徐科軍, 許 偉, 邵春莉， 張 毅

(合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院， 安徽 合肥 230009)

0 引言

單片機是一種采用超大規(guī)模集成電路技術把中央處理器、存儲器和其它片上外設等集成到一塊硅片上而構成的一個小而全的微型計算機系統(tǒng)。它是實現底層自動化和各種設備控制的核心芯片，其應用是工科電類和機類專業(yè)本科生必須掌握的一門技術。近年來，16位的MSP430單片機以其超低功耗、強大處理能力等特點，在過程控制、智能電網、無線通信、能源收集、便攜儀表、消費類電子產品和公共事業(yè)計量等方面得到廣泛的應用。

我們根據在MSP430單片機應用方面的科研積累，在TI(美國德州儀器)大學計劃的支持下，編寫教材，開發(fā)實驗裝置，制作微視頻課，為單片機的教學打下了良好的基礎。正是在此基礎上，我們以MSP430單片機的學習和應用為抓手，開設校級平臺選修課，指導學生申報大學生創(chuàng)新項目，組織假期創(chuàng)新項目活動，舉辦校內單片機比賽，進行畢業(yè)設計等，從課內到課外、從線上到線下、從大一到大四，積極培養(yǎng)大學生的實踐創(chuàng)新能力。

1 創(chuàng)造學習條件

針對目前在單片機學習和開發(fā)的過程中，在線仿真困難且實驗裝置不易擴展的情況，我們研制了基于TI公司板載仿真器的MSP430F5529 LaunchPad。該LaunchPad的硬件包括板載仿真器、MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)、USB通信接口電路及BoosterPack接口等。軟件包括基本的CCS操作、USB通信控制程序、GPIO輸出控制程序、定時器計時中斷程序、PWM產生和按鍵外部中斷程序。實驗表明，該LaunchPad軟硬件資源豐富、易于擴展且成本較低[1]。

針對TI公司推出的MSP430單片機實驗板-MSP-EXP430F5529實驗板，開發(fā)實驗套件，包括實驗例程、實驗指導書、教程PPT和實驗視頻[2]。TI公司大學計劃部已將我們開發(fā)的實驗套件公布在網站上，實驗指導書也發(fā)送給包括上海交通大學、浙江大學、西安電子科技大學、北京理工大學等200多所高校，已有超過15000名學生使用并學習了該實驗套件。我們利用該實驗套件成功舉辦了兩次MSP-EXP430F5529開發(fā)板培訓活動；一次于2012年10月，在TI公司舉辦的全國教育者年會上，對部分與會教師和學生進行了MSP-EXP430F5529實驗板培訓。另一次于2013年3月，在合肥工業(yè)大學，利用該實驗套件舉辦MSP-EXP430F5529開發(fā)板培訓，受到了同學們的熱烈歡迎。

我們還分別研制了基于MSP430F5529和基于MSP430F6736單片機的綜合實驗裝置。前者主要包括MSP430 LaunchPad和母板兩部分。較傳統(tǒng)單片機實驗裝置增加了模擬電路的設置，可進行模塊基礎實驗和綜合實驗兩大類實驗。后者，主要包括MSP430單片機最小系統(tǒng)、電源變換部分、模擬輸入輸出模塊、數字輸入輸出模塊。對傳統(tǒng)單片機實驗裝置的電源部分進行改進，實現了三種供電電源之間的自動切換。實驗裝置功能豐富，可進行包括儀器儀表類在內的6大類實驗，這兩類實驗裝置都非常適合自動化和電氣信息類大學生學習使用[3～4]。

此外，我們還編寫并在電子工業(yè)出版社出版了教材《MSP430單片機原理與應用-MSP430F5xx/6xx系列單片機入門、提高和開發(fā)》。該教材以TI公司的MSP430F5xx/6xx系列單片機為例，全面介紹MSP430單片機的原理及應用，包括MSP430單片機概況、MSP430單片機軟件工程開發(fā)的基礎、MSP430F5xx/6xx系列單片機的CPU與存儲器、MSP430單片機的中斷系統(tǒng)、MSP430單片機的時鐘系統(tǒng)與低功耗結構、MSP430單片機的輸入輸出模塊和片內通信模塊和控制模塊、各個模塊的應用例程等。還介紹我們實驗室自行研制的基于MSP430F5529單片機的學生創(chuàng)新套件[5]。此外，還制作了83集“MSP430單片機原理與應用”的微視頻，每集在10分鐘至15分鐘左右。

2 進行混合教學

目前，“單片機原理與應用”課程大多講授8位的MCS51單片機，雖然內容簡單、容易入門，但是，該單片機的性能相對落后，其應用無法滿足科技和生產發(fā)展的要求。近年來，16位的MSP430單片機以其超低功耗、強大處理能力等特點，已經在過程控制、智能電網、無線通信、能源收集、便攜儀表、消費類電子產品和公共事業(yè)計量等方面得到廣泛的應用。為了讓學生學習新的單片機技術，使其知識和技能跟上時代發(fā)展的步伐，有利于他們就業(yè)；同時，也不影響已有“單片機原理與應用”課程的開設，我們特增設了校級平臺選修課“MSP430單片機原理與應用”。這是我們學校第一門工科性質的網上視頻選修課程，采用“網絡教學+自主學習”的方式。主要講授新型單片機原理與應用。該課程教學使用我們制作的83集視頻，編寫的教材和開發(fā)的MSP430單片機最小系統(tǒng)實驗板的原型樣機；以網上視頻傳授為主，以面授為輔；提供線上和線下兩種答疑渠道，保證課程的教學質量。針對本課程的性質，注重實驗，提供給學生單片機最小系統(tǒng)實驗板，能夠方便地在宿舍實驗，鞏固所學的知識，培養(yǎng)動手能力。

