張 璞 劉寧艷 金印彬

西安交通大學(xué)電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 陜西西安 710049

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，電子系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，大到工廠的加工設(shè)備，小到生活中的智能電燈，都有電子系統(tǒng)的應(yīng)用[1]。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院自2001年起開設(shè)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，并選用多功能電子學(xué)習(xí)機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺[2]。與許多高校的實(shí)驗(yàn)平臺類似[3,4]，學(xué)習(xí)機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)，學(xué)生上課時(shí)只需要簡單連幾根線就可以完成規(guī)定的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。雖然這類實(shí)驗(yàn)箱使用方便，但也存在著許多問題，如不適合學(xué)生鍛煉硬件設(shè)計(jì)能力和開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；無法升級換代；維修成本較高等。

為解決傳統(tǒng)學(xué)習(xí)機(jī)的問題，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程組借鑒其他高校在同類課程硬件平臺的改革經(jīng)驗(yàn)[5-8]，結(jié)合課程教學(xué)目標(biāo)和本專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，研制出電子系統(tǒng)模塊化實(shí)驗(yàn)平臺，并基于該平臺開發(fā)了層次化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前實(shí)驗(yàn)平臺和相關(guān)實(shí)驗(yàn)均已投入實(shí)踐教學(xué)中，取得了良好的效果。

1 模塊化實(shí)驗(yàn)平臺

1.1 單元模塊

課程組在對常見電子系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)了一系列功能獨(dú)立的單元模塊，包括C51模塊、STM32模塊、SRAM模塊、ADC0809模塊、DAC0832模塊、液晶模塊、ISD1760模塊和EPIC3模塊等，見表1。這些模塊共同構(gòu)建了電子系統(tǒng)模塊化實(shí)驗(yàn)平臺，作為學(xué)生掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、開展電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、鍛煉自主創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)裝置。

表1 單元模塊列表

1.2 平臺架構(gòu)

模塊化實(shí)驗(yàn)平臺整體架構(gòu)如圖1所示，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇單元模塊，通過扁平電纜或杜邦線將其連接，組合成所需的電子系統(tǒng)。模塊對外接口采用冗余設(shè)計(jì)，支持學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)功能拓展。因此，實(shí)驗(yàn)平臺既能滿足課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)需求，又便于學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新。

圖1 模塊化實(shí)驗(yàn)平臺整體架構(gòu)

2 模塊化實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)點(diǎn)

模塊化實(shí)驗(yàn)平臺具有靈活性、開放性、便攜性、可拓展性等顯著優(yōu)點(diǎn)。

2.1 靈活性

教師可以基于該平臺靈活開發(fā)多層次的實(shí)驗(yàn)，如針對C51模塊的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，包含多個(gè)模塊的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生也可以根據(jù)個(gè)人情況靈活選取模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如選擇使用液晶屏模塊或者數(shù)碼管模塊來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的顯示要求。

2.2 開放性

模塊化實(shí)驗(yàn)平臺中的各單元模塊相互獨(dú)立，可以靈活替換。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，平臺可以不斷添加、刪減、更新模塊，構(gòu)成一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的開放性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.3 便攜性

單元模塊體積較小，方便攜帶。模塊可使用USB電源直接供電，降低了對供電設(shè)備的要求。實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供平臺專用線纜和設(shè)計(jì)軟件，便于學(xué)生在課下調(diào)試。模塊化平臺突破了實(shí)驗(yàn)場地的約束。無論是在宿舍或是自習(xí)教室，只需要一臺電腦和幾根線纜，學(xué)生就可以開展實(shí)驗(yàn)。

2.4 可拓展性

實(shí)驗(yàn)平臺預(yù)留了擴(kuò)展接口，當(dāng)學(xué)生覺得平臺中現(xiàn)有單元模塊無法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求時(shí)，可以基于擴(kuò)展接口研發(fā)新的模塊，以豐富電子系統(tǒng)的功能。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)平臺不會由于自身模塊的品種和功能限制學(xué)生的創(chuàng)造能力，給予學(xué)生更多的設(shè)計(jì)自主權(quán)。

