單片機技術課程啟發進階式實驗教學探索

唐露新， 范航郡， 吳黎明， 李 揚

(廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州510006)

0 引 言

單片機技術是現代電子控制的基本技術，廣泛用于家電、工農業、軍工、航空和醫療等行業，單片機性價比高、可靠性高、使用方便、發展迅猛。現在市面產品廣泛應用的單片機由4 位、8 位已經發展到32 位，主要流行C51、AVR 和ARM 等多個系列的單片機，匯集了人機界面、AD 與DA 轉換、信號處理和通信等功能，功能越來越強大。在此背景下，單片機技術已成為電子類相關工科大學生必須掌握的技能［1-2］。

單片機技術特點鮮明，容易組成小系統，形成趣味和直觀實驗，但初學者往往覺得環節太多、無法把握，單個環節出錯往往影響整體，尤其嵌入式單片機等新技術更難掌握［3］。曹建樹等從教材、教學方法和能力培養等進行系列單片機教學改革，取得較好的效果［4］。譚亞麗通過編寫特色教材和研發實驗裝置，采用典型案例、主動學習和設計的方法，優化單片機實訓內容和方法［5］。但是對單片機的實驗方法還不夠細致，重點不夠突出，因此有必要對傳統教學方法改革，在初步掌握部分理論概念的基礎上，以單片機典型實驗的關鍵點為主的教學方式，由淺入深建立單片機系統概念，提高興趣;進一步通過單片機系統擴展實驗、設計與綜合實驗等進階實驗，有機結合其他專業知識，使學生進一步深入;在此基礎上還可以學習更高級的嵌入式單片機實驗，根據自己的需要，掌握完成各種單片機技術［6］。我們圍繞51 系列和嵌入式兩類單片機，開發了具有應用對象的典型單片機實驗裝置，采用進階式、啟發式和關鍵知識點的教學方式，制定顯示、輸入、控制和檢測等典型案例教學實驗，形成了由淺入深、多樣化實驗體系。

1 單片機技術與課程特點

1.1 單片機技術體系

單片機技術主要內容包括MCU 處理器、顯示與按鍵處理、數字量與模擬量信號輸入與輸出、外界通信等四大部分，由于需要組成完整系統，才能觀測工作過程，所以每一部分效果難以單獨直觀顯現，給初學者帶來一定困難。系統組成通常有仿真和實物制作兩種方法，軟件仿真不需要組成實際系統，容易實現，但是與實際還是有不少差別;實物制作不僅需要掌握軟硬件技術，而且還需要有一定的布線和焊接工藝水平，成本較高，周期較長，接近實際產品。另外還可以連接檢測控制對象，傳統的傳感器、自動控制、信號處理等課程的東西可以方便實現。

因此在許多電類專業中，單片機技術一般作為專業的核心課程，例如測控技術與儀器、電子信息工程等專業的核心課程，與之相關的課程包括微機原理、傳感器技術、自動控制理論和信號處理等，因此單片機課程綜合性較強，要求學生具有一定電路基礎、編程能力和邏輯思維能力。必須更加注重實踐，才能起到關鍵和綜合的作用。

單片機技術中目前應用最為廣泛的是8 位的C51系列單片機和16 與32 位的ARM 處理器的嵌入式單片機兩大塊，通常為兩門獨立課程，后者作為高級選修課程，具有一定難度，但目前較復雜的控制場合均采用計算處理和通信功能強大的ARM 處理器［7］，因此我們采用這兩種典型單片機進行實踐教學。

1.2 單片機課程教學方法

一般單片機課程教學采用“理論為主，實驗為輔”的教學模式［8］。先在課堂上講授，從單片機組成、CPU、匯編指令，到接口、中斷和應用等。實驗課相對理論課稍晚些開設，實驗主要針對基本功能驗證，以達到理解和掌握基本內容的目的。這樣教學比較系統全面，但有些繁瑣、復雜，許多學生難以系統把握。

