“MSP430电子系统设计”课程教学及实践探索

章安良

(常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

0 引言

MSP430是美国TI(德州仪器)公司生产的超低功耗、高性能16位混合信号处理器。［1］它可以针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，提供“单片”的解决方案。［2］

MSP430微处理器具有卓越的特点，如早期的MSP430169系列，其工作电压范围1.8～3.6 V;超低功耗，活动模式时电流仅为330 μA，在1 MHz的时钟条件下运行时，待机模式电流仅为1.1 μA，关闭模式(RAM 保持)电流为0.2 μA;具有5种低功耗省电模式，且从等待方式唤醒时间仅需6 μs;16位RISC结构，125 ns指令周期;内置多个通道DMA;12/16位A/D带采样保持内部参考源;双12位D/A同步转换;16位定时器Timer_A/Timer B;设计有片内比较器A;有2个串行通信USART0(UART、SPI、I2C)接口和串行通信 USARTI(UART、SPl)接口;具有可编程电平检测的供电电压管理器，监视器;欠电压检测器和串行在线编程，无需外部编程电压，可编程的保密熔丝代码保护等。目前MSP430有多个系列，微处理器的内存和集成的片内外围功能模块也不断增强。［3］

虽然MSP430系列单片机推出时间不是很长，但由于其独特而卓越的性能，发展极为迅速，应用日益广泛，不仅可以应用于许多传统单片机应用领域，如仪器仪表、自动控制以及消费品领域，特别适合于一些电池供电的低功耗便携式产品，如水表、气表、电表、手持设备、智能传感器及需要较高运算性能的智能仪器设备等。［4-6］

鉴于MSP430应用的广泛性和产业的实际应用性，许多高校开设了MSP430单片机课程，以扩大学生就业范围和增强学生就业技能，它已成为工科高校电子类专业一门重要课程。［7-9］

该门课程涉及的知识面广，几乎涵盖电子系统设计所需的知识内容，且实践性强，无法仅仅通过课堂理论教学来提高学生的动手能力和实际应用能力。在课堂教学过程中虽然安排了一些实验课程，对学生的动手实践能力有所提高，但仍然与电子系统设计相关企业所期望的实践能力有一定的差距。如何进一步提高学生基于MSP430微处理器的电子系统设计实践能力是教学工作者所必须认真思考及付诸教学的急迫问题。

1 现行课程教学存在的问题

目前“MSP430电子系统设计”课程教学多以课堂上传授MSP430处理器原理、各功能模块结构及控制各功能模块的寄存器应用方法，再配以实验箱进行验证性实验，实验目的仅限于验证、巩固和加深理论教学。学生只需按实验指导书按部就班地操作，完成实验内容，无法充分发挥学生的自主能动性和创造性，也无法充分提高学生实践应用能力和电子系统设计开发能力。因此，现行该课程常规的教学方法所培养出学生的能力与社会所要求的电子系统设计人员所具备的实践能力存在脱节和差距。如何改革“MSP430电子系统设计”这一课程教学，使学生具备MSP430电子系统设计开发实践能力，已经成为教师所面临的紧迫问题。

2 教学改革思路

以MSP430为核心的电子系统设计是一门实践性和应用性极强的课程，为弥补传统课程教学方法的不足，结合理论教学的同时，必须以实践应用贯穿整个教学过程。

根据该课程特殊性，进行了教学改革，并提出如下几方面教学改革思路，以切实提高学生设计、开发能力。

2.1 教学环境改革

根据“MSP430电子系统设计”这门课程实践性强的特点，提出“将教学融入实验”这一教学理念。根据该课程所需的实验条件，完善实验教学环境，并将教学融入实验中，在实验中进行教学。根据该课程特点，主要完善如下教学实验条件。

1)采用IAR EW430实验平台

“MSP430电子系统设计”这门课程，常用且性能较好的实验和开发环境是采用IAR公司开发的IAR EW430平台。该平台具有高效的编译性能，可以支持多种开发工具，支持输出TI-txt目标文件，参考的资源也比较丰富，它是目前MSP430单片机程序开发的第一选择。

