本科生AVR 單片機實驗教學探索與研究

李有光， 聞 新， 南 英

(南京航空航天大學 航天學院，江蘇 南京210016)

0 引 言

AVR 單片機采用雙總線的哈弗結構，其RAM 中的前32 個單元作為通用寄存器，直接與運算邏輯單元相連，可實現寄存器文件的快速存取。AVR 單片機還采用精簡指令集，且具有高速低功耗等優點，目前已被包括我校航天學院在內的眾多院校選定為本科生必修課程，AVR 單片機實驗起著舉足輕重的作用［1-2］。開設實驗的目的是提高學生實踐和創新能力［3-4］。

在教學方法和手段方面，為提高學生學習效率，需要采用合理的教學方法和手段［5-6］，對于初學單片機的本科生適合采用以C 語言學習為主，匯編語言學習為輔的方針，以避免枯燥的匯編指令困擾。C 語言編譯器目前流行的主要有CVAVR、WinAVR、AVR Studio 和ICCAVR 等，同時采用可以對AVR 單片機及接口芯片實現硬件仿真功能的軟件Proteus 進行教學［7-9］。以學生作為認知主體，在實驗環節中設計和開發面向實際應用的實驗項目，激發學生學習興趣，啟發探索精神，使學生在學到扎實的專業實驗技能的同時，掌握項目開發的基本方法，逐步培養其發現問題、分析問題和解決問題的能力，這對培養學生的創新思維和實踐動手能力有著極為重要的指導意義。

在專業差異性方面，不同專業本科學生所需的實踐技能側重點也有所差異。對于控制專業的學生，主要側重于直流無刷電機、各種壓力、溫度、電壓和電流傳感器等控制對象的使用方面［10-12］。對于信息專業的學生，則主要注重各種通信協議和代碼生成及轉換等［13］。以往，在實驗項目的開發和研制上沒有考慮學生所學專業的差異性，沒有設計不同的實驗實踐項目以滿足本科生自身及專業差異性發展的要求。

目前已開始了大規模的實驗教學，并在培養自主意識、創新素質和團隊協作等方面，取得良好的教學效果。同時，面對眾多實驗，不同專業的教學也出現一些新問題。本文討論了在實驗教學中出現的問題，并在“面向工程的軟硬件整合”方面做了一些探索和研究。

1 當前實驗教學中存在的問題

(1)有些程序代碼工程實用性不足。針對目前

AVR 單片機實驗教學編寫的代碼功能不全，有些代碼只實現了部分硬件功能，且這些代碼與硬件的關系論述不清楚，例如在字符式LCD1602 液晶顯示實驗里，延遲函數設定的延遲時間由內部芯片HD44780 和HD44100 響應時間決定，不同指令執行時間不同，用很長的延遲時間雖然可以完成功能，但相應的查詢“忙”狀態的時間也相應增加，而且在復雜的工程應用中很容易被中斷，增加MCU 負擔，實際應用的程序還需處理很多其他任務，因此需要充分了解指令與硬件的關系，以及同時進行的其他任務特點，相應修改程序，例如為節省資源盡量用4 位總線，最少的延遲時間。

(2)Proteus 軟件并未被普遍采用。Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司開發的EDA 軟件，于1989 年問世，已發展25 年，得到全世界范圍的廣泛應用。Proteus 軟件具有通用EDA 軟件的原理圖編輯、制板和數模電仿真功能，除此外還是目前世界上唯一能進行單片機應用系統虛擬設計與仿真功能的軟件，它可以對基于單片機應用系統及眾多的外圍接口芯片、電子元器件以及外部的各種測試儀器一起仿真。Proteus 提供了30 多個元件庫，涉及到8086、51、AVR和Cortex-M3 等各種嵌入式處理器芯片、數字和模擬等上萬種元器件，并提供了各種激勵源和虛擬儀器(示波器、信號發生器、邏輯分析儀和計數定時器等等)，為單片機應用系統的虛擬仿真提供了各種方便的硬件電路和軟件的調試手段。該軟件使得單片機系統的調試方法與設計思想發生根本性的變革，克服了傳統實驗教學模式存在的諸多不足［14-16］，對提高本科生的設計與調試能力以及實踐能力有了一個質的飛躍。但此軟件目前只在學院個別班級使用，并未全面普及。

(3)課程考核方式不全面。該實驗課和理論課作為一門課進行教學，考核方式采用期末試卷成績占70%，平時成績占30%的方法，把大作業和基礎實驗的考核計入平時成績里，這樣導致后者比重太小，學生的學習重點還是放在書本上，會出現死記硬背的現象。

2 軟硬件整合的改革與實踐

分析上述問題，不難發現問題關鍵在于以工程需求為背景，有效提高學生的應用設計能力。解決的根本辦法是設置大量具體的工程項目，充分利用Proteus軟件與硬件實驗平臺進行深入整合。

2.1 與工程應用相結合

用傳統方法學習AVR 單片機過程中，各個章節單獨講授，講授的目的是使學生掌握基本概念、基本知識和基本設計方法。在初學時往往是“只見樹木不見森林”，但使用AVR 單片機完成實際工程項目時，一定要使各章節有機結合。因此為使學生能夠融會貫通地使用AVR 單片機，需要設置大量基于工程的實驗項目，每人一題，使題目都不相同。以“拋錨式法”提出，激發學生的學習動力，由學生從資料查詢、收集、整理，消化吸收現有成果，直至完成既定目標，讓學生在真實的工程環境中去感受和體驗該實驗所應用的知識點以及知識點之間的聯系，通過學生的自主學習和協助學習，來完成對所學知識的意義建構，這也是今后完成本科畢業設計或將來科研和工作中所采取的方法。

