微處理器系列課程整體優化方案研究

艾　紅, 陳雯柏

(北京信息科技大學 自動化學院, 北京　100192)

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微處理器系列課程整體優化方案研究

艾紅, 陳雯柏

(北京信息科技大學 自動化學院, 北京100192)

提出微處理器系列課程體系架構,以及單片微機控制技術、DSP原理及應用、嵌入式系統的教學方法與實踐內容安排。描述了微控制器技術課程設計選題,以停車場車位控制設計實例說明微控制器技術的設計思想，以及LED點陣漢字顯示的Proteus軟件仿真運行結果。提出嵌入式系統項目實戰中要完成的主要內容,例如Linux系統下文件綜合設計、進程與線程、網絡編程和基于Qt的圖形界面設計，簡單的嵌入式Web服務器設計以及USB攝像頭視頻采集等綜合實訓案例。

單片機； 嵌入式系統； 課程設計； DSP； 項目實訓

北京信息科技大學自動化專業于2008年成為北京市特色專業建設點,2009年成為第四批國家特色專業建設點,2013年獲批教育部高等學校“專業綜合改革試點”項目,2011年進入教育部第二批“卓越計劃”。自動化專業微處理器系列課程有“單片微機控制技術”、“DSP控制技術”、“嵌入式系統”、“微控制器技術課程設計”等。這些課程包括原理、理論、技術、實踐教學內容,形成了以微型計算機結構及其應用系統為主線的課程體系。微處理器系列課程的整體優化方案以學術研究為引領、以實踐創新為手段,創立理論學習、工程實踐、創新競賽等多環節相結合的人才培養模式。系列課程對教學內容、教學環節、實踐環節、題目設計以及實現方案的多種方法選擇都進行了研究。通過這一系列課程的學習,使學生能很好地掌握微處理器知識,為參加相關科技競賽和研發自動化產品奠定了堅實的基礎[1-2]。

1　微處理器系列課程體系架構

在開放實驗、大學生科技創新計劃和自動化產品開發中,都要用到單片機原理的基本知識。單片機資源較少,原理清晰,便于學生理解和掌握；而DSP、ARM芯片資源豐富。微處理器系列課程體系應強調體系結構以及實用的設計開發技術,并結合實例項目進行講解,遵循由淺入深、由易到難、由基礎到綜合的原則。微處理器系列課程學習應體現層次性、由易到難的漸進性和注重實踐性,知識結構包括理論教學、實踐環節和創新能力培養(見表1)。

表1　微處理器系列課程教學與實踐整體方案

2　單片機控制技術

單片機控制技術基于C51編程,將C語言應用在單片機中,使單片機編程容易上手。單片機中斷原理概念很重要,要想使本來難以理解的中斷原理通俗易懂,就要在教學中邊講、邊演示中斷的產生,以及如何響應中斷服務程序的過程,應用Keil軟件進行程序調試和執行結果的演示。

在調試軟件的界面可以看到相關寄存器的變化,并能看到程序轉入中斷服務的執行過程,可以看到執行完中斷服務程序后中斷返回到什么地方。課程以“精講課內,拓展課外”為教學改革理念,實施集新穎性,實用性,趣味性于一體的案例教學。在教學中引進仿真軟件Proteus對單片機系統進行教學演示,對單片機的指令系統、典型案例、工程項目等進行動態仿真,使學生直觀地了解單片機的工作狀態,使教學內容直觀、形象和透明[3-4]。

“適應社會需要,不斷改革創新”是“單片微機控制技術”課程教學遵循的原則。要架起單片機與C語言橋梁,更好地引導DSP的應用和嵌入式系統的研發。

3　DSP原理及應用

DSP原理及應用是一門較新、但實踐性和應用性較強的課程。DSP教學內容多,信息量大,包括DSP芯片結構、硬件資源、程序設計方法與調試工具CCS的使用等。 “比較法”的課堂教學方式可以將復雜的內容逐步分解,將陌生的概念用已知的內容替代,如此循序漸進、逐步深入,易于對新知識點的理解和掌握。

例如感應電機的轉速測定涉及DSP事件管理器模塊的捕獲單元與正交編碼脈沖電路。DSP中寄存器較多,學生要理解寄存器的設置與使用方法。在講解數字I/O 端口時,必須配置I/O口復用控制寄存器,確定I/O口作為基本功能還是通用I/O功能。如果作為通用I/O引腳使用,還必須根據需要設置相應的數據和方向控制寄存器,確定相應引腳的數據傳輸方向是輸入還是輸出。這些是與單片機不同的地方。

