口袋式单片机实验系统研制与应用

石 飞, 陈 娟, 王建英, 赵彩芸, 李金欣, 房俊杰

(新疆大学 信息科学与工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830046)

单片机原理及应用课程是电子信息类专业开设的一门重要的专业基础课程,其相应的实验教学在培养学生的动手能力、创新能力和思维能力等方面起着至关重要的作用,这就对实验教学提出了更高的要求[1-2]。

目前,市场上生产的教学实验系统虽然功能众多,但是存在结构不合理,设备稳定性差、效率低下，设备价格昂贵、维修困难等问题难以解决，这些教学设备在下载过程中需要额外的下载器和电源,并且实验过程中多以插线为主,在使用和功能上也很难满足自身教学的需求,甚至存在与教学内容都不一致的情况。另外,教学设备体积大,不便于携带。

解决实验教学设备问题行之有效的办法是高校结合自身实际情况进行自主研制设备。为此,本项目组结合多年实验教学和科研的经验,自主研制了一款口袋式单片机实验系统。自制的实验设备具有很强的实用性,低成本,易于维护,并且能与自身的理论教学紧密结合且相互促进[3-6]。

1 设计思想

近年来,随着电子设计技术的发展,单片机在片上资源扩展、技术指标方面取得了很大进步,新器件的功能更加丰富。然而,新研制的单片机系统不仅要满足教学的要求,还要为学生进行课外创新、课外实验提供有力的支持,鉴于以上的考虑,设计过程中主要从以下几个方面着手:

(1) 系统体积小且便于携带,将单片机下载功能、串口通信功能、系统供电功能集成在一个USB接口上实现；

(2) 为了让学生能扎实掌握常用的通信协议,学会根据时序图通过软件模拟实现协议时序,在一般系统常用外设的基础上,增加了多种通信协议接口,如SPI接口、I2C接口以及单总线数据接口；

(3) 提供多种形式的通信接口,包括有线通信(串口通信)和无线通信(蓝牙通信)；

(4) 引入新的模块,如OLED显示、蓝牙模块；

(5) 元器件尽量选用贴片封装,电路连接尽量固定,以免实验中手工连线造成系统的不稳定；

(6) 多余的IO预留出来,以便进行扩展实验。

2 硬件系统设计

2.1 系统结构

整个系统由输入单元、显示单元、传感器单元、逻辑控制单元、外设单元和通信单元组成,口袋式单片机实验系统设计框图如图1所示。

图1 口袋式单片机实验系统设计框图

2.2 逻辑控制单元电路设计

图2 逻辑控制单元电路原理

2.3 串口下载、通信及供电单元设计

为了克服传统单片机实验系统的下载功能、供电功能与单片机核心系统相分离,以及体积大且不易携带的弊端,本系统将串口通信、程序下载以及供电功能集成在一个USB接口上,极大节省了设计空间,实现了只需要一根USB线与电脑连接就可完成上述功能,其电路原理见图3。

图3 串口通信、下载和供电单元电路原理图

3 口袋式单片机实验系统教学应用案例

3.1 口袋式单片机实验系统

口袋式单片机实验系统不仅可以作为电子类的多个教学平台,比如单片机原理及应用实验,电路制作工艺以及电工实习等; 还可以支持大学生进行创新活动。其系统实物图如图4所示。

图4 口袋式单片机实验系统实物图

3.2 口袋式单片机实验系统实验内容

该系统已经应用到信息科学与工程学院的电子信息工程、通信工程和计算机专业的单片机课程,可进行的实验分为基础实验、进阶性实验、系统综合设计性实验,其课程结构框图如图5所示[7-8]。

(1) 基础实验内容涵盖单片机自身固有的资源,包括IO口、定时计数器、中断、串口通信等的使用。本阶段的实验要求采用汇编语言编写,其主要目的就是让学生能够掌握汇编指令、单片机内部资源的使用、单片机底层运行机制,从根本上解决学生对单片机认识不清的问题。

(2) 进阶性实验包括ADC0809和8255外围设备的扩展以及常用的I2C、SPI、单总线协议器件。该阶段的实验采用C语言进行编写,主要让学生深刻理解在进行外设扩展的时候,外设地址如何确定; 理解I2C、SPI、单总线协议原理,掌握读写时序图的方法,并且掌握如何用软件编程的方式模拟相关协议,通过该阶段的训练以此来达到提高学生系统设计的能力。

(3) 系统综合性设计实验除了根据实验板自身拥有的资源进行系统设计外,还可以利用蓝牙的无线通信技术,结合当前的Android技术开发、语音识别以及利用智能机中功能实现远程控制。本阶段的实验主要是提高学生的综合设计能力,掌握运用课本外知识的能力。

图5 口袋式单片机实验系统实验内容结构图

4 应用效果

自制的实验系统因根据自身的实际情况进行设计,故能将理论教学和实践教学结合更紧密; 对高校的专业建设、教育教学改革、教师研发能力的提升、学生的创新能力提升都有很好的促进; 同时,节约了教学成本,在教学方面也取得了较好的效果。

(1) 促进了实验室的建设。自制的实验平台成本低,维修更加方便,能根据技术的发展,持续改进实验系统[9]。

(2) 丰富了实验教学内容,促进了实验教学改革的发展。自制的实验系统具有较强的针对性,将理论教学与实践教学紧密结合，并且实验设备功能齐全,能满足不同水平学生的需求[10]。

(3) 促进学生实践能力的提升。提高工科学生的实践能力的最好方法就是多实践,传统的实验平台限制了学生进行实验的时间和空间。口袋式单片机实验系统的体积小,将供电与下载功能集成与一体,学生只需要一根USB线、一台笔记本电脑和一个口袋式单片机实验系统就可以随时进行实验开发。让学生有足够的时间和空间进行单片机的学习,真正掌握单片机的运行机理。

(4) 锤炼教师队伍,提高教师的研发能力。实验设备的开发需要调研实际情况、查阅大量的相关资料,需要不断地进行电路设计和改进。在设备研制过程中不仅提高了教师的电路设计能力、分析能力,还增强了工程实践经验，得到了锻炼。

5 结语

从目前的实验效果来看,自制的口袋式单片机实验系统能较好地将理论与实践相结合,促进了实验教学改革,提升了教师的研发能力和工程能力，能打破传统实验的局限性,利于学生课外随时进行实验,也利于学生创新思维的激发。在实际应用中取得了教好的效果。