艾　紅, 陳雯柏

(北京信息科技大學 自動化學院, 北京　100192)

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微處理器系列課程整體優(yōu)化方案研究

艾紅, 陳雯柏

(北京信息科技大學 自動化學院, 北京100192)

提出微處理器系列課程體系架構(gòu),以及單片微機控制技術(shù)、DSP原理及應用、嵌入式系統(tǒng)的教學方法與實踐內(nèi)容安排。描述了微控制器技術(shù)課程設(shè)計選題,以停車場車位控制設(shè)計實例說明微控制器技術(shù)的設(shè)計思想，以及LED點陣漢字顯示的Proteus軟件仿真運行結(jié)果。提出嵌入式系統(tǒng)項目實戰(zhàn)中要完成的主要內(nèi)容,例如Linux系統(tǒng)下文件綜合設(shè)計、進程與線程、網(wǎng)絡(luò)編程和基于Qt的圖形界面設(shè)計，簡單的嵌入式Web服務器設(shè)計以及USB攝像頭視頻采集等綜合實訓案例。

單片機； 嵌入式系統(tǒng)； 課程設(shè)計； DSP； 項目實訓

北京信息科技大學自動化專業(yè)于2008年成為北京市特色專業(yè)建設(shè)點,2009年成為第四批國家特色專業(yè)建設(shè)點,2013年獲批教育部高等學?！皩I(yè)綜合改革試點”項目,2011年進入教育部第二批“卓越計劃”。自動化專業(yè)微處理器系列課程有“單片微機控制技術(shù)”、“DSP控制技術(shù)”、“嵌入式系統(tǒng)”、“微控制器技術(shù)課程設(shè)計”等。這些課程包括原理、理論、技術(shù)、實踐教學內(nèi)容,形成了以微型計算機結(jié)構(gòu)及其應用系統(tǒng)為主線的課程體系。微處理器系列課程的整體優(yōu)化方案以學術(shù)研究為引領(lǐng)、以實踐創(chuàng)新為手段,創(chuàng)立理論學習、工程實踐、創(chuàng)新競賽等多環(huán)節(jié)相結(jié)合的人才培養(yǎng)模式。系列課程對教學內(nèi)容、教學環(huán)節(jié)、實踐環(huán)節(jié)、題目設(shè)計以及實現(xiàn)方案的多種方法選擇都進行了研究。通過這一系列課程的學習,使學生能很好地掌握微處理器知識,為參加相關(guān)科技競賽和研發(fā)自動化產(chǎn)品奠定了堅實的基礎(chǔ)[1-2]。

1　微處理器系列課程體系架構(gòu)

在開放實驗、大學生科技創(chuàng)新計劃和自動化產(chǎn)品開發(fā)中,都要用到單片機原理的基本知識。單片機資源較少,原理清晰,便于學生理解和掌握；而DSP、ARM芯片資源豐富。微處理器系列課程體系應強調(diào)體系結(jié)構(gòu)以及實用的設(shè)計開發(fā)技術(shù),并結(jié)合實例項目進行講解,遵循由淺入深、由易到難、由基礎(chǔ)到綜合的原則。微處理器系列課程學習應體現(xiàn)層次性、由易到難的漸進性和注重實踐性,知識結(jié)構(gòu)包括理論教學、實踐環(huán)節(jié)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)(見表1)。

表1　微處理器系列課程教學與實踐整體方案

2　單片機控制技術(shù)

單片機控制技術(shù)基于C51編程,將C語言應用在單片機中,使單片機編程容易上手。單片機中斷原理概念很重要,要想使本來難以理解的中斷原理通俗易懂,就要在教學中邊講、邊演示中斷的產(chǎn)生,以及如何響應中斷服務程序的過程,應用Keil軟件進行程序調(diào)試和執(zhí)行結(jié)果的演示。

在調(diào)試軟件的界面可以看到相關(guān)寄存器的變化,并能看到程序轉(zhuǎn)入中斷服務的執(zhí)行過程,可以看到執(zhí)行完中斷服務程序后中斷返回到什么地方。課程以“精講課內(nèi),拓展課外”為教學改革理念,實施集新穎性,實用性,趣味性于一體的案例教學。在教學中引進仿真軟件Proteus對單片機系統(tǒng)進行教學演示,對單片機的指令系統(tǒng)、典型案例、工程項目等進行動態(tài)仿真,使學生直觀地了解單片機的工作狀態(tài),使教學內(nèi)容直觀、形象和透明[3-4]。

“適應社會需要,不斷改革創(chuàng)新”是“單片微機控制技術(shù)”課程教學遵循的原則。要架起單片機與C語言橋梁,更好地引導DSP的應用和嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)。