通過分析學生基礎和單片機技術的特點，采用以實踐為主、由淺入深的進階式教學方法，針對必須具有功能和內容，抓住學習重點，采用最簡方法搞清楚單片機的基本原理和工作過程，然后再深入學習擴展與應用技術、嵌入式單片機等，其特點如下:①綜合考慮C51 單片機和嵌入式ARM 單片機的實驗體系，進行分階段要點式的教學，在完成初級單片機功能基礎上，學習更高級的ARM9 單片機系統，實現社會需求的更高級功能。②對C51 單片機實驗采取進階式學習方法，劃分為基礎實驗、進階實驗和綜合實驗，對不同學習能力和就業需求，按照不同程度學習。重點加強基礎實驗和綜合實驗，如綜合實驗是專業級的實驗，一般有1名熟練掌握的學生組成3 人小組實驗。

1.3 單片機實踐教學規劃

表1 所示為基礎51 單片機進階式實驗的分類與主要教學內容，實驗分為基礎實驗、進階實驗和綜合實驗三個階段:

(1)基礎實驗。通過驗證單片機基本功能，掌握基本理論知識。將實驗內容按功能分類，要求學生通過鍵盤和發光二極管、串行通信等簡單實驗掌握相應基礎理論知識，熟悉單片機實驗操作、電路和編程。

(2)進階實驗。使用單片機控制小系統進行進階實驗。將基礎實驗模塊組合，實現一定檢測控制功能的小系統，建立系統概念。

(3)綜合實驗。在進階實驗的基礎上進行功能改進，糅合多種功能模塊到實驗系統中并通過增加或改變某方面功能的要求，帶動學生思考和探究。

嵌入式實驗分為基礎和創新系統兩個實驗階段:

(1)基礎實驗。基礎實驗分為裸機實驗和嵌入式操作系統實驗，分別學習其中的硬件和軟件功能。

(2)創新系統實驗。選擇既有實用價值又具有知識綜合性的課題進行項目實驗。引導學生將知識運用到實際應用當中。

2 C51 單片機小系統進階實驗教學

2.1 C51 單片機小系統原理與特點

單片機小系統主要由時鐘、復位、電源、控制等模塊組成，比通常硬件控制電路更具綜合性和系統性，與PC和嵌入式控制系統相比，簡單、容易理解掌握。將學生在基礎實驗過程當中所學到的時鐘、電源、控制等知識結合起來，指導設計出交通信號燈系統、步進電機控制系統等控制小系統，從而形成更具趣味性和觀賞性的綜合實驗。

表1 基礎51 單片機實驗

2.2 進階式實驗教學方法

進階式教學就是實驗難度由易到難、實驗內容由淺入深、實驗項目由簡到繁。通常需要學習基礎實驗和進階實驗，先熟悉系統和驗證實驗，掌握單片機結構及實驗操作過程，然后驗證顯示、鍵盤、A/D 轉換、串行通信等基本功能。需要獨立進行實驗操作、掌握電路、自己編程，打好扎實基礎。在此基礎上再進入到小系統的進階實驗和綜合實驗環節，將各個基本功能模塊糅合在一起，并且加上一些附加電路，形成具有相互關系的控制小系統，掌握檢測控制系統全貌。

以溫度測量的小系統為例，首先制定實驗目標，要求實現溫度檢測并在LCD 屏上顯示;學生在實驗裝置上選擇適當的模塊搭建硬件電路，再通過軟件編程實現信號處理和控制，完成溫室檢測的模擬。

搭建硬件電路的過程需要結合傳感器課程內容，采用DS18B20 作為溫度傳感器，將測得的溫度信息轉換成數字信號送入單片機。其中DS18B20 使用外部供電方式，與單片機的P2 口連接進行數據傳輸。顯示模塊采用能顯示大量字符的HD44780 液晶顯示器，與單片機的P1 口進行數據通信。

