本科生AVR 单片机实验教学探索与研究

李有光， 闻 新， 南 英

(南京航空航天大学 航天学院，江苏 南京210016)

0 引 言

AVR 单片机采用双总线的哈弗结构，其RAM 中的前32 个单元作为通用寄存器，直接与运算逻辑单元相连，可实现寄存器文件的快速存取。AVR 单片机还采用精简指令集，且具有高速低功耗等优点，目前已被包括我校航天学院在内的众多院校选定为本科生必修课程，AVR 单片机实验起着举足轻重的作用［1-2］。开设实验的目的是提高学生实践和创新能力［3-4］。

在教学方法和手段方面，为提高学生学习效率，需要采用合理的教学方法和手段［5-6］，对于初学单片机的本科生适合采用以C 语言学习为主，汇编语言学习为辅的方针，以避免枯燥的汇编指令困扰。C 语言编译器目前流行的主要有CVAVR、WinAVR、AVR Studio 和ICCAVR 等，同时采用可以对AVR 单片机及接口芯片实现硬件仿真功能的软件Proteus 进行教学［7-9］。以学生作为认知主体，在实验环节中设计和开发面向实际应用的实验项目，激发学生学习兴趣，启发探索精神，使学生在学到扎实的专业实验技能的同时，掌握项目开发的基本方法，逐步培养其发现问题、分析问题和解决问题的能力，这对培养学生的创新思维和实践动手能力有着极为重要的指导意义。

在专业差异性方面，不同专业本科学生所需的实践技能侧重点也有所差异。对于控制专业的学生，主要侧重于直流无刷电机、各种压力、温度、电压和电流传感器等控制对象的使用方面［10-12］。对于信息专业的学生，则主要注重各种通信协议和代码生成及转换等［13］。以往，在实验项目的开发和研制上没有考虑学生所学专业的差异性，没有设计不同的实验实践项目以满足本科生自身及专业差异性发展的要求。

目前已开始了大规模的实验教学，并在培养自主意识、创新素质和团队协作等方面，取得良好的教学效果。同时，面对众多实验，不同专业的教学也出现一些新问题。本文讨论了在实验教学中出现的问题，并在“面向工程的软硬件整合”方面做了一些探索和研究。

1 当前实验教学中存在的问题

(1)有些程序代码工程实用性不足。针对目前

AVR 单片机实验教学编写的代码功能不全，有些代码只实现了部分硬件功能，且这些代码与硬件的关系论述不清楚，例如在字符式LCD1602 液晶显示实验里，延迟函数设定的延迟时间由内部芯片HD44780 和HD44100 响应时间决定，不同指令执行时间不同，用很长的延迟时间虽然可以完成功能，但相应的查询“忙”状态的时间也相应增加，而且在复杂的工程应用中很容易被中断，增加MCU 负担，实际应用的程序还需处理很多其他任务，因此需要充分了解指令与硬件的关系，以及同时进行的其他任务特点，相应修改程序，例如为节省资源尽量用4 位总线，最少的延迟时间。

(2)Proteus 软件并未被普遍采用。Proteus 软件是英国Lab Center Electronics 公司开发的EDA 软件，于1989 年问世，已发展25 年，得到全世界范围的广泛应用。Proteus 软件具有通用EDA 软件的原理图编辑、制板和数模电仿真功能，除此外还是目前世界上唯一能进行单片机应用系统虚拟设计与仿真功能的软件，它可以对基于单片机应用系统及众多的外围接口芯片、电子元器件以及外部的各种测试仪器一起仿真。Proteus 提供了30 多个元件库，涉及到8086、51、AVR和Cortex-M3 等各种嵌入式处理器芯片、数字和模拟等上万种元器件，并提供了各种激励源和虚拟仪器(示波器、信号发生器、逻辑分析仪和计数定时器等等)，为单片机应用系统的虚拟仿真提供了各种方便的硬件电路和软件的调试手段。该软件使得单片机系统的调试方法与设计思想发生根本性的变革，克服了传统实验教学模式存在的诸多不足［14-16］，对提高本科生的设计与调试能力以及实践能力有了一个质的飞跃。但此软件目前只在学院个别班级使用，并未全面普及。

(3)课程考核方式不全面。该实验课和理论课作为一门课进行教学，考核方式采用期末试卷成绩占70%，平时成绩占30%的方法，把大作业和基础实验的考核计入平时成绩里，这样导致后者比重太小，学生的学习重点还是放在书本上，会出现死记硬背的现象。

2 软硬件整合的改革与实践

分析上述问题，不难发现问题关键在于以工程需求为背景，有效提高学生的应用设计能力。解决的根本办法是设置大量具体的工程项目，充分利用Proteus软件与硬件实验平台进行深入整合。

2.1 与工程应用相结合

用传统方法学习AVR 单片机过程中，各个章节单独讲授，讲授的目的是使学生掌握基本概念、基本知识和基本设计方法。在初学时往往是“只见树木不见森林”，但使用AVR 单片机完成实际工程项目时，一定要使各章节有机结合。因此为使学生能够融会贯通地使用AVR 单片机，需要设置大量基于工程的实验项目，每人一题，使题目都不相同。以“抛锚式法”提出，激发学生的学习动力，由学生从资料查询、收集、整理，消化吸收现有成果，直至完成既定目标，让学生在真实的工程环境中去感受和体验该实验所应用的知识点以及知识点之间的联系，通过学生的自主学习和协助学习，来完成对所学知识的意义建构，这也是今后完成本科毕业设计或将来科研和工作中所采取的方法。

