单片机实验教学平台的构建与应用

陆旭明

(常州纺织服装职业技术学院机电工程系，江苏常州213164)

随着教育部教学质量提升工程的推进，高校对教学实践体系的内涵建设越来越重视。传统的单片机实验设备功能单一，系统性、先进性、开放性较差，与人才培养和教学质量的要求差距愈来愈远，更谈不培养学生的创新能力，加之高校现有投入资金有限，单片机实验室的建设不可能一步到位。要想让单片机实验室发挥其应有的功效，利用现有资源，自主建设一个科学合理、资源丰富、软硬件结构合理的单片机实验平台成了一种有效解决问题的手段。

本文探索了一种从仿真设计到实践的单片机开发平台建设方案，从单片机工程项目开发设计的角度出发，选取由浅入深的教学实践模块，从单片机仿真设计到系统安装调试，使学生掌握单片机技术；培养学生专业能力和职业素养，培养他们学以致用、动手创新的实践能力。

1 单片机实验平台系统设计

教师首先要对整个理论实践系统进行通盘考虑，要有整体设计和单元设计并重的意识，并在以目标为本的教学设计观指导下对教学活动进行有意识的整体规划。

根据以往单片机教学实践经验，实践单元设计没有全局观，实践单元任务安排目的性不明确、重点不突出、难点相对集中、趣味性和实用性不强，往往影响学生的动手兴趣，甚至造成学生惧怕动手实践的心理。

图1 单片机实验平台系统构建

实验单元只有按照由浅入深、由易到难、循序渐进进行实施，才可能克服教学实践的盲目性和随意性。实验单元按照重点突出、难点分散的原则，按照难易程度进行科学序化。为此，单片机实验平台主要分仿真设计和实物装调两部分，理论学习与实践同步进行，实验模块的选取遵循学生的认知规律，循序渐进地安排了基础模块、拓展模块、创新模块。基础模块围绕如何使学生了解单片机最小系统的构造设置，培养学生正确运用单片机最小系统进行输入/输出接口进行信号灯、键盘控制，定时器的简单应用，该模块目的旨在引导学生快速入门，选取的单元内容相对简单，趣味性也比较强。拓展模块主要围绕单片机接口进行，重点培养学生单片机接口电路的设计能力，主要有A/D、D/A和串口通信模块组成。拓展模块是在学生完成了基础模块上进行的，此时学生对单片机的系统设计有了一定的基础。创新模块围绕单片机综合应用能力进行的实践单元，主要选取了广告屏的读写显示、机器人的智能导航、LCD1602的万年历显示等单元，重点培训学生单片机的综合设计与应用能力，该模块主要培养学生的创新能力。

三大模块选取注重单片机的系统性、先进性、开放性、渐进性、可操作性、可应用性、可评价性。

整个实验开发平台系统设计如图1所示。

在图1中在选取相应的功能模块后，采用Keil C进行软件设计、编译、调试，再采用Proteus仿真设计进行硬件仿真，将编译通过的目标文件加载到CPU后台进行仿真调试，仿真调试成功后，进行单片机模块的硬件焊接、调试、程序下载，最后进行实物调试，检查功能能否正确实现。在整个环节中，每个环节如不能正常工作，返回到上一环节中进行检查并修改，正确后再往下执行。

2 单片机实验平台建设内容

2.1 编写与实验平台配套的理实一体化教材

自编理实一体化教材《单片机设计应用与仿真》[1-2]，该书已经由北京大学出版社正式出版，整个教材以培养学生的知识、能力为主线，内容按照单片机实验平台系统构建选取，构建了基础模块、拓展模块、创新模块，可根据机电一体化、电气自动化、电子信息工程等不同专业或不同课时进行模块搭配。

2.2 仿真调试

Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。[3-4]

独特的单片机协同仿真功能(VSM)，将电路仿真和微处理器仿真协同进行，直接在基于原理图的虚拟原型上与Keil 联调实现处理器的软硬件调试，并进行功能效果验证。[5]它最大的优势是可以提高开发效率，降低开发成本，提升开发速度。通过对仿真结果进行分析，可验证整个控制系统的程序与外围电路的正确性，提高了调试效率。在没有单片机实际硬件的条件下，利用PC机以虚拟仿真方式实现单片机系统的软、硬件同步仿真调试，使单片机应用系统设计变得简单容易[6]，大大节约单片机教学实践活动中的经费，减少了浪费，缩短了单片机开发的周期，节约了课时，增强了学生对单片机开发的体验活动。虚拟仿真界面良好的人机互动激发了学生学习单片机的兴趣，对单片机课程教学的有效性提供了保障。

