ISP系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

韓宇光

(華東理工大學(xué) 電子信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，上海 200237)

我國(guó)大多數(shù)工科院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，偏重實(shí)驗(yàn)操作的模仿[1]，不利于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。為了讓實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容具有創(chuàng)新性，讓學(xué)生能夠自主設(shè)計(jì)，研制并開(kāi)發(fā)出ISP(在系統(tǒng)可編程)系統(tǒng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

ISP器件是先進(jìn)的可編程器件，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要編程器即可直接對(duì)安裝在目標(biāo)板上的ISP器件進(jìn)行編程，而且編程調(diào)試都很方便。ISP技術(shù)無(wú)須改動(dòng)印刷電路板，并且可在不取下器件的情況下，直接在芯片上對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和編程[2]。基于ISP開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目下載方便，學(xué)生可以一鍵下載，即時(shí)快速地看到自己編寫(xiě)程序的結(jié)果，以便快速修改程序，極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)ISP系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)流程如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新平臺(tái)流程

每個(gè)環(huán)節(jié)都由學(xué)生都親自完成，極大地提高了學(xué)生的思維能力和動(dòng)手能力，提高了學(xué)生對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程的了解。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)較傳統(tǒng)意義的實(shí)驗(yàn)箱有所改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)箱完成的是每一個(gè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)好的模塊內(nèi)容，只是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生幾乎是軟件的編寫(xiě)而已。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)概括了整個(gè)一個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，涉及大量的軟件和硬件，學(xué)生從硬件開(kāi)發(fā)到軟件調(diào)試每一步都經(jīng)歷其中，這快速提高了學(xué)生編寫(xiě)程序和硬件調(diào)試的能力。創(chuàng)新平臺(tái)的項(xiàng)目都是基于實(shí)用性開(kāi)發(fā)的，學(xué)生設(shè)計(jì)成功的作品可以應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中，因而極大地增強(qiáng)了課程的實(shí)用性和趣味性[3-5]。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

主體芯片是利用ATMEL公司的AT89S51芯片，完全兼容原先的AT89C51芯片，和教材中的芯片無(wú)縫對(duì)接，這樣學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識(shí)馬上就能應(yīng)用于實(shí)踐，學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于創(chuàng)新實(shí)踐，利用實(shí)踐強(qiáng)化和加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，形成很好的良性循環(huán)。

開(kāi)發(fā)的ISP創(chuàng)新項(xiàng)目——時(shí)鐘鬧鈴系統(tǒng)見(jiàn)圖2，其中有機(jī)械按鍵控制液晶屏幕1602顯示，以及對(duì)于時(shí)鐘芯片DS1302的使用。利用按鍵編寫(xiě)調(diào)節(jié)時(shí)鐘的程序，利用液晶1602顯示時(shí)間，包括年月日時(shí)分秒和星期。利用DS1302時(shí)鐘芯片讀出時(shí)間內(nèi)容[6]，其中涉及到了芯片的時(shí)序的讀寫(xiě)，學(xué)生真正感受到了實(shí)際項(xiàng)目中讀寫(xiě)芯片手冊(cè)的過(guò)程，然后也可以設(shè)定鬧鐘時(shí)間并自動(dòng)鬧鈴。學(xué)生可以把完成的作品帶回去，并在生活中使用，方便了他們?cè)O(shè)定起床時(shí)間和上課時(shí)間。

圖2 ISP時(shí)鐘鬧鈴系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)的ISP創(chuàng)新項(xiàng)目——超聲波測(cè)距系統(tǒng)見(jiàn)圖3，超聲波測(cè)距儀的測(cè)量原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物被返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。有：s=v×t/2，s為距離，v為聲速，t為超聲波往返傳播的時(shí)間。聲音傳播的速度為340m/s，這樣便可測(cè)出距離。該實(shí)驗(yàn)涉及到超聲波傳感器的使用、共陽(yáng)數(shù)碼管的使用以及按鍵選擇的功能。該項(xiàng)目很好地應(yīng)用了51單片機(jī)外部中斷知識(shí)點(diǎn)，利用外部中斷開(kāi)始和結(jié)束定時(shí)計(jì)算出整個(gè)發(fā)射和接收的時(shí)間。該項(xiàng)目使得人們對(duì)于一些不方便進(jìn)入的房間能夠進(jìn)行距離測(cè)量，也能對(duì)一些不規(guī)則空間進(jìn)行測(cè)量，這在實(shí)際的生活中也是有很大用處的。

