时间：2023-05-30 09:13:24
关键词：卓越工程师；创新实践；单片微机原理与接口技术
作者简介：孙冬梅（1975-），女，安徽合肥人，南京工业大学自动化与电气工程学院，副教授；张广明（1965-），男，江苏江都人，南京工业大学自动化与电气工程学院，教授。（江苏?南京?210009）
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0047-03
“单片微机原理与接口技术”是工科院校自动控制、工业自动化、测控技术与仪器、电气技术、电力系统及其自动化、自动化仪表等自动化类专业学生必修的一门专业基础课，是一门理论性和实践性都很强的课程。目前在很多学校都进行与本课程相关的精品课程建设，但是也有一些学校由于师资力量缺乏等原因，授课点分散，没有进行合理的建设。
2010年，教育部启动“卓越工程师教育培养计划”。南京工业大学（以下简称“我校”）作为首批批准的高校之一，也展开了相应的工作。2011年教育部党组4月25日发出关于教育战线学习贯彻总书记在庆祝清华大学建校100周年大会上重要讲话精神的通知，向各高校提出了“全面提高高等教育质量”的要求，其中强调要强化实践教育环节，引导学生在投身实践中不断提高实践能力和创新能力。
为响应国家号召，适应学校应用型卓越工程师培养要求，本文以南京工业大学（以下简称“我校”）自动化与电气工程学院为例，介绍了以院级平台课程建设为形式，以整合并有效利用资源和培养高素质优质人才为目的的平台课程建设方案，努力构建一个开放的、以学生为中心的、基于卓越工程师培养的综合平台。
一、课程现状和建设思路
目前我院本科专业4个，“单片微机原理与接口技术”课程共6个授课班，授课教师6人。分散在4个专业，没有统一的课程体系平台和合理的授课团队，无法评价授课效果和培养质量。
实践表明，课程建设与专业建设密不可分。课程建设要以优势专业建设为依托。“单片微机原理与接口技术”是一门理论性和技术性强、逻辑严谨、动态与静态结合、实验技能要求高及内容丰富的专业课程，与测控技术与仪器专业关系紧密，能够体现专业特色。课程建设的同时，进行测控专业建设，能够优化配置教学资源，实现教学改革与人才培养质量相互促进。
本平台课程建设依托我校自动化学院测控专业，转换单纯的课堂教学为系统的整体课程体系建设，整合资源为课程教学提供完整解决方案。运用集体的智慧和力量，从多方面、多角度进行细致规划、设计。具体工作有：建立院级课程体系，以体现先进的教育思想；整理教学内容，具有科学性、先进性，能够充分反映单片微机领域最新的学术和科技成果；广泛吸收先进的教学经验，通过学生创新训练和学科竞赛与社会发展需要相结合；创新教学方法，适应素质教育要求；改进教学手段，广泛应用现代教育技术；使用并相继开发一套比较完善的、立体化的系列精品教材和教学案例；采用科学的考核方法；建成高水平的、结构合理的教师梯队和科学现代的平台课程管理体系；能满足学生自主化学习、个性化学习需求。
二、平台课程建设方案
1.以兄弟院校精品课程为基础，有目的地进行建设
（1）学内容。授课大纲统一，教材统一采用张义和编著的《例说51单片机》。授课和实验的内容全部统一，电子教案统一，实验和实训指导书统一，授课用多媒体课件统一，试卷由统一的试题库管理系统随机抽取。
（2）努力打造教学成果。利用本课程实验室设备指导学生参与课外实践活动（如开放实验室项目、大学生课外学生科技作品、挑战杯等）。积极发表教改论文，申请教改项目。
（3）建立校级网络教学平台，集中和展示课程的数字资源。主要分为“课程建设、理论教学、实践教学、试题习题、参考资料”5个资源模块，其中“课程建设”包括教学大纲、电子教案、教师队伍、改革与研究等资料；“理论教学”包括往年和最新的电子课件，部分教学录像；“实践教学”包括实验教程和课件、工具软件等；“试题习题”包括大量的练习和思考题、往年试题和参考答案；“参考资料”包括相关知识和技巧专题讲座、电子元器件技术资料和一些网络资源等。
2.以打造精品课程为目的的课程资源建设方案
课程资源包括授课课件、试题库、考试体系、教学录像、实验教程等多种形式。而课程网站是课程资源的载体和体现形式，是构建课程体系的重要组成部分。课程网站要精心准备和后期的不断维护。首先应包含所有教学资料，如教学大纲、教学计划、教材、课件、教案、习题、模拟试题、实习实训项目、参考文献、学习指南等。其次，对重点章节及其难点详加注释说明，满足网络课程需要。最后，配以适当的图片、视频资料，方便学生自学。
3.基于卓越工程师教育的青年教师教学能力培养
卓越计划实施方案尤其强调师资的建设工作，特别是对青年教师的培养与培训。其中，青年教师的实践能力、工程教育能力是实施卓越计划的关键。
近几年，笔者一直担任电子专业单片机原理与接口技术课程的教学，在教学过程中发现了如下问题：首先，不少学生对电工基础、模拟电路、数字电路等电子专业基础课的内容掌握不牢，影响了该课程的学习；其次，单片机原理与接口技术课程内容抽象，理论性、实践性和综合性很强，又同时涉及软件和硬件知识，对学生的综合素质要求比较高，而学生水平跟不上，教学难度大。针对这些问题，怎样才能让学生比较容易地理解和掌握这一门课程，成为本课程教学研究与改革的重点任务。因此，笔者在教学实践中，通过不断试验，多次与单片机教研组老师交换意见，总结教学经验，认为一体化教学能让学生在做中学、学中做，把复杂的知识直观化、项目化，有效地调动学生的学习兴趣，可以收到较好的教学效果。
一、传统教学与一体化教学比较
传统教学一般先理论讲授，后实践操作，在理论指导下完成实操。理论教学通常在教室进行，实践教学实训室进行，理论与实践分开授课。这种模式的突出弊端在于理论教学与实践教学脱节，导致理论知识难以及时消化，操作训练不能连续，学生虽然经过多次训练仍不能掌握操作技能，教学效果不理想。
一体化教学是指在同一空间和时间内同步进行的教学，理论和实践交替进行，直观和抽象交错出现，没有固定的先实后理或先理后实顺序，而是做中学，学中做。一体化教学具有三个特性：①空间和时间的同一性；②认识过程的同步性；③认识形式的交错性。
下面，以“输入/输出接口技术”为例，具体说明这两种教学方法的区别。
传统教学：教学以老师讲解为主，先介绍输入/输出端口名称、作用、特点等各知识点，让学生在识记的基础上做作业，并利用单片机实验箱验证各知识点。
一体化教学：教学以老师为主导，学生为主体。教师先下达项目书（制作霓虹灯），然后组织学生研究讨论，制订方案，补充制作过程所需要的知识（输入/输出端口名称、作用、特点等），然后进行项目制作，完成作品，并在教师指导下进行项目评价和总结，最后针对学习成绩好、有兴趣的同学布置技能拓展项目。
二、一体化教学实施
为培养培养技能过硬的单片机实用型人才，学校单片机教研组以教学改革为手段，以单片机实训室为依托，将单片机原理及应用技术课程内容分解为单个彩灯闪烁（单片机基本知识介绍）、霓虹灯（输入/输出接口技术）、键盘接口显示（键盘接口技术）、计费器（定时/计数器）、报警器（中断技术）、秒表（数码静态显示）、学号显示器（数码动态显示）、数字温度计（a/d转换器）、信号发生器（d/a转换器）、密码锁（i2c总线）等10个项目，采用边讲边演示边操作的教学模式，让学生通过实践操作掌握相关理论知识和基本技能，做到实践中有理论，理论中有实践，使学生既掌握理论知识又懂得实践操作，将理论教学与实践教学真正融为一体，实现理论教学与实践教学的高度融合。
下面以报警器的制作为例，具体介绍“中断技术”一体化教学实施过程。
（一）课前准备
在实施一体化教学前，要做好充分的教学准备，首先要购置编程器、89c51cpu、电路板和发光二极管等常用单片机实训元件，然后安装proteus、编程器、伟福等单片机常用软件，组建一体化单片机教学场地。
（二）下达项目书
目前技工学校在校生素质普遍较低，因此，设计项目时，难度不能太大，难度较大的章节，须将内容分散到各个小项目中，否则会导致学生失去信心。“中断技术”是单片机原理与接口技术课程的教学难点，为了减轻学生的学习难度，笔者实际教学时，要求学生先制作一个接触式闪光灯，再制作报警器，这样每个项目包含的新知识点就不会太多。制作接触式闪光灯所需要用到的知识点有：① 发光二极管的使用；②中断控制。报警器隐含的知识点有：①中断控制（旧知识点）；②探测器的使用；③报警声的产生。
（三）分析项目
项目下达后，先让学生自行分析，遇到难题时，教师应当启发学生思考、提问，与学生共同分析项目，并制定具体的实施方案和详细的项目指导书。
例如，在接到制作报警器项目后，教师可让学生先停下来，引导学生思考：电路中的扬声器如何报警？报警灯如何点亮？如何识别报警信号？抛出学生当时迫切想知道的几个问题，这样，学生的好奇心和求知欲必将受到极大的激发，他们便会主动探索，去寻找解决问题的最佳途径。
（四）项目实施
学生按照项目指导书的要求进行操作，在老师的指导协助下，通过查找图书和网络资源，与同学探讨，完成报警器的制作，培养学生的协作意识、交流能力以及主动思考、解决问题的能力。
在项目制作过程中，针对学生提出的问题，教师可进行筛选，采用不同的教学方法。对于简单问题，可以鼓励学生自己讨论解决；对于复杂问题，教师应当主动引导学生，应用知识，启发思路；对于涉及的新问题、新知识，可与学生共同研究，再由学生去完成项目。比如：在制作报警器时，会涉及到三个知识点：其中，中断控制属于旧知识范畴，在制作接触式闪光灯中已经学过，可以根据学生的反应，采用不讲或串联回忆式教学；而探测器的使用、报警声的产生属于新知识范畴，教师应当及时补充此内容，让学生现学现用。
（五）项目评价、总结
在一体化教学中，学习效果主要由完成项目工作的质量来衡量，主要包括自我评价、学习小组评价和教师评价。围绕学生在项目设计过程中，从项目剖析、任务分解、知识点学习、知识点应用、目标搭建、目标组合等项目完成的一些列活动中，通过师生间的互动交流、学生间的互助协作，考察学生对项目的理解、知识点的学习领悟、单片机知识的应用以及语言表达能力。
（六）知识拓展、能力提升
对于学有余力的学生，可布置多路报警器等项目，通过制作多路报警器扩展项目，巩固“中断技
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术”学习内容，开拓多任务设计思路，通过查找资料，与同学和老师交流，提升学习能力和知识的应用能力。
三、实施一体化教学需要注意的几个问题
（一）教学计划、教学大纲与教材
按照传统教学模式编写的教学计划、教学大纲和教材难以满足一体化教学要求，一体化教学要按照企业发展需要和技能人才的培养规律，根据国家职业标准，以综合职业能力为培养目标，通过典型工作任务（即项目）分析，构建课程体系，并以具体工作任务为学习载体，按照工作过程和学生自主学习要求设计和安排教学活动的课程。
教材是教师组织教学、学生学习的主要依据和信息来源，因此，一体化教材是实施一体化教学的基础。一体化教材一般由学校教师和企业技术人员共同编写，教材主要以典型项目组织内容，注重教材实用性和可操作性，强调学生的实践技能、技巧的培养。
（二）教学过程设计与教学准备
一体化教学既要理论讲解、示范操作和操作训练，同时还要突出学生的主体地位，让学生按照既定目标有序地“动”起来。因此，一体化教学与纯粹在讲台上的理论授课或在实训室的实践操作有很大区别。因此，设计好教学过程是上好一体化教学课的关键，可以从以下几个方面考虑：1、明确教学目的：学生需要掌握哪些知识点、技能点，掌握到什么程度，达到什么样的效果，哪些需要讲解。2、准确把握教学对象：学生基础怎样，前导课程有哪些，学生有何特点等。3、确定教学重点和难点，做到重点突出，难点分解。4、设计教学策略：建议采用项目教学、任务驱动等教学方法。5、合理组建项目小组，每组以3～5人为宜。分组时要充分考虑小组成员的综合素质、动手能力，做到好、中、差搭配。
（三）教学硬件与软件条件
1、硬件条件。一体化教学强调的是空间和时间的统一，即在同一场所和同一时间内完成教学的多种任务。所以，要实施一体化教学，就必须具有既能满足理论教学，又能满足实践教学的一体化教学场所。
Abstract: "Microcomputer Principle and Interface Technology" is an important foundation courses of electrical engineering major undergraduate, which is very important to cultivate students computer application ability. With the rapid development of computer technology, the system and the structure of microprocessors and computer systems have great changes, which need a new objective recognition about this course. This article describes the main ideas and specific measures of Microcomputer Principle and Interface Technology teaching in detail from curriculum, teaching content, experimental teaching and hours arrangement under the current curriculum reform background.
