口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制與應(yīng)用

石 飛, 陳 娟, 王建英, 趙彩蕓, 李金欣, 房俊杰

(新疆大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830046)

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程,其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和思維能力等方面起著至關(guān)重要的作用,這就對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求[1-2]。

目前,市場(chǎng)上生產(chǎn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)雖然功能眾多,但是存在結(jié)構(gòu)不合理,設(shè)備穩(wěn)定性差、效率低下，設(shè)備價(jià)格昂貴、維修困難等問(wèn)題難以解決，這些教學(xué)設(shè)備在下載過(guò)程中需要額外的下載器和電源,并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中多以插線為主,在使用和功能上也很難滿(mǎn)足自身教學(xué)的需求,甚至存在與教學(xué)內(nèi)容都不一致的情況。另外,教學(xué)設(shè)備體積大,不便于攜帶。

解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備問(wèn)題行之有效的辦法是高校結(jié)合自身實(shí)際情況進(jìn)行自主研制設(shè)備。為此,本項(xiàng)目組結(jié)合多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的經(jīng)驗(yàn),自主研制了一款口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有很強(qiáng)的實(shí)用性,低成本,易于維護(hù),并且能與自身的理論教學(xué)緊密結(jié)合且相互促進(jìn)[3-6]。

1 設(shè)計(jì)思想

近年來(lái),隨著電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)在片上資源擴(kuò)展、技術(shù)指標(biāo)方面取得了很大進(jìn)步,新器件的功能更加豐富。然而,新研制的單片機(jī)系統(tǒng)不僅要滿(mǎn)足教學(xué)的要求,還要為學(xué)生進(jìn)行課外創(chuàng)新、課外實(shí)驗(yàn)提供有力的支持,鑒于以上的考慮,設(shè)計(jì)過(guò)程中主要從以下幾個(gè)方面著手:

(1) 系統(tǒng)體積小且便于攜帶,將單片機(jī)下載功能、串口通信功能、系統(tǒng)供電功能集成在一個(gè)USB接口上實(shí)現(xiàn)；

(2) 為了讓學(xué)生能扎實(shí)掌握常用的通信協(xié)議,學(xué)會(huì)根據(jù)時(shí)序圖通過(guò)軟件模擬實(shí)現(xiàn)協(xié)議時(shí)序,在一般系統(tǒng)常用外設(shè)的基礎(chǔ)上,增加了多種通信協(xié)議接口,如SPI接口、I2C接口以及單總線數(shù)據(jù)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(wú)線通信(藍(lán)牙通信)；

(4) 引入新的模塊,如OLED顯示、藍(lán)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(shí)驗(yàn)中手工連線造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；

(6) 多余的IO預(yù)留出來(lái),以便進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由輸入單元、顯示單元、傳感器單元、邏輯控制單元、外設(shè)單元和通信單元組成,口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2 邏輯控制單元電路設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)

為了克服傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的下載功能、供電功能與單片機(jī)核心系統(tǒng)相分離,以及體積大且不易攜帶的弊端,本系統(tǒng)將串口通信、程序下載以及供電功能集成在一個(gè)USB接口上,極大節(jié)省了設(shè)計(jì)空間,實(shí)現(xiàn)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(jiàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用案例

3.1 口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以作為電子類(lèi)的多個(gè)教學(xué)平臺(tái),比如單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn),電路制作工藝以及電工實(shí)習(xí)等; 還可以支持大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新活動(dòng)。其系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到信息科學(xué)與工程學(xué)院的電子信息工程、通信工程和計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的單片機(jī)課程,可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),其課程結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[7-8]。

(1) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋單片機(jī)自身固有的資源,包括IO口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷、串口通信等的使用。本階段的實(shí)驗(yàn)要求采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě),其主要目的就是讓學(xué)生能夠掌握匯編指令、單片機(jī)內(nèi)部資源的使用、單片機(jī)底層運(yùn)行機(jī)制,從根本上解決學(xué)生對(duì)單片機(jī)認(rèn)識(shí)不清的問(wèn)題。

(2) 進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)包括ADC0809和8255外圍設(shè)備的擴(kuò)展以及常用的I2C、SPI、單總線協(xié)議器件。該階段的實(shí)驗(yàn)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě),主要讓學(xué)生深刻理解在進(jìn)行外設(shè)擴(kuò)展的時(shí)候,外設(shè)地址如何確定; 理解I2C、SPI、單總線協(xié)議原理,掌握讀寫(xiě)時(shí)序圖的方法,并且掌握如何用軟件編程的方式模擬相關(guān)協(xié)議,通過(guò)該階段的訓(xùn)練以此來(lái)達(dá)到提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。

(3) 系統(tǒng)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)除了根據(jù)實(shí)驗(yàn)板自身?yè)碛械馁Y源進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)外,還可以利用藍(lán)牙的無(wú)線通信技術(shù),結(jié)合當(dāng)前的Android技術(shù)開(kāi)發(fā)、語(yǔ)音識(shí)別以及利用智能機(jī)中功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本階段的實(shí)驗(yàn)主要是提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力,掌握運(yùn)用課本外知識(shí)的能力。

圖5 口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用效果

自制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)因根據(jù)自身的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì),故能將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合更緊密; 對(duì)高校的專(zhuān)業(yè)建設(shè)、教育教學(xué)改革、教師研發(fā)能力的提升、學(xué)生的創(chuàng)新能力提升都有很好的促進(jìn); 同時(shí),節(jié)約了教學(xué)成本,在教學(xué)方面也取得了較好的效果。

(1) 促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。自制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成本低,維修更加方便,能根據(jù)技術(shù)的發(fā)展,持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9]。

(2) 豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的發(fā)展。自制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的針對(duì)性,將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能齊全,能滿(mǎn)足不同水平學(xué)生的需求[10]。

(3) 促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的提升。提高工科學(xué)生的實(shí)踐能力的最好方法就是多實(shí)踐,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)限制了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和空間。口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的體積小,將供電與下載功能集成與一體,學(xué)生只需要一根USB線、一臺(tái)筆記本電腦和一個(gè)口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。讓學(xué)生有足夠的時(shí)間和空間進(jìn)行單片機(jī)的學(xué)習(xí),真正掌握單片機(jī)的運(yùn)行機(jī)理。

(4) 錘煉教師隊(duì)伍,提高教師的研發(fā)能力。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開(kāi)發(fā)需要調(diào)研實(shí)際情況、查閱大量的相關(guān)資料,需要不斷地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和改進(jìn)。在設(shè)備研制過(guò)程中不僅提高了教師的電路設(shè)計(jì)能力、分析能力,還增強(qiáng)了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，得到了鍛煉。

5 結(jié)語(yǔ)

從目前的實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看,自制的口袋式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能較好地將理論與實(shí)踐相結(jié)合,促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,提升了教師的研發(fā)能力和工程能力，能打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限性,利于學(xué)生課外隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),也利于學(xué)生創(chuàng)新思維的激發(fā)。在實(shí)際應(yīng)用中取得了教好的效果。