单片机自主学习实验平台的设计及其在创新实践中的应用

李翠翠

摘要：在单片机的学习中，动手能力和创新思维尤为重要，单片机自主学习实验平台既是为辅助教师课堂教学，同时也是为满足学生课外自主学习和自我训练而开发的。本文以实例介绍实验平台的搭建，说明其在创新实践中的应用和意义。

关键词：单片机自主学习平台；创新实践；应用；意义

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）46-0279-02

鉴于单片机的应用非常广泛，许多理工科专业都设置了专门课程。单片机课程教学的特点就是对实践性的强调。现今较多使用的实验平台即教学实验箱，存在着许多问题，比如价格较高，难以激发学生的自主学习的热情，实验用到的电路和程序的固定的，不够灵活，难以培养学生独立的思考能力和动手能力，难以满足教学要求。仅仅依靠课堂内极有限的训练，不足以加深学生或初学者对单片机课程的理解。

单片机自主学习实验平台是为了解决这个问题而开发的，它通过学生自己动手实验，培养学生发现并解决问题的能力，挖掘学生在在线仿真和二次开发方面的才能，有助于引导学生，并可以满足自主学习、课程和毕业设计、课外创新实践等多方面的需求。

下面以实际应用为例，来探讨单片机自主学习实验平台的应用和其在创新实践方面的意义，并总结一些改革单片机课程教学实验的思路和体会。

一、单片机自主学习实验平台的搭建思路

1.单片机自主学习实验平台的几种可能性和特点。单片机自主学习实验平台可以根据不同要求和需要制作各种不同风格不同用途的单片机用于教学实践和学习演练。无论单片机的类型、厂牌、型号、架构如何变化，单片机实验平台都具有以下特点：其工作的基本条件都在于稳定的直流电源和稳定的时钟信号，并且需要有复位信号；必须能够在线编程（ISP），否则在实践中将被淘汰；要可外接人机界面器件用以信号的输入和输出。

而单片机实验平台的区别则表现在电源电压、时钟频率、时钟发生器电路设计、复位信号及其有效电平和外接电路、在线编程等各方面的不同上。如电源电压以+5V为多，也有少数+3V。时钟频率则表现在最高工作频率和生产标准波特率的频率两方面的不同。而有效电平则以采用低电平的较多，只有传统的如80C51采用高电平。在线编程的区别最大，同属于80C51兼容品的单片机就不尽相同，AT89S51的ISP采用SPI接口，而P89C51则采用UART接口，SM59R16A5又采用I2C接口，还有C8051Fxxx采用JTAG接口等等。除上述之外封装、引脚排列、引脚数量、引脚功能、架构、位宽、内部集成的单元电路的功能和数量等都会有细小的不同。

根据这些特点，在界定基础板和适配卡电路功能以及规划适配卡时我们就有了参考的依据。

2.单片机实验平台的设计思路。插卡式、积木化、开放式的平台设计较为实用，可由多种多块电路板、电路卡或电路模块组成系统。其主要分为三大类，即基础板、适配卡和外接模块。连接基础板与适配卡可采用168针的卡槽，这样触点足够多，可以转接引脚多达百余条的高端单片机。连接基础板与外接模块可统一采用10芯排线，以方便选配组合。

基础板作为整个实验平台的台基只有一种一块。适配卡可配备多种，多少种适配卡，就能在该实验平台学习同样多种单片机，只是注意具体选择某种单片机进行教学和实验时，就只插接装有该种单片机的一块适配卡。外接模块可用于基础板的拓展，使用时可以按照需求同时连接多种多块。

基础板的设计主要在于板上不焊装任何单片机，板上设置一个168针卡槽作为接口，用于插接装适配卡。板载电路的功能单元以能满足常规需要为原则。选接单元电路到卡槽可用9只8联同体的拨码开关来，方便搭建电路，免用跨接连线。可预留了6组10芯插针，以备跨接扩展外接模块。适配卡的设计只要为不同单片机分别研制一款适配卡就行。外接模块的设计则主要把基础板上不具备不常用、造价高、结构复杂、功能独立的单元电路分离出来，单独规划和制作外接模块，以备选用。

二、单片机自主学习实验平台的实际应用

1.实验平台的搭建。实验平台的批量单价不宜过高，大约百元左右。这里硬件方面选用凌阳公司（Sunplus）的SPCE061A精简开发板61A板，其配置的Flash存储器和数据RAM容量较大、多路A/D和D/A电路，并且具有在线仿真的功能。软件开发系统则选用unSPIDE开发软件，它将编缉、汇编/编译、连接、调试和代码下载等功能集为一体。

