模块化单片机实训系统在教学中的应用

范瑞君　李擎　刘金娥　邓海丽　李永江

【摘要】现有的单片机实训设备大都针对一门课程，采用整板设计，不便于扩展。针对这一现象，如果学校能自己开发实训系统，不仅能满足单片机技术、传感器技术、IC智能卡技术以及电子产品设计等多门课程的实训教学，还具有综合性、易拓展、可实现二次开发的特点，这也将是教学设备的发展趋势。

【关键词】实训系统 单片机 模块

电子信息领域的高新技术发展迅速，要求相应的实验教学系统资源丰富、结构灵活、适应性强、扩充性和裁剪性好，可随时根据需要增/减实验项目、调整实验内容、升级开发技术。目前，国内有多教学仪器生产厂商提供的设备大都针对一门课程，采用整板设计，不便于扩展，且造价高昂。以上海中欧科教仪器有限公司的产品为例，一套模电、数电、单片机成套设备的单台售价在1.3万左右，且不带传感器和IC智能卡课程的实训项目。

针对上述问题，结合多年教学和开发经验，项目组成员自己开发“模块化单片机实训系统”，不仅能满足单片机技术、传感器技术、IC智能卡技术以及电子产品设计等多门课程的实训教学，还具有综合性、易拓展、可实现二次开发的特点，这也将是教学设备的发展趋势。相信我们开发的实训平台的使用，可以提高课程的实训效果，并且大大降低设备更新的费用。

一、项目研究的目的和意义

作为一个教学用实训系统，本项目研究的目的在于能满足单片机技术、传感器技术、IC智能卡技术以及电子产品设计等多门课程的实训教学，具有综合性、易拓展、可实现二次开发的特点。同时，可以提高课程的实训效果，并且大大降低设备更新的费用。

本实训系统对提高电子类专业实践教学水平有重大的意义，它突破了课程应用的层面，提供并倡导开放式的教学模式和理念。具体来说有以下几点：

（1）应用范围广。本实训系统适用于电子类专业基于单片机的多门课程的实训教学中，例如：单片机技术、传感器技术、IC智能卡技术、电子产品设计等课程。

（2）实用性强。每个模块的电路设计、功能划分与定位均参照了企业标准，因此各功能模块之间的各种组合与搭配，不仅可以满足学生的课程设计、毕业设计、电子制作、电子设计大赛，还可以满足企业技术人员的电子项目的设计研发、原型样机设计与验收评估等活动的實际需要。

（3）扩展性好。电子信息领域的高新技术发展迅速，要求相应的实验教学系统资源丰富、结构灵活、适应性强、扩充性和裁剪性好，可随时根据需要增/减实验项目、调整实验内容、升级开发技术。由于电子类专业课程体系中有多门课程是以单片机的应用为基础的，所以可以在单片机核心模块的基础上，通过预留接口的方法，与其它实验模块重新组合，可达到资源共享。

（4）趣味性强。在模块化的实训系统上，可以最大限度地发挥学生的自主性学习，学生可以自己设计、自己搭建电路，培养了实作热情，增强了动手能力，激发了学习兴趣，启发了创作欲望。

（5）融通性好。显著改变了传统实验平台的功能和用途相对狭窄，只能适应单门课程的实验教学的现状。通过本实训系统的使用，可以让学生更系统更全面地体会和认识电子信息类产品硬件的系统集成、电子信息类诸多学科的相互交叉、相互溶合、相互融通、相互渗透、相互吸收的演进过程和发展趋势。

（6）使用方便。由于实训系统体积小，便于拆卸、携带，学生可以在宿舍、教室等实验室以外的场合进行实验，大大拓展了开放实践的时间和空间。

（7）性价比高。传统的实验箱一旦定型就很难改变，结果是，不仅会影响实验内容的调整，而且还会制约实验项目的扩充。如果采用这种实训系统，当需要更新或增加实验项目时，只需要再开发和增添相应的实验模块即可。因此便于系统的扩展，实现基础资源的共享和延续，达到既节约经费、提高设备利用率的良好效果。

