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单片机技术课程启发进阶式实验教学探索

来源:UC论文网2018-10-06 09:38

摘要:

  摘要:单片机检测控制技术在各行各业应用广泛,也是电子、仪器和自动化等电类专业的必修课程,其实践性强、发展快、有一定难度;文中分析产业和工程实践对单片机技术的要求,提出了针对要点的启发式单片机技术特...

  摘要:单片机检测控制技术在各行各业应用广泛,也是电子、仪器和自动化等电类专业的必修课程,其实践性强、发展快、有一定难度;文中分析产业和工程实践对单片机技术的要求,提出了针对要点的启发式单片机技术特色实践教学方法,围绕C51系列和嵌入式两类单片机,结合相关专业技术开发了特色单片机实验装置、系列教材和学习网站,采用进阶式、启发式和知识要点的教学方式,制定显示、输入、控制和检测等典型案例教学实验,形成了由浅入深的多样化实验体系,使学生兴趣浓厚、容易掌握、更专业化,取得良好教学效果。


  关键词:单片机系统;嵌入式系统;进阶式;启发式;实验装置;


  作者简介:唐露新(1958-,男,湖南冷水江人,教授,曾任测控技术与仪器系主任,现任信息工程学院督导负责人,从事高等教育信息与仪器等学科教学和管理。Tel.:13380039215;E-mail:tangluxin@21cn.com


  0引言


  单片机技术是现代电子控制的基本技术,广泛用于家电、工农业、军工、航空和医疗等行业,单片机性价比高、可靠性高、使用方便、发展迅猛。现在市面产品广泛应用的单片机由4位、8位已经发展到32位,主要流行C51、AVR和ARM等多个系列的单片机,汇集了人机界面、AD与DA转换、信号处理和通信等功能,功能越来越强大。在此背景下,单片机技术已成为电子类相关工科大学生必须掌握的技能[1-2]。


  单片机技术特点鲜明,容易组成小系统,形成趣味和直观实验,但初学者往往觉得环节太多、无法把握,单个环节出错往往影响整体,尤其嵌入式单片机等新技术更难掌握[3]。曹建树等从教材、教学方法和能力培养等进行系列单片机教学改革,取得较好的效果[4]。谭亚丽通过编写特色教材和研发实验装置,采用典型案例、主动学习和设计的方法,优化单片机实训内容和方法[5]。但是对单片机的实验方法还不够细致,重点不够突出,因此有必要对传统教学方法改革,在初步掌握部分理论概念的基础上,以单片机典型实验的关键点为主的教学方式,由浅入深建立单片机系统概念,提高兴趣;进一步通过单片机系统扩展实验、设计与综合实验等进阶实验,有机结合其他专业知识,使学生进一步深入;在此基础上还可以学习更高级的嵌入式单片机实验,根据自己的需要,掌握完成各种单片机技术[6]。我们围绕51系列和嵌入式两类单片机,开发了具有应用对象的典型单片机实验装置,采用进阶式、启发式和关键知识点的教学方式,制定显示、输入、控制和检测等典型案例教学实验,形成了由浅入深、多样化实验体系。


  1单片机技术与课程特点


  1.1单片机技术体系


  单片机技术主要内容包括MCU处理器、显示与按键处理、数字量与模拟量信号输入与输出、外界通信等四大部分,由于需要组成完整系统,才能观测工作过程,所以每一部分效果难以单独直观显现,给初学者带来一定困难。系统组成通常有仿真和实物制作两种方法,软件仿真不需要组成实际系统,容易实现,但是与实际还是有不少差别;实物制作不仅需要掌握软硬件技术,而且还需要有一定的布线和焊接工艺水平,成本较高,周期较长,接近实际产品。另外还可以连接检测控制对象,传统的传感器、自动控制、信号处理等课程的东西可以方便实现。