2)安装全功能仿真器MSP430

MSP430全功能仿真器可支持全系列MSP430FLASH单片机的JTAG/SBW仿真调试，以及BSL量产烧写。采用了当前应用最广泛的USB接口，兼容了并口调试工具。无并口的电脑也可很方便地使用 USB接口对 MSP430系列单片机进行开发仿真调试。该仿真器可广泛应用于教学和研发。

3)完善辅助软件工具

根据“MSP430电子系统设计”的特点，在该课程教学和开发时可能会用到一些辅助工具，如串口波特率计算工具，它可以根据设计的工作频率和波特率，自行计算波特率相关寄存器UBR1、UBR0和UMCTL的值。此外，常用到的辅助工具还有串口调试助手、电阻色环识别软件、汉字字模提取软件、字库、液晶点阵提取等。另外，在教学过程中还将用到Protel、Proteus等制版及电路功能仿真软件等，都一一进行完善。

4)优化实验硬件环境

在传统的教学及实验中，学生实验往往在现成的实验箱中完成，各实验内容只要求学生在实验箱上插接几条线路，即可完成实验验证，对学生电子系统设计及开发能力提高帮助不大。因此，需要将学生从这种实验箱的实验方法，改进到真正MSP430电子系统设计上来。为此，需要完善、优化实验硬件环境，包括基本的电路焊接平台，电路测试、调试设备等硬件环境。

2.2 教学主体改革

传统的教学方法大多是以教师为主体，负责知识传授，而学生则是被动接受知识，这种教学方法的主要缺点是理论教学所占比例较重、学生动手实践能力较为欠缺，无法满足社会对学生实践能力的要求。因此，需要改进这种以教师为主体的教学方法，转变为以学生为主体的教学方法，充分发挥学生在学习过程中的能动性和创造性。

2.3 教学方法改革

为提高学生实践动手能力，对传统的教学方法进行改革，自始至终贯穿以具体应用、实践操作为核心的教学方法。

“MSP430电子系统设计”课程教学主要分为熟悉IAR EW开发环境和掌握MSP430微处理器片内功能模块结构、原理及应用两大部分内容。

介绍IAR EW开发环境时，要求学生在完成课堂教学同时，在实验室中操作IAR EW开发环境，使得学生从实践中学会开发环境的新项目的建立、源文件编辑、源文件添加到新项目、开发环境的配置、编译、连接和调试等完整过程，从而为本课程的学习创造了条件。

掌握MSP430片内功能模块的相关知识是在进行MSP430电子系统开发设计和熟悉IAR EW开发环境的的基础上，分模块在实践中掌握其原理、结构和各寄存器的编程设置。学生初步学习了MSP430系统结构和系统时钟模块后，开始设计、制作并焊接MSP430的最小系统，学生在制作过程中对MSP430微处理器会有更深入了解。在此基础上，可以进行输入/输出端口模块的教学和实践，介绍完各输入/输出端口工作原理、结构和各寄存器含义及应用方法后，在学生自行制作的电路上进行输入/输出端口编程，并应用示波器观察验证，从而加深和掌握了该模块功能及应用。其他功能模块也依此在实践中学习和掌握。

2.4 课程考核方法改革

鉴于本课程重实践应用的特点，考核方法区别于传统的闭卷考核方式，采用设计以MSP430为微处理器的综合性应用系统，作为考核方式。在学期结束前一个月，布置考核内容，要求学生自主独立设计、制版、焊接和调试等全过程。学期结束后，授课教师检查学生制作的硬件和软件是否完成，制作电路版质量，电路设计的合理性和科学性，电路功能参数指标的完成情况，同时要求学生现场予以演示，给出考核成绩。通过这种考核方式，完全激发了学生的主动性，也进一步提高了学生对MSP430电子系统设计的实践能力，体现了以实践为核心的教学方法，能很好地检验出学生的实践动手能力和应用开发能力。

