微处理器系列课程整体优化方案研究

艾　红, 陈雯柏

(北京信息科技大学 自动化学院, 北京　100192)



微处理器系列课程整体优化方案研究

艾红, 陈雯柏

(北京信息科技大学 自动化学院, 北京100192)

提出微处理器系列课程体系架构,以及单片微机控制技术、DSP原理及应用、嵌入式系统的教学方法与实践内容安排。描述了微控制器技术课程设计选题,以停车场车位控制设计实例说明微控制器技术的设计思想，以及LED点阵汉字显示的Proteus软件仿真运行结果。提出嵌入式系统项目实战中要完成的主要内容,例如Linux系统下文件综合设计、进程与线程、网络编程和基于Qt的图形界面设计，简单的嵌入式Web服务器设计以及USB摄像头视频采集等综合实训案例。

单片机； 嵌入式系统； 课程设计； DSP； 项目实训

北京信息科技大学自动化专业于2008年成为北京市特色专业建设点,2009年成为第四批国家特色专业建设点,2013年获批教育部高等学校“专业综合改革试点”项目,2011年进入教育部第二批“卓越计划”。自动化专业微处理器系列课程有“单片微机控制技术”、“DSP控制技术”、“嵌入式系统”、“微控制器技术课程设计”等。这些课程包括原理、理论、技术、实践教学内容,形成了以微型计算机结构及其应用系统为主线的课程体系。微处理器系列课程的整体优化方案以学术研究为引领、以实践创新为手段,创立理论学习、工程实践、创新竞赛等多环节相结合的人才培养模式。系列课程对教学内容、教学环节、实践环节、题目设计以及实现方案的多种方法选择都进行了研究。通过这一系列课程的学习,使学生能很好地掌握微处理器知识,为参加相关科技竞赛和研发自动化产品奠定了坚实的基础[1-2]。

1　微处理器系列课程体系架构

在开放实验、大学生科技创新计划和自动化产品开发中,都要用到单片机原理的基本知识。单片机资源较少,原理清晰,便于学生理解和掌握；而DSP、ARM芯片资源丰富。微处理器系列课程体系应强调体系结构以及实用的设计开发技术,并结合实例项目进行讲解,遵循由浅入深、由易到难、由基础到综合的原则。微处理器系列课程学习应体现层次性、由易到难的渐进性和注重实践性,知识结构包括理论教学、实践环节和创新能力培养(见表1)。

表1　微处理器系列课程教学与实践整体方案

2　单片机控制技术

单片机控制技术基于C51编程,将C语言应用在单片机中,使单片机编程容易上手。单片机中断原理概念很重要,要想使本来难以理解的中断原理通俗易懂,就要在教学中边讲、边演示中断的产生,以及如何响应中断服务程序的过程,应用Keil软件进行程序调试和执行结果的演示。

在调试软件的界面可以看到相关寄存器的变化,并能看到程序转入中断服务的执行过程,可以看到执行完中断服务程序后中断返回到什么地方。课程以“精讲课内,拓展课外”为教学改革理念,实施集新颖性,实用性,趣味性于一体的案例教学。在教学中引进仿真软件Proteus对单片机系统进行教学演示,对单片机的指令系统、典型案例、工程项目等进行动态仿真,使学生直观地了解单片机的工作状态,使教学内容直观、形象和透明[3-4]。

“适应社会需要,不断改革创新”是“单片微机控制技术”课程教学遵循的原则。要架起单片机与C语言桥梁,更好地引导DSP的应用和嵌入式系统的研发。

3　DSP原理及应用

DSP原理及应用是一门较新、但实践性和应用性较强的课程。DSP教学内容多,信息量大,包括DSP芯片结构、硬件资源、程序设计方法与调试工具CCS的使用等。 “比较法”的课堂教学方式可以将复杂的内容逐步分解,将陌生的概念用已知的内容替代,如此循序渐进、逐步深入,易于对新知识点的理解和掌握。

例如感应电机的转速测定涉及DSP事件管理器模块的捕获单元与正交编码脉冲电路。DSP中寄存器较多,学生要理解寄存器的设置与使用方法。在讲解数字I/O 端口时,必须配置I/O口复用控制寄存器,确定I/O口作为基本功能还是通用I/O功能。如果作为通用I/O引脚使用,还必须根据需要设置相应的数据和方向控制寄存器,确定相应引脚的数据传输方向是输入还是输出。这些是与单片机不同的地方。

DSP中设置了寄存器,就可以产生PWM波形去控制电机,而单片机产生PWM波形是需要编程实现的。学习各种寄存器使用方法,需要了解不同模块对寄存器各位的定义。DSP除了与单片机类似的基本内容，如中断、定时、I/O口、串口和A/D之外,还有SPI。

4　微控制器技术课程设计

课程设计是对课堂教学项目的验证,可以加深和巩固课程知识。教师要引导学生挖掘潜力,实现对整个课程知识的综合应用。课程设计倡导学生自主学习,对课程项目进行功能扩展与集成创新,培养学生解决实际问题的能力。

微控制器技术课程设计运用单元模块知识进行基本知识点练习与综合训练,选题丰富,并且与实际生活密切相关,例如具有闹钟功能的电子时钟设计、LCD液晶显示和点阵、LED广告屏设计、接触式IC卡读写设计、音乐门铃设计、数字电压表设计、生产车间流水线自动控制模拟、篮球比赛计分器、按键控制选播音乐等。根据班级学生学习情况设计了提高内容的不同选题,如按键控制步进电机、数据采集系统、温度显示系统。课程设计的成绩要根据学生平时学习态度,独立工作能力,设计的正确性、合理性、完整性，课程设计报告的内容与规范性,以及是否有自己的发挥和创意等综合评定[5-7]。

4.1停车场车位控制

停车场车位控制是中断技术、键盘与显示的综合应用。在停车场入口处装设一个传感器,用来检测驶入车辆数；在出口处装设一个传感器,用来检测驶出车辆数。当尚有空余车位时,入口闸栏才可以开启，让车辆驶入,并有数码管显示是否有空余车位。可利用数码管显示停车场内即时车辆数。程序设计要求按下键“1”时,停车空闲位数加1；按下键“2”时,停车空闲位数减1。当没有停车空闲位置时,数码管显示提示符。设计时可以选择按下按钮引发外部中断,此时记录进入停车场的车辆数,经过合理的计算后显示目前停车场的车位。停车场车位控制电路如图1所示。

图1　停车场车位控制电路

4.2LED点阵汉字显示设计

16×16LED点阵由4块8×8LED点阵组成。LED点阵汉字显示设计选题是控制点阵的扫描显示,使16×16LED点阵循环显示汉字，如图2所示。点阵显示汉字可以从上到下或者从下到上移动显示一句话。

图2　点阵显示汉字电路

5　嵌入式系统与项目实战

“嵌入式系统”是近几年新兴的一门课程,是单片机、DSP原理及应用、微机原理与接口技术的后续课程。嵌入式系统融合了计算机软硬件技术、通信技术和微电子技术,针对实际应用系统的需求,将计算机直接嵌入到应用系统中。掌握嵌入式系统应用需要设计者具有较强的综合理论知识和动手能力。由于IT技术发展很快,教学中应不断补充新的技术和新的科学研究成果,学生毕业后也必然要面对这些新技术。如果能够为学生提供更多接触这些新知识、新技术的机会,就会使学生毕业后快速适应岗位工作。

嵌入式技术的飞速发展为自动化控制开辟了广阔的发展空间。学校要培养创新型、务实型人才,必须加强与企业的深度合作,为进一步改进教学内容提供丰富的教学素材,使教学内容与技术发展保持同步,为学生提供一个接触、学习新技术的环境[8-9]。现在我校自动化专业与研华科技有限公司和博创科技有限公司合作开设了嵌入式系统核心设计与项目实战,以案例教学和项目研发驱动教学内容的更新,努力使抽象的理论知识实用化和具体化。我校主要在以下几个方面改进了教学实践工作。

(1) 让学生了解嵌入式平台的硬件环境,分析嵌入式系统的应用程序；通过硬件分析—现场编程—编译调试—下载程序—运行演示,能够看到嵌入式系统的运行结果；通过视频播放,将软件仿真与实物演示相结合,实现互动式和引导式教学。

(2) 把科研工作的思维方法融入教学中。把科研项目分解,依据学生意向和专业基础情况,将教学班级拆分成小组(每2人1组),针对实际应用项目进行实战设计。在嵌入式系统实战项目中，学生先在笔记本电脑上练习操作,主要练习的项目有30多个,内容有Linux操作命令和文本编辑器vi、编译器GCC的使用、Linux系统下文件综合设计、Makefile编写、采用fork和vfork创建子进程、创建线程、TCP编程、UDP编程,图形界面设计、简单的嵌入式Web服务器设计、USB摄像头视频采集、无线遥控接收、智能家居综合实训等。虽然内容难度较大,但是信息量也很大,学生利用笔记本电脑动手练习,增强了参与意识,也掌握了Linux基本操作,可以编写和保存程序、创建进程和线程等[10-12]。

(3) 为动手能力较强的学生提供施展创新能力的平台。学生可以自主选择完成案例中的部分综合设计内容。学校采取科学的考核方式,力图综合、全面地评价学生的学习情况。对有特殊才能的学生进行重点培养,指导他们参加“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛等国内嵌入式系统竞赛。学生在创新活动中勤于思考、敢于创新,实现理论教学和实验教学的深度融合,具备了初步的嵌入式系统开发能力,适应嵌入式系统产品市场对人才的需求。

6　结语

教学实践证明,通过理论教学、实验教学、课程设计和项目实战这几个层次的教学,以及辅导学生参加课外科技活动、参加教师的科研课题,使微处理器课程教学体系得到整体优化,微处理器系列课程在大学期间不断线,提高了学生的实际应用和开发技能。教学无止境,我们还要进一步探索系列课程的优化方案,完善实验室建设,为学生提供一个自主学习、资源共享的平台,努力使学生成为理论与实践能力强的应用型专业人才。

References)

[1] 钱璧,房芳.面向运动控制的DSP技术及课程设计教学[J].电气电子教学学报,2013,35(2):27-28.

[2] 何友国,闫明.“嵌入式系统设计”课程教学改革与实践[J].中国电力教育,2011(19):76-77.

[3] 唐炜.基于“项目驱动”的单片机类课程实践教学改革[J].实验室研究与探索,2010,29(5):130-131.

[4] 冼进,贾德良,毕盛.嵌入式系统实验课的教学改革初探[J].实验室研究与探索,2011,30(8):282-283.

[5] 葛浩,林其斌.单片机课程设计教学改革与实践[J].实验技术与管理,2011,28(10):138-139.

[6] 席在芳,吴笑峰,吴亮红,等.电气信息类大学生创新训练中心建设的探索与实践[J].实验技术与管理,2015,32(2):21-24.

[7] 宋军,王一雄,徐锋.面向物联网的嵌入式系统实验教学改革[J].实验室科学,2011,14(1):20-22.

[8] 王建萍,费跃农,王燕瑜.嵌入式系统“边干边学”教学模式探究[J].电气电子教学学报,2007,29(5):103-105.

[9] 王艳芬,张晓光,王刚,等.电子信息类专业信号处理课程群的建设与改革实践[J].实验技术与管理,2015,32(4):11-13.

[10] 邓春健,李文生,杨亮,等.“ARM嵌入式系统”课程教学方法研究[J].计算机教育,2010(10):94-96.

[11] 陈朝阳,李小魁,李娜.DSP原理及应用课程的层次递进体系教学方法研究[J].教育教学论坛,2015(28):27-28.

[12] 何文森,杨华军,江萍,等.“四级阶梯型”教学法应用的探索与实践[J].实验技术与管理,2015,32(4):182-184.

Study on plan of overall optimization for microprocessor series courses

Ai Hong, Chen Wenbai

(Automation Institute, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)

This paper puts forward the structure of the microprocessor series curriculum system of the microprocessor series courses. The teaching method and practice content arrangement of single chip microcomputer control technology, DSP principle and application, and the embedded system are expounded. The topic of micro controller technology course design is described. Design thought and realization method of the parking control are illustrated. The simulation result of Chinese characters and LED dot matrix display based on Proteus software is given. The project actual main contents of the embedded system are described, including the files complete integrated design in Linux system, the process and thread, the network programming, the design of the graphical interface based on Qt, the embedded Web server design, USB camera video capture and other comprehensive training cases.

single chip microcomputer; embedded system; course design; DSP; practical training of project

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.044

2015- 08- 19

北京信息科技大学教学改革项目(2014JG08)资助；北京信息科技大学2015年人才培养质量提高经费项目(5111523309)资助

艾红(1962—),女,重庆,硕士,副教授,硕士生导师,主要研究方向为微处理器系列课程教学实践.

TP368.1；G642.4

A

1002-4956(2016)1- 0169- 04