DSP中設置了寄存器,就可以產生PWM波形去控制電機,而單片機產生PWM波形是需要編程實現的。學習各種寄存器使用方法,需要了解不同模塊對寄存器各位的定義。DSP除了與單片機類似的基本內容，如中斷、定時、I/O口、串口和A/D之外,還有SPI。

4　微控制器技術課程設計

課程設計是對課堂教學項目的驗證,可以加深和鞏固課程知識。教師要引導學生挖掘潛力,實現對整個課程知識的綜合應用。課程設計倡導學生自主學習,對課程項目進行功能擴展與集成創新,培養學生解決實際問題的能力。

微控制器技術課程設計運用單元模塊知識進行基本知識點練習與綜合訓練,選題豐富,并且與實際生活密切相關,例如具有鬧鐘功能的電子時鐘設計、LCD液晶顯示和點陣、LED廣告屏設計、接觸式IC卡讀寫設計、音樂門鈴設計、數字電壓表設計、生產車間流水線自動控制模擬、籃球比賽計分器、按鍵控制選播音樂等。根據班級學生學習情況設計了提高內容的不同選題,如按鍵控制步進電機、數據采集系統、溫度顯示系統。課程設計的成績要根據學生平時學習態度,獨立工作能力,設計的正確性、合理性、完整性，課程設計報告的內容與規范性,以及是否有自己的發揮和創意等綜合評定[5-7]。

4.1停車場車位控制

停車場車位控制是中斷技術、鍵盤與顯示的綜合應用。在停車場入口處裝設一個傳感器,用來檢測駛入車輛數；在出口處裝設一個傳感器,用來檢測駛出車輛數。當尚有空余車位時,入口閘欄才可以開啟，讓車輛駛入,并有數碼管顯示是否有空余車位。可利用數碼管顯示停車場內即時車輛數。程序設計要求按下鍵“1”時,停車空閑位數加1；按下鍵“2”時,停車空閑位數減1。當沒有停車空閑位置時,數碼管顯示提示符。設計時可以選擇按下按鈕引發外部中斷,此時記錄進入停車場的車輛數,經過合理的計算后顯示目前停車場的車位。停車場車位控制電路如圖1所示。

圖1　停車場車位控制電路

4.2LED點陣漢字顯示設計

16×16LED點陣由4塊8×8LED點陣組成。LED點陣漢字顯示設計選題是控制點陣的掃描顯示,使16×16LED點陣循環顯示漢字，如圖2所示。點陣顯示漢字可以從上到下或者從下到上移動顯示一句話。

圖2　點陣顯示漢字電路

5　嵌入式系統與項目實戰

“嵌入式系統”是近幾年新興的一門課程,是單片機、DSP原理及應用、微機原理與接口技術的后續課程。嵌入式系統融合了計算機軟硬件技術、通信技術和微電子技術,針對實際應用系統的需求,將計算機直接嵌入到應用系統中。掌握嵌入式系統應用需要設計者具有較強的綜合理論知識和動手能力。由于IT技術發展很快,教學中應不斷補充新的技術和新的科學研究成果,學生畢業后也必然要面對這些新技術。如果能夠為學生提供更多接觸這些新知識、新技術的機會,就會使學生畢業后快速適應崗位工作。

嵌入式技術的飛速發展為自動化控制開辟了廣闊的發展空間。學校要培養創新型、務實型人才,必須加強與企業的深度合作,為進一步改進教學內容提供豐富的教學素材,使教學內容與技術發展保持同步,為學生提供一個接觸、學習新技術的環境[8-9]。現在我校自動化專業與研華科技有限公司和博創科技有限公司合作開設了嵌入式系統核心設計與項目實戰,以案例教學和項目研發驅動教學內容的更新,努力使抽象的理論知識實用化和具體化。我校主要在以下幾個方面改進了教學實踐工作。

(1) 讓學生了解嵌入式平臺的硬件環境,分析嵌入式系統的應用程序；通過硬件分析—現場編程—編譯調試—下載程序—運行演示,能夠看到嵌入式系統的運行結果；通過視頻播放,將軟件仿真與實物演示相結合,實現互動式和引導式教學。