这一过程的考核适宜以大作业的形式进行，每个大作业尽量涵盖课堂讲授的AVR 单片机的基本概念、基本知识以及基本设计方法，每个作业要尽量涉及较多的片内功能部件与各种扩展，这可以锻炼学生的硬件系统设计能力，软硬件联调能力。在理论教学一开始就给学生分配下来，使他们能够有充足的时间去完成任务。实际上大作业题目完成的过程，就是学生设计与实践能力提高的过程。对大作业的考核是看其运行是否通过，功能是否达到设计要求，对大作业中不足之处和精彩的地方也要予以指出，最好学生和老师一起讨论，使班级每个人都能从自己和其他人的大作业中受益，相互促进，相互提高，起到事半功倍的效果。这样才真正有利于学生设计水平的不断提高。因此，大作业环节是培养提高学生设计与工程实践能力的一个重要举措。

2.2 实验教学方法的改革

随着单片机技术的发展，新理论和新技术不断涌现，AVR 单片机和Proteus 软件的出现便是最好的例证。Proteus 软件在单片机课程中的应用改变了传统的教学模式，它用软件模拟了真实的实验平台，这使得单片机系统的调试可以先于实验平台的建立，使单片机的设计理念发生了根本的变革，这是传统的教学模式所无法比拟的，对提高学生的系统设计与联合调试能力以及工程实践能力有了一个质的飞跃。

建议Proteus 在单片机教学中的使用方法如下:

(1)在讲授单片机内容前大致介绍Proteus ISIS软件和C 语言编译软件，并提供学习视频资料，限定学习范围。

(2)在讲授前几章内容时，详细给出程序的编译和.HEX 或.coff 文件的生成过程，演示Proteus ISIS 中元器件查找的方法和常用库文件分类，演示原理图的绘制、熔丝位配置、.hex 文件或.coff 文件的加载、仿真调试和波形观察等。在学生熟练掌握软件使用后上述操作可仅做演示或让学生自行完成。

(3)因Proteus 设计不受时间、地点以及硬设备、仪器的限制，可以布置课后作业，让学生逐步掌握Proteus ISIS 及编译软件。基础实验要求先在Proteus ISIS 下仿真通过，然后再在相应的硬件实验系统调试通过。

(4)可以根据需要讲授Proteus ARES。

在基础实验环节中，需建立一套基于Proteus 和硬件实验箱相结合的实验平台，设计与课程教学内容紧密结合的实验题目，包括必做题目5 个:I/O 中断和数码管显示、定时/计数器、串行通信、键盘和显示、A/D和D/A 等基本实验;选做题目5 个:温度及压力测量、电动机控制、继电器以各种扩展功能等。上述实验可根据不同专业特点适当修改。需向学生强调，由于时延和噪声等因素，仿真不能完全代替实际实验验证。

从软硬件结合和工程应用的角度布置实验，增强了学生的单片机的理解深度，使学生脱离了硬件实验平台的束缚，降低了学习成本，提高了学习效率，激发学生的学习兴趣，提高了教学质量，目前已取得了很好的效果。

2.3 考核方式的改革

目前，单片机课程的考核是试卷成绩占70%，平时成绩占30%，大作业和基础实验成绩计入平时成绩。闭卷考试重点考核理论知识，学生经常是在考试前一周死记硬背基本概念，对基本概念和概念间的联系不甚理解，考试结束一段时间后很容易忘记。单片机是实用性很强的课程，其应用灵活多样，这种考核方式很难考察出学生的应用水平，甚至有可能使学生误解单片机只要会背例程和概念就可以了，并不深究其内部结构本质和周围接口芯片特点，这对他们今后的发展极为不利。既然Proteus 软件已在单片机课程中广泛应用，使得课程的教学理念、教学方法以及实验手段都产生了变革，因此相应的考核方式也应变革。

应采取多样化的考核方式，考核包括三个方面，理论知识的考核，占总成绩的50%，基础实验的考核，占总成绩的30%，大作业的考核占总成绩的15%，平时成绩占总成绩的5%。对基础实验和大作业中的实验，全部要求学生先在Proteus 中仿真通过，然后在实验平台上验证。平时成绩可以作为课堂表现的考核分数。通过这种方式既可以了解学生理论知识的掌握程度，也可以考查学生的动手实践和创新能力。

3 结 语

以AVR 单片机应用为基础，以提高学生实践和创新能力为目标，结合航天学院各专业本科生实验教学的实际情况，整合了软硬件教学方法和考核手段，优化了实验资源配置，节约硬件开发成本和周期。经过3年的改革实践表明，通过软硬件教学方法和考核方式改革的实施，增加了学生学习的兴趣，减轻了学生学习压力，学生不但掌握教学大纲要求的软硬件基础知识，而且对单片机及外围芯片的内部电路拓扑结构也有深入的了解。从本学院本科生毕业设计过程中可以看出，学生在实际工程应用项目的开发质量和数量上都有较大幅度提高，并且改革措施已面向全院本科生推广开来。

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