基于模块化平台的电子系统综合设计实验

张 璞 刘宁艳 金印彬

西安交通大学电工电子教学实验中心 陕西西安 710049

随着电子技术的发展和进步，电子系统被广泛应用于各行各业中，大到工厂的加工设备，小到生活中的智能电灯，都有电子系统的应用[1]。西安交通大学电气工程学院自2001年起开设电子系统设计与实践课程，旨在培养学生系统设计能力和实践创新能力，并选用多功能电子学习机作为实验平台[2]。与许多高校的实验平台类似[3,4]，学习机采用一体化设计，学生上课时只需要简单连几根线就可以完成规定的验证性实验。虽然这类实验箱使用方便，但也存在着许多问题，如不适合学生锻炼硬件设计能力和开展系统设计实验；无法升级换代；维修成本较高等。

为解决传统学习机的问题，培养学生的综合设计能力，电子系统设计与实践课程组借鉴其他高校在同类课程硬件平台的改革经验[5-8]，结合课程教学目标和本专业学生特点，研制出电子系统模块化实验平台，并基于该平台开发了层次化的实验项目。目前实验平台和相关实验均已投入实践教学中，取得了良好的效果。

1 模块化实验平台

1.1 单元模块

课程组在对常见电子系统功能分析的基础上，划分并设计了一系列功能独立的单元模块，包括C51模块、STM32模块、SRAM模块、ADC0809模块、DAC0832模块、液晶模块、ISD1760模块和EPIC3模块等，见表1。这些模块共同构建了电子系统模块化实验平台，作为学生掌握电子系统设计方法、开展电子系统综合设计、锻炼自主创新能力的实验装置。

表1 单元模块列表

1.2 平台架构

模块化实验平台整体架构如图1所示，学生根据实验项目选择单元模块，通过扁平电缆或杜邦线将其连接，组合成所需的电子系统。模块对外接口采用冗余设计，支持学生进行系统功能拓展。因此，实验平台既能满足课程内实验项目的教学需求，又便于学生进行自主创新。

图1 模块化实验平台整体架构

2 模块化实验平台的优点

模块化实验平台具有灵活性、开放性、便携性、可拓展性等显著优点。

2.1 灵活性

教师可以基于该平台灵活开发多层次的实验，如针对C51模块的基础实验，包含多个模块的系统实验等。学生也可以根据个人情况灵活选取模块进行系统设计，如选择使用液晶屏模块或者数码管模块来实现实验项目的显示要求。

2.2 开放性

模块化实验平台中的各单元模块相互独立，可以灵活替换。随着电子技术的发展，平台可以不断添加、删减、更新模块，构成一个可持续发展的开放性实验系统。

2.3 便携性

单元模块体积较小，方便携带。模块可使用USB电源直接供电，降低了对供电设备的要求。实验室为学生提供平台专用线缆和设计软件，便于学生在课下调试。模块化平台突破了实验场地的约束。无论是在宿舍或是自习教室，只需要一台电脑和几根线缆，学生就可以开展实验。

2.4 可拓展性

实验平台预留了扩展接口，当学生觉得平台中现有单元模块无法满足系统设计需求时，可以基于扩展接口研发新的模块，以丰富电子系统的功能。相比传统的实验箱，实验平台不会由于自身模块的品种和功能限制学生的创造能力，给予学生更多的设计自主权。

3 基于平台的层次化实验教学体系

《电子系统设计与实践》课题组借鉴其他高校研究经验[9,10]，将课程实验项目划分为基于单片机设计的基础实验、侧重于功能模块应用的综合实验、培养综合设计能力的系统实验以及鼓励学生拓展思路并实践的创新实验，从而形成“基础实验—综合实验—系统实验—创新实验”四个层次递进的实验教学体系，如图2所示。对于能力较强的学生，可以跳过基础实验和综合实验直接开始系统设计。

图2 层次化实验

基础实验和综合实验的目的是让学生掌握设计方法，实验内容由实验原理讲解、实验步骤演示、样例程序验证、拓展设计四部分组成。前三部分实验内容便于学生从零学起，让他们尽快熟悉电子系统的设计方法，拓展设计则促进学生灵活运用所学设计方法。

系统实验训练学生将设计方法和技巧综合应用于电子系统设计中。教师提供一些实用性强、新鲜有趣的设计题目，如电子钟系统和网约车电子系统等，以此激发学生的学习兴趣。学生分析设计题目后在模块化平台上设计、实现一个完整的电子系统。以电子钟系统为例，该系统从硬件上可以分为主控单元、按键输入单元、温度测量单元、实时时间日历单元、显示单元、语音单元六个部分。学生使用模块化平台中的C51模块、多功能模块1(集成了温度传感器、日历时钟芯片和按键矩阵等)、ISD1760模块和液晶模块即可完成系统硬件的构建，具体结构如图3所示。学生在搭建好的系统上编写、调试程序，最终实现一个可实时显示时间、定时报温报时的电子钟。

图3 电子钟系统框图

为促进学生创新能力的提升，教师鼓励学生在给定设计题目的基础上进行功能拓展和创新，也支持学生自行设计实验题目并完成。这类实验称为创新实验。如针对电子钟系统，学生可以自行设计感光模块，并通过模块化平台的扩展接口将它添加到电子钟硬件电路中，从而实现一个可以根据光线动态调节亮度的智能电子钟系统。较之系统实验，创新实验对于学生的软硬件设计能力要求更高，因此学生选择二者之一完成即可。

以上给出了基于电子系统模块化实验平台开发的层次化实验教学体系。该教学体系通过循序渐进的实验模式，充分利用模块化实验平台的特点，实现了从基础教学到创新设计的无缝连接，对培养学生的电子系统综合设计能力和实践创新能力有极大的帮助。

4 实践效果

基于模块化平台的电子系统综合设计实验选取我校电气专业2005级35名学生进行了试点教学，所有学生都顺利完成系统设计。如图4所示，共有7组(15名)学生完成创新实验，成绩均高于90分。其中12名学生原本对系统设计并不了解，经过层次化的实验训练后，不但具备了系统综合设计能力，而且拓展思路、积极创新，完成了类型多样的设计作品，包括偏重于模拟电路的吉他综合效果器，使用C51作为处理器的智能液晶数字电压表，使用STM32处理器的语音出租车计价器等。

图4 试点班实验情况

5 结语

电子系统模块化实验平台已在西安交通大学投入使用，取得了良好的教学效果。与传统的实验箱相比，模块化实验平台提供多种功能齐全的单元模块，具备灵活性、便携性、开放性和可拓展性等显著优点，可以根据教学需求灵活构建电子系统，有利于教师开展丰富的教学实践。基于该平台开发的层次化实验教学体系充分利用模块化平台的特点，通过循序渐进的实验教学体系，帮助学生逐步掌握系统设计方法，锻炼其综合实践能力，激发其工程创新意识，提高他们的自主创新能力。