基于多种微处理器递阶的实验教学平台

张开生, 陈倩倩

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

基于多种微处理器递阶的实验教学平台

张开生, 陈倩倩

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

在传统微处理器教学实验中存在芯片种类单一，实验内容固定等缺陷，限制学生创新和思维能力的提高。为此，设计了一套多种微处理器的递阶实验教学平台，该平台软硬件资源丰富，针对性强，有机地将理论与实践相融合，从而全面提高学生的专业素质和工程能力。

微处理器；递阶教学平台；多核硬件

0 引言

在快速发展的数字信息时代，社会对嵌入式系统工程技术人才的需求不断增大，高校的单片机、嵌入式课程实验教学倍受重视。

嵌入式系统是单片机发展的必然趋势，但嵌入式系统的入门条件较高，大部分高校仍将单片机作为最基础的课程安排。由于单片机上机实验是面向所有层次的学生，采用单片机开发板的实验简单易学，受到广泛采纳。但是仅限于单一微处理器的学习，严重限制了学生的思维发散及实践动手能力的提高。因此，为了最大程度地激发学生的学习兴趣和创新能力，我们设计了一套多种微处理器的递阶实验教学平台[1-2]。

1 平台总体设计方案

平台总体设计方案是在学生完成入门的MCS-51单片机课程的基础上，为实训课的顺利进行而提出的。该实验教学平台采用相同的硬件模块、类似的软件架构、采用C语言程序设计编程开展各种实验。具体做法是，在同一块底层板上，依靠更换不同的核心板，选择不同的微处理器，针对每一节实验内容，利用软件编程、调试完成实验。第一阶段是各种微处理器的选择。采用STC89C52微处理器作为入门，其结构简单，入门门槛较低，适合初学者使用。在熟悉STC89C52微处理器各引脚和功能特点后，依次进阶学习PIC16F877微处理器、MSP430F249微处理器及LPC2103嵌入式微处理器，找出其中的异同点，拓宽学生的知识领域和思维方式。第二阶段针对课程实验教学要求进行编程，根据不同的微处理器，分别采用Keil μVision4、MPLAB IDE v8.90等开发工具进行编程，编译成功后，将生成的可执行目标文件通过USB串口线或者烧录器下载到不同的核心板内，实现同一实验目的。此实验教学平台充分利用教学资源，营造一个开放式、多元化的实验环境。多种微处理器的递阶教学平台模型如图1所示。

图1 多种微处理器的递阶教学平台模型图

该实验教学平台由硬件和软件两部分构成。硬件部分包括底层板与核心板，使用过程中通过更换核心板，使其作为由初识单片机过渡到嵌入式入门的学习平台。软件部分，采用Keil μVision4、MPLAB IDE v8.90等作为开发工具，提供各个实验模块程序的主要框架及模块化程序函数调用入口，采用类似的软件架构进行编程。

多种微处理器的递阶实验教学平台结构框图如图2所示。该实验教学平台的使用方法，首先用USB线将实验板与电脑相连，在电脑界面打开相应的软件开发工具，建立一个工程文件，这里采用C语言编写程序，由于它是一种编译型程序设计语言，运算速度快、编译效率高，包含功能齐全的库函数，可移植性好。软件编程完成后经过编译、调试，无任何错误后，生成可执行目标文件，而后采用Proteus仿真软件进行硬件仿真，将编译通过的目标文件加载到CPU后台进行仿真调试，仿真成功后，程序烧录到核心板，最后进行实物调试，若能达到预期实验目的，即此实验成功，否则重新检查程序步骤和硬件连接问题[3-4]。

2 硬件平台设计

硬件平台包括底层板、核心板和外设资源。

(1)底层板为一块多功能电路板，其硬件组成框图如图3所示。

图2 多种微处理器递阶教学平台结构图

图3底层板硬件组成框图

由底层板硬件组成框图可知，该实验教学平台提供了常用的基础实验功能模块与外部扩展模块，在平台上，采用开放式教学模式，以学生为主体，教师为引导打破传统的实验教学方法，提高学生自主学习能力与工程能力[5-6]。

(2)核心板模块是实验教学的核心部分，都采用DIP紧锁座安装，便于插拔，同时利用插针引出各个微处理器的引脚，以便进行IO口扩展。

作为入门的STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器， 标准配置有8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，两个数据指针， 三个16 位定时器/计数器，4个外部中断，以及全双工串行口。

美国Microchip Technology公司推出的8位PIC系列微处理器，采用精简指令集、哈佛总线结构、二级流水线取指令方式。其中的PIC16F877是一款功能和性价比高的PIC系列的中级产品，含有A/D，PWM，EEPROM等丰富的接口模块和FLASH程序存储器(4KB或8KB)，便于在线编程调试，其程序存储器可反复擦写。具有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、简单易学等特点。