进行以上一系列教学改革后，大多学生在学期考核时都能自主独立设计以MSP430为核心的电子系统。以2013年第二学期教学为例，在学期结束前一个月，布置了要求学生自行独立设计、制版、调试MSP430简易学习版的考核任务，它包含电源模块、时钟模块、复位模块、流水灯显示模块、LCD显示模块、键盘模块、串口通信模块、蜂鸣器模块和JTAG调试模块等功能。图1为MSP430简易学习版的PCB版图，图2是学生自行设计焊接的数码管显示模块程序运行实物图。

图1 学生设计的MSP430简易学习版的PCB版图

图2 学生自行设计焊接的数码管显示模块程序运行实物图

图2的编程思想:P2.4～P2.6设置为输出状态，P2.0～P2.3设置为输入状态，可先将每一行拉低，读取P2.0～P2.3的电平;如果没有按键按下，应该都是为高电平，否则那一列将会被拉低;当判断出有按键按下后，第1行拉低，第2行第3行拉高，读取P2.0～P2.3的电平;判断是否有按键按下，如果有，即可判断出第一行的哪个键按下，否则再扫描第二行，以此类推，即可确定是哪个按键按下。

当源程序编译链接后下载到MSP430单片机，全速运行，分别按下矩阵键盘上的各个键，都能在数码管上显示出来。

通过学生自行独立设计和开发的综合应用系统，可以检验出学生学习效果及实际动手能力。

3 教学改革效果

通过对“MSP430电子系统设计”课程教学改革的实践，按照所提出的教学改革方法完成教学，各方面都得到了显著改善。

1)提高了学生电子系统设计开发和实践能力。通过改进的教学方法教学本课程，学生基本上都能独立完成电子系统设计、开发、制版、焊接和调试等实践技能，满足社会对学生的实践能力的要求。

2)促进教师科研能力提高。教师实现教学方法改革同时，需要不断从生产实践中提炼综合性、应用性电子系统开发项目，不仅给学生提供了课堂教学开发的内容，同时也提高了教师科研能力，具有现实意义。

3)促进教学实验室建设。为满足MSP430电子系统实践教学需要，改善实验教学环境与条件，不断提高了电子系统设计硬件和软件环境的投入，在原来的MSP430电子实验箱基础上增加了硬件焊接和调试测试设备，满足综合性电子系统开发实验要求，促进了实验室的建设。

4 结语

“MSP430电子系统设计”是一门实践性强、教学内容丰富的专业课，经过以上几方面的改革和探索，学生由原来的被动接受知识转变为“实践中完善和丰富知识”，极大提高了学生学习的主动性、积极性。教师教学投入的精力较以往显著加大，学生对“MSP430电子系统设计”教学的满意度也随之得到提高，教学改革取得了良好的教学效果和社会效益。

［1］李智奇.MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2008.

［2］沈建华，杨艳琴.MSP430超低功耗单片机原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2013.

［3］Nagy C.Embedded Systems Design Using the TI MSP430 Series［M］.London:Newnes，2003.

［4］林旭梅.基于MSP430的低功耗煤气表系统设计［J］.测控技术，2014，33(2):8-15.

［5］管芳，黄新，胡鸿志.便携式心率监测计的设计［J］.仪表技术，2014，1(1):37-39.

［6］闫庆广，尹军，何庆华，等.基于MSP430单片机的无线光电容积脉搏波检测模块［J］.半导体光电，2012，33(2):299-302.

［7］王自珍，殳国华，张士文.基于计算机仿真技术的MSP430单片机实验教学实例［J］.实验室研究与探索，2013，32(9):94-97.

［8］赵迎新，徐平平，夏桂斌，等.基于无线传感器网络的教学实验平台设计［J］.电气电子教学学报，2008，30(5):48-53.

［9］晋良念，谢辉玉，谢跃雷.“模拟电子技术”嵌入式教学演示系统的开发［J］.电气电子教学学报，2008，30(2):87-89.