  因此在许多电类专业中,单片机技术一般作为专业的核心课程,例如测控技术与仪器、电子信息工程等专业的核心课程,与之相关的课程包括微机原理、传感器技术、自动控制理论和信号处理等,因此单片机课程综合性较强,要求学生具有一定电路基础、编程能力和逻辑思维能力。必须更加注重实践,才能起到关键和综合的作用。


  单片机技术中目前应用最为广泛的是8位的C51系列单片机和16与32位的ARM处理器的嵌入式单片机两大块,通常为两门独立课程,后者作为高级选修课程,具有一定难度,但目前较复杂的控制场合均采用计算处理和通信功能强大的ARM处理器[7],因此我们采用这两种典型单片机进行实践教学。


  1.2单片机课程教学方法


  一般单片机课程教学采用“理论为主,实验为辅”的教学模式[8]。先在课堂上讲授,从单片机组成、CPU、汇编指令,到接口、中断和应用等。实验课相对理论课稍晚些开设,实验主要针对基本功能验证,以达到理解和掌握基本内容的目的。这样教学比较系统全面,但有些繁琐、复杂,许多学生难以系统把握。


  通过分析学生基础和单片机技术的特点,采用以实践为主、由浅入深的进阶式教学方法,针对必须具有功能和内容,抓住学习重点,采用最简方法搞清楚单片机的基本原理和工作过程,然后再深入学习扩展与应用技术、嵌入式单片机等,其特点如下:1综合考虑C51单片机和嵌入式ARM单片机的实验体系,进行分阶段要点式的教学,在完成初级单片机功能基础上,学习更高级的ARM9单片机系统,实现社会需求的更高级功能。2对C51单片机实验采取进阶式学习方法,划分为基础实验、进阶实验和综合实验,对不同学习能力和就业需求,按照不同程度学习。重点加强基础实验和综合实验,如综合实验是专业级的实验,一般有1名熟练掌握的学生组成3人小组实验。


  1.3单片机实践教学规划


  表1所示为基础51单片机进阶式实验的分类与主要教学内容,实验分为基础实验、进阶实验和综合实验三个阶段:


  (1)基础实验。通过验证单片机基本功能,掌握基本理论知识。将实验内容按功能分类,要求学生通过键盘和发光二极管、串行通信等简单实验掌握相应基础理论知识,熟悉单片机实验操作、电路和编程。


  (2)进阶实验。使用单片机控制小系统进行进阶实验。将基础实验模块组合,实现一定检测控制功能的小系统,建立系统概念。


  (3)综合实验。在进阶实验的基础上进行功能改进,糅合多种功能模块到实验系统中并通过增加或改变某方面功能的要求,带动学生思考和探究。


  嵌入式实验分为基础和创新系统两个实验阶段:


  (1)基础实验。基础实验分为裸机实验和嵌入式操作系统实验,分别学习其中的硬件和软件功能。


  (2)创新系统实验。选择既有实用价值又具有知识综合性的课题进行项目实验。引导学生将知识运用到实际应用当中。


  2C51单片机小系统进阶实验教学


  2.1C51单片机小系统原理与特点


  单片机小系统主要由时钟、复位、电源、控制等模块组成,比通常硬件控制电路更具综合性和系统性,与PC和嵌入式控制系统相比,简单、容易理解掌握。将学生在基础实验过程当中所学到的时钟、电源、控制等知识结合起来,指导设计出交通信号灯系统、步进电机控制系统等控制小系统,从而形成更具趣味性和观赏性的综合实验。


  2.2进阶式实验教学方法


  进阶式教学就是实验难度由易到难、实验内容由浅入深、实验项目由简到繁。通常需要学习基础实验和进阶实验,先熟悉系统和验证实验,掌握单片机结构及实验操作过程,然后验证显示、键盘、A/D转换、串行通信等基本功能。需要独立进行实验操作、掌握电路、自己编程,打好扎实基础。在此基础上再进入到小系统的进阶实验和综合实验环节,将各个基本功能模块糅合在一起,并且加上一些附加电路,形成具有相互关系的控制小系统,掌握检测控制系统全貌。


