朱琳

摘?要：目前實(shí)際設(shè)備中，功能模塊往往基于總線連接，維護(hù)維修設(shè)備必須具備總線相關(guān)知識技能。為了讓培養(yǎng)對象熟悉單片機(jī)與模塊的總線連接的操作方式與常見問題。高職教學(xué)需要為學(xué)生提供總線基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)平臺。單片機(jī)類實(shí)踐課程是一個適合進(jìn)行總線教學(xué)的課程平臺，合理設(shè)計課程內(nèi)容與教學(xué)方式，能幫助學(xué)生由易到難掌握該項(xiàng)知識與實(shí)踐技能。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);總線接口;實(shí)踐訓(xùn)練;SPI;IIC

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.36.072

1?高職教學(xué)目前存在的短板

單片機(jī)類課程是高職工科院校一類重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。在多個專業(yè)大類均有開設(shè)，是后續(xù)控制類，應(yīng)用類等專業(yè)課程的前序課程。該門課程在高職中有較長開設(shè)歷史，各類專業(yè)教學(xué)課程資源比較豐富，市面上成熟的實(shí)驗(yàn)器材和系統(tǒng)種類繁多，為社會和行業(yè)培養(yǎng)了大批專業(yè)技術(shù)人才。

但從目前教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)來看，總線部分比較薄弱，學(xué)生對單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能學(xué)習(xí)時間較長，單片機(jī)與外部設(shè)備或模塊連接學(xué)習(xí)時間較短，內(nèi)容也相對比較簡單，學(xué)生接觸比較多的是使用輸出口直連的方式。而隨著物聯(lián)網(wǎng)，智能控制等行業(yè)的發(fā)展，典型智能終端設(shè)備中MCU連接外部擴(kuò)展芯片往往采用總線結(jié)構(gòu)，實(shí)際工作中涉及設(shè)備維護(hù)，組裝等總線應(yīng)用日益增多。如果學(xué)生所在專業(yè)沒有后續(xù)詳細(xì)介紹總線的專業(yè)課，學(xué)生面對實(shí)際工作場景，會感到無所適從。

特別目前教學(xué)和學(xué)生自學(xué)場景中，廣泛使用了Protues仿真軟件。利用KEIL編譯器和Protues軟件的仿真功能，可以在無硬件的條件下，方便快捷進(jìn)行程序編制，甚至可以完成單片機(jī)與外設(shè)的綜合實(shí)踐訓(xùn)練。但使用Protues仿真完成單片機(jī)實(shí)踐訓(xùn)練連線過于抽象，器件過于理想，無法讓學(xué)生掌握總線連接的線路特點(diǎn)，無法實(shí)踐處理易發(fā)故障。另外，仿真器件庫器件有限，單片機(jī)通過IIC和SPI總線連接實(shí)際器件種類繁多，少量仿真達(dá)不到實(shí)踐的要求。

最后，由于早期單片機(jī)除了串口外無其他硬件總線接口，需要利用普通IO口仿真總線接口輸入輸出，導(dǎo)致輸入輸出設(shè)計總線接口時序的編程，比較復(fù)雜，對于高職中職層次學(xué)生獨(dú)立編寫難度比較大。

2?在實(shí)踐環(huán)節(jié)加強(qiáng)單片機(jī)接口連接

為了加強(qiáng)單片機(jī)接口訓(xùn)練，除了在教學(xué)后期加強(qiáng)講解串口通信等方式，還可以在顯示模塊上提前引入接口實(shí)踐。傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐中，往往采用LED和七段碼做輸出顯示設(shè)備，該類設(shè)備原理簡單，連方便，便于初學(xué)者理解。為了讓學(xué)生更加熟悉總線接口，完成基本實(shí)驗(yàn)之后，應(yīng)該讓學(xué)生在復(fù)雜實(shí)驗(yàn)接觸其他外設(shè)連接方式。例如可以采用IIC或者SPI接口的0.96寸OLED屏幕作為顯示終端，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋在OLED屏幕上。在完成仿真后，一定讓學(xué)生通過杜邦線等方式完成實(shí)驗(yàn)的實(shí)物連接，排除可能出現(xiàn)的故障，讓學(xué)生逐步熟悉其他的接口的連接方式。出于降低難度的考慮，可以提前將接口輸入輸出函數(shù)封裝好，讓學(xué)生直接引用，但要求學(xué)生掌握接口輸入輸出的邏輯。

當(dāng)學(xué)生熟悉OLED屏的連接后，可以在串口通信實(shí)驗(yàn)后，增加多個IIC設(shè)備或SPI設(shè)備基于總線的互連實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)功能可以僅限于簡單數(shù)據(jù)傳送，主要目標(biāo)力求通過直觀的方式，讓學(xué)生接觸基于接口的總線連接方式，對SPI環(huán)形總線和IIC普通總線結(jié)構(gòu)有初步的認(rèn)識，為后續(xù)其他專業(yè)課中接觸設(shè)備總線打下良好基礎(chǔ)。

