学习新型单片机培养实践创新能力

徐科军, 许 伟, 邵春莉， 张 毅

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 230009)

0 引言

单片机是一种采用超大规模集成电路技术把中央处理器、存储器和其它片上外设等集成到一块硅片上而构成的一个小而全的微型计算机系统。它是实现底层自动化和各种设备控制的核心芯片，其应用是工科电类和机类专业本科生必须掌握的一门技术。近年来，16位的MSP430单片机以其超低功耗、强大处理能力等特点，在过程控制、智能电网、无线通信、能源收集、便携仪表、消费类电子产品和公共事业计量等方面得到广泛的应用。

我们根据在MSP430单片机应用方面的科研积累，在TI(美国德州仪器)大学计划的支持下，编写教材，开发实验装置，制作微视频课，为单片机的教学打下了良好的基础。正是在此基础上，我们以MSP430单片机的学习和应用为抓手，开设校级平台选修课，指导学生申报大学生创新项目，组织假期创新项目活动，举办校内单片机比赛，进行毕业设计等，从课内到课外、从线上到线下、从大一到大四，积极培养大学生的实践创新能力。

1 创造学习条件

针对目前在单片机学习和开发的过程中，在线仿真困难且实验装置不易扩展的情况，我们研制了基于TI公司板载仿真器的MSP430F5529 LaunchPad。该LaunchPad的硬件包括板载仿真器、MSP430F5529单片机最小系统、USB通信接口电路及BoosterPack接口等。软件包括基本的CCS操作、USB通信控制程序、GPIO输出控制程序、定时器计时中断程序、PWM产生和按键外部中断程序。实验表明，该LaunchPad软硬件资源丰富、易于扩展且成本较低[1]。

针对TI公司推出的MSP430单片机实验板-MSP-EXP430F5529实验板，开发实验套件，包括实验例程、实验指导书、教程PPT和实验视频[2]。TI公司大学计划部已将我们开发的实验套件公布在网站上，实验指导书也发送给包括上海交通大学、浙江大学、西安电子科技大学、北京理工大学等200多所高校，已有超过15000名学生使用并学习了该实验套件。我们利用该实验套件成功举办了两次MSP-EXP430F5529开发板培训活动；一次于2012年10月，在TI公司举办的全国教育者年会上，对部分与会教师和学生进行了MSP-EXP430F5529实验板培训。另一次于2013年3月，在合肥工业大学，利用该实验套件举办MSP-EXP430F5529开发板培训，受到了同学们的热烈欢迎。

我们还分别研制了基于MSP430F5529和基于MSP430F6736单片机的综合实验装置。前者主要包括MSP430 LaunchPad和母板两部分。较传统单片机实验装置增加了模拟电路的设置，可进行模块基础实验和综合实验两大类实验。后者，主要包括MSP430单片机最小系统、电源变换部分、模拟输入输出模块、数字输入输出模块。对传统单片机实验装置的电源部分进行改进，实现了三种供电电源之间的自动切换。实验装置功能丰富，可进行包括仪器仪表类在内的6大类实验，这两类实验装置都非常适合自动化和电气信息类大学生学习使用[3～4]。

此外，我们还编写并在电子工业出版社出版了教材《MSP430单片机原理与应用-MSP430F5xx/6xx系列单片机入门、提高和开发》。该教材以TI公司的MSP430F5xx/6xx系列单片机为例，全面介绍MSP430单片机的原理及应用，包括MSP430单片机概况、MSP430单片机软件工程开发的基础、MSP430F5xx/6xx系列单片机的CPU与存储器、MSP430单片机的中断系统、MSP430单片机的时钟系统与低功耗结构、MSP430单片机的输入输出模块和片内通信模块和控制模块、各个模块的应用例程等。还介绍我们实验室自行研制的基于MSP430F5529单片机的学生创新套件[5]。此外，还制作了83集“MSP430单片机原理与应用”的微视频，每集在10分钟至15分钟左右。

2 进行混合教学

目前，“单片机原理与应用”课程大多讲授8位的MCS51单片机，虽然内容简单、容易入门，但是，该单片机的性能相对落后，其应用无法满足科技和生产发展的要求。近年来，16位的MSP430单片机以其超低功耗、强大处理能力等特点，已经在过程控制、智能电网、无线通信、能源收集、便携仪表、消费类电子产品和公共事业计量等方面得到广泛的应用。为了让学生学习新的单片机技术，使其知识和技能跟上时代发展的步伐，有利于他们就业；同时，也不影响已有“单片机原理与应用”课程的开设，我们特增设了校级平台选修课“MSP430单片机原理与应用”。这是我们学校第一门工科性质的网上视频选修课程，采用“网络教学+自主学习”的方式。主要讲授新型单片机原理与应用。该课程教学使用我们制作的83集视频，编写的教材和开发的MSP430单片机最小系统实验板的原型样机；以网上视频传授为主，以面授为辅；提供线上和线下两种答疑渠道，保证课程的教学质量。针对本课程的性质，注重实验，提供给学生单片机最小系统实验板，能够方便地在宿舍实验，巩固所学的知识，培养动手能力。

