模塊化單片機實訓系統在教學中的應用

范瑞君　李擎　劉金娥　鄧海麗　李永江

【摘要】現有的單片機實訓設備大都針對一門課程，采用整板設計，不便于擴展。針對這一現象，如果學校能自己開發實訓系統，不僅能滿足單片機技術、傳感器技術、IC智能卡技術以及電子產品設計等多門課程的實訓教學，還具有綜合性、易拓展、可實現二次開發的特點，這也將是教學設備的發展趨勢。

【關鍵詞】實訓系統 單片機 模塊

電子信息領域的高新技術發展迅速，要求相應的實驗教學系統資源豐富、結構靈活、適應性強、擴充性和裁剪性好，可隨時根據需要增/減實驗項目、調整實驗內容、升級開發技術。目前，國內有多教學儀器生產廠商提供的設備大都針對一門課程，采用整板設計，不便于擴展，且造價高昂。以上海中歐科教儀器有限公司的產品為例，一套模電、數電、單片機成套設備的單臺售價在1.3萬左右，且不帶傳感器和IC智能卡課程的實訓項目。

針對上述問題，結合多年教學和開發經驗，項目組成員自己開發“模塊化單片機實訓系統”，不僅能滿足單片機技術、傳感器技術、IC智能卡技術以及電子產品設計等多門課程的實訓教學，還具有綜合性、易拓展、可實現二次開發的特點，這也將是教學設備的發展趨勢。相信我們開發的實訓平臺的使用，可以提高課程的實訓效果，并且大大降低設備更新的費用。

一、項目研究的目的和意義

作為一個教學用實訓系統，本項目研究的目的在于能滿足單片機技術、傳感器技術、IC智能卡技術以及電子產品設計等多門課程的實訓教學，具有綜合性、易拓展、可實現二次開發的特點。同時，可以提高課程的實訓效果，并且大大降低設備更新的費用。

本實訓系統對提高電子類專業實踐教學水平有重大的意義，它突破了課程應用的層面，提供并倡導開放式的教學模式和理念。具體來說有以下幾點：

（1）應用范圍廣。本實訓系統適用于電子類專業基于單片機的多門課程的實訓教學中，例如：單片機技術、傳感器技術、IC智能卡技術、電子產品設計等課程。

（2）實用性強。每個模塊的電路設計、功能劃分與定位均參照了企業標準，因此各功能模塊之間的各種組合與搭配，不僅可以滿足學生的課程設計、畢業設計、電子制作、電子設計大賽，還可以滿足企業技術人員的電子項目的設計研發、原型樣機設計與驗收評估等活動的實際需要。

（3）擴展性好。電子信息領域的高新技術發展迅速，要求相應的實驗教學系統資源豐富、結構靈活、適應性強、擴充性和裁剪性好，可隨時根據需要增/減實驗項目、調整實驗內容、升級開發技術。由于電子類專業課程體系中有多門課程是以單片機的應用為基礎的，所以可以在單片機核心模塊的基礎上，通過預留接口的方法，與其它實驗模塊重新組合，可達到資源共享。

（4）趣味性強。在模塊化的實訓系統上，可以最大限度地發揮學生的自主性學習，學生可以自己設計、自己搭建電路，培養了實作熱情，增強了動手能力，激發了學習興趣，啟發了創作欲望。

（5）融通性好。顯著改變了傳統實驗平臺的功能和用途相對狹窄，只能適應單門課程的實驗教學的現狀。通過本實訓系統的使用，可以讓學生更系統更全面地體會和認識電子信息類產品硬件的系統集成、電子信息類諸多學科的相互交叉、相互溶合、相互融通、相互滲透、相互吸收的演進過程和發展趨勢。

（6）使用方便。由于實訓系統體積小，便于拆卸、攜帶，學生可以在宿舍、教室等實驗室以外的場合進行實驗，大大拓展了開放實踐的時間和空間。

（7）性價比高。傳統的實驗箱一旦定型就很難改變，結果是，不僅會影響實驗內容的調整，而且還會制約實驗項目的擴充。如果采用這種實訓系統，當需要更新或增加實驗項目時，只需要再開發和增添相應的實驗模塊即可。因此便于系統的擴展，實現基礎資源的共享和延續，達到既節約經費、提高設備利用率的良好效果。

