單片機(jī)自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)及其在創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用

李翠翠

摘要：在單片機(jī)的學(xué)習(xí)中，動手能力和創(chuàng)新思維尤為重要，單片機(jī)自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺既是為輔助教師課堂教學(xué)，同時也是為滿足學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)和自我訓(xùn)練而開發(fā)的。本文以實(shí)例介紹實(shí)驗(yàn)平臺的搭建，說明其在創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用和意義。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)自主學(xué)習(xí)平臺；創(chuàng)新實(shí)踐；應(yīng)用；意義

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）46-0279-02

鑒于單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，許多理工科專業(yè)都設(shè)置了專門課程。單片機(jī)課程教學(xué)的特點(diǎn)就是對實(shí)踐性的強(qiáng)調(diào)。現(xiàn)今較多使用的實(shí)驗(yàn)平臺即教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，存在著許多問題，比如價(jià)格較高，難以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的熱情，實(shí)驗(yàn)用到的電路和程序的固定的，不夠靈活，難以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的思考能力和動手能力，難以滿足教學(xué)要求。僅僅依靠課堂內(nèi)極有限的訓(xùn)練，不足以加深學(xué)生或初學(xué)者對單片機(jī)課程的理解。

單片機(jī)自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺是為了解決這個問題而開發(fā)的，它通過學(xué)生自己動手實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力，挖掘?qū)W生在在線仿真和二次開發(fā)方面的才能，有助于引導(dǎo)學(xué)生，并可以滿足自主學(xué)習(xí)、課程和畢業(yè)設(shè)計(jì)、課外創(chuàng)新實(shí)踐等多方面的需求。

下面以實(shí)際應(yīng)用為例，來探討單片機(jī)自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用和其在創(chuàng)新實(shí)踐方面的意義，并總結(jié)一些改革單片機(jī)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的思路和體會。

一、單片機(jī)自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺的搭建思路

1.單片機(jī)自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺的幾種可能性和特點(diǎn)。單片機(jī)自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺可以根據(jù)不同要求和需要制作各種不同風(fēng)格不同用途的單片機(jī)用于教學(xué)實(shí)踐和學(xué)習(xí)演練。無論單片機(jī)的類型、廠牌、型號、架構(gòu)如何變化，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺都具有以下特點(diǎn)：其工作的基本條件都在于穩(wěn)定的直流電源和穩(wěn)定的時鐘信號，并且需要有復(fù)位信號；必須能夠在線編程（ISP），否則在實(shí)踐中將被淘汰；要可外接人機(jī)界面器件用以信號的輸入和輸出。

而單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的區(qū)別則表現(xiàn)在電源電壓、時鐘頻率、時鐘發(fā)生器電路設(shè)計(jì)、復(fù)位信號及其有效電平和外接電路、在線編程等各方面的不同上。如電源電壓以+5V為多，也有少數(shù)+3V。時鐘頻率則表現(xiàn)在最高工作頻率和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)波特率的頻率兩方面的不同。而有效電平則以采用低電平的較多，只有傳統(tǒng)的如80C51采用高電平。在線編程的區(qū)別最大，同屬于80C51兼容品的單片機(jī)就不盡相同，AT89S51的ISP采用SPI接口，而P89C51則采用UART接口，SM59R16A5又采用I2C接口，還有C8051Fxxx采用JTAG接口等等。除上述之外封裝、引腳排列、引腳數(shù)量、引腳功能、架構(gòu)、位寬、內(nèi)部集成的單元電路的功能和數(shù)量等都會有細(xì)小的不同。

根據(jù)這些特點(diǎn)，在界定基礎(chǔ)板和適配卡電路功能以及規(guī)劃適配卡時我們就有了參考的依據(jù)。

2.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)思路。插卡式、積木化、開放式的平臺設(shè)計(jì)較為實(shí)用，可由多種多塊電路板、電路卡或電路模塊組成系統(tǒng)。其主要分為三大類，即基礎(chǔ)板、適配卡和外接模塊。連接基礎(chǔ)板與適配卡可采用168針的卡槽，這樣觸點(diǎn)足夠多，可以轉(zhuǎn)接引腳多達(dá)百余條的高端單片機(jī)。連接基礎(chǔ)板與外接模塊可統(tǒng)一采用10芯排線，以方便選配組合。

基礎(chǔ)板作為整個實(shí)驗(yàn)平臺的臺基只有一種一塊。適配卡可配備多種，多少種適配卡，就能在該實(shí)驗(yàn)平臺學(xué)習(xí)同樣多種單片機(jī)，只是注意具體選擇某種單片機(jī)進(jìn)行教學(xué)和實(shí)驗(yàn)時，就只插接裝有該種單片機(jī)的一塊適配卡。外接模塊可用于基礎(chǔ)板的拓展，使用時可以按照需求同時連接多種多塊。

基礎(chǔ)板的設(shè)計(jì)主要在于板上不焊裝任何單片機(jī)，板上設(shè)置一個168針卡槽作為接口，用于插接裝適配卡。板載電路的功能單元以能滿足常規(guī)需要為原則。選接單元電路到卡槽可用9只8聯(lián)同體的撥碼開關(guān)來，方便搭建電路，免用跨接連線。可預(yù)留了6組10芯插針，以備跨接擴(kuò)展外接模塊。適配卡的設(shè)計(jì)只要為不同單片機(jī)分別研制一款適配卡就行。外接模塊的設(shè)計(jì)則主要把基礎(chǔ)板上不具備不常用、造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能獨(dú)立的單元電路分離出來，單獨(dú)規(guī)劃和制作外接模塊，以備選用。

二、單片機(jī)自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)際應(yīng)用

1.實(shí)驗(yàn)平臺的搭建。實(shí)驗(yàn)平臺的批量單價(jià)不宜過高，大約百元左右。這里硬件方面選用凌陽公司（Sunplus）的SPCE061A精簡開發(fā)板61A板，其配置的Flash存儲器和數(shù)據(jù)RAM容量較大、多路A/D和D/A電路，并且具有在線仿真的功能。軟件開發(fā)系統(tǒng)則選用unSPIDE開發(fā)軟件，它將編緝、匯編/編譯、連接、調(diào)試和代碼下載等功能集為一體。

61A板是作為一款低價(jià)單片機(jī)學(xué)習(xí)/實(shí)驗(yàn)板，以16位單片機(jī)SPCE061A為核心，其板面布局為，通過板上S5跳線，即可選擇EZ_PROBE或PROBE在線下載/仿真方式；拔去S5跳線后則可以脫機(jī)方式工作。SPCE061A精簡開發(fā)板內(nèi)嵌的32K字閃存（FLASH）和在線仿真電路（ICE）可在線編程、調(diào)試、仿真和運(yùn)行相當(dāng)規(guī)模的應(yīng)用程序。如利用該板的32位I/O接口（PORTA/B），可接入多種配套模組或自行開發(fā)的應(yīng)用電路板，以適應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用方面的要求。

61A板核心器件SPCE061A微控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要性能包括16位μnSP微處理器；0.32MHz～49.152MHz的CPU時鐘，且內(nèi)置2 K字SRAM；用于編程音頻處理的內(nèi)置32K的FLASH存儲器；16位可編程定時器/計(jì)數(shù)器兩個；10位DAC（數(shù)-模轉(zhuǎn)換）輸出通道兩個；32位通用可編程輸入/輸出端口；中斷源可來自定時器A/B十四個；外部時鐘源輸入兩個；鎖相環(huán)PLL振蕩器，用以提供系統(tǒng)時鐘信號；32768Hz實(shí)時時鐘；7通道10位電壓ADC（模-數(shù)轉(zhuǎn)換）和單通道聲音ADC；聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制（AGC）功能；具備同步串行SPI和異步串行UART接口；內(nèi)置在線仿真電路ICE接口；具有保密能力；具有WatchDog。

61A板可利用PROBE下載線或EZ_PROBE下載線連接PC機(jī)并行打印口，在PC機(jī)端集成開發(fā)環(huán)境unSPIDE中開發(fā)應(yīng)用程序，建立工程項(xiàng)目，匯編語言/C語言程序的編輯、匯編/編譯、鏈接以及下載調(diào)試的整個軟件設(shè)計(jì)過程都可在此開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。

2.教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。構(gòu)建一套在61A板實(shí)驗(yàn)平臺上的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，并編寫相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指南，進(jìn)行SPCE061A單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，或編程/接口技術(shù)基礎(chǔ)訓(xùn)練。可供選擇的實(shí)驗(yàn)有，按鍵點(diǎn)亮發(fā)光二極管、數(shù)碼管循環(huán)顯示、SPCE061A控制圖形LCD顯示、A/D數(shù)據(jù)采集、SPCE061A與USB接口實(shí)現(xiàn)USB通訊、編寫unSPIDE環(huán)境中的C語言程序、調(diào)用unSPIDE環(huán)境中C函數(shù)、unSPIDE中的C語言嵌入式匯編等。

3.應(yīng)用案例。自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺在大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品賽、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽和大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等大賽培訓(xùn)訓(xùn)練中完成了多個課外科技實(shí)踐項(xiàng)目，并取得了較好的效果。下面以“帶語音提示的便攜式顏色辨別儀”為例，說明實(shí)驗(yàn)平臺在自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐中的作用。

要實(shí)現(xiàn)顏色識別有多種途徑，比如可以利用由Sunplus公司大學(xué)計(jì)劃提供的一個圖像識別模組與61A板直接接口來實(shí)現(xiàn)，但這種方案的缺點(diǎn)在于硬件開銷較高，軟件處理較為復(fù)雜。因?yàn)槠湟揽緾MOS圖像傳感器來采集物體圖像信息，需要通過圖像處理DSP才能識別顏色。更為致命的是，這個圖像識別模組識別率底下僅能識別幾種特定顏色，其原因在于使用了專門定制的低端DSP（SPCA563A）。因此可重新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，使用新近推出的顏色傳感器TCS230檢測顏色，利用SPCE061A單片機(jī)為核心，加入語音提示功能。其結(jié)果就是一種結(jié)構(gòu)簡單，具有較強(qiáng)的顏色識別能力，使用簡便的辨色裝置。

在課外科技實(shí)踐項(xiàng)目中，學(xué)生在設(shè)計(jì)方案、軟硬件和PCB板，制作調(diào)試原型機(jī)，測量數(shù)據(jù)，寫作科技論文報(bào)告的過程中都可得到扎實(shí)的訓(xùn)練，其單片機(jī)技術(shù)能力和學(xué)科綜合素質(zhì)也可得到提高。

三、單片機(jī)自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺在創(chuàng)新實(shí)踐中的意義

單片機(jī)類課程的教學(xué)要點(diǎn)即實(shí)踐，因此需要用開放的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺能夠激起學(xué)生的興趣。如何去激發(fā)和滿足這種興趣就是我們應(yīng)當(dāng)遵循的教學(xué)思路和方式。自主學(xué)習(xí)、開展課外創(chuàng)新實(shí)踐活動需要學(xué)生在程序在線下載、軟硬件在線仿真調(diào)試得到扎實(shí)的訓(xùn)練，因此較為廉價(jià)且具有多樣靈活特點(diǎn)的自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺必將受到喜好動手和創(chuàng)新的學(xué)生及單片機(jī)愛好者的喜愛，并激勵學(xué)生在實(shí)踐中創(chuàng)新，在創(chuàng)新中實(shí)踐。

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