“基于LM3S615的电脑鼠实践”研讨班课程建设

祝学云,况迎辉,杨海波

(东南大学仪器科学与工程学院,江苏南京 210096)

0 引言

研讨班(Seminar),采用教与学双向交流的模式,教师和学生在互动式的教学中,能够共同学习、研究和提高[1]。

“基于LM3S615的电脑鼠实践”课程结合研讨班课程的教学理念,采用理论教学和实践教学相结合、研讨教学和自主研学相结合的形式开展教学,将课程重点放在实践教学和自主研学环节上。该课时的理论教学和研讨教学10学时,实践教学和自主研学20学时,另外用于优秀学员的评比2学时。

基于LM3S615的电脑鼠MicroMouse615采用美国德州仪器公司StellarisTM系列的CortexTMM3内核的LM3S615作为微控制器[2],以小车机器人为载体,囊括了检测技术、信号处理、电机控制和人工智能等多种技术。借鉴国际电脑鼠大赛的规则,本课程提供规格符合IEEE国际标准的比赛迷宫作为课程实践的平台[3],使课程的考核有一个统一、规范标准的同时,也增加了课程的趣味性。

为了配合教学的开展,学生两人一组开展教学和实践,但以个人为单位进行考核。

1 理论教学和研讨教学

理论课要求学生了解电脑鼠的组成模块和设计方法,研讨课的重点放在学生的讨论上,鼓励学生发表自己的见解。

1)课程绪论(2个课时)

内容包括发展历史、比赛规则、硬件简介和开发工具简介IAR Embedded Workbench for ARM(简称 IAR EWARM)等。

2)基础实验研讨教学(2个课时)

内容包括EX BOARD模块的使用、红外线传感器测距、步进电机控制和电池电压检测等。

EX BOARD模块的控制芯片为ZLG7289B,它提供了SPI接口和键盘中断信号,方便与处理器连接,可驱动8位共阴数码管(或64只独立LED)和64个按键。

MicroMouse615上共有5组(发射与接收)一体化的红外线传感器感和两个两相四线制的步进电机。步进电机驱动芯片为BA6845,包含两个独立的H桥电路。MicroMouse615使用7.4V的锂电池组供电。由于步进电机比较耗电,如果电量不足就有失步的可能性。本系统使用LM3S615内部的A/D模块检测电池电压,该模块是自带参考电压的10bit A/D转换器,其参考电压值为3V。

3)高级实验研讨教学(2个课时)

内容包括步进电机匀加减速控制、姿态修正走直线和无记忆功能走迷宫等。

电机以恒定的加速度加速到指定的转速,其后匀速运行。当快要到达指定的停止位置时,再以恒定的减速度减速,在停止位置处停住。

电脑鼠要在前进的过程中不断调整姿势,以免碰到挡板。MicroMouse615使用5组红外传感器检测左、前、右三个方向的挡板,提供修正电脑鼠姿势的信息。

无记忆功能走迷宫主要是在姿势修正走直线基础上,增加电脑鼠转弯的功能。转弯包括左转90度、右转90度和后转180度三种模式。

4)综合实验研讨教学(4个课时)

内容包括迷宫坐标建立、相对方向和绝对方向的转换和迷宫搜索方法等走迷宫的智能算法。

(1)迷宫坐标建立

迷宫的行和列各有16个方格。为了让电脑鼠记住所走过的路径信息,我们要对这256个迷宫格进行编号建立坐标,如图1所示[3]。

电脑鼠的起点可能在(0,0)点,也可能在(F,0)点。终点可能在电脑鼠的右前方,也可能在电脑鼠的左前方。这个可以根据电脑鼠第一次检测到的转弯口是在左方还是右方判断出来。如果电脑鼠是从(0,0)点出发,那么它第一个检测到的拐弯口是在它的右边,如果电脑鼠是从(0,F)出发的,那么它第一个检测到的拐弯口在它的左边。

图1 迷宫格与坐标对应关系

(2)相对方向和绝对方向的转换

相对方向是以电脑鼠当前行走方向为参照的方向,绝对方向是以迷宫坐标为参照的方向。显然,我们要能实现相对方向与绝对方向的互换,才能指挥电脑鼠到达目的地。相对方向与绝对方向的互换,是采用向量计算的方法实现的。

(3)迷宫搜索方法

电脑鼠工作有两种策略:一是尽快到达目的地;二是搜索整个迷宫寻找最优路径。

第一种方式虽然可以缩短探索迷宫所需的时间,但面对不同的迷宫,将无法预料最后的结果。第二种方法可以得到整个迷宫的地图资料,这样就可以求出最优路径,但所用的搜索时间较长。迷宫搜索主要有右手法则、左手法则和求心法则。

2 实践教学和自主研学

通过理论教学和研讨教学,学生基本消除了电脑鼠课程理论上的障碍,具备了开展实践教学和自主研学的条件。

实践课程为20个课时,提供符合IEEE国际标准的比赛迷宫和电脑鼠,采取自主实践和交流学习的方式,由学生现场验证,逐步完善自己的设计。

实践内容分为基础实验、高级实验和综合实验。

1)基础实验包括EX BOARD使用、红外线传感器测距、步进电机控制和电池电压检测。

2)高级实验包括步进电机匀加减速控制、姿势修正走直线和无记忆功能走迷宫。

3)综合实验为最优路径方式走迷宫。

如果要完成全部实验,20个课时实践时间是远远不够的,本课程鼓励学生开展课外自主研学。

3 课程教学质量保障

本课程为2个学分的研讨班课程,其考核方法课程成绩计算如下:理论课和研讨课(20%),基础实验(20%),高级实验(20%),综合实验(20%)和研究报告(20%)。最后我们将考核方法在开课时向学生公布。

本课程的最后2个课时,用于组织优秀学生开展同场考核和评比,鼓励特色和创新。对一些有特色、有想法和有突出表现的小组给予加分。

通过本课程的训练,学生对测控技术专业主干课程的相关知识进行了整合和提高,在培养学生的综合实践能力和探索精神等方面有明显的效果[4]。

[1] 陈晓端,马启民.Seminar教学法:由来、结构与功能[J].深圳:现代教育研究杂志,2003.06

[2] LM3S615微处理器.www.ti.com.cn

[3] MicroM ouse615电脑鼠.www.zlgmcu.com

[4] 况迎辉,祝学云,陈建元.现代测控技术创新实践平台建设的探索与实践[J].北京:实验技术与管理,2009.12