3 基于平臺的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

《電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》課題組借鑒其他高校研究經(jīng)驗(yàn)[9,10]，將課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目劃分為基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、側(cè)重于功能模塊應(yīng)用的綜合實(shí)驗(yàn)、培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)能力的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以及鼓勵(lì)學(xué)生拓展思路并實(shí)踐的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，從而形成“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—綜合實(shí)驗(yàn)—系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)”四個(gè)層次遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖2所示。對于能力較強(qiáng)的學(xué)生，可以跳過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)直接開始系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖2 層次化實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生掌握設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由實(shí)驗(yàn)原理講解、實(shí)驗(yàn)步驟演示、樣例程序驗(yàn)證、拓展設(shè)計(jì)四部分組成。前三部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容便于學(xué)生從零學(xué)起，讓他們盡快熟悉電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，拓展設(shè)計(jì)則促進(jìn)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)設(shè)計(jì)方法。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生將設(shè)計(jì)方法和技巧綜合應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。教師提供一些實(shí)用性強(qiáng)、新鮮有趣的設(shè)計(jì)題目，如電子鐘系統(tǒng)和網(wǎng)約車電子系統(tǒng)等，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生分析設(shè)計(jì)題目后在模塊化平臺上設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子系統(tǒng)。以電子鐘系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)從硬件上可以分為主控單元、按鍵輸入單元、溫度測量單元、實(shí)時(shí)時(shí)間日歷單元、顯示單元、語音單元六個(gè)部分。學(xué)生使用模塊化平臺中的C51模塊、多功能模塊1(集成了溫度傳感器、日歷時(shí)鐘芯片和按鍵矩陣等)、ISD1760模塊和液晶模塊即可完成系統(tǒng)硬件的構(gòu)建，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。學(xué)生在搭建好的系統(tǒng)上編寫、調(diào)試程序，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)可實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、定時(shí)報(bào)溫報(bào)時(shí)的電子鐘。

圖3 電子鐘系統(tǒng)框圖

為促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的提升，教師鼓勵(lì)學(xué)生在給定設(shè)計(jì)題目的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能拓展和創(chuàng)新，也支持學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目并完成。這類實(shí)驗(yàn)稱為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。如針對電子鐘系統(tǒng)，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)感光模塊，并通過模塊化平臺的擴(kuò)展接口將它添加到電子鐘硬件電路中，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)可以根據(jù)光線動態(tài)調(diào)節(jié)亮度的智能電子鐘系統(tǒng)。較之系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生的軟硬件設(shè)計(jì)能力要求更高，因此學(xué)生選擇二者之一完成即可。

以上給出了基于電子系統(tǒng)模塊化實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該教學(xué)體系通過循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，充分利用模塊化實(shí)驗(yàn)平臺的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)教學(xué)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)的無縫連接，對培養(yǎng)學(xué)生的電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力有極大的幫助。

4 實(shí)踐效果

基于模塊化平臺的電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選取我校電氣專業(yè)2005級35名學(xué)生進(jìn)行了試點(diǎn)教學(xué)，所有學(xué)生都順利完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如圖4所示，共有7組(15名)學(xué)生完成創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，成績均高于90分。其中12名學(xué)生原本對系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不了解，經(jīng)過層次化的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，不但具備了系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力，而且拓展思路、積極創(chuàng)新，完成了類型多樣的設(shè)計(jì)作品，包括偏重于模擬電路的吉他綜合效果器，使用C51作為處理器的智能液晶數(shù)字電壓表，使用STM32處理器的語音出租車計(jì)價(jià)器等。

圖4 試點(diǎn)班實(shí)驗(yàn)情況

5 結(jié)語

電子系統(tǒng)模塊化實(shí)驗(yàn)平臺已在西安交通大學(xué)投入使用，取得了良好的教學(xué)效果。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱相比，模塊化實(shí)驗(yàn)平臺提供多種功能齊全的單元模塊，具備靈活性、便攜性、開放性和可拓展性等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)教學(xué)需求靈活構(gòu)建電子系統(tǒng)，有利于教師開展豐富的教學(xué)實(shí)踐?；谠撈脚_開發(fā)的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系充分利用模塊化平臺的特點(diǎn)，通過循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，幫助學(xué)生逐步掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，鍛煉其綜合實(shí)踐能力，激發(fā)其工程創(chuàng)新意識，提高他們的自主創(chuàng)新能力。