(2) 把科研工作的思維方法融入教學中。把科研項目分解,依據學生意向和專業基礎情況,將教學班級拆分成小組(每2人1組),針對實際應用項目進行實戰設計。在嵌入式系統實戰項目中，學生先在筆記本電腦上練習操作,主要練習的項目有30多個,內容有Linux操作命令和文本編輯器vi、編譯器GCC的使用、Linux系統下文件綜合設計、Makefile編寫、采用fork和vfork創建子進程、創建線程、TCP編程、UDP編程,圖形界面設計、簡單的嵌入式Web服務器設計、USB攝像頭視頻采集、無線遙控接收、智能家居綜合實訓等。雖然內容難度較大,但是信息量也很大,學生利用筆記本電腦動手練習,增強了參與意識,也掌握了Linux基本操作,可以編寫和保存程序、創建進程和線程等[10-12]。

(3) 為動手能力較強的學生提供施展創新能力的平臺。學生可以自主選擇完成案例中的部分綜合設計內容。學校采取科學的考核方式,力圖綜合、全面地評價學生的學習情況。對有特殊才能的學生進行重點培養,指導他們參加“博創杯”全國大學生嵌入式設計大賽等國內嵌入式系統競賽。學生在創新活動中勤于思考、敢于創新,實現理論教學和實驗教學的深度融合,具備了初步的嵌入式系統開發能力,適應嵌入式系統產品市場對人才的需求。

6　結語

教學實踐證明,通過理論教學、實驗教學、課程設計和項目實戰這幾個層次的教學,以及輔導學生參加課外科技活動、參加教師的科研課題,使微處理器課程教學體系得到整體優化,微處理器系列課程在大學期間不斷線,提高了學生的實際應用和開發技能。教學無止境,我們還要進一步探索系列課程的優化方案,完善實驗室建設,為學生提供一個自主學習、資源共享的平臺,努力使學生成為理論與實踐能力強的應用型專業人才。

References)

[1] 錢璧,房芳.面向運動控制的DSP技術及課程設計教學[J].電氣電子教學學報,2013,35(2):27-28.

[2] 何友國,閆明.“嵌入式系統設計”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育,2011(19):76-77.

[3] 唐煒.基于“項目驅動”的單片機類課程實踐教學改革[J].實驗室研究與探索,2010,29(5):130-131.

[4] 冼進,賈德良,畢盛.嵌入式系統實驗課的教學改革初探[J].實驗室研究與探索,2011,30(8):282-283.

[5] 葛浩,林其斌.單片機課程設計教學改革與實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(10):138-139.

[6] 席在芳,吳笑峰,吳亮紅,等.電氣信息類大學生創新訓練中心建設的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2015,32(2):21-24.

[7] 宋軍,王一雄,徐鋒.面向物聯網的嵌入式系統實驗教學改革[J].實驗室科學,2011,14(1):20-22.

[8] 王建萍,費躍農,王燕瑜.嵌入式系統“邊干邊學”教學模式探究[J].電氣電子教學學報,2007,29(5):103-105.

[9] 王艷芬,張曉光,王剛,等.電子信息類專業信號處理課程群的建設與改革實踐[J].實驗技術與管理,2015,32(4):11-13.

[10] 鄧春健,李文生,楊亮,等.“ARM嵌入式系統”課程教學方法研究[J].計算機教育,2010(10):94-96.

[11] 陳朝陽,李小魁,李娜.DSP原理及應用課程的層次遞進體系教學方法研究[J].教育教學論壇,2015(28):27-28.

[12] 何文森,楊華軍,江萍,等.“四級階梯型”教學法應用的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2015,32(4):182-184.

Study on plan of overall optimization for microprocessor series courses

Ai Hong, Chen Wenbai

(Automation Institute, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)

This paper puts forward the structure of the microprocessor series curriculum system of the microprocessor series courses. The teaching method and practice content arrangement of single chip microcomputer control technology, DSP principle and application, and the embedded system are expounded. The topic of micro controller technology course design is described. Design thought and realization method of the parking control are illustrated. The simulation result of Chinese characters and LED dot matrix display based on Proteus software is given. The project actual main contents of the embedded system are described, including the files complete integrated design in Linux system, the process and thread, the network programming, the design of the graphical interface based on Qt, the embedded Web server design, USB camera video capture and other comprehensive training cases.

single chip microcomputer; embedded system; course design; DSP; practical training of project

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.044

2015- 08- 19

北京信息科技大學教學改革項目(2014JG08)資助；北京信息科技大學2015年人才培養質量提高經費項目(5111523309)資助

艾紅(1962—),女,重慶,碩士,副教授,碩士生導師,主要研究方向為微處理器系列課程教學實踐.

TP368.1；G642.4

A

1002-4956(2016)1- 0169- 04