关键词: 微机原理与接口技术;课程设置;教学改革;实验教学
Key words: microcomputer principle and interface technology;curriculum;teaching reform;experimental teaching
中图分类号:G40文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)23-0210-02
0引言
《微机原理与接口技术》是工科电类专业本科生的重要专业基础课程,也是一门主干和必修课程。但是由于当前计算机技术尤其是单片机及嵌入式技术的飞速发展,传统微机原理课程的地位受到了较大挑战。部分教师和学生将微机原理与接口技术课程与单片机或嵌入式系统等的课程混为一谈,对微机原理课程的地位和作用产生了质疑。本文将结合笔者多年从事微机原理与接口技术课程教学的经验和体会,从多个角度阐述在新时期课程改革背景下本课程所应担负的作用,并详细说明课程内容、实验教学及学时安排等方面的主要思路和具体措施。
1对微机原理与接口技术课程定位的再认识
从目前国内各工科高校的人才培养方案和课程规划来看,微机原理与接口技术课程被看作是电气、电子、自动化等电类专业的一门专业平台课程,其主要任务是使学生从理论和实践的层面掌握现代微型计算机的基本组成、工作原理及典型接口技术,建立微机系统的整体概念,使学生具有运用现代微机技术进行软、硬件开发的初步能力。
为适应计算机技术飞速发展的时代需要,各高校微机原理与接口技术课程的课程设置和教学内容也做了相应调整。主要可以分为以下四种情况:①将长学时(90-100学时)的微机原理与接口技术课程拆分为系列课程,如依次分为短学时的《计算机组成原理》、《汇编语言程序设计》和《接口技术》课程;②先开设一门微机原理课程,主要讲授微机的基本组成、工作原理和汇编语言程序设计,其后再开设一门《单片机接口技术》或《嵌入式系统设计与开发》,主要从开发设计的角度讲授接口技术的应用;③同时开设《微机原理与接口技术》和《单片机原理与接口技术》课程,分别从80x86系统和单片机应用的角度讲授系统的工作原理、程序设计和接口技术;④近几年随着嵌入式系统在各应用领域大放异彩,部分高校有将单片机类或嵌入式系统应用课程取代传统微机原理课程的趋势,个别高校甚至直接取消了传统的微机原理课程。以上的第三种情况中,两门课程中有一些重复的教学内容可以合并;而第四种情况则有些偏颇和激进了。因此,有必要重新思考和明确微机原理与接口技术课程在当前工科电类专业人才培养和课程架构中的作用和定位。
微机原理与接口技术作为一门专业基础课程,笔者认为,开设该课程有三大主要目的:一是使学生系统学习微机系统的基本组成结构和工作原理;二是使学生掌握一门有用的低级语言;三是为微机应用系统(包括单片机应用系统)的设计与开发打下一定基础。与此相对应,该课程的教学内容包括微机基本组成及工作原理、汇编语言程序设计和典型接口技术,主要强调基础性、系统性和整体性;而单片机或嵌入式系统的课程往往是基于某一专用系统,属于专业技术课程范畴,更偏向于应用,所涉及的接口技术方面的内容较多,而课程所涵盖的微机系统的范围比较窄,对微机工作原理涉及较少。两者在微机系统的知识结构中处于不同的层面,互不统属。且前者是后者在知识结构上的基础,后者是前者在应用内容上的进一步延伸。可见,微机原理与接口技术课程与单片机或嵌入式课程并不是谁替代谁的问题,而是应加强联系和互相促进的关系。对于想在微机应用控制方面进一步强化学生知识结构和应用能力的高校,可以在开设微机原理课程后,通过选修课或研究生课程的形式再开设一门单片机或嵌入式系统的课程。
2对微机原理与接口技术课程教学内容编排和学时安排的几点思考
虽然目前各高校对于微机原理与接口技术课程(以下简称本课程)的开设形式不尽相同,但从课程设置的角度来看,本课程均应包括微机原理、汇编语言程序设计和典型接口技术的三大部分内容,这也分别对应着本课程的三个主要教学目的。对于非计算机类专业的本科生,本课程的内容还是应强调实用性,对不影响内容完整性,且相对过时、学生今后工作也基本用不到的知识可以少讲或不讲。
2.1 微机原理部分可以将微机原理部分的内容概括为三部分:①微处理器、微型计算机的发展和微型计算机的应用;②微型计算机的组成和工作原理;③计算机中常用的数据类型和编码,进制转换及补码运算。
其中第一部分主要为了解内容,要求学生了解微处理器、微机及其应用领域的主要发展情况和最新技术进展。其教学目的是扩展学生的知识面,丰富知识结构及拓宽专业视野。
第二部分则要求学员理解8086微处理器内部功能结构和存储器组织等内容,掌握8086微处理器寄存器结构及常用寄存器,理解8086 CPU的工作模式和最小模式下信号引脚的功能、最小模式系统总线周期时序,掌握时钟周期、总线周期、指令周期等基本概念。第二部分是微机原理部分的核心内容,概念多,理解难度大。此部分内容从微处理器的内部组成结构、引脚功能及工作模式出发,其教学目的是使学生深入理解和掌握微处理器内部的工作机制和原理。
第三部分内容要求学生理解计算机中常用的数据类型、计算机中的数和编码的表示方法,掌握符号二进制数的表示、补码运算及判断溢出的规则。此部分内容是微机系统的基础知识部分,也是学生必不可少的专业基础知识。
总的来说,微机原理部分的内容重在理论和基础,强调体系和结构,以理论授课为主,其内容既与计算机文化基础、数字电子技术等课程有联系,又具有自身的深度和广度,是本课程教学难度较大的部分。可以将此部分的理论教学时数安排在14-20学时。
2.2 汇编语言程序设计部分本部分的教学目的就是使学生能掌握一门低级语言――即汇编语言。学生有了这门低级语言的基础,在今后单片机知识的学习和科研工作中都能达到事半功倍的效果。
本部分的内容又分为两部分:即8086 CPU的指令系统和汇编语言程序设计。前者的教学重点在于寻址方式和主要指令的功能、用法和技巧。后者则侧重于汇编语言程序设计的步骤和方法,包括常用伪指令和程序结构的介绍以及子程序设计、中断服务程序设计和模块化程序设计的方法,重在使学生能够理解和掌握汇编语言程序设计的完整过程、主要方法技巧和应用环境。本部分的理论加实验教学不应少于40学时。对于大部分单片机应用系统,8086 CPU的指令系统及其汇编语言程序设计的方法均具有很好的参考作用。对于基于MCS-51内核的微控制器,8086 CPU的指令系统和程序设计方法兼容性很高,可以使开发者节省大部分的学习时间。这一点也正是工科学生学习本课程的一个现实意义,也是部分高校在本科阶段不额外开设单片机类课程的重要原因。由于部分工科院校在开设本课程之前,学生往往已经学习过一门高级语言的编程。因此,这些高校在本课程中分配给汇编语言程序设计部分的理论学时较少(有时甚至在10学时以内),连系统讲解8086指令系统、伪指令和程序设计方法的时间都不够,更遑论讲深讲透了。在笔者的微机原理与接口技术课程教学实践中,发现学生如果没有掌握好汇编语言程序设计部分,其接口技术部分往往也很难学好,对接口部分的实验更是难于动手,其弊端在学生的课外科研或毕业设计中也暴露得非常明显。
2.3 典型接口技术部分接口技术部分是本课程中的应用部分,可以采用精讲多练的形式,以典型接口芯片的原理和使用方法为重点。本部分的理论加实验教学可以安排在约30学时左右。
这里需要把握好一个度,即不要过多地罗列芯片,而应有所选择,要做到少而精,以掌握一个典型接口芯片来带动学会这一类芯片的使用方法,达到“授人以渔”的目的。这样做,一方面能使学生始终保持“新鲜感”和浓厚的学习兴趣,达到提高学习效率和实验效果的目的;另一方面,学习过多的接口芯片也没有必要。笔者认为,接口技术部分的教学目的应侧重于使学生具备微机应用系统的整体概念,熟悉设计简单微机应用系统(含单片机应用系统)的一般步骤、方法和过程。更新的接口芯片或更深更多的内容应该在相关选修课、课外科研或者今后的工作中由学生自行学习。
存储器技术重点在于存储器的连接和扩展,如数字电子技术课程中已涉及到,在本课程中可不讲。微机的总线技术、人机交互设备及接口和微型计算机应用系统等内容,可以根据课程教学的具体要求进行选择,应侧重于相关新技术、微机应用新领域的进展介绍,具体可以专题讲座的形式展开。
3本课程实验教学的设计
《微机原理与接口技术》是一门实践性和应用性都要求较高的课程,实验教学在本课程中居于极为重要的地位。其担负着三个主要作用:一是可以加深和提高对课程内容的理解,为理论教学提供有力的支撑作用;二是能够打牢学生汇编语言程序设计的基础;三是培养学生的创新思维和提高学生的微机综合应用能力。具体可以从以下三方面做好本课程的实验教学。
3.1 加大实验课学时比例,将理论课和实验课穿行、紧密衔接在本课程的理论和实践结合最紧密的汇编语言程序设计、接口技术等章节中加大实验课的学时比例,使实验课与理论课的学时比例达到1:1。同时相对集中实验课的时间以保证每个实验的需要,这样就加强了实验实训环节的时间保证。
3.2 优化实验类型,开展任务驱动型的实验模式为有效提高学生的实际动手能力,在本课程实验教学中应适当加大实验的难度,避免学生在实验中“浅尝辄止”。可将本课程的实验细化为基础型、设计型和综合型三大类,适当降低基础型实验的比例,加大设计型实验的比例,并开设综合型实验。基础型实验着重于教学内容的验证和基本技能的掌握;设计型实验则是学生在充分理解课堂单元内容的基础上,着重考察其对单元内容的掌握程度和独立设计、应用能力;综合型实验鼓励学生主动研究探索,是检验学生在阶段学习中知识掌握的全面程度以及其是否具备灵活运用所学知识进行独立开发和设计的综合能力。在实验教学中要开展任务驱动型的实验模式,即每次实验对学生都是一个明确的任务,要求他们必须完成,每一个实验必须调试通过后由指导教师审核并计入平时实验成绩。每次实验开始前,指导教师明确提出具体的实验要求,不向学生提供实验电路或程序方面的具体指导,由学生自行设计实验方案,独立编写实验程序,并最终完成实验报告。
3.3 实验内容要体现梯度和层次,注重打牢基础,侧重应用,兼顾分级教学精心设计实验内容,实验内容的安排要体现梯度和层次。要循序渐进,先基础、简单、局部,后扩展、复杂和整体。即在实验内容的组织上采用阶段式结构,将实验教学过程分为三个阶段:基础实验阶段、小型设计性实验阶段和综合性实验阶段。实验教学中还要注重打牢基础,侧重应用,兼顾分级教学。基础型、设计型实验均为必做实验,计入平时实验成绩。综合型实验是为领悟力和学习能力出众的学生开设的,是选做实验。如汇编语言程序设计的6个实验中,只有完成了前5个实验的学生才可以选做第6个实验,且实验结果经审核通过后由指导教师给予额外的实验成绩奖励。这样既可以保证大多数学生的正常实验教学进度,又可以兼顾到少数学有余力的学生的学习兴趣,做到因材施教,进一步提升了他们的应用能力和创新思维。一些具体的实验安排可以参见下表。
对于实验课中还是“吃不饱”、钻研劲头足的学生可鼓励其参加课外科研活动,通过参加教研室的科研实践学习微机应用系统设计的全部过程和方法。也可以通过课余时间开放实验室,由学生自己完成一些更复杂的PCI接口实验或难度较大的Windows驱动程序的实验。
4结语
随着计算机技术的飞速发展和课程教学改革的不断深入,微机原理与接口技术课程的传统地位受到了较大挑战,找准其在工科电类专业课程改革背景下的定位非常重要。同时,本着与时俱进的发展原则,应对本课程的传统教学内容、实验教学和学时安排进行改革,使其既能适应新形势的客观需要,又能继续发挥其专业平台课程不可替代的作用,这也是每一个相关任课教师需要深入探索的问题。
参考文献:
[1]王莉.微机原理与接口技术系列课程教学改革的探讨与实践.科技咨询导报,2007,(4):245-246.
[2]梁绒香.整合环节,加强能力―“微机原理与接口技术”教学改革与思考.科技信息,2007,(35):122,127.
【关键词】单片机及接口技术；应用型创新人才；学生主体；教学改革
1单片机及接口技术课程教学现状
单片机及接口技术是高等学院计算机、通信等专业开设的一门重要的专业课，是一门面向应用、技术性和实践性极强的专业课程。由于该门课程概念较多，内容抽象，学生在学习过程中，既要理解抽象的单片机的硬件组成和工作原理，又要掌握汇编语言指令，还要应用这些知识进行程序设计，才能完成一个完整的应用系统。以往的教学主要依靠理论课堂教学和有限的验证性实验，学生很少能够有机会运用理论知识解决工程设计的实际问题，这种教学模式不利于培养学生独立思考问题的能力和解决问题的能力，也不利于具有创新精神的高素质专业人才的培养。因此，尽管学生完成了该门课程理论与实验学习任务，但在面对具体应用时仍然存在知识运用能力较差的现象[1]，其原因主要有：（1）授课方式单一，难提兴趣目前单片机及接口技术教学仍然采用理论讲授为主，实验为辅的传统授课方式，形式单一，枯燥，学生觉得知识理解不到位，只能靠硬背，造成学习缺乏主动性，难以建立学习兴趣[3]。（2）教材偏重理论，工程知识不足目前大部分单片机及接口课程教材，偏重于理论知识的讲解，很少提到在实际工程中的具体应用方法，学生很少有机会了解所学知识在实际中的作用，学习缺乏成就感，学生学习缺乏兴趣。（3）实验内容陈旧，缺乏创新课程配置的实验以验证性实验为主，缺乏设计性和综合性实验，缺乏生动实例，且实验内容陈旧、新意和趣味性不足，不利于学生动手能力和知识运用能力的培养。（4）学生个体意识强烈，缺乏团队合作传统教学过程中，学生都是以个体形式学习，教师很少组织学生开展团队协作任务，导致学生缺乏团队协作精神，难易建立良好的沟通交流能力。鉴于此，针对目前单片机及接口技术课程教学过程中存在的问题，在总结以往成功教学经验的同时，全方位对单片机及接口技术课程进行教学改革，从理论课的授课方式、内容、手段到实验课的设计，从自主学习网络平台的构建，到科学、合理的考核评价体系，让学生从构思、设计、实施，开展多种形式的学习活动，注重学生运用新知识、新技术的能力，强调学生创新能力、交流沟通能力以及团队合作能力的培养。通过该课程一系列改革实施，为推动其他相关课程改革，培养具有应用创新能力强、适应社会发展需要的高质量计算机专业技术人才，将具有十分积极的意义和作用。
2单片机及接口技术课程教学改革措施
以培养应用型创新人才为出发点，改革该课程传统教学模式，积极探索新的教学方法和教学模式，坚持以教师为主导，以学生为主体，以培养学生应用创新能力和增强实践能力为目标，以“夯实基础、培养能力、开拓思维、注重创新、面向应用”为指导思想，强化理论教学与实践教学相结合、实践与科研相结合、科研与工程实际相结合，构建全新的单片机及接口技术教学改革新体系，下面，就提出的具体改革举措进行详细探讨。（1）注重创新引导，构建一体化、灵活的教学新模式单片机及接口技术课程是一门应用性非常强的课程，应当重点突出对学生应用创新能力的培养，主要措施有：①建立以教师为主导、学生为主体的教学原则，增加学生课堂活跃时间，让学生积极参与到课堂活动中，强烈的参与感能够充分发挥学生学习主动性，建立学习兴趣[2]。②引入灵活多样的教学方法：引入先进的教学方法，如演示法、模仿法、对比法、项目驱动法、案例法、团队协作法等，营造轻松和谐的课堂气氛，激发学生学习兴趣，从而增加教学效果。③优化课堂授课内容，通过引入实际工程项目，让学生能够了解如何运用所学的理论知识解决实际问题，注重学生实践应用能力的培养。（2）实验教学改革①建立三级实验教学体系：按着基础训练型综合设计型研究创新型三级层次组织实验教学，注重培养学生动手能力与创新能力[3]。②引进科研项目：尽可能地将科研成果引入到实验教学中，通过让学生不同程度地介入科研课题，了解科研过程和科研方法，适应应用型创新人才培养的需要[4]。③培养团队合作精神:设计团队合作题目，采取组内合作模式完成题目，充分调动和发挥学生的主观能动性，增强学生的参与感和自信心，培养学生的团队协作能力与沟通能力。④实验室全面开放：可以充分发挥实验室的作用，调动学生通过实验手段探索新知识的积极性。实验室的开放应包括时间和内容的开放，不断发挥学生学习的主动性、创造性。（3）搭建学生自主学习与课程管理网络平台该网络平台依托校园网，突破空间和时间的限制，不但可以实现学生自主学习以及教师对课程的信息化管理，更重要地是为师生之间、学生之间的实时讨论和交流提供了一个互动平台[5]。从理论知识的学习、课程安排、考勤、实验过程控制、成绩管理以及领域内最新的技术、新应用等前沿信息。（4）建立多元化的考核体系，突出综合素质将理论考核、实践能力考核以及系统设计、创新能力评价等多种方式结合起来[6]，对学生掌握知识、运用知识和创新能力做出综合、科学、合理的评价。并通过开放实验、竞赛、科研活动、科技发明、论文写作等多种途径为学生提供更多的获得创新实践的机会，突出综合素质培养[7]。
3结束语
通过基于应用型创新人才培养模式下的《单片机及接口技术》课程教学改革与实践，取得了显著的成果。首先，通过新的教学模式在教学实践中的实施，帮助学生建立学习兴趣，培养发现问题、解决问题的能力，培养学生的专业素养。其次，通过单片机及接口技术自主学习与课程管理网络平台的建设，不但可以使学生强化基础知识，而且可以学到更多的专业新知识，有利于学生自主学习；再次，利用该课程网络平台可以加强学生与教师之间的沟通和联系。
【参考文献】
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【关键词】单片机；多串口；通讯技术；应用
0.引言
单片机多串口通讯技术是一种基于单片机单串口基础之上而进行扩展的一种通讯技术。其以独具的高性能和高性价比优势，得到了几乎所有智能化产品的青睐。在目前的智能化产品的应用中，可以将单片机分为两类，一类是应用在移动通讯等设备中的专用单片机，另一类是能够在各类设备中应用的通用单片机，其中MCS-51就是通用单片机。随着科学技术的日新月异，信息技术的水平也不断提高，传统的单串口单片机已经不能满足计算机信息技术的发展要求，从而限制了它们在计算机信息技术中的应用。本文通过对多串口单片机的深入理解，并对单片机多串口通讯技术和应用进行了深入的探讨。
1.单片机串口扩展设计
1.1单片机串口扩展的硬件总体设计
单片机串口扩展的硬件总体设计单片机串口扩展的硬件总体设计单片机串口扩展的硬件总体设计单片机与PC机或外设的串行通信一般采用RS232/RS422/RS485总线标准接口。为保证通信可靠，在选择接口时必须注意通信的速率、通信距离、抗干扰能力、电平匹配和通信方式。本文为了解决在单片机串行通信时遇到的串口问题，以MCS51系列单片机8751为例，进行串口扩展，包括通过通信接口芯片8251再扩展一个独立串口，通过16×1的多路切换器CD4067实现一点对多点分时串口通信，以及通过电平转换器MAX232，MAX488，MAX485实现单片机与不同类型接口源供电，驱动能力强。MAX232芯片内置两个TTL到RS232和两个RS232到TTL驱动电路，即具有两个发送器和两个接收器，只需外置4个011μF电容以供内部电路产生RS232电压。MAX232的发送器的发送输入为T1IN/T2IN，发送输出为T1OUT/T2OUT；接收器的接收输入为R1IN/R2IN，接收输出为R1OUT/R2OUT。RS232接口也普遍使用9芯插头座，在许多场合下仅将发送端TXD数据和接收端RXD交叉连接，加上信号地GND共使用三根线，只给出了一路TTL电平接口到RS232电平接口的串行通信电路设计。
1.2单片机与不同类型串口的通信扩展
电路的设计单片机与不同类型串口的通信扩展电路的设计单片机与不同类型串口的通信扩展电路的设计单片机与不同类型串口的通信扩展电路的设计单片机CPU8751的串口是TTL电平，要实现8751与不同类型串口进行通信，需要用电平转换器完成不同类型串口的转换，才能成功进行通信。下面对单片机8751与RS232/RS422/RS485的串行通信进行接口扩展。
2.单片机多串口通讯的实现技术
2.1采用多串口单片机
目前只有少数单片机具有两个以上的串行通讯接口，有些单片机与MCS-51系列单片机兼容，新增加的串口与原有的串口在使用上基本相同。
采用多串口单片机实现多串口通讯无需额外的软件硬件支持，因而是最为理想的方案，只是这些单片机不太容易买到，价格也比较高。
扩展串行通讯接口在基本系统上扩展串行通讯接口是另外一种可行的方案。目前对于MCS-51系列单片机只有intel8250和intel8251两种接口芯片可供选择。前者为DIP40封装，后者为DIP28封装。两者在使用上有着很大的区别，不能互换使用。
扩展接口方法的缺点是增加了系统的复杂性，扩展芯片的体积也嫌太大。
2.2采用多路模拟开关
该方法是将串口通过多路模拟开关分别与各路通讯线路连接，适用于多路通讯分时进行，没有交叉的情形。这种方法工作比较可靠，技术上也比较容易实现，只需利用软件控制多路模拟开关的切换即可。
2.3多单片机协同工作
由于单片机的价格低廉，采用多个廉价的单串口单片机实现多路通讯可能比其它的方案成本更低，技术上也比较容易实现。这种方案比较适合协议转换一类的工作，这样每个单片机只需要负责一种协议数据的处理，便于软件编程。
多单片机协同工作必然要涉及到各个单片机之间的数据交换，这需要一些特殊的通讯技术支持。
2.4利用HSI和HSO功能
在现代的单片机应用中，其具备的主要功能就是高速输入以及高速输出。在实际的应用过程中，通常是将这些功能串行通讯。在数据接收的过程中通常会应用到高速输出功能，应用高速输出功能首先是根据单片机的通讯波特频率确定定时时间，然后在对检测接收数据的起始位用高速输出检测。如果检测到起始位时，就对其进行中断，在中断过后对读入的数据进行拼装，在完成此项工作过后必须储存所有接收的数据。
在利用高速输出进行数据处理时，可以通过向寄存器写入相关的命令，然后就可以直接进行数据处理，并且根据波特率对时间间隔进行处理。发送多位数据则对应多条命令，也可以利用高速输出中断实现。
2.5软件模拟
对于不具备高速输入和高速输出功能，又不能进行扩展的单片机，软件模拟是一种增加串口的可行方案。软件模拟是利用软件模拟串行通讯的时序，因此需要占用较多的软件资源。具体实现时可以利用定时器辅助进行，下面将给出实现该方案的技术细节。
3.串行通讯的软件模拟实现
利用软件模拟发送的基本思想是，首先根据通讯速率确定发送每一位的间隔时间，然后根据数据格式和内容进行逐位操作。间隔时间的控制可以用软件延时，也可以使用定时器。例如，对于11.0592MHz的系统时钟和9600波特率，对于MCS-51系列单片机，可以计算出8位定时器的定时时间常数初值。
若使用MCS-51系列单片机定时器0的工作方式2作为定时控制，9600波特率，使用Pl.0作为发送线模拟串行通讯方式1。
软件模拟接收的基本思想是，利用外部中断检测起始位，一旦检测到起始位即进入中断服务程序，在中断服务程序中延时半个数据位时间后再次检测端口状态，以防止干扰的影响。检测无误后关闭外部中断，同时打开定时器中断。在定时器中断服务程序中接收数据位并进行拼装，接收完毕后即可关闭定时器中断。待主程序处理完接收数据后再打开外部中断以便开始下一个数据的接收。
若使用定时器0的工作方式2作为定时控制9600波特率，使用P3.3作为接收线模拟串行通讯方式1。
关键词：翻转课堂；新型教学模式；实践教学；改革策略
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）48-0152-02
单片机原理及接口技术作为一门对实践技能和实践经验要求相当高的课程，在教学的过程中，教师需要带领学生进行大量的实践活动，这样才能保障学生在完成理论知识的学习之后能够将其应用到实践的过程当中，培养学生在实践过程中发现问题和解决问题的能力。然而，在目前我国大部分高校和院校当中，对于单片机原理及接口技术课程的教学依然还停留在大量理论知识的传授上，实践教学的课时和力度都有所不足。这就导致了学生虽然具备深厚的理论知识，但是却无法很好的将其应用到实际的工作当中。而在社会的职场当中，企业尤为看中的就是员工的实践经验和实践技能，学生的不足很容易让他们在职场中失去竞争力，影响他们未来的职业发展。那么，要如何才能提高学生的实践能力，丰富他们的实践经验，使学生在职场上更具有竞争力呢？笔者在本文中将从教学改革，特别是实践教学改革方面来阐述自己的观点。
一、目前单片机原理及接口技术课程教学所存在的问题
要想进行教学改革，首先要了解现在教学过程中所存在的问题。从笔者的观察来看，目前在单片机原理与接口技术课程教学中主要存在以下几个问题。
1.传统的教学模式忽略学生的感受。在现在大多数的高校和院校之中，所采取的教学方法还是传统的以教师为中心、着重理论知识的传授方式。在这样的情况下，学生很难参与到课程当中，学生缺乏参与感，就更加难以提起学习的兴趣，也无法在接下来的实践过程当中很好的完成教师所布置的训练。
2.实践内容单一。这是目前的单片机原理与接口技术课程实践教学中存在的非常严重的一个问题。大部分的实践教学都是一些常用的实践内容，比如说I/O口、LED等。并且从实践的内容来看，大部分的实践都是属于验证型，而对于综合型以及设计型的实践内容相对较少。对于学生来说，验证型的实践内容虽然能够锻炼他们的动手能力，但是却缺乏对学生思考问题和创造性的能力的锻炼。
3.实践教学内容与理论知识脱节。从目前的单片机原理与接口技术实践教学来看，大部分的实践内容都已经与现代的行业发展和行业需求脱节，实践内容远不及行业当下的发展形势和发展状况。这样一来，就无法达到通过实践教学让学生拥有丰富的实践经验，以适应在未来职业生涯中行业的发展，提高学生在职场中的竞争力的目的。
二、翻转课堂的作用
翻转课堂（Flipped Class）也叫做颠倒课堂（Inverted Classroom），是一种颠覆了传统教学模式的新型教学模式。翻转课堂主要是以微课程为主，将课程的内容分割、切碎为多个知识碎片，在每一个知识碎片中又存在着内部的联系，学生可以在课堂外的任何地方，利用网络来进行学习。这样的教学模式更加高效，也能够培养学生自主学习的能力以及思考问题、发现问题的习惯。而在单片机原理与接口技术的实践教学中，采取翻转课堂的教学模式主要有以下几点好处。
1.节约课时。采取翻转课堂的教学模式，最重要的优势就是可以节约单片机原理与接口技术课程的课时。单片机原理与接口技术课程是一门非常复杂的学科，本身就存在着课时较少的问题。而翻转课堂的教学模式，可以让学生在课外就能够对相关的理论知识进行学习，这样一来就节约了在课堂上理论知识的授课时间，并且利用多余出来的课时进行更多的实践活动。
2.培养学生自主学习的能力。在翻转课堂的教学模式中，学生前期的学习主要是在课外对微课程的学习。学生在学习的过程中要锻炼自己的自主学习以及发现问题、思考问题的能力，这样才能在课堂内跟上教师的教学节奏。如此一来，通过长期以往的锻炼，学生的自主学习能力自然而然会有提高，并且也会培养出勤思考以及解决问题的习惯。
三、基于翻转课堂的单片机原理及接口技术课程实践教学改革
1.开发网络平台，帮助学生理论知识学习。要想要让单片机原理及接口技术课程的实践教学能够有所改进，首先要注意的就是学生一定要具有深厚的理论知识，这样才能在实践过程中运用理论知识来解决遇到的问题。而在翻转课堂的教学模式当中，学生前期的理论知识主要是通过微课程的学习来获得，因此一定要注意微课程的设计和研发。开发网络平台，不仅能够让学生有更方便快捷的渠道进行学习，同时还能丰富学生的知识结构，巩固他们所学的理论知识。
2.进行个性化的微课程设计。在翻转课堂的教学模式当中，学生的自学都是要通过微课程来进行，因此，教师一定要注意针对学生实际学习情况的不同对微课程进行个性化设计。这样一来，处于不同学习进度的学生就能根据自己的实际情况来挑选微课程进行学习，并且对其知识的薄弱点进行强化，让他们更好的掌握所学的知识，真正的做到因材施教。
3.教师可设计更多的实践内容。通过翻转课堂的教学模式，可以节约课时，教师在课堂上可以省去大把的理论知识讲解时间，并可以将节约出来的时间投入到更多的为学生解答并且引导学生实践过程的工作中去。而有了充裕的课时之后，教师就可以在原有的实践内容的基础上，设计一些与行业当下发展形势和发展现状紧密相连的实践内容。比如可以设计“温度计”、“抢答器”等综合型的实践内容，让学生不仅仅停留在验证型的实践内容当中，提高学生的创造和思考能力。并且，在课余教师还可以鼓励学生参加一些竞赛，让学生能够在实践过程中不断地寻找问题并解决问题，进一步的提高自己的能力，为未来的职场竞争打下良好的基础。
4.成立相关科技活动小组。通过翻转课堂的教学模式，学生自主学习和解决问题的能力得到大大的提升。为了保持良好的发展，教师可以成立与单片机原理及接口技术课程相关的科技活动小组，让学生在完成课堂内的实践活动后，在课外还有更多的机会接触到实践活动，并且教师可以针对学生的情况对其进行不同程度的指导，这样一来，不仅能够激发学生的学习热情，还能够通过针对性的指导提高学生的学习，培养他们的实践能力，让他们对该门课程更加热爱。
5.改变教师评价机制，激发教师的热情。教师需要明白的一件事情就是，翻转课堂的教学模式不仅是对学生的自主学习能力有着极高的要求，对教师的要求更高。翻转课堂的教学模式是以学生为主，但并不意味着就会减少教师在教学活动中的参与度。事实上，教师从讲解者演变为引导者，其重要性要远大于传统教学模式中教师所起的作用。因此，笔者认为，学校也需要调整对教师的评价机制，以此来督促并激发教师更好的实现其教学目的，并达到理想的教学效果。而要如何调整教师的评价机制呢？笔者认为可以从以下几个方面入手：（1）课程的设计；（2）微课程的讲解；（3）课外与学生的沟通；（4）学生分析、解决问题的能力。将这些作为KPI对教师进行考核，而资源较为丰富的院校还可以对达到KPI的教师进行奖励，以此来激发教师的教学热情。
四、结语
翻转课堂的教学模式作为一种创新型的教学模式，对教师的教学有着极大的帮助。在单片机原理及接口技术实践教学中，采用翻转课堂的教学模式能够很好的解决该门课程在实际的教学过程中所存在的问题。因此，笔者认为，采取翻转课堂的教学模式才能更加有利于该课程的教学和发展，以培养出更加适合行业发展的人才。
参考文献：
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关键词：汽车实验;数字量;数据处理;探讨
《汽车电子控制技术》需要实验进行支撑，它直接影响着课堂教学效果，对学生的动手能力起着重要的作用[1]。各个高校对开设汽车电子技术实验课的热情逐渐提高[1]，在不断加大投入的同时，积极参加制定实验指导书[2]。本文将以我校在这方面前期进行的研究，探讨数字量采集及数据处理实验，以期加深学生对汽车电子技术知识的认知，提高学生的汽车电子技术动手能力。
1.实验内容及设备
进行数字量测量的实验，学生通过独立设计、搭建基本的测控系统，编写数据测量、处理、显示的应用程序，提高自己的编程及实践能力。
实验设备：微机、稳压电源、单片机芯片、按键、LED、晶振、复位开关、电烙铁、焊锡丝、电阻、电容、面包板等。
2.实验步骤
2.1 理论学习
学习AT89S52 各引脚的功能，包括（1）VCC：电源。（2）GND：地。（3）P0 口：P0 口是一个8 位漏极开路的双向I/O 口。（4）P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。（5）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。（6）P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。
了解MCS-51 单片机工作原理，包括（1）复位原理，完成单片机的初始化工作。（2）RST：复位输入。（3）ALE/PROG。地址锁存控制信号。（4）PSEN：外部程序存储器选通信号。（5）EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。
2.2 搭建单片机最小系统
运用电烙铁，在面包板上焊接最小单片机系统，如图1所示。
图1最小单片机系统
2.3 调试实验程序
在KEIL软件中调试程序：
#include<reg51.h>
#include <intrins.h>
void delayms（unsigned char ms）
{unsigned char i; while（ms--）
{for（i = 0; i < 120; i++）;}}
main（）
{unsigned char LED; LED = 0xef; P1 = LED;
while（1）
{delayms（250）; LED = _cror_（LED，1）;//循环右移1位，点亮下一个LED
if（LED==0xfe）{LED=0xef;}P1 = LED;}}
思考题：编写LED流水灯的左移程序。
3.结论
本文基于最小单片机系统设计了汽车电子控制技术实验中的数字量采集及数据处理实验。通过实验的开展，提高了学生的实际编程能力，加强了汽车电子控制技术课程的实验教学，使学生掌握数字量测量的原理及方法。
[参考文献]
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关键词：单片机原理与应用 理实一体化教学模式 项目教学
