微控制器模块化综合实训平台的设计与研究

孙维超，高 权，解广云，李 悦

（南京工程学院 自动化学院，江苏 南京211167）

微控制器已广泛应用于智能家电、工业控制、医疗、通信和军事等诸多领域[1],对掌握微控制器技术的人才的需求也越来越大。掌握微控制器技术更是自动化专业技术人员必备的能力。然而，现在的毕业生，并不能完全满足社会的需求。究其原因主要有以下几个方面：(1)实验学时少，学生难以得到实际动手的机会；(2)传统的实验箱，所有的电路和器件都设计在一块电路板上,学生只需按指导书的电路进行接线，从而禁固了学生的思维；(3)课程设计、毕业设计成为纸上谈兵。总之，学生的思维得不到扩展，动手能力的提高也极为有限。

1 实训平台的总体方案

微控制器综合实训平台的主要应用对象是理工科相关专业的大一以后的学生。在该实训平台上可以开展的工作有：课后实训、课程设计、课外电子科技创新活动、大学生电子设计竞赛赛前训练和毕业设计等。上述实践环节具有以下特点：(1)根据所涉及的实训项目难度不同，需要用到多种MCU；(2)实训平台应充分发挥学生的主观能动性,允许学生二次开发；(3)实验平台的模块化要清晰合理，便于使用者按需求搭建。根据以上要求，综合实训平台由MCU模块、传感器模块、A/D与D/A转换模块、DDS模块以及通信模块等模块组成。表1列出了各模块的型号及主要配置[2]。

表1 模块型号及主要配置表

综合实训平台在PC端，配套了虚拟仿真软件,采用PROTEUS虚拟仿真[3]。PROTEUS软件含有丰富的电子元器件和电路分析工具，学生可以利用该软件进行电路设计、程序设计和系统仿真，从根本上克服了没有物理原型就不能进行硬件和软件调试的弊端。PROTEUS软件是实现学生自主创新的良好工具。在实践过程中，学生先在PROTEUS中进行电路设计、程序设计和系统仿真;然后，在综合实训平台上选择实训模块，搭接实训电路，进行软硬件调试与验证。

2 MCU模块设计

MCU模块是整个实训平台的核心部分。考虑到使用者对微控制器的了解程度、编程水平和应用需求的不同，微控制器综合实训平台精选了4种最具有代表性的单片机,分别是AT89S52、AVR（ATMEG8）、MSP430、STM32。MCU与各功能模块的连接如图1所示。

(1)51系列单片机作为使用最广泛的8 bit微控制器之一，具有使用方便、价格低廉等特点，也是各高等院校作为课堂教学首选的微控制器[4]。因此，选用AT89S52单片机作为MCU控制模块最具有代表性,它适用于刚刚接触单片机的初学者，也可以用来进行一些基础的开发。

(2)AVR单片机因速度快、功耗低、抗干扰能力强，而且是8 bit单片机中第一种真正的RISC单片机,所以被广泛应用于工业控制、家用电器中。在实训系统中配置AVR模块具有实际意义。

(3)MSP430是一种16 bit单片机，拥有处理能力强、运算速度快、功耗超低、片内资源丰富的特点。实训平台选用G2553系列，可以用来开发实用性强、难度较高的项目。MSP430也是全国电子科技竞赛指定使用的微控制器，对大学生电子设计竞赛赛前训练具有较强的针对性。

(4)STM32是目前32 bit微控制器的典范，它使用ARM最新的先进架构——Cortex-M3内核,具有优异的实时性能、杰出的功耗控制、出众及创新的外设、最大程度的集成整合，易于开发，可使产品快速进入市场。学会STM32应用系统的软、硬设计才能真正成为控制系统的工程师。

实训平台配置的4种MCU控制模块，从学习的角度看具有从易到难的递进式特点，适合不同使用者和不同应用场合，具有较大的覆盖面。

3 配套应用实例

根据使用者的使用目的和个人能力的不同,实训平台的实训内容分为三个部分。

(1)基础实训。包括：基本I/O口输入输出、外部中断、计数器、定时器、数/模转换、模/数转换、动态八段数码管、静态八段数码管、键盘扫描、串行接口通讯等。主要针对单片机初学者，使他们对单片机的使用方法和内部结构有一个初步的认识，具有单元软、硬件设计能力。

(2)综合设计部分。包括：16×16点阵显示器设计、交通信号灯设计、电子钟设计、电子密码锁设计、电机控制设计、温度采集与显示设计、电子琴设计、音乐盒设计、计算器设计、简易波形发生器设计。这些项目主要针对课程设计使用者。通过以上两个环节的实训，使用者具备了微控制器应用系统软、硬件的设计能力。

(3)科技创新部分。包括：循迹测距小车、温湿度检测与控制系统、数字信号发生器、74系列逻辑芯片测试仪、无线蓝牙鼠标等。这些设计课题具有一定的难度，部分课题需要另外添加模块，使用的主板也不仅限于基础的51系列单片机。它适合科技竞赛赛前训练和创新设计。通过该步骤的实训，能够有效地锻炼使用者的微控制器应用系统设计开发能力和创新意识。

本文以循迹测距小车为例说明实训过程。循迹测距小车的原理框图如图2所示，硬件系统由6种不同的功能模块组成。红外循迹模块检测地面黑线，将信号发回单片机进行处理；单片机控制直流电机转动，使小车沿黑线行进；同时，超声波测距模块和霍尔测速模块将测得的距离和速度发回单片机；单片机处理后将距离和速度实时显示在LCD液晶屏上。实训进程可分为以下几个环节：(1)根据实训要求阅读相关文献资料,如 AT89S52单片机数据资料和LCD模块资料;(2)完成方案设计和软、硬件详细设计,对主要电路进行仿真;(3)通过阅读使用说明书,自行选择合适的实验模块;(4)对主要模块进行测试,如测试红外对管是否正常工作,是否与仿真结果一致;(5)搭建完整控制系统,完成系统软、硬件调试;(6)测试验收,撰写设计报告。本实训的深度可根据实际情况灵活调整,如在完成基本内容的基础上可增加远程遥控。该课题可以由2～3位同学一起完成。采用开放式实训形式,学生自主完成,教师作必要的指导。

微控制器模块化综合实训平台不同于常见的实验箱,大致可将其分为主板和功能模块两大部分，使用者根据需求自行连接。该平台不但功能强大、结构清晰、端口开放，而且便于使用和携带、方便教学，适合各类想要学习单片机的人群。可以有效地调动使用者的积极性，激发其创造性思维能力。微控制器模块化综合实训平台的设计与研究依托于江苏省大学生科技创新课题，目前已经被应用于 “南京工程学院自动化学院卓越工程师班”的单片机系统设计及应用的教学中，学生、老师对其反应良好。

[1]邹应全.单片机原理与实验教程[M].西安：西安电子科技大学出版社,2007.

[2]江世明.模块化电子实验平台的构建与创新型人才培养的研究[J].电气电子教学学报，2008，30(2)：98-100.

[3]伍冯洁,谢陈跃,黄文恺.Proteus在虚拟单片机实验教学中的应用[J].实验室科学,2009(3)：101-103.

[4]Intel.MCS-51 family of single chip microcomputers user′s manual[Z].1981.