圖3 ISP超聲波測(cè)距系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)的ISP創(chuàng)新項(xiàng)目——溫度測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖4，利用A/D芯片ADC0809接收溫度模擬傳感器LM35傳來(lái)的模擬量，模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后接入主控芯片，然后驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示當(dāng)前的室內(nèi)溫度；設(shè)定溫度上限，溫度過(guò)限后顯示閃爍然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行降溫，形成一個(gè)帶負(fù)反饋的控制過(guò)程，模擬實(shí)際工廠生產(chǎn)中對(duì)于溫度的測(cè)量以及后續(xù)的控制[7]。

圖4 ISP溫度測(cè)量系統(tǒng)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

編程軟件選擇Keil公司的Keil uVision3，這款軟件具有芯片種類齊全、調(diào)試Debug功能強(qiáng)、易于上手操作等諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)于初學(xué)單片機(jī)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，容易掌握，提高學(xué)生的編程調(diào)試速度，整個(gè)軟件調(diào)試過(guò)程見(jiàn)圖5

圖5 軟件調(diào)試過(guò)程

下載軟件使用雙龍下載軟件，見(jiàn)圖6，首先選擇串并口，這里選擇LPT1并口下載；選擇使用的芯片種類，這里選擇AT89S51芯片；然后在Flash存貯器中選擇在Keil中生成的HEX文件，點(diǎn)擊編程進(jìn)行下載。

圖6 雙龍下載軟件界面

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目?jī)?nèi)容

(1) 測(cè)量實(shí)驗(yàn)：學(xué)習(xí)利用LM35模擬溫度傳感器和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片配套，或者DS18b20三線式數(shù)字溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度或生產(chǎn)過(guò)程溫度。

(2) 顯示實(shí)驗(yàn)：學(xué)習(xí)使用數(shù)碼管顯示數(shù)字，以及學(xué)習(xí)可以顯示更多信息的液晶屏幕1602。

(3) 報(bào)警實(shí)驗(yàn)：學(xué)習(xí)使用報(bào)警的多種方法，其中有蜂鳴器的連續(xù)響聲以及顯示屏幕的閃動(dòng),驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行PID直接控制[8-10]。

(4) 通信實(shí)驗(yàn)：學(xué)習(xí)單片機(jī)與電腦的232通信，以及在PC機(jī)上用VB編寫(xiě)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)測(cè)量溫度的連續(xù)輸出和時(shí)間的更新，電腦顯示溫度如圖7所示。

圖7 單片機(jī)測(cè)溫電腦顯示

3.2 平臺(tái)特色與創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 單片機(jī)所有的I/O口都有擴(kuò)展接口插針，學(xué)生完成本次項(xiàng)目之后，可以利用主體開(kāi)發(fā)板進(jìn)行以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)，形成課程的延續(xù)性。

(2) 所開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目都是生活實(shí)際中應(yīng)用到的項(xiàng)目，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際的關(guān)系，避免了教師教、學(xué)生模仿的模式，形成了學(xué)生主動(dòng)探索的模式。

(3) ISP系統(tǒng)快速下載，減少了學(xué)生學(xué)習(xí)下載器的壓力，程序可以在線調(diào)試，無(wú)須改動(dòng)任何硬件，也不必像STC系列單片機(jī)關(guān)閉、開(kāi)啟才能下載的模式，學(xué)生可以很快地把自己的想法變成現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的操作性[11]。

3.3 成果分析

(1) 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是與課程建設(shè)相適應(yīng)的自主研發(fā)的創(chuàng)新平臺(tái)，節(jié)省了購(gòu)置實(shí)驗(yàn)儀器的費(fèi)用。

(2) 該平臺(tái)使信息工程、自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器等電類及部分非電類本科專業(yè)學(xué)生從中受益，極大地激發(fā)了他們對(duì)于單片機(jī)學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣[12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況，利用人才科研優(yōu)勢(shì)與實(shí)驗(yàn)條件，研制出基于51單片機(jī)的聯(lián)系實(shí)際的ISP系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)踐證明，該平臺(tái)能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)和C語(yǔ)言的熱情，促進(jìn)學(xué)生對(duì)于單片機(jī)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與動(dòng)手實(shí)踐的能力，具有很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與窗口示范作用。

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