微控制器模塊化綜合實訓平臺的設計與研究

孫維超，高 權，解廣云，李 悅

（南京工程學院 自動化學院，江蘇 南京211167）

微控制器已廣泛應用于智能家電、工業控制、醫療、通信和軍事等諸多領域[1],對掌握微控制器技術的人才的需求也越來越大。掌握微控制器技術更是自動化專業技術人員必備的能力。然而，現在的畢業生，并不能完全滿足社會的需求。究其原因主要有以下幾個方面：(1)實驗學時少，學生難以得到實際動手的機會；(2)傳統的實驗箱，所有的電路和器件都設計在一塊電路板上,學生只需按指導書的電路進行接線，從而禁固了學生的思維；(3)課程設計、畢業設計成為紙上談兵。總之，學生的思維得不到擴展，動手能力的提高也極為有限。

1 實訓平臺的總體方案

微控制器綜合實訓平臺的主要應用對象是理工科相關專業的大一以后的學生。在該實訓平臺上可以開展的工作有：課后實訓、課程設計、課外電子科技創新活動、大學生電子設計競賽賽前訓練和畢業設計等。上述實踐環節具有以下特點：(1)根據所涉及的實訓項目難度不同，需要用到多種MCU；(2)實訓平臺應充分發揮學生的主觀能動性,允許學生二次開發；(3)實驗平臺的模塊化要清晰合理，便于使用者按需求搭建。根據以上要求，綜合實訓平臺由MCU模塊、傳感器模塊、A/D與D/A轉換模塊、DDS模塊以及通信模塊等模塊組成。表1列出了各模塊的型號及主要配置[2]。

表1 模塊型號及主要配置表

綜合實訓平臺在PC端，配套了虛擬仿真軟件,采用PROTEUS虛擬仿真[3]。PROTEUS軟件含有豐富的電子元器件和電路分析工具，學生可以利用該軟件進行電路設計、程序設計和系統仿真，從根本上克服了沒有物理原型就不能進行硬件和軟件調試的弊端。PROTEUS軟件是實現學生自主創新的良好工具。在實踐過程中，學生先在PROTEUS中進行電路設計、程序設計和系統仿真;然后，在綜合實訓平臺上選擇實訓模塊，搭接實訓電路，進行軟硬件調試與驗證。

2 MCU模塊設計

MCU模塊是整個實訓平臺的核心部分。考慮到使用者對微控制器的了解程度、編程水平和應用需求的不同，微控制器綜合實訓平臺精選了4種最具有代表性的單片機,分別是AT89S52、AVR（ATMEG8）、MSP430、STM32。MCU與各功能模塊的連接如圖1所示。

(1)51系列單片機作為使用最廣泛的8 bit微控制器之一，具有使用方便、價格低廉等特點，也是各高等院校作為課堂教學首選的微控制器[4]。因此，選用AT89S52單片機作為MCU控制模塊最具有代表性,它適用于剛剛接觸單片機的初學者，也可以用來進行一些基礎的開發。

(2)AVR單片機因速度快、功耗低、抗干擾能力強，而且是8 bit單片機中第一種真正的RISC單片機,所以被廣泛應用于工業控制、家用電器中。在實訓系統中配置AVR模塊具有實際意義。

(3)MSP430是一種16 bit單片機，擁有處理能力強、運算速度快、功耗超低、片內資源豐富的特點。實訓平臺選用G2553系列，可以用來開發實用性強、難度較高的項目。MSP430也是全國電子科技競賽指定使用的微控制器，對大學生電子設計競賽賽前訓練具有較強的針對性。

(4)STM32是目前32 bit微控制器的典范，它使用ARM最新的先進架構——Cortex-M3內核,具有優異的實時性能、杰出的功耗控制、出眾及創新的外設、最大程度的集成整合，易于開發，可使產品快速進入市場。學會STM32應用系統的軟、硬設計才能真正成為控制系統的工程師。

實訓平臺配置的4種MCU控制模塊，從學習的角度看具有從易到難的遞進式特點，適合不同使用者和不同應用場合，具有較大的覆蓋面。

3 配套應用實例

根據使用者的使用目的和個人能力的不同,實訓平臺的實訓內容分為三個部分。

(1)基礎實訓。包括：基本I/O口輸入輸出、外部中斷、計數器、定時器、數/模轉換、模/數轉換、動態八段數碼管、靜態八段數碼管、鍵盤掃描、串行接口通訊等。主要針對單片機初學者，使他們對單片機的使用方法和內部結構有一個初步的認識，具有單元軟、硬件設計能力。

(2)綜合設計部分。包括：16×16點陣顯示器設計、交通信號燈設計、電子鐘設計、電子密碼鎖設計、電機控制設計、溫度采集與顯示設計、電子琴設計、音樂盒設計、計算器設計、簡易波形發生器設計。這些項目主要針對課程設計使用者。通過以上兩個環節的實訓，使用者具備了微控制器應用系統軟、硬件的設計能力。

(3)科技創新部分。包括：循跡測距小車、溫濕度檢測與控制系統、數字信號發生器、74系列邏輯芯片測試儀、無線藍牙鼠標等。這些設計課題具有一定的難度，部分課題需要另外添加模塊，使用的主板也不僅限于基礎的51系列單片機。它適合科技競賽賽前訓練和創新設計。通過該步驟的實訓，能夠有效地鍛煉使用者的微控制器應用系統設計開發能力和創新意識。

本文以循跡測距小車為例說明實訓過程。循跡測距小車的原理框圖如圖2所示，硬件系統由6種不同的功能模塊組成。紅外循跡模塊檢測地面黑線，將信號發回單片機進行處理；單片機控制直流電機轉動，使小車沿黑線行進；同時，超聲波測距模塊和霍爾測速模塊將測得的距離和速度發回單片機；單片機處理后將距離和速度實時顯示在LCD液晶屏上。實訓進程可分為以下幾個環節：(1)根據實訓要求閱讀相關文獻資料,如 AT89S52單片機數據資料和LCD模塊資料;(2)完成方案設計和軟、硬件詳細設計,對主要電路進行仿真;(3)通過閱讀使用說明書,自行選擇合適的實驗模塊;(4)對主要模塊進行測試,如測試紅外對管是否正常工作,是否與仿真結果一致;(5)搭建完整控制系統,完成系統軟、硬件調試;(6)測試驗收,撰寫設計報告。本實訓的深度可根據實際情況靈活調整,如在完成基本內容的基礎上可增加遠程遙控。該課題可以由2～3位同學一起完成。采用開放式實訓形式,學生自主完成,教師作必要的指導。

微控制器模塊化綜合實訓平臺不同于常見的實驗箱,大致可將其分為主板和功能模塊兩大部分，使用者根據需求自行連接。該平臺不但功能強大、結構清晰、端口開放，而且便于使用和攜帶、方便教學，適合各類想要學習單片機的人群。可以有效地調動使用者的積極性，激發其創造性思維能力。微控制器模塊化綜合實訓平臺的設計與研究依托于江蘇省大學生科技創新課題，目前已經被應用于 “南京工程學院自動化學院卓越工程師班”的單片機系統設計及應用的教學中，學生、老師對其反應良好。

[1]鄒應全.單片機原理與實驗教程[M].西安：西安電子科技大學出版社,2007.

[2]江世明.模塊化電子實驗平臺的構建與創新型人才培養的研究[J].電氣電子教學學報，2008，30(2)：98-100.

[3]伍馮潔,謝陳躍,黃文愷.Proteus在虛擬單片機實驗教學中的應用[J].實驗室科學,2009(3)：101-103.

[4]Intel.MCS-51 family of single chip microcomputers user′s manual[Z].1981.