61A板是作为一款低价单片机学习/实验板，以16位单片机SPCE061A为核心，其板面布局为，通过板上S5跳线，即可选择EZ_PROBE或PROBE在线下载/仿真方式；拔去S5跳线后则可以脱机方式工作。SPCE061A精简开发板内嵌的32K字闪存（FLASH）和在线仿真电路（ICE）可在线编程、调试、仿真和运行相当规模的应用程序。如利用该板的32位I/O接口（PORTA/B），可接入多种配套模组或自行开发的应用电路板，以适应不同的实验和应用方面的要求。

61A板核心器件SPCE061A微控制器的内部结构和主要性能包括16位μnSP微处理器；0.32MHz～49.152MHz的CPU时钟，且内置2 K字SRAM；用于编程音频处理的内置32K的FLASH存储器；16位可编程定时器/计数器两个；10位DAC（数-模转换）输出通道两个；32位通用可编程输入/输出端口；中断源可来自定时器A/B十四个；外部时钟源输入两个；锁相环PLL振荡器，用以提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压ADC（模-数转换）和单通道声音ADC；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；具备同步串行SPI和异步串行UART接口；内置在线仿真电路ICE接口；具有保密能力；具有WatchDog。

61A板可利用PROBE下载线或EZ_PROBE下载线连接PC机并行打印口，在PC机端集成开发环境unSPIDE中开发应用程序，建立工程项目，汇编语言/C语言程序的编辑、汇编/编译、链接以及下载调试的整个软件设计过程都可在此开发环境中进行。

2.教学实验的设计。构建一套在61A板实验平台上的学生实验，并编写相应的实验指南，进行SPCE061A单片机的实验教学，或编程/接口技术基础训练。可供选择的实验有，按键点亮发光二极管、数码管循环显示、SPCE061A控制图形LCD显示、A/D数据采集、SPCE061A与USB接口实现USB通讯、编写unSPIDE环境中的C语言程序、调用unSPIDE环境中C函数、unSPIDE中的C语言嵌入式汇编等。

3.应用案例。自主学习实验平台在大学生课外学术科技作品赛、大学生电子设计竞赛和大学生机械创新设计大赛等大赛培训训练中完成了多个课外科技实践项目，并取得了较好的效果。下面以“带语音提示的便携式颜色辨别仪”为例，说明实验平台在自主学习和创新实践中的作用。

要实现颜色识别有多种途径，比如可以利用由Sunplus公司大学计划提供的一个图像识别模组与61A板直接接口来实现，但这种方案的缺点在于硬件开销较高，软件处理较为复杂。因为其依靠CMOS图像传感器来采集物体图像信息，需要通过图像处理DSP才能识别颜色。更为致命的是，这个图像识别模组识别率底下仅能识别几种特定颜色，其原因在于使用了专门定制的低端DSP（SPCA563A）。因此可重新设计实现方案，使用新近推出的颜色传感器TCS230检测颜色，利用SPCE061A单片机为核心，加入语音提示功能。其结果就是一种结构简单，具有较强的颜色识别能力，使用简便的辨色装置。

在课外科技实践项目中，学生在设计方案、软硬件和PCB板，制作调试原型机，测量数据，写作科技论文报告的过程中都可得到扎实的训练，其单片机技术能力和学科综合素质也可得到提高。

三、单片机自主学习实验平台在创新实践中的意义

单片机类课程的教学要点即实践，因此需要用开放的学习实验平台能够激起学生的兴趣。如何去激发和满足这种兴趣就是我们应当遵循的教学思路和方式。自主学习、开展课外创新实践活动需要学生在程序在线下载、软硬件在线仿真调试得到扎实的训练，因此较为廉价且具有多样灵活特点的自主学习实验平台必将受到喜好动手和创新的学生及单片机爱好者的喜爱，并激励学生在实践中创新，在创新中实践。

参考文献：

[1]李学海.凌阳8位单片机：基础篇[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2]李学海.16位语音型单片机SPCE061A实用教程：基础篇[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[3]李学海.PIC单片机实用教程：基础篇[M].第2版.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[4]李学海.经典80C51单片机快速进阶与实作[M].北京：清华大学出版社，2012.