定時(shí)器、串口控制、時(shí)序控制等相關(guān)的且有一定技巧性的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)；學(xué)會(huì)交互電路的程序設(shè)計(jì)方法。隨著學(xué)生對(duì)單片機(jī)學(xué)習(xí)的深入，自然產(chǎn)生技能擴(kuò)展的需求，此時(shí)通過在口袋實(shí)驗(yàn)室上進(jìn)行的應(yīng)用型、設(shè)計(jì)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(shí)器/計(jì)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，為后期單片機(jī)系統(tǒng)的科研應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室可以完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目非常豐富，既可以完成諸如I/O口控制、定時(shí)/中斷、數(shù)碼顯示、矩陣式鍵盤管理、A/D與D/A轉(zhuǎn)換、步進(jìn)電機(jī)控制等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也能實(shí)現(xiàn)諸如程控多種信號(hào)發(fā)生器、多功能搶答器、計(jì)數(shù)器、簡易電子琴、數(shù)字密碼鎖、微波爐控制器、洗衣機(jī)控制器、仿電梯控制器、仿汽車自動(dòng)報(bào)站、電壓監(jiān)視器等大量系統(tǒng)設(shè)計(jì)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，還可實(shí)現(xiàn)更多的測量及控制功能。

3 結(jié)語

針對(duì)電氣信息類人才培養(yǎng)要求，我們提出了“單片機(jī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室+單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)+單片機(jī)口袋實(shí)驗(yàn)室”的三結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將傳統(tǒng)的教師為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)向?qū)W生為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生由簡及繁地開展各類實(shí)驗(yàn)，循序漸進(jìn)地掌握單片機(jī)的應(yīng)用技能，為后續(xù)工程應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。以我校測控技術(shù)與儀器專業(yè)為例，學(xué)生因此提高了單片機(jī)學(xué)習(xí)興趣，參與單片機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與學(xué)科競賽成果豐碩，例如：單相防竊電電能表開發(fā)獲評(píng)全國大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃十佳案例，防作弊電子秤榮獲ADI中國大學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽一等獎(jiǎng)，肉類水分快速測定儀獲“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎(jiǎng)、中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽金獎(jiǎng)，便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀獲得“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(jiǎng)。這些成果反過來又大大激發(fā)了學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣。