口袋式單片機實驗系統研制與應用

石 飛, 陳 娟, 王建英, 趙彩蕓, 李金欣, 房俊杰

(新疆大學 信息科學與工程學院, 新疆 烏魯木齊 830046)

單片機原理及應用課程是電子信息類專業開設的一門重要的專業基礎課程,其相應的實驗教學在培養學生的動手能力、創新能力和思維能力等方面起著至關重要的作用,這就對實驗教學提出了更高的要求[1-2]。

目前,市場上生產的教學實驗系統雖然功能眾多,但是存在結構不合理,設備穩定性差、效率低下，設備價格昂貴、維修困難等問題難以解決，這些教學設備在下載過程中需要額外的下載器和電源,并且實驗過程中多以插線為主,在使用和功能上也很難滿足自身教學的需求,甚至存在與教學內容都不一致的情況。另外,教學設備體積大,不便于攜帶。

解決實驗教學設備問題行之有效的辦法是高校結合自身實際情況進行自主研制設備。為此,本項目組結合多年實驗教學和科研的經驗,自主研制了一款口袋式單片機實驗系統。自制的實驗設備具有很強的實用性,低成本,易于維護,并且能與自身的理論教學緊密結合且相互促進[3-6]。

1 設計思想

近年來,隨著電子設計技術的發展,單片機在片上資源擴展、技術指標方面取得了很大進步,新器件的功能更加豐富。然而,新研制的單片機系統不僅要滿足教學的要求,還要為學生進行課外創新、課外實驗提供有力的支持,鑒于以上的考慮,設計過程中主要從以下幾個方面著手:

(1) 系統體積小且便于攜帶,將單片機下載功能、串口通信功能、系統供電功能集成在一個USB接口上實現；

(2) 為了讓學生能扎實掌握常用的通信協議,學會根據時序圖通過軟件模擬實現協議時序,在一般系統常用外設的基礎上,增加了多種通信協議接口,如SPI接口、I2C接口以及單總線數據接口；

(3) 提供多種形式的通信接口,包括有線通信(串口通信)和無線通信(藍牙通信)；

(4) 引入新的模塊,如OLED顯示、藍牙模塊；

(5) 元器件盡量選用貼片封裝,電路連接盡量固定,以免實驗中手工連線造成系統的不穩定；

(6) 多余的IO預留出來,以便進行擴展實驗。

2 硬件系統設計

2.1 系統結構

整個系統由輸入單元、顯示單元、傳感器單元、邏輯控制單元、外設單元和通信單元組成,口袋式單片機實驗系統設計框圖如圖1所示。

圖1 口袋式單片機實驗系統設計框圖

2.2 邏輯控制單元電路設計

圖2 邏輯控制單元電路原理

2.3 串口下載、通信及供電單元設計

為了克服傳統單片機實驗系統的下載功能、供電功能與單片機核心系統相分離,以及體積大且不易攜帶的弊端,本系統將串口通信、程序下載以及供電功能集成在一個USB接口上,極大節省了設計空間,實現了只需要一根USB線與電腦連接就可完成上述功能,其電路原理見圖3。

圖3 串口通信、下載和供電單元電路原理圖

3 口袋式單片機實驗系統教學應用案例

3.1 口袋式單片機實驗系統

口袋式單片機實驗系統不僅可以作為電子類的多個教學平臺,比如單片機原理及應用實驗,電路制作工藝以及電工實習等; 還可以支持大學生進行創新活動。其系統實物圖如圖4所示。

圖4 口袋式單片機實驗系統實物圖

3.2 口袋式單片機實驗系統實驗內容

該系統已經應用到信息科學與工程學院的電子信息工程、通信工程和計算機專業的單片機課程,可進行的實驗分為基礎實驗、進階性實驗、系統綜合設計性實驗,其課程結構框圖如圖5所示[7-8]。

(1) 基礎實驗內容涵蓋單片機自身固有的資源,包括IO口、定時計數器、中斷、串口通信等的使用。本階段的實驗要求采用匯編語言編寫,其主要目的就是讓學生能夠掌握匯編指令、單片機內部資源的使用、單片機底層運行機制,從根本上解決學生對單片機認識不清的問題。

(2) 進階性實驗包括ADC0809和8255外圍設備的擴展以及常用的I2C、SPI、單總線協議器件。該階段的實驗采用C語言進行編寫,主要讓學生深刻理解在進行外設擴展的時候,外設地址如何確定; 理解I2C、SPI、單總線協議原理,掌握讀寫時序圖的方法,并且掌握如何用軟件編程的方式模擬相關協議,通過該階段的訓練以此來達到提高學生系統設計的能力。

(3) 系統綜合性設計實驗除了根據實驗板自身擁有的資源進行系統設計外,還可以利用藍牙的無線通信技術,結合當前的Android技術開發、語音識別以及利用智能機中功能實現遠程控制。本階段的實驗主要是提高學生的綜合設計能力,掌握運用課本外知識的能力。

圖5 口袋式單片機實驗系統實驗內容結構圖

4 應用效果

自制的實驗系統因根據自身的實際情況進行設計,故能將理論教學和實踐教學結合更緊密; 對高校的專業建設、教育教學改革、教師研發能力的提升、學生的創新能力提升都有很好的促進; 同時,節約了教學成本,在教學方面也取得了較好的效果。

(1) 促進了實驗室的建設。自制的實驗平臺成本低,維修更加方便,能根據技術的發展,持續改進實驗系統[9]。

(2) 豐富了實驗教學內容,促進了實驗教學改革的發展。自制的實驗系統具有較強的針對性,將理論教學與實踐教學緊密結合，并且實驗設備功能齊全,能滿足不同水平學生的需求[10]。

(3) 促進學生實踐能力的提升。提高工科學生的實踐能力的最好方法就是多實踐,傳統的實驗平臺限制了學生進行實驗的時間和空間。口袋式單片機實驗系統的體積小,將供電與下載功能集成與一體,學生只需要一根USB線、一臺筆記本電腦和一個口袋式單片機實驗系統就可以隨時進行實驗開發。讓學生有足夠的時間和空間進行單片機的學習,真正掌握單片機的運行機理。

(4) 錘煉教師隊伍,提高教師的研發能力。實驗設備的開發需要調研實際情況、查閱大量的相關資料,需要不斷地進行電路設計和改進。在設備研制過程中不僅提高了教師的電路設計能力、分析能力,還增強了工程實踐經驗，得到了鍛煉。

5 結語

從目前的實驗效果來看,自制的口袋式單片機實驗系統能較好地將理論與實踐相結合,促進了實驗教學改革,提升了教師的研發能力和工程能力，能打破傳統實驗的局限性,利于學生課外隨時進行實驗,也利于學生創新思維的激發。在實際應用中取得了教好的效果。