這一過程的考核適宜以大作業的形式進行，每個大作業盡量涵蓋課堂講授的AVR 單片機的基本概念、基本知識以及基本設計方法，每個作業要盡量涉及較多的片內功能部件與各種擴展，這可以鍛煉學生的硬件系統設計能力，軟硬件聯調能力。在理論教學一開始就給學生分配下來，使他們能夠有充足的時間去完成任務。實際上大作業題目完成的過程，就是學生設計與實踐能力提高的過程。對大作業的考核是看其運行是否通過，功能是否達到設計要求，對大作業中不足之處和精彩的地方也要予以指出，最好學生和老師一起討論，使班級每個人都能從自己和其他人的大作業中受益，相互促進，相互提高，起到事半功倍的效果。這樣才真正有利于學生設計水平的不斷提高。因此，大作業環節是培養提高學生設計與工程實踐能力的一個重要舉措。

2.2 實驗教學方法的改革

隨著單片機技術的發展，新理論和新技術不斷涌現，AVR 單片機和Proteus 軟件的出現便是最好的例證。Proteus 軟件在單片機課程中的應用改變了傳統的教學模式，它用軟件模擬了真實的實驗平臺，這使得單片機系統的調試可以先于實驗平臺的建立，使單片機的設計理念發生了根本的變革，這是傳統的教學模式所無法比擬的，對提高學生的系統設計與聯合調試能力以及工程實踐能力有了一個質的飛躍。

建議Proteus 在單片機教學中的使用方法如下:

(1)在講授單片機內容前大致介紹Proteus ISIS軟件和C 語言編譯軟件，并提供學習視頻資料，限定學習范圍。

(2)在講授前幾章內容時，詳細給出程序的編譯和.HEX 或.coff 文件的生成過程，演示Proteus ISIS 中元器件查找的方法和常用庫文件分類，演示原理圖的繪制、熔絲位配置、.hex 文件或.coff 文件的加載、仿真調試和波形觀察等。在學生熟練掌握軟件使用后上述操作可僅做演示或讓學生自行完成。

(3)因Proteus 設計不受時間、地點以及硬設備、儀器的限制，可以布置課后作業，讓學生逐步掌握Proteus ISIS 及編譯軟件。基礎實驗要求先在Proteus ISIS 下仿真通過，然后再在相應的硬件實驗系統調試通過。

(4)可以根據需要講授Proteus ARES。

在基礎實驗環節中，需建立一套基于Proteus 和硬件實驗箱相結合的實驗平臺，設計與課程教學內容緊密結合的實驗題目，包括必做題目5 個:I/O 中斷和數碼管顯示、定時/計數器、串行通信、鍵盤和顯示、A/D和D/A 等基本實驗;選做題目5 個:溫度及壓力測量、電動機控制、繼電器以各種擴展功能等。上述實驗可根據不同專業特點適當修改。需向學生強調，由于時延和噪聲等因素，仿真不能完全代替實際實驗驗證。

從軟硬件結合和工程應用的角度布置實驗，增強了學生的單片機的理解深度，使學生脫離了硬件實驗平臺的束縛，降低了學習成本，提高了學習效率，激發學生的學習興趣，提高了教學質量，目前已取得了很好的效果。

2.3 考核方式的改革

目前，單片機課程的考核是試卷成績占70%，平時成績占30%，大作業和基礎實驗成績計入平時成績。閉卷考試重點考核理論知識，學生經常是在考試前一周死記硬背基本概念，對基本概念和概念間的聯系不甚理解，考試結束一段時間后很容易忘記。單片機是實用性很強的課程，其應用靈活多樣，這種考核方式很難考察出學生的應用水平，甚至有可能使學生誤解單片機只要會背例程和概念就可以了，并不深究其內部結構本質和周圍接口芯片特點，這對他們今后的發展極為不利。既然Proteus 軟件已在單片機課程中廣泛應用，使得課程的教學理念、教學方法以及實驗手段都產生了變革，因此相應的考核方式也應變革。

應采取多樣化的考核方式，考核包括三個方面，理論知識的考核，占總成績的50%，基礎實驗的考核，占總成績的30%，大作業的考核占總成績的15%，平時成績占總成績的5%。對基礎實驗和大作業中的實驗，全部要求學生先在Proteus 中仿真通過，然后在實驗平臺上驗證。平時成績可以作為課堂表現的考核分數。通過這種方式既可以了解學生理論知識的掌握程度，也可以考查學生的動手實踐和創新能力。

3 結 語

以AVR 單片機應用為基礎，以提高學生實踐和創新能力為目標，結合航天學院各專業本科生實驗教學的實際情況，整合了軟硬件教學方法和考核手段，優化了實驗資源配置，節約硬件開發成本和周期。經過3年的改革實踐表明，通過軟硬件教學方法和考核方式改革的實施，增加了學生學習的興趣，減輕了學生學習壓力，學生不但掌握教學大綱要求的軟硬件基礎知識，而且對單片機及外圍芯片的內部電路拓撲結構也有深入的了解。從本學院本科生畢業設計過程中可以看出，學生在實際工程應用項目的開發質量和數量上都有較大幅度提高，并且改革措施已面向全院本科生推廣開來。

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