新型高职微控制器教学实验平台的探索与设计

周文辉 唐启见

[摘           要]  提出一种新的高等职业院校基于微控制器的实训平台设计方法，着重考虑专业技能抽查的考试要求，结合湖南软件职业学院微控制器相关课程的教学设计，开发出具有模块化特点的适合高职院校学生实训需求的微控制器实训平台。既能满足专业技能抽查的教学需求，又能满足高职院校微控制器相关课程的教学、实训需要，使教学与实训时演示操作更加直观有效。

[关    键   词]  高职;微控制器;教学实验平台

[中图分类号]  TM571            [文献标志码]  A               [文章编号]  2096-0603（2020）08-0142-02

微控制器相关知识的学习是相关软件知识与硬件知识的结合，从事微控制器相关开发的研发人员既要懂得单片机、FPGA/CPLD、RAM的硬件结构，又要懂软件编程，才能驾驭，使其为开发目的服务。正是“软”“硬”结合这个必备条件，使许多初学者难以理解智能控制的工作过程，始终难以明白“为什么写几个命令进去，就能接收到传感器送来的数据并送到显示器显示出来？”因而很多人对微控制器具有“畏惧”情绪。微控制器控制“难”就难在入门难，而入门难的根本原因就是“实践难”，學了不能实践、无法实践，增强了微控制器的抽象感。

在这些课程教与学的过程中，实验是必不可少的。随着微控制器及信息技术相关新技术的迅猛发展，基于模块化的高职院校微控制器实训平台应该随着新技术进行相应更新，不断增加软硬件企业岗位所需要的新技术和内容，微控制器课程的教学内容始终与软硬件企业岗位所需要的新技术和内容保持一致，这就使培养出来的软件硬件人才相关与软件硬件企业职业岗位的要求一致。构建模块化、核心技术新颖、与对应的高职院校学生将来就业的职业岗位技能实际需求的微控制器实训平台，对我国高职应用电子相关课程的教学实训，以及微控制领域的高素质技术技能型人才的培养具有较强的指导意义。

一、高职微控制器教学实验平台现状

目前基于微控制器实训平台在高等职业院校的应用情况：（1）主要是针对普通高等学校本科相关专业教学而进行设计的，功能多、结构复杂，高职学生一看见这些实验设备，易产生“畏惧”感，学习积极性一下子就被打消了，不适合高职高专培养技能型人才教与学的需求;（2）实验装置只适用于单芯片系列，由不同的厂家生产，价格昂贵，每个实验箱大约在8000～12000元，购齐这几种微控制器需要3～4万元，如果开一个新的微处理器的课程，则需要重新配置实验室设备，提高学校的投入。（3）开发人员不懂教学，提供的实例不一定符合学生的认知规律。

二、高职微控制器教学实验平台改革实践

针对现有高职院校微控制器实验仪器主要现状存在的缺陷，我们开发出了一种高职微控制器教学实验平台，能够进行8位/16位/32位单片机、CPLD/FPGA等常用微控制器教学实验的完整方案，包括51单片机、MSP430、STM32最小系统开发板以及EPM240最小系统开发板等，能够配合各种微控制器完成相关的教学实验。

本文设计并制作了5块核心电路板：51单片机开发板、MSP430系统板、STM32_Mini实验板（含STM32最小系统和10个基础实验模块）、EPM240最小系统板、微控制器进阶实验板（含10个应用模块）。本研究从具体应用切入主题，以主要微控制器为主构建实验主板，一套成本在800元以内，可以达到原来4个实验箱（约2～3万元）相近的学习效果。

在设计时各个模块相对独立，使用时用连接线将各个模块连接起来综合应用，从而达到实验分层次、分阶段进行及方便性的目的，微控制器教学实验平台逻辑结构如图3所示。

作为一个半开放式的实验平台，主板电路模块化，固化教学所需基本实验项目，但可以在此基础上不断扩充。其他最小系统模块设计时，既考虑了实验的方便性又考虑了学生实验的直观性，还考虑了学生创新实验的易扩展性要求，所以所有的I/O口都直接引出。

（一）51单片机开发板

2015年我们开发了“DP-51单片机实验平台”，湖南软件职业学院订购了40套配置在单片机实训室，但远远不能满足教学需要，由于价格较贵、体积较大，不便于学生带回宿舍课后练习，为此，我们将实验平台的24个模块进行了裁减，根据单片机岗位能力需求、湖南省应用电子类专业技能抽查标准，设计了只有16个模块的51单片机实验板，成本大幅度降低，51开发板价格只有原来51实验箱的1/10。

