基于圖形化編程技術的單片機課程教學初探

蘭翔

【摘 要】本文針對中職教育中基于匯編語言或 C 語言的單片機課程教學難度大、教學效果差等問題，提出將 Matlab/Simulink 引入單片機的課程教學實踐中，實現單片機配置和編程的圖形化;與抽象的匯編語言和 C 語言相比，這種圖形化編程語言具有編程簡單、易于理解，且還能實現較復雜的算法編程等優點，基于該技術的教學實踐取得了較好的效果。

【關鍵詞】單片機教學 匯編語言 圖形化編程軟件

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）06B-0057-02

長期以來，51 單片機因結構和指令簡單，一直被中職學校選擇作為單片機入門課程教學內容。但這種 8 位的單片機一般只能用匯編語言與 C 語言對其進行編程，這對于中職學校的學生而言，要想熟練地掌握并運用這兩種語言對單片機進行較為復雜的編程是很困難的。統計數據表明，經過這種系統學習后，平均每個班級最多能產生 1～2 名具有獨立編程能力的學生，而這些學生一般都是發燒級的單片機愛好者。究其原因，主要是匯編語言和 C 語言比較難以掌握，學生一般只能在實驗指導書的引導下進行編程。學生由于缺乏自主編程的成就感，久而久之，便對該課程失去了興趣。沒有了興趣的支撐，自然就無法產生發燒級的單片機愛好者。

隨著單片機技術的飛速發展，處理速度更快、處理能力更強、功能更多、存儲容量更大、價格低廉的 32 位單片機已經逐漸取代老式的 8 位和 16 位單片機，其中最具代表性的是以 ARM 為內核的單片機。但伴隨這種高性能單片機而來的還有復雜的硬件結構和指令集，且其編程語言仍然采用匯編語言和 C 語言，顯然，伴隨著高性能一起來到的是更高的學習門檻，于是學生對 ARM 單片機一般都是望而卻步。

對于 32 位的 ARM 單片機，有沒有一種更為簡單、快捷的更適合中職學校學生使用的編程手段呢？意法半導體公司（STMicroelectronics，ST）給出了肯定的答案。筆者在利用 ST公司提供的圖形化配置工具 STM32CubeMX 和 STM32-MAT/TARGET 圖形化編程工具包，對 ST 公司生產的全系列 32 位 ARM 單片機進行編程實驗之后，發現這種編程方法比較好學，可以用來進行教學，幫助中職學生更好地進行學習。為此，筆者嘗試利用單片機圖形化編程方式進行講授，對課程進行改革。

一、圖形化編程工具簡介

（一）STM32CubeMX 工程配置軟件。STM32CubeMX 是 ST 公司為 STM32 系列單片開發的，旨在幫助用戶快速建立工程，并快速初始化單片機片內外設的圖形化配置工具軟件，其軟件界面如圖 1 所示。單片機的開發流程如圖 2 所示，其中第 1 至第 5 步，可以在 STM32CubeMX 中利用鼠標和鍵盤在圖形界面上進行簡單的勾選配置，最后自動生成程序框架，這對于結構復雜的 32 位單片機顯得尤為重要。基于這款圖形化配置軟件，學生不用深入學習和掌握復雜的單片機內部結構，就能對單片機及其外設進行初始化，因此可以專注于第 6 步的用戶程序編寫。可以毫不夸張地說， STM32CubeMX 的出現，將 32 位 ARM 單片機的使用門檻拉得比 51 單片機更低。

（二）STM32-MAT/TARGET 圖形化編程工具包。STM32CubeMX 屏蔽了單片機底層硬件，使單片機開發變得非常簡單，但是仍需要利用 C 語言進行用戶程序的編寫。這對于中職學校的學生而言，仍是一道難以逾越的門檻。那么用戶程序編寫是否有更便捷的方法呢？ST 公司給出了解決的辦法。

STM32-MAT/TARGET 是 ST 公司基于邁斯沃克公司的 Simulink 圖形化軟件平臺開發的 STM32 單片機自動代碼生成工具包。如圖 2 所示，基于該工具包，學生可以在完全圖形化的環境中對用戶程序進行編程，然后通過一鍵生成代碼，自動嵌入到 STM32CubeMX 配置軟件自動生成的代碼框架中，最后經編譯下載到單片機中運行。整個開發過程實現了代碼圖形化和兩個圖形化軟件代碼的無縫銜接，開發過程變得非常簡單與高效。

二、利用圖形化編程工具開展的教學實踐

用戶代碼是實現具體功能和算法的部分，也是學生學習單片機過程中的難點部分，因此如何降低這部分代碼的編寫難度是提高學生學習興趣的關鍵。圖 3 是筆者教學過程中給學生講解的圖形化編程案例之一。圖 3 所示程序不僅包含了中斷模式的 AD 轉換，以及采樣后的數值處理，還包含串口通信的內容。如果通過匯編語言或 C 語言進行編程，其代碼編寫的復雜程度足以讓一名普通的中職學生抓狂。而依托圖形化代碼編程軟件，學生僅需要幾個拖拽圖形控件及連線的動作就可以完成。經課堂教學演示，學生對這種新型的開發模式均表現出濃厚的學習興趣。

三、利用圖形化編程工具進行教學實踐的總結與展望

為降低單片機的開發難度，提高學生學習單片機的興趣，本文將圖形化編程技術引進單片機的教學實踐中，學生反饋意見表明，圖形化編程技術已然成為了解決當前中職學校單片機教學瓶頸的重要手段。盡管如此，教學改革仍面臨以下阻力：（1）缺乏與之相配套的教材;（2）職業院校技能大賽等競賽規則規定大賽僅限于使用功能單一的老式 51 單片機，這將是改革的主要阻力。從現實來看，雖然教材建設任重道遠，但仍可為之。更難的是競賽規則的滯后性，如何改變這種相對比較落后的情況是我們面臨的頭等大事。現行的競賽規則顯然與中央“弘揚新時代精益求精的工匠精神”相悖，已經不合時宜。只有相關部門從政策層面上進行相應的改革，才有可能將這樣的教學改革進行到底。

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（責編 盧建龍）