  以温度测量的小系统为例,首先制定实验目标,要求实现温度检测并在LCD屏上显示;学生在实验装置上选择适当的模块搭建硬件电路,再通过软件编程实现信号处理和控制,完成温室检测的模拟。


  搭建硬件电路的过程需要结合传感器课程内容,采用DS18B20作为温度传感器,将测得的温度信息转换成数字信号送入单片机。其中DS18B20使用外部供电方式,与单片机的P2口连接进行数据传输。显示模块采用能显示大量字符的HD44780液晶显示器,与单片机的P1口进行数据通信。


  上述实验中的单片机还有多余I/O口未用,于是要求学生利用实验装置,给系统添加一个加热管,可以实现自动温度控制的功能。在此过程中会学到很多实践经验。例如端口接入矩阵键盘,学生问到为何判断键盘是否按下要用“if((P1&0xf0)!=0xf0)”而不是像之前基础实验时那样用“ifP1!=0xf0”?这是因为在系统应用中要屏蔽P1口其他位造成的干扰,这种实践经验和技巧在基本实验内容中是学不到的。


  综合实验将电路、计算机编程、传感器技术等课程有机结合在一起,组成完整单片机系统,不仅加深了对单片机系统的理解,更重要的是随着实验要求提高而开动脑筋,积极探讨与研究,从而获得实际操作经验,提高了自主学习能力。


  3单片机系统教学资源开发


  结合地方经济和课程体系,通过一系列的教改项目,我们有针对性开发了精品课程、实验装置、教材和教学网站等单片机教学资源。建设了单片机原理精品课程[9],重点编写了“单片机原理与应用技术”[10]、“嵌入式系统设计与开发”[11]以及相应的实验教材,考虑到嵌入式单片机学习的难度,建立了“面向嵌入式技术的单片机技术”专题学习网站建设[12]。


  传统实验箱由专用教学设备供应商提供,集成了基本功能模块,且实验模块已封装好,学生在实验过程中按部就班操作验证模块功能,无法看到内部数据和电路原理连接线,无法详细编程和改变电路,还需要配另外检测设备和信号发生器。


  没有合适的实验装置,也难以开展好进阶式实验教学。为此我们立项实验设备研发的教改课题,根据教学需求有针对性先后开发了基于51的“单片机技术综合实验开发装置”[13]和“嵌入式多功能单片机实验教学平台”[14],已用于教学实验多年,前者经改进完善,申报获得国家实用新型专利[15]。如图1所示,该装置使用MCS-51和AVR的双单片机结构组成,带有检测仪器和监测功能的综合实验平台。其中MCS-51实现实验编程功能、AVR单片机实现仪器监测功能,开发带有虚拟仪器,集成简易数字信号发生器、示波器、逻辑分析频率计四大功能,方便学生在实验中检测数据和调试电路,有利于学生深度理解实验原理。


  单片机综合实验装置框图如图1所示,集成了数码管、步进电机、温度/亮度传感器等模块,根据需要可以组成多种控制小系统。能够完成交通灯的控制、步进电机的控制、温度/亮度的采集、显示、PWM控制、直流电机的控制等综合实验。一系列的单片机课程独立的小系统实验的结合,组成了较完整的单片机系统综合实验,并可以进行虚拟实验。


  由于该实验装置具有实验需要的电源、信号源、控制对象、分析仪器等,使进阶式实验教学效果具有基本保障,学生能够方便在一套系统中进行所有实验,并进行测试,解决实验设备不配套的问题。


  4嵌入式单片机小系统实验


  4.1复杂单片机的渐进式学习


  随着嵌入式单片机技术的普及,常用嵌入式芯片已经到了32位,功能很强、软硬件更加复杂,所以都将嵌入式单片机作为选修课程。通常利用在C51单片机学习过程中建立起的概念和基础知识,容易进入嵌入式单片机学习。