3?總線實(shí)踐模塊的選型

傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)往往從51系列單片機(jī)開始，課程資源豐富，但由于型號誕生早，接口比較缺乏。傳統(tǒng)基于8051的單片機(jī)教學(xué)如果要加強(qiáng)接口訓(xùn)練，需要使用普通IO口軟件模擬SPI與IIC輸入輸出，無法某些讀取速度有要求的模塊。對于這類情況可以考慮使用STC15系列單片機(jī)CPU，該系列與51單片機(jī)兼容，一般的8051程序可以直接使用運(yùn)行在15系列的CPU上。而且該系里型號支持硬件SPI，能軟件模擬IIC?？梢宰畲蟪潭壤矛F(xiàn)有教學(xué)資源，連接IIC或SPI總線外設(shè)模塊比較方便。

對于沒有開設(shè)單片機(jī)或者只開設(shè)了微機(jī)原理類課程的專業(yè)，也可以考慮采用加入選修課，或者網(wǎng)絡(luò)開放課程，讓學(xué)生自學(xué)加深基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)理解。由于不追求與51完全兼容，MCU選擇可以更廣泛。如果希望與51平臺接近，同時支持硬件總線接口，可以使用STC8K系列單片機(jī)平臺，同時具備硬件SPI和IIC總結(jié)接口，連接比較方便。如果以降低難度為目標(biāo)，可以采用arudino單片機(jī)平臺，支持硬件SPI接口，軟件支持IIC接口，IIC輸入輸出函數(shù)已經(jīng)封裝，例程資源豐富，使用成本低，簡單快捷。如果學(xué)生基礎(chǔ)較好，也可直接使用STM32嵌入式平臺。

對于單片機(jī)連接的外設(shè)，可以考慮通用性好，方便能在多個實(shí)驗(yàn)中采用的模塊。例如顯示模塊，AD模塊，存儲器模塊。一般實(shí)驗(yàn)室可以采用0.96OLED屏幕取代七段碼，1602，12864傳統(tǒng)輸出顯示模塊作為實(shí)驗(yàn)信息的輸出屏幕，不同廠家有支持IIC和SPI總線型號，種類齊全。除了顯示模塊，還可以考慮采用AD模塊，例如基于IIC的ADS1115 AD轉(zhuǎn)換芯片。AD模塊前端配合不同傳感模塊，可以完成測量電壓、測量溫度、制類實(shí)驗(yàn)。部分MCU內(nèi)置了AD轉(zhuǎn)換器，為了加深學(xué)生對總線的理解，在實(shí)驗(yàn)中推薦使用通過總線連接的外部AD轉(zhuǎn)換芯片。采用SPI接口連接的EEPROM芯片做存儲器擴(kuò)展也是良好的訓(xùn)練方式。

4?能力培養(yǎng)層次設(shè)計

結(jié)合目前單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)，未來可以設(shè)計三段式教學(xué)完成MCU與外部接口的技能訓(xùn)練。

第一階段，無論學(xué)生學(xué)習(xí)哪一種單片機(jī)。學(xué)生首先掌握信號基本傳輸方法，即學(xué)習(xí)掌握信號通過I/O口并行輸入輸出。這一階段主要訓(xùn)練目標(biāo)讓學(xué)生數(shù)據(jù)輸入輸出格式與MCU與外部電路連接的基本方式。

第二階段，學(xué)生學(xué)習(xí)串口的應(yīng)用方式，掌握利用串口連接計算機(jī)等外部設(shè)備。這一階段的訓(xùn)練目標(biāo)，讓學(xué)生意識到輸入輸出的時序與接觸接口的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。此節(jié)階段可根據(jù)學(xué)生掌握情況，只接觸RS232和RS485標(biāo)準(zhǔn)串行總線型接口。

第三階段，學(xué)生使用單片機(jī)通過IIC接口連入外部模塊，獲取數(shù)據(jù)。掌握IIC總線與SPI總線，了解數(shù)據(jù)線與地址線的差異，掌握多個設(shè)備基于總線的連接，明白模塊相互發(fā)送數(shù)據(jù)的邏輯。在高職或中職層次教學(xué)中，為了降低難度，可以將接口通信程序封裝，讓學(xué)生暫時不接觸具體信號時序，將學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在地址設(shè)置，器件狀態(tài)設(shè)置與不同模塊通信邏輯次序上。

最后，當(dāng)學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課上接觸相關(guān)總線或CAN工業(yè)總線時，將具備良好的知識基礎(chǔ)，并能抽象理解總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這樣會以更快的速度接受總線相關(guān)知識，并能培養(yǎng)良好的實(shí)踐技能。

5?展望

隨著中國2025不斷推進(jìn)，智能產(chǎn)業(yè)化不斷發(fā)展，對從業(yè)人員的綜合素質(zhì)要求不斷提升。在未來各行各業(yè)設(shè)備信息化不斷提高，設(shè)備內(nèi)子系統(tǒng)，模塊采用總線連接的比例將進(jìn)一步擴(kuò)大。為了讓培養(yǎng)人才更適合未來工作崗位的要求，在現(xiàn)場能迅速適應(yīng)設(shè)備，掌握技術(shù)文檔，需要在學(xué)校教育階段為學(xué)生打造一個良好的知識基礎(chǔ)。讓培養(yǎng)對象熟悉單片機(jī)與模塊的總線連接的操作方式與常見問題。單片機(jī)類實(shí)踐課程是一個適合進(jìn)行總線教學(xué)的平臺，相關(guān)課程設(shè)計中應(yīng)不斷探索有效教學(xué)模式，讓學(xué)生接觸總線相關(guān)知識，幫助學(xué)生由易到難掌握該項(xiàng)技能。

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