2016年上半年全各相關院校共有不同年級的912名學生選修了這門課程，有597人成績合格，獲得了學分。2017年上半年，有來自全校多個學院和不同年級的679名學生選修了這門課，有392名同學成績合格，獲得了學分。

不少學生通過本課程的學習，初步掌握了MSP430單片機的技術，為他們參加各類學科競賽和大學生創(chuàng)新項目等活動打下了良好的基礎。

3 提供課外實踐

3.1 舉辦單片機應用設計大賽

從2012年10月份開始，我們舉辦了一系列單片機專業(yè)知識講座、安排了實驗室開放日和創(chuàng)新設計輔導等活動，指導學生們學習單片機應用設計。這些活動吸引了全校很多學生積極參與，他們利用課余時間制作了很多的課外科技作品。有了這些基礎，我們于2013年3月初，正式啟動了“合肥工業(yè)大學首屆MSP430低功耗單片機應用設計大賽”。此次大賽共吸引了來自全校17個專業(yè)的70多組隊伍、近200位本科生參賽，最終有35組隊伍參加了決賽。評委教師們分別從作品實物完成情況和現場報告答辯情況對各組參賽作品進行了評定，最終評出一等獎2名、二等獎6名和三等獎12名。大賽期間，我們向各參賽隊提供最新的MSP430單片機開發(fā)板，還定期開放實驗室，安排研究生輔導各參賽隊進行作品制作和調試。本次設計大賽不僅僅為學生們提供了競技、展現自我的平臺，更是提供了一個同學們之間相互學習交流，共同進步的機會。

2014年5月18日，我校迎來了“合肥工業(yè)大學第二屆暨安徽省首屆MSP430低功耗單片機應用設計大賽”決賽。來自我校、安徽建筑工業(yè)大學、安徽工業(yè)大學、三聯學院、宿州學院、合肥學院等六所高校的254支隊伍，700多位本科生參賽。經過預賽初評，選出了34支作品參加決賽。決賽最終評選出一等獎2隊、二等獎6隊、三等獎12隊和優(yōu)秀獎14隊。在整個大賽中，我們向各參賽隊提供了最新的MSP430單片機實驗板及MSP430單片機教材，舉辦了一系列的MSP430單片機專業(yè)知識培訓，創(chuàng)建了MSP430單片機QQ群，對參賽學生進行網上指導。

3.2 組織小學期和暑期實踐項目

2014年6月至7月，我校開展了小學期創(chuàng)新實踐團隊訓練項目“超低功耗MSP430單片機應用系統(tǒng)設計”。該項目面向二年級本科生開設，要求學生以MSP430超低功耗單片機最小系統(tǒng)為核心，設計和研制數據采集、信號處理、電機控制和電源管理應用系統(tǒng)，整合和應用基礎知識，訓練本科生的應用系統(tǒng)設計和實踐動手能力，培養(yǎng)他們的團隊合作精神，激發(fā)他們綜合應用知識的欲望和創(chuàng)新思維。共有來自電氣與自動化工程學院和醫(yī)學工程學院的8支隊伍，24位本科生參加。本項目歷時近一個月，在項目實施的過程中，我們?yōu)閰⒓禹椖康膶W生提供了MSP430單片機實驗套件、基本電子器件和MSP430單片機教材，還為參加項目同學做了兩場MSP430單片機基礎知識培訓和兩場有關MSP430單片機實驗套件培訓、一場應用系統(tǒng)硬件設計和軟件設計輔導和點評、一場應用系統(tǒng)測評和總結。

在2016年的7月至8月，我校組織和開展了暑期創(chuàng)新實踐團隊的新型單片機應用訓練項目。該項目要求學生基于我們提供的MSP-EXP430F5529綜合實驗平臺，開發(fā)和調試以單片機為核心的傳感器應用、觸摸按鍵、液晶顯示、數據通信等綜合實驗；或者基于我們提供的MSP430F5529 LaunchPad(單片機最小系統(tǒng))，設計各種應用系統(tǒng)。通過這一項目訓練本科生的應用系統(tǒng)設計和實踐動手能力，培養(yǎng)他們的團隊合作精神，激發(fā)他們綜合應用知識的欲望和創(chuàng)新思維。我們發(fā)放了35 套實驗板和11本配套教材以及其他相關學習資料，并進行輔導。根據假期的住宿條件，能回家的同學可以利用自己的筆記本電腦，在家開展項目和完成綜合實驗。對有條件留校的同學，我們開放了實驗室，給他們安排位置，提供相應的設備，并隨時答疑解惑，使他們順利完成項目。我們通過QQ、微信、郵件、電話，保持與參加項目的同學的聯系，指導他們的項目進展。這一期我們共指導14 組、25位同學完成了暑期項目。其中，6名同學被選中參加了第十屆“藍鷗杯”中國大學生iCAN物聯網創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽比賽。

3.3 指導大學生創(chuàng)新實踐項目

以MSP430單片機為核心，指導學生申報和完成國家級大學生創(chuàng)新實踐項目。其中，比較優(yōu)秀的成果有：2013年 “具有感知的智能紅燈警戒線”、2014年“基于RFID技術的養(yǎng)老院智能管理系統(tǒng)”、2016年“跌倒預防與報警一體化的老人智能拖鞋”、2017年“基于RFID與GPS技術的防老人/兒童走失與防物品丟失系統(tǒng)”還包括2014年校級重點項目“主從結構式老人摔倒報警器”。