3　DSP原理及應用

DSP原理及應用是一門較新、但實踐性和應用性較強的課程。DSP教學內(nèi)容多,信息量大,包括DSP芯片結(jié)構(gòu)、硬件資源、程序設(shè)計方法與調(diào)試工具CCS的使用等。 “比較法”的課堂教學方式可以將復雜的內(nèi)容逐步分解,將陌生的概念用已知的內(nèi)容替代,如此循序漸進、逐步深入,易于對新知識點的理解和掌握。

例如感應電機的轉(zhuǎn)速測定涉及DSP事件管理器模塊的捕獲單元與正交編碼脈沖電路。DSP中寄存器較多,學生要理解寄存器的設(shè)置與使用方法。在講解數(shù)字I/O 端口時,必須配置I/O口復用控制寄存器,確定I/O口作為基本功能還是通用I/O功能。如果作為通用I/O引腳使用,還必須根據(jù)需要設(shè)置相應的數(shù)據(jù)和方向控制寄存器,確定相應引腳的數(shù)據(jù)傳輸方向是輸入還是輸出。這些是與單片機不同的地方。

DSP中設(shè)置了寄存器,就可以產(chǎn)生PWM波形去控制電機,而單片機產(chǎn)生PWM波形是需要編程實現(xiàn)的。學習各種寄存器使用方法,需要了解不同模塊對寄存器各位的定義。DSP除了與單片機類似的基本內(nèi)容，如中斷、定時、I/O口、串口和A/D之外,還有SPI。

4　微控制器技術(shù)課程設(shè)計

課程設(shè)計是對課堂教學項目的驗證,可以加深和鞏固課程知識。教師要引導學生挖掘潛力,實現(xiàn)對整個課程知識的綜合應用。課程設(shè)計倡導學生自主學習,對課程項目進行功能擴展與集成創(chuàng)新,培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

微控制器技術(shù)課程設(shè)計運用單元模塊知識進行基本知識點練習與綜合訓練,選題豐富,并且與實際生活密切相關(guān),例如具有鬧鐘功能的電子時鐘設(shè)計、LCD液晶顯示和點陣、LED廣告屏設(shè)計、接觸式IC卡讀寫設(shè)計、音樂門鈴設(shè)計、數(shù)字電壓表設(shè)計、生產(chǎn)車間流水線自動控制模擬、籃球比賽計分器、按鍵控制選播音樂等。根據(jù)班級學生學習情況設(shè)計了提高內(nèi)容的不同選題,如按鍵控制步進電機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溫度顯示系統(tǒng)。課程設(shè)計的成績要根據(jù)學生平時學習態(tài)度,獨立工作能力,設(shè)計的正確性、合理性、完整性，課程設(shè)計報告的內(nèi)容與規(guī)范性,以及是否有自己的發(fā)揮和創(chuàng)意等綜合評定[5-7]。

4.1停車場車位控制

停車場車位控制是中斷技術(shù)、鍵盤與顯示的綜合應用。在停車場入口處裝設(shè)一個傳感器,用來檢測駛?cè)胲囕v數(shù)；在出口處裝設(shè)一個傳感器,用來檢測駛出車輛數(shù)。當尚有空余車位時,入口閘欄才可以開啟，讓車輛駛?cè)?并有數(shù)碼管顯示是否有空余車位?？衫脭?shù)碼管顯示停車場內(nèi)即時車輛數(shù)。程序設(shè)計要求按下鍵“1”時,停車空閑位數(shù)加1；按下鍵“2”時,停車空閑位數(shù)減1。當沒有停車空閑位置時,數(shù)碼管顯示提示符。設(shè)計時可以選擇按下按鈕引發(fā)外部中斷,此時記錄進入停車場的車輛數(shù),經(jīng)過合理的計算后顯示目前停車場的車位。停車場車位控制電路如圖1所示。

圖1　停車場車位控制電路

4.2LED點陣漢字顯示設(shè)計

16×16LED點陣由4塊8×8LED點陣組成。LED點陣漢字顯示設(shè)計選題是控制點陣的掃描顯示,使16×16LED點陣循環(huán)顯示漢字，如圖2所示。點陣顯示漢字可以從上到下或者從下到上移動顯示一句話。

圖2　點陣顯示漢字電路

5　嵌入式系統(tǒng)與項目實戰(zhàn)

“嵌入式系統(tǒng)”是近幾年新興的一門課程,是單片機、DSP原理及應用、微機原理與接口技術(shù)的后續(xù)課程。嵌入式系統(tǒng)融合了計算機軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù),針對實際應用系統(tǒng)的需求,將計算機直接嵌入到應用系統(tǒng)中。掌握嵌入式系統(tǒng)應用需要設(shè)計者具有較強的綜合理論知識和動手能力。由于IT技術(shù)發(fā)展很快,教學中應不斷補充新的技術(shù)和新的科學研究成果,學生畢業(yè)后也必然要面對這些新技術(shù)。如果能夠為學生提供更多接觸這些新知識、新技術(shù)的機會,就會使學生畢業(yè)后快速適應崗位工作。

嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展為自動化控制開辟了廣闊的發(fā)展空間。學校要培養(yǎng)創(chuàng)新型、務實型人才,必須加強與企業(yè)的深度合作,為進一步改進教學內(nèi)容提供豐富的教學素材,使教學內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展保持同步,為學生提供一個接觸、學習新技術(shù)的環(huán)境[8-9]?，F(xiàn)在我校自動化專業(yè)與研華科技有限公司和博創(chuàng)科技有限公司合作開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)核心設(shè)計與項目實戰(zhàn),以案例教學和項目研發(fā)驅(qū)動教學內(nèi)容的更新,努力使抽象的理論知識實用化和具體化。我校主要在以下幾個方面改進了教學實踐工作。

(1) 讓學生了解嵌入式平臺的硬件環(huán)境,分析嵌入式系統(tǒng)的應用程序；通過硬件分析—現(xiàn)場編程—編譯調(diào)試—下載程序—運行演示,能夠看到嵌入式系統(tǒng)的運行結(jié)果；通過視頻播放,將軟件仿真與實物演示相結(jié)合,實現(xiàn)互動式和引導式教學。

(2) 把科研工作的思維方法融入教學中。把科研項目分解,依據(jù)學生意向和專業(yè)基礎(chǔ)情況,將教學班級拆分成小組(每2人1組),針對實際應用項目進行實戰(zhàn)設(shè)計。在嵌入式系統(tǒng)實戰(zhàn)項目中，學生先在筆記本電腦上練習操作,主要練習的項目有30多個,內(nèi)容有Linux操作命令和文本編輯器vi、編譯器GCC的使用、Linux系統(tǒng)下文件綜合設(shè)計、Makefile編寫、采用fork和vfork創(chuàng)建子進程、創(chuàng)建線程、TCP編程、UDP編程,圖形界面設(shè)計、簡單的嵌入式Web服務器設(shè)計、USB攝像頭視頻采集、無線遙控接收、智能家居綜合實訓等。雖然內(nèi)容難度較大,但是信息量也很大,學生利用筆記本電腦動手練習,增強了參與意識,也掌握了Linux基本操作,可以編寫和保存程序、創(chuàng)建進程和線程等[10-12]。

(3) 為動手能力較強的學生提供施展創(chuàng)新能力的平臺。學生可以自主選擇完成案例中的部分綜合設(shè)計內(nèi)容。學校采取科學的考核方式,力圖綜合、全面地評價學生的學習情況。對有特殊才能的學生進行重點培養(yǎng),指導他們參加“博創(chuàng)杯”全國大學生嵌入式設(shè)計大賽等國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)競賽。學生在創(chuàng)新活動中勤于思考、敢于創(chuàng)新,實現(xiàn)理論教學和實驗教學的深度融合,具備了初步的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力,適應嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品市場對人才的需求。

6　結(jié)語

教學實踐證明,通過理論教學、實驗教學、課程設(shè)計和項目實戰(zhàn)這幾個層次的教學,以及輔導學生參加課外科技活動、參加教師的科研課題,使微處理器課程教學體系得到整體優(yōu)化,微處理器系列課程在大學期間不斷線,提高了學生的實際應用和開發(fā)技能。教學無止境,我們還要進一步探索系列課程的優(yōu)化方案,完善實驗室建設(shè),為學生提供一個自主學習、資源共享的平臺,努力使學生成為理論與實踐能力強的應用型專業(yè)人才。

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Study on plan of overall optimization for microprocessor series courses

Ai Hong, Chen Wenbai

(Automation Institute, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)

This paper puts forward the structure of the microprocessor series curriculum system of the microprocessor series courses. The teaching method and practice content arrangement of single chip microcomputer control technology, DSP principle and application, and the embedded system are expounded. The topic of micro controller technology course design is described. Design thought and realization method of the parking control are illustrated. The simulation result of Chinese characters and LED dot matrix display based on Proteus software is given. The project actual main contents of the embedded system are described, including the files complete integrated design in Linux system, the process and thread, the network programming, the design of the graphical interface based on Qt, the embedded Web server design, USB camera video capture and other comprehensive training cases.

single chip microcomputer; embedded system; course design; DSP; practical training of project

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.044

2015- 08- 19

北京信息科技大學教學改革項目(2014JG08)資助；北京信息科技大學2015年人才培養(yǎng)質(zhì)量提高經(jīng)費項目(5111523309)資助

艾紅(1962—),女,重慶,碩士,副教授,碩士生導師,主要研究方向為微處理器系列課程教學實踐.

TP368.1；G642.4

A

1002-4956(2016)1- 0169- 04