（8）經濟性好。本實訓系統與大型實驗箱相比成本低，且其中的很多模塊可在單門課程或多門課程中重復多次使用，有效地解決學生人均實驗經費有限的難題。

二、實訓系統模塊結構

我們遵循模塊化設計理念，將整個實訓系統劃分為核心板模塊及多個獨立的功能電路模塊，每個模塊即為一個獨立的實驗板。每個外圍功能模塊都可以和核心模塊自由組合，構成具有單一功能的實驗電路。如果根據需求同時把多個功能模塊與核心模塊組合，還可以組建成綜合性的實訓項目。整個實訓系統共包括4類共20個實訓模塊。

（1）核心板模塊：該模塊既是本實驗平臺的一個核心模塊，也是一個基礎模塊，起著控制和支撐其它實驗模塊的重要作用。該模塊由單片機、外圍晶振電路、復位電路、串行通信接口電路及電源電路、P0～P3I/O擴展電路組成，考慮到方便二次開發和學生參與，我們采用在萬能板上搭建電路的方法。

設計中我們選用能耗低、高性能的MCS-51系列單片機作為中央控制器，為了方便下載程序，在核心模塊上集成了串行通信接口RS232C電路，經MAX232芯片連接到PC機的COM口。為了能夠方便其它模塊進行實訓、演示，我們把P0～P3口全部采用排針（杜邦TPK插頭）引出，通過杜邦線與其他模塊連接，方便擴展，連接牢固，耐插拔，這也是本實訓系統的創新點之一。

（2）單片機實訓類模塊：此類實訓模塊既可完成單片機課程的實訓項目，也可用于傳感器、IC智能卡、物聯網技術以及電子產品設計等其它實訓課程，組合成綜合陛的實訓項目。針對本類型模塊，我們項目組開發了LED發光二極管模塊、七段數碼管顯示模塊、8*8LED點陣顯示模塊、LCD液晶顯示模塊、數據鎖存控制模塊、按鍵模塊模塊、A/D和D/A轉換模塊。全部采用排針（杜邦TPK插頭）引出，通過杜邦線與核心板模塊連接。

（3）傳感器類實訓類模塊：這些基礎模塊主要應用于傳感器技術課程的教學及實訓，目前開發了溫濕度計實驗模塊、霍爾接近開關模塊、節能開關模塊、亮光報警器模塊，根據教學需要，新增加了水銀開關和觸摸開關模塊。A/D和D/A轉換模塊暫時沒有開發（因為考慮到現在大部分單片機中已經集成了A/D、D/A模塊）。采用排針（杜邦TPK插頭）引出，通過杜邦線與核心板模塊連接。

（4）IC智能卡實訓類模塊：這些基礎模塊主要應用于智能卡技術課程的教學及實訓。智能卡實訓室的實訓臺現有考勤實驗模塊、刷卡消費實驗模塊、節水實驗模塊、門禁實驗模塊、巡更實驗模塊等，我們根據技術的發展趨勢，在現有設備的基礎上進行了改進，使其既滿足教學的需要又能使其配套的終端設備能用的上，所以我們選購了智能卡讀寫模塊，在此基礎上進行改造，使之與已有的實訓終端設備相連接，實現考勤實訓模塊、刷卡消費實訓模塊、節水實驗訓塊、門禁實訓模塊、巡更實訓模塊的功能，當然根據需要還可以擴展出其它功能。

三、結束語

我們選購的智能卡讀寫模塊采用ST高性能32位ARM處理器和微電子高度集成ISO14443A讀卡芯片，支持ISO14443 TY-PEA、ISO14443-4協議，支持密鑰管理系統，可方便嵌入大型、復雜的應用系統，物美價廉。本模塊可以直接與核心板的232串口相連，后接門禁、節水閥、LCD顯示模塊等不同的終端設備，即可實現模擬考勤管理、刷卡消費、節水開關、門禁系統、巡更系統等實訓。

以上模塊可以根據課程需要靈活搭配，可滿足單片機技術、傳感器技術、智能卡技術、電子產品設計等課程的實訓教學需要。也可以讓學生在實訓過程中自己動手組建電路，以便更直觀地了解基于單片機的電子產品系統設計的思路和方法，更全面系統地掌握單片機、傳感器、IC智能卡、電子產品設計等課程的知識重點和技能要點。