基于模塊化平臺的電子系統綜合設計實驗

張 璞 劉寧艷 金印彬

西安交通大學電工電子教學實驗中心 陜西西安 710049

隨著電子技術的發展和進步，電子系統被廣泛應用于各行各業中，大到工廠的加工設備，小到生活中的智能電燈，都有電子系統的應用[1]。西安交通大學電氣工程學院自2001年起開設電子系統設計與實踐課程，旨在培養學生系統設計能力和實踐創新能力，并選用多功能電子學習機作為實驗平臺[2]。與許多高校的實驗平臺類似[3,4]，學習機采用一體化設計，學生上課時只需要簡單連幾根線就可以完成規定的驗證性實驗。雖然這類實驗箱使用方便，但也存在著許多問題，如不適合學生鍛煉硬件設計能力和開展系統設計實驗；無法升級換代；維修成本較高等。

為解決傳統學習機的問題，培養學生的綜合設計能力，電子系統設計與實踐課程組借鑒其他高校在同類課程硬件平臺的改革經驗[5-8]，結合課程教學目標和本專業學生特點，研制出電子系統模塊化實驗平臺，并基于該平臺開發了層次化的實驗項目。目前實驗平臺和相關實驗均已投入實踐教學中，取得了良好的效果。

1 模塊化實驗平臺

1.1 單元模塊

課程組在對常見電子系統功能分析的基礎上，劃分并設計了一系列功能獨立的單元模塊，包括C51模塊、STM32模塊、SRAM模塊、ADC0809模塊、DAC0832模塊、液晶模塊、ISD1760模塊和EPIC3模塊等，見表1。這些模塊共同構建了電子系統模塊化實驗平臺，作為學生掌握電子系統設計方法、開展電子系統綜合設計、鍛煉自主創新能力的實驗裝置。

表1 單元模塊列表

1.2 平臺架構

模塊化實驗平臺整體架構如圖1所示，學生根據實驗項目選擇單元模塊，通過扁平電纜或杜邦線將其連接，組合成所需的電子系統。模塊對外接口采用冗余設計，支持學生進行系統功能拓展。因此，實驗平臺既能滿足課程內實驗項目的教學需求，又便于學生進行自主創新。

圖1 模塊化實驗平臺整體架構

2 模塊化實驗平臺的優點

模塊化實驗平臺具有靈活性、開放性、便攜性、可拓展性等顯著優點。

2.1 靈活性

教師可以基于該平臺靈活開發多層次的實驗，如針對C51模塊的基礎實驗，包含多個模塊的系統實驗等。學生也可以根據個人情況靈活選取模塊進行系統設計，如選擇使用液晶屏模塊或者數碼管模塊來實現實驗項目的顯示要求。

2.2 開放性

模塊化實驗平臺中的各單元模塊相互獨立，可以靈活替換。隨著電子技術的發展，平臺可以不斷添加、刪減、更新模塊，構成一個可持續發展的開放性實驗系統。

2.3 便攜性

單元模塊體積較小，方便攜帶。模塊可使用USB電源直接供電，降低了對供電設備的要求。實驗室為學生提供平臺專用線纜和設計軟件，便于學生在課下調試。模塊化平臺突破了實驗場地的約束。無論是在宿舍或是自習教室，只需要一臺電腦和幾根線纜，學生就可以開展實驗。

2.4 可拓展性

實驗平臺預留了擴展接口，當學生覺得平臺中現有單元模塊無法滿足系統設計需求時，可以基于擴展接口研發新的模塊，以豐富電子系統的功能。相比傳統的實驗箱，實驗平臺不會由于自身模塊的品種和功能限制學生的創造能力，給予學生更多的設計自主權。

3 基于平臺的層次化實驗教學體系

《電子系統設計與實踐》課題組借鑒其他高校研究經驗[9,10]，將課程實驗項目劃分為基于單片機設計的基礎實驗、側重于功能模塊應用的綜合實驗、培養綜合設計能力的系統實驗以及鼓勵學生拓展思路并實踐的創新實驗，從而形成“基礎實驗—綜合實驗—系統實驗—創新實驗”四個層次遞進的實驗教學體系，如圖2所示。對于能力較強的學生，可以跳過基礎實驗和綜合實驗直接開始系統設計。

圖2 層次化實驗

基礎實驗和綜合實驗的目的是讓學生掌握設計方法，實驗內容由實驗原理講解、實驗步驟演示、樣例程序驗證、拓展設計四部分組成。前三部分實驗內容便于學生從零學起，讓他們盡快熟悉電子系統的設計方法，拓展設計則促進學生靈活運用所學設計方法。

系統實驗訓練學生將設計方法和技巧綜合應用于電子系統設計中。教師提供一些實用性強、新鮮有趣的設計題目，如電子鐘系統和網約車電子系統等，以此激發學生的學習興趣。學生分析設計題目后在模塊化平臺上設計、實現一個完整的電子系統。以電子鐘系統為例，該系統從硬件上可以分為主控單元、按鍵輸入單元、溫度測量單元、實時時間日歷單元、顯示單元、語音單元六個部分。學生使用模塊化平臺中的C51模塊、多功能模塊1(集成了溫度傳感器、日歷時鐘芯片和按鍵矩陣等)、ISD1760模塊和液晶模塊即可完成系統硬件的構建，具體結構如圖3所示。學生在搭建好的系統上編寫、調試程序，最終實現一個可實時顯示時間、定時報溫報時的電子鐘。

圖3 電子鐘系統框圖

為促進學生創新能力的提升，教師鼓勵學生在給定設計題目的基礎上進行功能拓展和創新，也支持學生自行設計實驗題目并完成。這類實驗稱為創新實驗。如針對電子鐘系統，學生可以自行設計感光模塊，并通過模塊化平臺的擴展接口將它添加到電子鐘硬件電路中，從而實現一個可以根據光線動態調節亮度的智能電子鐘系統。較之系統實驗，創新實驗對于學生的軟硬件設計能力要求更高，因此學生選擇二者之一完成即可。

以上給出了基于電子系統模塊化實驗平臺開發的層次化實驗教學體系。該教學體系通過循序漸進的實驗模式，充分利用模塊化實驗平臺的特點，實現了從基礎教學到創新設計的無縫連接，對培養學生的電子系統綜合設計能力和實踐創新能力有極大的幫助。

4 實踐效果

基于模塊化平臺的電子系統綜合設計實驗選取我校電氣專業2005級35名學生進行了試點教學，所有學生都順利完成系統設計。如圖4所示，共有7組(15名)學生完成創新實驗，成績均高于90分。其中12名學生原本對系統設計并不了解，經過層次化的實驗訓練后，不但具備了系統綜合設計能力，而且拓展思路、積極創新，完成了類型多樣的設計作品，包括偏重于模擬電路的吉他綜合效果器，使用C51作為處理器的智能液晶數字電壓表，使用STM32處理器的語音出租車計價器等。

圖4 試點班實驗情況

5 結語

電子系統模塊化實驗平臺已在西安交通大學投入使用，取得了良好的教學效果。與傳統的實驗箱相比，模塊化實驗平臺提供多種功能齊全的單元模塊，具備靈活性、便攜性、開放性和可拓展性等顯著優點，可以根據教學需求靈活構建電子系統，有利于教師開展豐富的教學實踐。基于該平臺開發的層次化實驗教學體系充分利用模塊化平臺的特點，通過循序漸進的實驗教學體系，幫助學生逐步掌握系統設計方法，鍛煉其綜合實踐能力，激發其工程創新意識，提高他們的自主創新能力。