上述實驗中的單片機還有多余I/O 口未用，于是要求學生利用實驗裝置，給系統添加一個加熱管，可以實現自動溫度控制的功能。在此過程中會學到很多實踐經驗。例如端口接入矩陣鍵盤，學生問到為何判斷鍵盤是否按下要用“if((P1＆0xf0)! =0xf0)”而不是像之前基礎實驗時那樣用“if P1!=0xf0”?這是因為在系統應用中要屏蔽P1 口其他位造成的干擾，這種實踐經驗和技巧在基本實驗內容中是學不到的。

綜合實驗將電路、計算機編程、傳感器技術等課程有機結合在一起，組成完整單片機系統，不僅加深了對單片機系統的理解，更重要的是隨著實驗要求提高而開動腦筋，積極探討與研究，從而獲得實際操作經驗，提高了自主學習能力。

3 單片機系統教學資源開發

結合地方經濟和課程體系，通過一系列的教改項目，我們有針對性開發了精品課程、實驗裝置、教材和教學網站等單片機教學資源。建設了單片機原理精品課程［9］，重點編寫了“單片機原理與應用技術”［10］、“嵌入式系統設計與開發”［11］以及相應的實驗教材，考慮到嵌入式單片機學習的難度，建立了“面向嵌入式技術的單片機技術”專題學習網站建設［12］。

傳統實驗箱由專用教學設備供應商提供，集成了基本功能模塊，且實驗模塊已封裝好，學生在實驗過程中按部就班操作驗證模塊功能，無法看到內部數據和電路原理連接線，無法詳細編程和改變電路，還需要配另外檢測設備和信號發生器。

沒有合適的實驗裝置，也難以開展好進階式實驗教學。為此我們立項實驗設備研發的教改課題，根據教學需求有針對性先后開發了基于51 的“單片機技術綜合實驗開發裝置”［13］和“嵌入式多功能單片機實驗教學平臺”［14］，已用于教學實驗多年，前者經改進完善，申報獲得國家實用新型專利［15］。如圖1 所示，該裝置使用MCS-51 和AVR 的雙單片機結構組成，帶有檢測儀器和監測功能的綜合實驗平臺。其中MCS-51實現實驗編程功能、AVR 單片機實現儀器監測功能，開發帶有虛擬儀器，集成簡易數字信號發生器、示波器、邏輯分析頻率計四大功能，方便學生在實驗中檢測數據和調試電路，有利于學生深度理解實驗原理。

圖1 單片機綜合實驗裝置原理框圖

單片機綜合實驗裝置框圖如圖1 所示，集成了數碼管、步進電機、溫度/亮度傳感器等模塊，根據需要可以組成多種控制小系統。能夠完成交通燈的控制、步進電機的控制、溫度/亮度的采集、顯示、PWM 控制、直流電機的控制等綜合實驗。一系列的單片機課程獨立的小系統實驗的結合，組成了較完整的單片機系統綜合實驗，并可以進行虛擬實驗。

由于該實驗裝置具有實驗需要的電源、信號源、控制對象、分析儀器等，使進階式實驗教學效果具有基本保障，學生能夠方便在一套系統中進行所有實驗，并進行測試，解決實驗設備不配套的問題。

4 嵌入式單片機小系統實驗

4.1 復雜單片機的漸進式學習

隨著嵌入式單片機技術的普及，常用嵌入式芯片已經到了32 位，功能很強、軟硬件更加復雜，所以都將嵌入式單片機作為選修課程。通常利用在C51 單片機學習過程中建立起的概念和基礎知識，容易進入嵌入式單片機學習。

表2 為兩種單片機，ARM9 處理器在主要性能指標比C51 單片機強大很多［7］。先利用ARM9 單片機實現C51 單片機實驗內容，第二步完成C51 單片機所不能實現的操作系統功能，第三步進行綜合實驗。

表2 C51 單片機內核與ARM9 處理器主要指標

4.2 嵌入式單片機實驗原理與特點

嵌入式系統通常由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及應用軟件系統等四部分組成。任何一個嵌入式系統都是軟硬件相互結合、協調運行的整體，因此難度更大，只有了解各個系統軟硬件模塊之間的聯系，才能深層次的理解整個系統。

嵌入式開發軟件平臺分為兩種:①裸機程序，沒有移植任何操作系統;②根據硬件平臺和開發需求先移植一個操作系統，然后在操作系統的平臺中進行應用軟件的開發。后者也是嵌入式系統與單片機系統最大的不同之處。

4.3 嵌入式單片機進階式實驗教學法

表3 為嵌入式單片機進階實驗內容，嵌入式單片機綜合性技術與綜合性更強，所以基礎驗證實驗部分不僅需要實現個體模塊功能，而且要求實驗覆蓋面到嵌入式處理器、外圍電路、各類外設接口、嵌入式操作系統、板級支持包以及嵌入式應用等方面，才能更好地理解嵌入式單片機系統組成，增強系統概念。

表3 嵌入式單片機實驗

例如串行通信實驗，可以穿插鍵盤與液晶顯示的實驗內容，可在有限課時中壓縮驗證實驗比重，而又靈活結合基礎實驗內容，可謂一舉兩得。進階實驗為操作系統實驗，針對既有實用價值又具有綜合知識的實驗。以溫度監測系統為例，采用S3C2440 微控制器、DS18B20 為溫度傳感器，在Linux 操作系統平臺上設計溫室多點溫度監測系統。

多點溫度監測實驗需接入多個溫度傳感器，且要有時序控制。學生根據芯片手冊的邏輯時序圖完成傳感器驅動程序編寫。在GPG0 接口掛接多個DS18B20溫度傳感器，并對DS18B20 的DQ 端精確時序控制。實驗在Linux 環境下運行，學生完成驅動程序編寫之后，還要編寫系統應用程序，使操作系統打開后通過進程調度對驅動進行操作，實現多點溫度監測。

該系統實驗結合了軟件和硬件元素，知識綜合性和實用價值很強。相比起8 位單片機，ARM 在數據處理和網絡控制方面功能更強。可以在課程設計等后續的學習安排中對本系統改進，實現Internet 遠程監測、溫度控制等。此舉可幫助學生突破從普通實驗到實際設計過程中的瓶頸，為今后工作打下良好基礎。

5 結 語

經過10 多年探索和實踐，特別是配合教材建設、實驗裝置開發和產學研結合等實踐教學改革，有效提高學生學習單片機的積極性和效率，確立了單片機課程的核心地位，帶動了其他課程教學，啟發進階式實驗教學的作用和效果如下:

(1)在單片機教學中，啟發進階式實驗教學必須與相關實驗裝置和自編理論與實驗教材配套使用，形成系統，才能取得較好的教學效果。

(2)這種教學實驗方法簡潔明了、重點突出、效果明顯，實驗裝置綜合了調試檢測儀器，比較適合課外自學和提早學習，我們以前單片機技術課程通常在第4 ～6 學期才開設，一部分動手能力很強的學生都會在大一提前學習，該方法對他們特別有效，帶動了學生學習的興趣、主動性和積極性。

(3)通過我校10 余屆四個專業方向的本科生和多屆研究生教學，該方法不斷改進，使學生重點把握能力和學習效率都有大幅度提高，學生學到了很多只有通過實踐才能學到的經驗技巧。

(4)由于具有檢測和控制的多種綜合實驗，使學生容易掌握單片機應用的專業技術，在各種綜合課程設計、挑戰杯科技作品、電子設計等競賽中，普遍都有良好發揮，我院學生最近連續兩屆獲得全國挑戰杯科技作品一等獎各1 項。在教師科研和企業產品研發生產工作中，也體現較好的軟硬件技術工作能力。

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