基于多核心板互換的單片機實訓教學裝置研制

荊麗梅

（湖南工業職業技術學院電氣工程學院，湖南 長沙，410208）

“單片機技術及應用”是高職院校電氣自動化技術、電子信息技術、物聯網技術等專業的必修課。通過該課程的學習，學生應具備初步的系統開發能力和其他類型單片機的進階學習能力。

目前市場上單片機實訓裝置功能單一，延續性不夠，一種單片機對應一塊開發板，在學習其他種類單片機時，需要重新購置開發板，而這些開發板，除了核心部件不一樣，外圍電路幾乎是一致的，造成的資源的浪費和學習成本的提高。

實訓教學在單片機課程教學中占據重要地位。實訓裝置的升級改革，能夠更好地服務于實訓教學，可以切實提高單片機的實踐教學質量，提高學生的學習興趣，實現自主學習、進階學習。因此，研制新的實訓裝置是很有意義的。筆者通過對多種單片機資源進行分析比較，將實訓裝置采用底板和核心板的雙層設計結構，底板是一塊通用的單片機外圍電路板。核心板是針對STC89C52，STC125A60S2，STM32F103 三款單片機分別設計的核心板，底板與核心板的接口電路標準化。在雙層結構的設計下，不同種類的單片機對應不同的核心板，多塊核心板共用同一塊底板，實現資源的充分利用和延續性[1-5]。

1 實訓裝置的組成

本實訓裝置由三部分組成：包含基本外圍電路的底板和包含單片機最小系統的核心板，連接底板和核心板的接口電路。

基于多核心板互換的單片機實訓裝置的總體設計思想是采用底板和核心板同時工作的雙層設計結構，首先設計底板，底板上有通用的單片機外圍電路模塊。然后設計核心板，針對STC89C52，STC125A60S2，STM32F103 等幾款單片機設計不同的核心板，再將底板與核心板的接口標準化。在具體實踐過程中，選擇所需要的核心板和統一的底板完成實踐項目。實訓裝置的整體設計如圖1所示。

圖1 硬件框圖

1.1 底板結構

實訓裝置中底板是為多種的單片機服務的，所以要有單片機的外圍基礎電路和一些擴展性試驗電路，根據不同單片機的特性，還要設計特定的外圍硬件。

在底板設計時，要考慮做到一次性測試底板上的硬件是否都能工作，因此，在設計時，IO 口不能復用。當IO 口資源不夠時，需要IO 口擴展。

底板上常用的電路模塊有發光二極管電路，數碼管顯示電路，16*16 點陣顯示，液晶顯示電路，蜂鳴器驅動電路，繼電器驅動電路，NE555 信號發生器，按鍵電路，串口通信，SPI，IIC，無線接口，A/D、D/A 轉換電路，時鐘電路，溫度傳感電路等常用模塊電路?；诙嗪诵陌寤Q的單片機實訓裝置底板設計如圖2 所示。底板與核心板的接口電路如圖4 所示。

圖2 系統底板組成框圖

圖3 底板與核心板的接口電路

圖4 STM32 單片機核心板與底板接口電路

1.2 核心板結構

根據不同種類的單片機，分析其具有的不同資源，設計不同的核心板。在每塊核心板上設計該種類單片機的最小系統，將接口電路標準化，核心板與底板的接口匹配。STM32 單片機核心板與底板接口電路如圖3 所示。

2 系統實驗項目設計

針對單片機日常教學、湖南省技能抽查、單片機愛好者的需求，以及滿足嵌入式技術應用開發、電子設計與制作、物聯網技術應用等創新創業工作室需求，本實驗裝置設計了小交通燈控制軟件開發，數碼管顯示程序設計，LED 點陣顯示，中斷響應程序設計，獨立式鍵盤接口程序設計，矩陣式鍵盤接口程序設計，串口應用實驗，IIC 總線實驗，DS18B20 數字溫度計的設計，基于DS1302 的精密電子時鐘設計等實驗項目，并給出相關的設計任務和程序。

3 硬件制作及軟硬件聯調

基于多核心板互換的單片機實訓裝置在完成構思之后，進行布局設計并繪圖，制作PCB 板。完成元器件的安裝與調試。

硬件制作完成之后，進行軟硬件聯調。系統開發調試的一般過程如圖6 所示。實訓裝置的部分實物如圖7、圖8、圖9 所示。

圖6 系統核心板設計框圖

經過設計-制作-調試-修改設計-制作-調試這樣一個反復的過程，完成了基于多核心板互換的單片機實訓裝置研制。學習者在掌握單片機的開發過程和工作原理之后，還可以通過DXP或者其他繪圖軟件設計制作其他種類核心板。

利用相關的檢測設備對如下核心板和底板進行硬件測試[6]。如下是需要進行硬件功能測試的基于多核心板互換的單片機實訓教學系統電路板，包括底板和兩種單片機的核心板。底板和核心板的實物如圖7、圖8、圖9 所示。

圖7 底板

圖8 STC 核心板

圖9 STM32 單片機核心板

本文設計的基于多核心板互換的單片機實訓裝置具有以下的特點：

（1）實用性。對單片機教學起到良好的支撐作用，為單片機學習者提供一個豐富的進階學習平臺。

（2）兼容性。適合多種核心板與底板之間無障礙對接。

（3）拓展性。在學習完一種單片機之后，更換核心板就能進行其他種類單片機的開發，在掌握幾種典型單片機之后，還可以根據已有的底板電路及其底板接口電路自行設計相應的核心板，完成新的核心板軟硬件的設計，一舉多得[7]。

4 結語

基于多核心板互換的單片機實訓裝置有助于解決創新能力培養的問題[8]:

（1）有助于單片機教學實現理實一體化，將理論學習與實訓有機結合、快速結合，實現課程學習與應用能力同步增長。

（2）基于多核心板互換的單片機實訓裝置功能豐富，核心板更替簡單，有助于學生通過課程設計、創新性實驗、電子競賽、畢業設計等方面的應用，掌握單片機開發的步驟和方法，并可以自己嘗試設計新的核心板和底板。

（3）實現隨時能做。大學生正處于創新意識、專研意識最強的時期，有這樣一套實訓裝置，有任何關于單片機方面新的想法，可以隨時實驗，不受實驗室管理的約束。

（4）有利于培養學生專業知識系統學習和應用的能力。

學習單片機，必須掌握電路分析、數字電子技術、模擬電子技術、傳感器等前序課程，學生使用實訓裝置，爾后還可以根據自己的需求設計并制作的單片機開發板。實現單片機應用與相關知識的有機融合。實現開發板的創新設計。

經過實踐證明，這種實驗裝置模式，促進了學生的實踐興趣，培養了學生的動手能力與研發意識，對提高學生工程實踐能力起到了良好的推動作用。