51单片机可选用STC89C52/AT89S52/STC12C5A系列51单片机，51单片机以及其连接的外围功能电路包括USB通信电路、时钟电路、复位电路、4*4独立键盘电路、4*4矩阵键盘电路、ISP编程下载口电路、8*8LED点阵电路、AT24C02电路、电机驱动接口电路、RS232串口电路、8路LED电路、8路数码管电路、蜂鸣器电路、继电器电路、DS1302电路、DS18B20电路、双向可控硅电路、1602液晶接口电路、12864接口电路以及IO口引出电路。

（二）MSP430最小系统板

MSP430以MSP430F149为核心，提供一个简洁的开发平台，也是一个研究深造的工具。MSP430板载MSP430F149芯片;提供32.768KHZ和8MHZ两种晶振连接方式;采用USB供电和程序下载;采用标准JTAG接口（14针），支持硬件仿真;所有IO口（包括AD电源等）均引出;4路彩色LED全部上拉，可以借此观察程序运行状态;2个优质独立按键;板载手动复位电路;板载蜂鸣器电路，可做音乐实验等;提供NRF24L01+无线模块接口;板子集成USB转串口功能;向外提供3.3V和5V电源排针。

（三）STM32_Mini开发板

STM32_Mini开发板，设计了10个基础实验模块（红外接收头、数字温度传感器DS18B20接口、24C02EEPROM、20针标准JTAG调试口、USB转串口接口、PS2鼠标/键盘接口、SD卡接口、无线模块、液晶顯示模块），再结合实际使用的经验及STM32的特点，性价比最高。

（四）EPM240最小系统板

EPM240最小系统板是一款入门级CPLD学习板，完美的硬件设计其丰富例程代码，配合详细的说明，让学生轻松进入CPLD/FPGA的世界。

EPM240最小系统板，系统板引出了所有的I/O管脚。只需要连接电脑的USB电源或自己提供的5V电源即可工作，支持并口Byte-Blaster和USB-Blaster下载器。

主要特点：

1.板载ALTERA公司MAX II的EPM240T100C5N逻辑芯片;

2.标配有缘晶振50MHz，还预留有备用晶振的位置（连接CLK1）;

3.1个电源指示灯，1个轻触按键，2个可编程LED指示灯;

4.IO口全部引出并且有丝印标识;

5.配有JTAG下载接口;

6.适用于课程教学与实训、电子设计竞赛等。

（五）微控制器进阶实验板

该实验板包含10个模块：FM收发、3D加速度传感器、音频编解码、RS485接口、CAN接口、游戏手柄接口、OLED/摄像头模块接口、音频选择、音频输出、电源供电等模块，为基础实验学得较扎实并想进一步提高的学生设计了能进行音频、视频处理、各种通信接口等进阶实验模块。

总之，本新型高职微控制器教学实验平台的探索与设计，结合当前市场化的各种微控制器开发平台、高职教学的实际情况和湖南省高等职业院校应用电子学生专业技能抽查、关注移动互联技术、物联网技术等新技术应用方面考虑，开发适合高职教学需求的微控制器教学实验平台。

从具体应用切入主题，以一种微控制器为主构建实验主板，进行相关模块的外部扩展，再根据不同教学需要，设计新的微控制器最小系统模块、新技术应用模块，各主要功能模块之间相互独立，方便学生在做实验时根据不同的实验内容进行硬件电路设计，并自行动手连接，以激发学生的学习兴趣和提高学生的动手能力，充分体现实验平台的模块化与实用性。

适应面广、可靠性高、扩展性强、内容丰富、价格极低，为高职院校培养微控制器应用的高端技术技能型人才提供实验保障。

参考文献：

[1]唐启见.新型单片机实训平台的探索与设计[J].科技资讯，2014（2）.

[2]黄光华.以创新能力为目标的单片机实验教学改革[J].产业与科技论坛，2011（6）.

[3]雷媛媛.单片机实验教学平台的改进设计与实现[J].电子世界，2014（17）.

[4]贾凤霞.高职院校单片机课程教学改革与实践：以黑龙江农业职业技术学院机电工程分院为例[J].同行，2015（10）.

编辑 马燕萍