2016年上半年全各相关院校共有不同年级的912名学生选修了这门课程，有597人成绩合格，获得了学分。2017年上半年，有来自全校多个学院和不同年级的679名学生选修了这门课，有392名同学成绩合格，获得了学分。

不少学生通过本课程的学习，初步掌握了MSP430单片机的技术，为他们参加各类学科竞赛和大学生创新项目等活动打下了良好的基础。

3 提供课外实践

3.1 举办单片机应用设计大赛

从2012年10月份开始，我们举办了一系列单片机专业知识讲座、安排了实验室开放日和创新设计辅导等活动，指导学生们学习单片机应用设计。这些活动吸引了全校很多学生积极参与，他们利用课余时间制作了很多的课外科技作品。有了这些基础，我们于2013年3月初，正式启动了“合肥工业大学首届MSP430低功耗单片机应用设计大赛”。此次大赛共吸引了来自全校17个专业的70多组队伍、近200位本科生参赛，最终有35组队伍参加了决赛。评委教师们分别从作品实物完成情况和现场报告答辩情况对各组参赛作品进行了评定，最终评出一等奖2名、二等奖6名和三等奖12名。大赛期间，我们向各参赛队提供最新的MSP430单片机开发板，还定期开放实验室，安排研究生辅导各参赛队进行作品制作和调试。本次设计大赛不仅仅为学生们提供了竞技、展现自我的平台，更是提供了一个同学们之间相互学习交流，共同进步的机会。

2014年5月18日，我校迎来了“合肥工业大学第二届暨安徽省首届MSP430低功耗单片机应用设计大赛”决赛。来自我校、安徽建筑工业大学、安徽工业大学、三联学院、宿州学院、合肥学院等六所高校的254支队伍，700多位本科生参赛。经过预赛初评，选出了34支作品参加决赛。决赛最终评选出一等奖2队、二等奖6队、三等奖12队和优秀奖14队。在整个大赛中，我们向各参赛队提供了最新的MSP430单片机实验板及MSP430单片机教材，举办了一系列的MSP430单片机专业知识培训，创建了MSP430单片机QQ群，对参赛学生进行网上指导。

3.2 组织小学期和暑期实践项目

2014年6月至7月，我校开展了小学期创新实践团队训练项目“超低功耗MSP430单片机应用系统设计”。该项目面向二年级本科生开设，要求学生以MSP430超低功耗单片机最小系统为核心，设计和研制数据采集、信号处理、电机控制和电源管理应用系统，整合和应用基础知识，训练本科生的应用系统设计和实践动手能力，培养他们的团队合作精神，激发他们综合应用知识的欲望和创新思维。共有来自电气与自动化工程学院和医学工程学院的8支队伍，24位本科生参加。本项目历时近一个月，在项目实施的过程中，我们为参加项目的学生提供了MSP430单片机实验套件、基本电子器件和MSP430单片机教材，还为参加项目同学做了两场MSP430单片机基础知识培训和两场有关MSP430单片机实验套件培训、一场应用系统硬件设计和软件设计辅导和点评、一场应用系统测评和总结。

在2016年的7月至8月，我校组织和开展了暑期创新实践团队的新型单片机应用训练项目。该项目要求学生基于我们提供的MSP-EXP430F5529综合实验平台，开发和调试以单片机为核心的传感器应用、触摸按键、液晶显示、数据通信等综合实验；或者基于我们提供的MSP430F5529 LaunchPad(单片机最小系统)，设计各种应用系统。通过这一项目训练本科生的应用系统设计和实践动手能力，培养他们的团队合作精神，激发他们综合应用知识的欲望和创新思维。我们发放了35 套实验板和11本配套教材以及其他相关学习资料，并进行辅导。根据假期的住宿条件，能回家的同学可以利用自己的笔记本电脑，在家开展项目和完成综合实验。对有条件留校的同学，我们开放了实验室，给他们安排位置，提供相应的设备，并随时答疑解惑，使他们顺利完成项目。我们通过QQ、微信、邮件、电话，保持与参加项目的同学的联系，指导他们的项目进展。这一期我们共指导14 组、25位同学完成了暑期项目。其中，6名同学被选中参加了第十届“蓝鸥杯”中国大学生iCAN物联网创新创业大赛比赛。

3.3 指导大学生创新实践项目

以MSP430单片机为核心，指导学生申报和完成国家级大学生创新实践项目。其中，比较优秀的成果有：2013年 “具有感知的智能红灯警戒线”、2014年“基于RFID技术的养老院智能管理系统”、2016年“跌倒预防与报警一体化的老人智能拖鞋”、2017年“基于RFID与GPS技术的防老人/儿童走失与防物品丢失系统”还包括2014年校级重点项目“主从结构式老人摔倒报警器”。