石 飛, 陳 娟, 王建英, 趙彩蕓, 李金欣, 房俊杰

(新疆大學 信息科學與工程學院, 新疆 烏魯木齊 830046)

單片機原理及應用課程是電子信息類專業(yè)開設的一門重要的專業(yè)基礎課程,其相應的實驗教學在培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力和思維能力等方面起著至關重要的作用,這就對實驗教學提出了更高的要求[1-2]。

目前,市場上生產(chǎn)的教學實驗系統(tǒng)雖然功能眾多,但是存在結構不合理,設備穩(wěn)定性差、效率低下，設備價格昂貴、維修困難等問題難以解決，這些教學設備在下載過程中需要額外的下載器和電源,并且實驗過程中多以插線為主,在使用和功能上也很難滿足自身教學的需求,甚至存在與教學內(nèi)容都不一致的情況。另外,教學設備體積大,不便于攜帶。

解決實驗教學設備問題行之有效的辦法是高校結合自身實際情況進行自主研制設備。為此,本項目組結合多年實驗教學和科研的經(jīng)驗,自主研制了一款口袋式單片機實驗系統(tǒng)。自制的實驗設備具有很強的實用性,低成本,易于維護,并且能與自身的理論教學緊密結合且相互促進[3-6]。

1 設計思想

近年來,隨著電子設計技術的發(fā)展,單片機在片上資源擴展、技術指標方面取得了很大進步,新器件的功能更加豐富。然而,新研制的單片機系統(tǒng)不僅要滿足教學的要求,還要為學生進行課外創(chuàng)新、課外實驗提供有力的支持,鑒于以上的考慮,設計過程中主要從以下幾個方面著手:

(1) 系統(tǒng)體積小且便于攜帶,將單片機下載功能、串口通信功能、系統(tǒng)供電功能集成在一個USB接口上實現(xiàn)；

(2) 為了讓學生能扎實掌握常用的通信協(xié)議,學會根據(jù)時序圖通過軟件模擬實現(xiàn)協(xié)議時序,在一般系統(tǒng)常用外設的基礎上,增加了多種通信協(xié)議接口,如SPI接口、I2C接口以及單總線數(shù)據(jù)接口；

(3) 提供多種形式的通信接口,包括有線通信(串口通信)和無線通信(藍牙通信)；

(4) 引入新的模塊,如OLED顯示、藍牙模塊；

(5) 元器件盡量選用貼片封裝,電路連接盡量固定,以免實驗中手工連線造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；

(6) 多余的IO預留出來,以便進行擴展實驗。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

整個系統(tǒng)由輸入單元、顯示單元、傳感器單元、邏輯控制單元、外設單元和通信單元組成,口袋式單片機實驗系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1 口袋式單片機實驗系統(tǒng)設計框圖

2.2 邏輯控制單元電路設計

圖2 邏輯控制單元電路原理

2.3 串口下載、通信及供電單元設計

為了克服傳統(tǒng)單片機實驗系統(tǒng)的下載功能、供電功能與單片機核心系統(tǒng)相分離,以及體積大且不易攜帶的弊端,本系統(tǒng)將串口通信、程序下載以及供電功能集成在一個USB接口上,極大節(jié)省了設計空間,實現(xiàn)了只需要一根USB線與電腦連接就可完成上述功能,其電路原理見圖3。

圖3 串口通信、下載和供電單元電路原理圖

3 口袋式單片機實驗系統(tǒng)教學應用案例

3.1 口袋式單片機實驗系統(tǒng)

口袋式單片機實驗系統(tǒng)不僅可以作為電子類的多個教學平臺,比如單片機原理及應用實驗,電路制作工藝以及電工實習等; 還可以支持大學生進行創(chuàng)新活動。其系統(tǒng)實物圖如圖4所示。

圖4 口袋式單片機實驗系統(tǒng)實物圖

3.2 口袋式單片機實驗系統(tǒng)實驗內(nèi)容

該系統(tǒng)已經(jīng)應用到信息科學與工程學院的電子信息工程、通信工程和計算機專業(yè)的單片機課程,可進行的實驗分為基礎實驗、進階性實驗、系統(tǒng)綜合設計性實驗,其課程結構框圖如圖5所示[7-8]。

(1) 基礎實驗內(nèi)容涵蓋單片機自身固有的資源,包括IO口、定時計數(shù)器、中斷、串口通信等的使用。本階段的實驗要求采用匯編語言編寫,其主要目的就是讓學生能夠掌握匯編指令、單片機內(nèi)部資源的使用、單片機底層運行機制,從根本上解決學生對單片機認識不清的問題。

(2) 進階性實驗包括ADC0809和8255外圍設備的擴展以及常用的I2C、SPI、單總線協(xié)議器件。該階段的實驗采用C語言進行編寫,主要讓學生深刻理解在進行外設擴展的時候,外設地址如何確定; 理解I2C、SPI、單總線協(xié)議原理,掌握讀寫時序圖的方法,并且掌握如何用軟件編程的方式模擬相關協(xié)議,通過該階段的訓練以此來達到提高學生系統(tǒng)設計的能力。

(3) 系統(tǒng)綜合性設計實驗除了根據(jù)實驗板自身擁有的資源進行系統(tǒng)設計外,還可以利用藍牙的無線通信技術,結合當前的Android技術開發(fā)、語音識別以及利用智能機中功能實現(xiàn)遠程控制。本階段的實驗主要是提高學生的綜合設計能力,掌握運用課本外知識的能力。

圖5 口袋式單片機實驗系統(tǒng)實驗內(nèi)容結構圖

4 應用效果

自制的實驗系統(tǒng)因根據(jù)自身的實際情況進行設計,故能將理論教學和實踐教學結合更緊密; 對高校的專業(yè)建設、教育教學改革、教師研發(fā)能力的提升、學生的創(chuàng)新能力提升都有很好的促進; 同時,節(jié)約了教學成本,在教學方面也取得了較好的效果。

(1) 促進了實驗室的建設。自制的實驗平臺成本低,維修更加方便,能根據(jù)技術的發(fā)展,持續(xù)改進實驗系統(tǒng)[9]。

(2) 豐富了實驗教學內(nèi)容,促進了實驗教學改革的發(fā)展。自制的實驗系統(tǒng)具有較強的針對性,將理論教學與實踐教學緊密結合，并且實驗設備功能齊全,能滿足不同水平學生的需求[10]。

(3) 促進學生實踐能力的提升。提高工科學生的實踐能力的最好方法就是多實踐,傳統(tǒng)的實驗平臺限制了學生進行實驗的時間和空間?？诖絾纹瑱C實驗系統(tǒng)的體積小,將供電與下載功能集成與一體,學生只需要一根USB線、一臺筆記本電腦和一個口袋式單片機實驗系統(tǒng)就可以隨時進行實驗開發(fā)。讓學生有足夠的時間和空間進行單片機的學習,真正掌握單片機的運行機理。

(4) 錘煉教師隊伍,提高教師的研發(fā)能力。實驗設備的開發(fā)需要調(diào)研實際情況、查閱大量的相關資料,需要不斷地進行電路設計和改進。在設備研制過程中不僅提高了教師的電路設計能力、分析能力,還增強了工程實踐經(jīng)驗，得到了鍛煉。

5 結語

從目前的實驗效果來看,自制的口袋式單片機實驗系統(tǒng)能較好地將理論與實踐相結合,促進了實驗教學改革,提升了教師的研發(fā)能力和工程能力，能打破傳統(tǒng)實驗的局限性,利于學生課外隨時進行實驗,也利于學生創(chuàng)新思維的激發(fā)。在實際應用中取得了教好的效果。