  表2为两种单片机,ARM9处理器在主要性能指标比C51单片机强大很多[7]。先利用ARM9单片机实现C51单片机实验内容,第二步完成C51单片机所不能实现的操作系统功能,第三步进行综合实验。


  表2C51单片机内核与ARM9处理器主要指标下载原表


  表2C51单片机内核与ARM9处理器主要指标


  4.2嵌入式单片机实验原理与特点


  嵌入式系统通常由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用软件系统等四部分组成。任何一个嵌入式系统都是软硬件相互结合、协调运行的整体,因此难度更大,只有了解各个系统软硬件模块之间的联系,才能深层次的理解整个系统。


  嵌入式开发软件平台分为两种:1裸机程序,没有移植任何操作系统;2根据硬件平台和开发需求先移植一个操作系统,然后在操作系统的平台中进行应用软件的开发。后者也是嵌入式系统与单片机系统最大的不同之处。


  4.3嵌入式单片机进阶式实验教学法


  表3为嵌入式单片机进阶实验内容,嵌入式单片机综合性技术与综合性更强,所以基础验证实验部分不仅需要实现个体模块功能,而且要求实验覆盖面到嵌入式处理器、外围电路、各类外设接口、嵌入式操作系统、板级支持包以及嵌入式应用等方面,才能更好地理解嵌入式单片机系统组成,增强系统概念。


  表3嵌入式单片机实验下载原表


  表3嵌入式单片机实验


  例如串行通信实验,可以穿插键盘与液晶显示的实验内容,可在有限课时中压缩验证实验比重,而又灵活结合基础实验内容,可谓一举两得。进阶实验为操作系统实验,针对既有实用价值又具有综合知识的实验。以温度监测系统为例,采用S3C2440微控制器、DS18B20为温度传感器,在Linux操作系统平台上设计温室多点温度监测系统。


  多点温度监测实验需接入多个温度传感器,且要有时序控制。学生根据芯片手册的逻辑时序图完成传感器驱动程序编写。在GPG0接口挂接多个DS18B20温度传感器,并对DS18B20的DQ端精确时序控制。实验在Linux环境下运行,学生完成驱动程序编写之后,还要编写系统应用程序,使操作系统打开后通过进程调度对驱动进行操作,实现多点温度监测。


  该系统实验结合了软件和硬件元素,知识综合性和实用价值很强。相比起8位单片机,ARM在数据处理和网络控制方面功能更强。可以在课程设计等后续的学习安排中对本系统改进,实现Internet远程监测、温度控制等。此举可帮助学生突破从普通实验到实际设计过程中的瓶颈,为今后工作打下良好基础。


  5结语


  经过10多年探索和实践,特别是配合教材建设、实验装置开发和产学研结合等实践教学改革,有效提高学生学习单片机的积极性和效率,确立了单片机课程的核心地位,带动了其他课程教学,启发进阶式实验教学的作用和效果如下:


  (1)在单片机教学中,启发进阶式实验教学必须与相关实验装置和自编理论与实验教材配套使用,形成系统,才能取得较好的教学效果。


  (2)这种教学实验方法简洁明了、重点突出、效果明显,实验装置综合了调试检测仪器,比较适合课外自学和提早学习,我们以前单片机技术课程通常在第4~6学期才开设,一部分动手能力很强的学生都会在大一提前学习,该方法对他们特别有效,带动了学生学习的兴趣、主动性和积极性。


  (3)通过我校10余届四个专业方向的本科生和多届研究生教学,该方法不断改进,使学生重点把握能力和学习效率都有大幅度提高,学生学到了很多只有通过实践才能学到的经验技巧。


  (4)由于具有检测和控制的多种综合实验,使学生容易掌握单片机应用的专业技术,在各种综合课程设计、挑战杯科技作品、电子设计等竞赛中,普遍都有良好发挥,我院学生最近连续两届获得全国挑战杯科技作品一等奖各1项。在教师科研和企业产品研发生产工作中,也体现较好的软硬件技术工作能力。

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