（8）经济性好。本实训系统与大型实验箱相比成本低，且其中的很多模块可在单门课程或多门课程中重复多次使用，有效地解决学生人均实验经费有限的难题。

二、实训系统模块结构

我们遵循模块化设计理念，将整个实训系统划分为核心板模块及多个独立的功能电路模块，每个模块即为一个独立的实验板。每个外围功能模块都可以和核心模块自由组合，构成具有单一功能的实验电路。如果根据需求同时把多个功能模块与核心模块组合，还可以组建成综合性的实训项目。整个实训系统共包括4类共20个实训模块。

（1）核心板模块：该模块既是本实验平台的一个核心模块，也是一个基础模块，起着控制和支撑其它实验模块的重要作用。该模块由单片机、外围晶振电路、复位电路、串行通信接口电路及电源电路、P0～P3I/O扩展电路组成，考虑到方便二次开发和学生参与，我们采用在万能板上搭建电路的方法。

设计中我们选用能耗低、高性能的MCS-51系列单片机作为中央控制器，为了方便下载程序，在核心模块上集成了串行通信接口RS232C电路，经MAX232芯片连接到PC机的COM口。为了能够方便其它模块进行实训、演示，我们把P0～P3口全部采用排针（杜邦TPK插头）引出，通过杜邦线与其他模块连接，方便扩展，连接牢固，耐插拔，这也是本实训系统的创新点之一。

（2）单片机实训类模块：此类实训模块既可完成单片机课程的实训项目，也可用于传感器、IC智能卡、物联网技术以及电子产品设计等其它实训课程，组合成综合陛的实训项目。针对本类型模块，我们项目组开发了LED发光二极管模块、七段数码管显示模块、8*8LED点阵显示模块、LCD液晶显示模块、数据锁存控制模块、按键模块模块、A/D和D/A转换模块。全部采用排针（杜邦TPK插头）引出，通过杜邦线与核心板模块连接。

（3）传感器类实训类模块：这些基础模块主要应用于传感器技术课程的教学及实训，目前开发了温湿度计实验模块、霍尔接近开关模块、节能开关模块、亮光报警器模块，根据教学需要，新增加了水银开关和触摸开关模块。A/D和D/A转换模块暂时没有开发（因为考虑到现在大部分单片机中已经集成了A/D、D/A模块）。采用排针（杜邦TPK插头）引出，通过杜邦线与核心板模块连接。

（4）IC智能卡实训类模块：这些基础模块主要应用于智能卡技术课程的教学及实训。智能卡实训室的实训台现有考勤实验模块、刷卡消费实验模块、节水实验模块、门禁实验模块、巡更实验模块等，我们根据技术的发展趋势，在现有设备的基础上进行了改进，使其既满足教学的需要又能使其配套的终端设备能用的上，所以我们选购了智能卡读写模块，在此基础上进行改造，使之与已有的实训终端设备相连接，实现考勤实训模块、刷卡消费实训模块、节水实验训块、门禁实训模块、巡更实训模块的功能，当然根据需要还可以扩展出其它功能。

三、结束语

我们选购的智能卡读写模块采用ST高性能32位ARM处理器和微电子高度集成ISO14443A读卡芯片，支持ISO14443 TY-PEA、ISO14443-4协议，支持密钥管理系统，可方便嵌入大型、复杂的应用系统，物美价廉。本模块可以直接与核心板的232串口相连，后接门禁、节水阀、LCD显示模块等不同的终端设备，即可实现模拟考勤管理、刷卡消费、节水开关、门禁系统、巡更系统等实训。

以上模块可以根据课程需要灵活搭配，可满足单片机技术、传感器技术、智能卡技术、电子产品设计等课程的实训教学需要。也可以让学生在实训过程中自己动手组建电路，以便更直观地了解基于单片机的电子产品系统设计的思路和方法，更全面系统地掌握单片机、传感器、IC智能卡、电子产品设计等课程的知识重点和技能要点。