TI公司的MSP430系列微处理器是一种超低功耗的混合信号控制器，其中MSP430F249微处理器采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，高达48个I/O引脚，具有低功耗、强处理能力、系统工作稳定和丰富的片内外设等功能。

LPC2103是一个基于支持实时仿真的16/32位ARM7 TDML-S CPU的微控制器，其成本低，适合大量应用在高校实验室。内置宽范围的串行通信接口和8K的片内SRAM，并且具有以下特性：32/16位定时器、增强型10位ADC、定时器输出匹配PWM特性、多个外部中断、32条高速GPIO等。以上这些特性使得LPC2103微处理器既适用于访问控制器和POS机等小型应用系统中，也特别适用于工业控制和医疗系统中。

(3)外设资源包括基本系统单元和扩展模块单元。基本系统单元由单片机运行时必须的模块组成，包括复位模块、晶振模块、CPU及程序下载接口等。人机交互单元用于扩展人机界面，包括液晶显示模块、点阵显示模块、数码管显示模块、按键显示模块及流水灯模块。

扩展模块单元包括温湿度传感器模块、继电器传感器模块、光敏传感器模块、土壤湿度传感器模块、震动传感器模块、红外传感器模块、模拟电压输入传感器模块、蜂鸣器模块、RFID模块、数模传感器模块、声音传感器模块、霍尔传感器模块、火焰传感器模块及烟雾传感器模块等。

3 软件模块设计

多种微处理器递阶实验教学平台的模块化编程软件可将复杂的工程整体分割成若干相对独立的功能模块，并且为各功能模块间的程序相互调用以及数据传递提供了便捷的途径，这有助于程序的调试，也增加了程序的可读性。

作为软件模块设计一例，键盘扫描实验采用2*8按键电路设计，可节省芯片I/O资源。其工作原理为：通过一片74HC595向2*8按键的一端依次循环发送低电平，若有键按下，按键的另一端即出现低电平，依此判断哪个按键被按下并记录键值。图4为这部分软件架构程序流程图。

图4 程序流程框图

表1列出按键扫描程序，观察表1可以看出左栏单片机程序中通过if(KEY1==0)语句可直接读取芯片管脚状态，而由右栏嵌入式程序中if((IOPIN&KEY1)==0)语句可知，需要通过寄存器IOPIN读取芯片管脚的状态。

表1 按键扫描程序对比

4 结语

本文介绍的多种微处理器递阶实验教学平台软硬件资源丰富，可应用在学校的实训课中，学生从MCS-51单片机入手，在开发板硬件外设不变的情况下，采用相同的软件架构，利用在不同的递阶微处理器核心板上可完成相同的实验。

(张开生等文)

该平台的建设为培养学生的软硬件开发能力，提高学生的综合实践水平以及步入社会成为一个复合型人才创造有利条件。

[1] 张晓群.单片机实验教学改革与创新人才培养[J].西安: 西安建筑科技大学学报(社会科学版), 2011,30(03): 94-96.

[2] 代芬, 王卫星, 邓小玲, 等. 单片机综合实验开发板设计[J]. 上海: 实验室研究与探索, 2010,29(08): 213-215.

[3] 王海燕, 杨艳华. Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用[J]. 上海: 实验室研究与探索, 2012,31(05): 88-91.

[4] 王忠, 秦英林. Proteus软件在嵌入式系统教学中的应用研究[J].西安: 现代电子技术, 2010,(16): 74-76.

[5] 刘迎澍, 金文, 陈曦, 等. 单片机-嵌入式系统综合实验平台[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2014,36(03): 77-79.

[6] 朱向庆,胡均万,陈宏华,等.多功能单片机实验系统的研制[J]. 上海: 实验室研究与探索, 2012,31(04): 42～43.

The Hierarchical Experiment Teaching Platform of Multi Microprocessors

ZHANG Kai-sheng，CHEN Qian-qian

(CollegeofElectric&InformationEngineering,ShannxiUniversityofScience&Technology,Xi'an710021,Chain)

In traditional teaching experiments of microprocessor, due to the monotonousness of chip types, the experiment contents are fixed. As a result, the innovative mindset of students has been constrained at a great extend. The paper has designed an hierarchical experiment teaching platform based on multi microprocessors, the platform is affluent in both software and hardware resources, And the integration of theory and practice is its char, students' comprehensive abilities will be enhanced.

microprocessor; hierarchical teaching platform; multi core hardwar

2015-10-21;

2016-04-22

陕西榆林科技局项目(2011KJ-6、2011KJ-29);陕西省西安市未央科技区项目“基于物联网的信息监控平台研究”

张开生，(1963-)，男，博士，教授，主要从事嵌入式系统、物联网技术的教学及开发研究，E-mail: skdzks@sina.com

TP368

A

1008-0686(2016)05-0113-04