基于多核心板互换的单片机实训教学装置研制

荆丽梅

（湖南工业职业技术学院电气工程学院，湖南 长沙，410208）

“单片机技术及应用”是高职院校电气自动化技术、电子信息技术、物联网技术等专业的必修课。通过该课程的学习，学生应具备初步的系统开发能力和其他类型单片机的进阶学习能力。

目前市场上单片机实训装置功能单一，延续性不够，一种单片机对应一块开发板，在学习其他种类单片机时，需要重新购置开发板，而这些开发板，除了核心部件不一样，外围电路几乎是一致的，造成的资源的浪费和学习成本的提高。

实训教学在单片机课程教学中占据重要地位。实训装置的升级改革，能够更好地服务于实训教学，可以切实提高单片机的实践教学质量，提高学生的学习兴趣，实现自主学习、进阶学习。因此，研制新的实训装置是很有意义的。笔者通过对多种单片机资源进行分析比较，将实训装置采用底板和核心板的双层设计结构，底板是一块通用的单片机外围电路板。核心板是针对STC89C52，STC125A60S2，STM32F103 三款单片机分别设计的核心板，底板与核心板的接口电路标准化。在双层结构的设计下，不同种类的单片机对应不同的核心板，多块核心板共用同一块底板，实现资源的充分利用和延续性[1-5]。

1 实训装置的组成

本实训装置由三部分组成：包含基本外围电路的底板和包含单片机最小系统的核心板，连接底板和核心板的接口电路。

基于多核心板互换的单片机实训装置的总体设计思想是采用底板和核心板同时工作的双层设计结构，首先设计底板，底板上有通用的单片机外围电路模块。然后设计核心板，针对STC89C52，STC125A60S2，STM32F103 等几款单片机设计不同的核心板，再将底板与核心板的接口标准化。在具体实践过程中，选择所需要的核心板和统一的底板完成实践项目。实训装置的整体设计如图1所示。

图1 硬件框图

1.1 底板结构

实训装置中底板是为多种的单片机服务的，所以要有单片机的外围基础电路和一些扩展性试验电路，根据不同单片机的特性，还要设计特定的外围硬件。

在底板设计时，要考虑做到一次性测试底板上的硬件是否都能工作，因此，在设计时，IO 口不能复用。当IO 口资源不够时，需要IO 口扩展。

底板上常用的电路模块有发光二极管电路，数码管显示电路，16*16 点阵显示，液晶显示电路，蜂鸣器驱动电路，继电器驱动电路，NE555 信号发生器，按键电路，串口通信，SPI，IIC，无线接口，A/D、D/A 转换电路，时钟电路，温度传感电路等常用模块电路。基于多核心板互换的单片机实训装置底板设计如图2 所示。底板与核心板的接口电路如图4 所示。

图2 系统底板组成框图

图3 底板与核心板的接口电路

图4 STM32 单片机核心板与底板接口电路

1.2 核心板结构

根据不同种类的单片机，分析其具有的不同资源，设计不同的核心板。在每块核心板上设计该种类单片机的最小系统，将接口电路标准化，核心板与底板的接口匹配。STM32 单片机核心板与底板接口电路如图3 所示。

2 系统实验项目设计

针对单片机日常教学、湖南省技能抽查、单片机爱好者的需求，以及满足嵌入式技术应用开发、电子设计与制作、物联网技术应用等创新创业工作室需求，本实验装置设计了小交通灯控制软件开发，数码管显示程序设计，LED 点阵显示，中断响应程序设计，独立式键盘接口程序设计，矩阵式键盘接口程序设计，串口应用实验，IIC 总线实验，DS18B20 数字温度计的设计，基于DS1302 的精密电子时钟设计等实验项目，并给出相关的设计任务和程序。

3 硬件制作及软硬件联调

基于多核心板互换的单片机实训装置在完成构思之后，进行布局设计并绘图，制作PCB 板。完成元器件的安装与调试。

硬件制作完成之后，进行软硬件联调。系统开发调试的一般过程如图6 所示。实训装置的部分实物如图7、图8、图9 所示。

图6 系统核心板设计框图

经过设计-制作-调试-修改设计-制作-调试这样一个反复的过程，完成了基于多核心板互换的单片机实训装置研制。学习者在掌握单片机的开发过程和工作原理之后，还可以通过DXP或者其他绘图软件设计制作其他种类核心板。

利用相关的检测设备对如下核心板和底板进行硬件测试[6]。如下是需要进行硬件功能测试的基于多核心板互换的单片机实训教学系统电路板，包括底板和两种单片机的核心板。底板和核心板的实物如图7、图8、图9 所示。

图7 底板

图8 STC 核心板

图9 STM32 单片机核心板

本文设计的基于多核心板互换的单片机实训装置具有以下的特点：

（1）实用性。对单片机教学起到良好的支撑作用，为单片机学习者提供一个丰富的进阶学习平台。

（2）兼容性。适合多种核心板与底板之间无障碍对接。

（3）拓展性。在学习完一种单片机之后，更换核心板就能进行其他种类单片机的开发，在掌握几种典型单片机之后，还可以根据已有的底板电路及其底板接口电路自行设计相应的核心板，完成新的核心板软硬件的设计，一举多得[7]。

4 结语

基于多核心板互换的单片机实训装置有助于解决创新能力培养的问题[8]:

（1）有助于单片机教学实现理实一体化，将理论学习与实训有机结合、快速结合，实现课程学习与应用能力同步增长。

（2）基于多核心板互换的单片机实训装置功能丰富，核心板更替简单，有助于学生通过课程设计、创新性实验、电子竞赛、毕业设计等方面的应用，掌握单片机开发的步骤和方法，并可以自己尝试设计新的核心板和底板。

（3）实现随时能做。大学生正处于创新意识、专研意识最强的时期，有这样一套实训装置，有任何关于单片机方面新的想法，可以随时实验，不受实验室管理的约束。

（4）有利于培养学生专业知识系统学习和应用的能力。

学习单片机，必须掌握电路分析、数字电子技术、模拟电子技术、传感器等前序课程，学生使用实训装置，尔后还可以根据自己的需求设计并制作的单片机开发板。实现单片机应用与相关知识的有机融合。实现开发板的创新设计。

经过实践证明，这种实验装置模式，促进了学生的实践兴趣，培养了学生的动手能力与研发意识，对提高学生工程实践能力起到了良好的推动作用。