以日历时钟为例，说明单片机功能模块仿真调试的步骤。日历时钟仿真调试结果如图2所示。

①通过Keil C编译通过DS1302实时时钟程序，生成的DS1302实时时钟.hex文件。

②在Proteus软件中打开建好的DS1302实时时钟.dsn硬件仿真文件，将DS1302实时时钟.hex文件加载到单片机CPU AT89C52后台。

③在Proteus ISIS环境中点击运行键，可以观察到DS1302实时时钟电路从0时、0分、0秒开始计时。

④在Proteus ISIS环境中点击暂停键，打开Debug菜单下DS1302中的DS1302 Clock和8051 CPU 中的Interal Memory选项。在图2中，可以观察到此时已经将DS1302中时、分、秒送至AT89C51内部存储器62H、61H和60H中。

在调试过程中，根据程序调试的要求可选择单步、断点、全速等方式来运行程序，在此调试过程中可以看到程序的运行轨迹和流程，透视程序运行过程中数据的变化和保存情况。

图2 日历时钟仿真调试结果

2.3 实物装配调试

Proteus仿真软件的应用，确实为学生学习单片机提供了极大的便利，但它毕竟是仿真软件，无真实感而言，不利于学生对单片机硬件的掌握，单片机的开发最终要面对实物进行开发的。

以日历时钟为例说明单片机功能模块装配调试过程。

进行装配调试的工作平台配有温控电焊台、示波器、万用表、稳压源等元器件。根据教学进度的课时安排，由实验员发放相应的功能模块板及其元器件，其中日历时钟电路板实物如图3所示。学生根据装配图进行元器件的安装、焊接、硬件测试、软件下载、程序运行灯环节，按照图1的操作流程进行实物装调，日历时钟实物如图4所示。

为了方便学生采用数码管或LCD液晶显示，在电路板设计时增设了LCD液晶显示接口。

单片机功能模块一般在教学实践环节进行，在单片机综合实训阶段，则要求学生完全按照单片机硬件、软件设计的全过程进行设计开发，其中电路板的设计由学生独立完成，采用面包板设计的LCD日历时钟实物如图5所示。

图3 日历时钟电路板实物图

图4 日历时钟功能实物图

图5 LCD日历时钟实物

2.4 学生考核与评定

单片机实验平台的建设最终目的是为了培养学生进行单片机工程项目的开发，培养学生软件调试、硬件调试的能力。[7]为了对单片机教学效果进行评价，必须配备完善的考评体系。

学生在进行单片机的教学实践活动中，教师将根据其在某个项目活动中的表现进行全面、综合地考评，学生单片机项目实施考评表如表1所示，教师将对其进行过程和结果、能力与素养的综合考评。

表1 学生单片机项目实施考评表

2.5 资源库建设

建立教、做、学立体化教学资源，全面服务项目化教学过程。单片机应用技术网络教学平台如图6所示。

资源库建设主要围绕以下三方面进行。

①基本资源库。主要围绕本课程教学目的、要求、任务等，为学生提供学习本课程的基本资源。基本资源库主要有课程标准、多媒体课件、试题库、样卷与参考答案。

②指导资源库。主要围绕在项目化课程实施过程中培养学生软、硬件系统的认知、调试、分析、修改、设计能力的培养，为学生提供引导性学习资源库。指导资源库主要有教学录像、案例分析、项目实训、仿真设计、实物装调、学生研讨。

③操作资源库。主要围绕学生实际操作过程中，学生必须知晓提交要求、操作过程中需要关注的事项、提交成果的考核要求等，使学生明确目标。操作资源库主要有学习指南、工作表单、在线测试、资料查询、网站友情链接等，教师在学生提交的工作表单中按照表1中学生单片机项目实施考评表要求进行考评。

图6 单片机应用技术网络化教学平台

3 单片机实验平台使用效果

单片机实验平台使用以来，学生的学习兴趣和动手能力得到提高，实验平台的使用效率也大幅提高。该实验平台不仅可以满足教学任务，还

可以满足学生的业余培训。科技苑学生利用该实验平台开发了一些小制作，教师通过该平台指导大学生完成江苏省创新训练计划，为大学生电子竞赛提供了良好的学习和开发平台。尤其在电子大赛竞赛期间，通过仿真设计，可以及早验证设计思路的正确与否，为后期制作节省时间和成本。实验平台为硬件制作提供良好的安装与调试环境，院校借助该平台获得了江苏省大学生挑战杯、江苏省大学生电子竞赛等奖项，激发了学生参与工程实践的兴趣和热情。部分学生的毕业设计在这样的实验平台下完成，方便了教师对学生的指导工作。

该实验台也为教师从事单片机开发设计提供了较好的科研环境，完善的配套设施促进教师在工作之余进行科研工作及自身素质的提高。