一、实施以万能板为载体设计单片机硬件电路理实一体化项目教学
传统的理论教学和实践教学是在不同的时间和不同的地点由不同的教师分别进行的。由于教学目标和教学任务不同，教学组织形式分离，因此容易造成理论教学内容和实践教学内容脱节，降低学生学习兴趣，增加教学难度，直接影响到人才培养的质量。
单片机原理与应用是一门实践性很强的应用性课程，在电子产品开发设计中应用非常广泛，并需要硬件电路开发与软件程序设计同时进行。如果只进行理论教学而不进行实践教学，则教学效果不理想;如果只进行实践教学而不进行理论教学，教学效果也不明显，因此学好单片机技术必须是理论、实践“两条腿走路”，缺一不可。理论知识的学习可以通过听课、看书、看视频教程等方式进行，实践技能就必须亲自动手操作。
为了能更好地培养现代生产企业需求的单片机技术人才，根据笔者学院多年来对用人单位的跟踪反馈，以及多种教学模式的比较、实践，笔者主张在单片机原理与应用课程中实施理论与实践一体化教学模式，即把理论与实践结合起来，理论融入到实践中，学一个知识点、做一次产品、编一次程序、总结一次学习成果，真正做到“边学边做”。
在项目教学环节采用万能板设计与制作单片机产品，这种项目教学方法，不仅能锻炼学生的焊接技术，同时还能提高学生识读单片机硬件电路图的能力，更重要的是能让学生掌握单片机开发的基本步骤，提高软硬件的编程与设计能力，为日后开发设计电子产品打下坚实的基础。
二、实施单片机理实一体化教学的项目设计
为了实现统筹单片机原理与应用课程的知识目标和能力目标，笔者将整个课程重新整合为由易到难的具有连贯性的教学项目。每个教学项目包含了必需的理论知识和岗位能力需要的实践技能，以任务驱动教学，把理论知识和实践技能渗透到教学项目的每个环节中。按照这个教学思路，设计了三个教学项目，项目中包含了三个硬件电路和100个程序范例。
1.项目一：单片机最小系统硬件电路设计与制作
单片机最小系统，是指满足单片机的工作条件，可以正常工作的单片机系统。
该项目的学习目的是掌握单片机入门基础知识和单片机的引脚功能，掌握单片机延时程序的多种编写方法，掌握单片机开发的基本步骤和关键环节，掌握单片机简单程序编辑、编译、在线下载等基本步骤。掌握单片机开发软件Keil uVision4和ISP在线编程软件progisp的使用方法。
2.项目二：基于单片机控制的十六路LED霓虹灯设计与制作
霓虹灯广泛应用于商店广告牌、城市美化等场所，采用单片机控制的霓虹灯，显示花样随程序的改变而改变，样式千变万化，深受商家和居民的喜爱。
该项目的学习目的是掌握单片机P0、P1、P2、P3口作为输入输出口的使用方法，掌握单片机键盘的工作原理及使用方法，掌握单片机C语言源程序的结构特点、标志符与关键子、数据类型与运算符、C语言的语句、数组、指针、函数等用法。
3.项目三：基于单片机控制的红外二极管感应计数报警器
红外二极管感应计数报警器可以实现当用手经过红外发射管和红外接收管时，蜂鸣器发声、二位数码管数字加1的功能，其灵敏度非常高。该电路设计思路来源于企业商品自动计数器的应用实例，当有商品从传送带上经过感应器前，计数器加1，并发出提示声。该电路在现实生活中应用广泛，可以作为单片机设计人员的基本电路模块。
该项目的学习目的是掌握单片机的定时器、计数器、中断及接口技术，掌握LED数码管的工作原理和接口电路，能综合运用模拟电路、数字电路、传感器等基础知识设计与制作比较复杂的作品。
三、组织实施单片机理实一体化教学的关键点
1.前期准备是组织教学的起点
在教学准备阶段，推荐购买单片机制作常用工具和用万能板设计的单片机学习套件。
2.课堂管理是组织教学的难点
由于学生的学习动力、接受能力差异较大，教师要有针对性地将学习动力、接受能力较强的学生与学习动力、接受能力较弱的学生组成一个小组，同时指定一个小组长，协助教师进行课堂管理。
3.教师现场技术指导是组织教学的重点
当学生进行实践操作的时候，教师一定要巡视，及时解决学生遇到的困难，批评教育个别不遵守纪律的学生，要求其加强组织性和纪律性。
4.项目报告是组织教学的落脚点
引 言
随着信息技术、计算机网络技术的迅猛发展和广泛普及，越来越多的家庭通过Internet或Intranet来获得信息和资讯。作为现代化的智能化住宅小区，向社区内的广大住户提供宽带多媒体综合信息资讯服务，是智能化住宅的重要体现，也是信息社会发展的客观需要。建设部住宅产业办公室提出了我国住宅智能化的概念，即住宅小区智能化是利用4C(计算机、通信、网络、自控、IC卡)技术真正实现远程家庭的智能控制，通过有效的传输网络,将远程信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成,为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段,以期实现快捷高效的超值服务管理,提供安全舒适的家居环境。
1 系统简介
家庭智能控制系统的开发基于短信息技术、自动控制技术、计算机技术、数字通信技术及加密技术。系统利用相关的网络、计算机系统和控制器，以无线网络和有线网络为基本控制指令和数据信息传送方式，实现手机无线遥控和数据传送。通过专设的短信控制中心和服务中心，为家庭和小区管理提供全方位的数字化服务。家庭智能控制系统具有手机远程控制、自动报警、呼叫社区服务、物业管理等功能，还可以根据用户群的需要向生活连网服务、智能办公等方向无限扩展。
设备接入Internet/Intranet网，原则上讲，只要实现TCP/IP网络协议就可以。TCP/IP协议及其应用是一项复杂的系统工程。该协议的建立经过了缜密的设计过程，全套协议的实现是比较复杂的。在嵌入式系统中，实现该协议有一定的难度。在实际的应用中，如果要完全实现该协议，比较合理的方案是直接利用集成的TCP/lP协议的芯片，将系统中央控制单元和TCP/IP协议处理单元进行分离。
另一方面，实现其它几个方案中，可以对原有的TCP/IP进行精简，保留实际应用系统所需要的一些协议，使得核心芯片既能实现网络的数据传输，又可以完成监控任务。对原有的TCP/IP协议迸行精简，可以大大减轻系统实现的难度，并提高系统的效率和可靠性。
图1
2 系统工作原理
该系统的原理框图如图1所示。
家庭中的三表度数作为采集信号，通过采样保持电路处理以后，送入单片机进行处理。单片机把数据通过串口送入E5122网络协议处理器中进行打包处理，将数据打包成TCP/IP协议包，该数据包通过RTL8019AS以太网控制器发送到以太网上。采用CPLD芯片EPM7128S作为译码和驱动电路。在本应用场合，家庭用户终端对数据交换的速率要求不高，在1MB/s以下。所以可以采用一般的高速单片机，写入TCP/IP协议，这样既可以满足要求，价格又能让用户接受。
3 芯片介绍
(1)网络接口控制器RTL8019AS
RTL8019AS是Realtek公司高集成度的专用以太网接口芯片，支持EthernetII、IEEE802.3、10Base5、10Base2、10BaseT，支持UTP、AUI&BNC、PnP自动探测模式，并且内嵌16KB SRAM用于收发缓冲，降低了对主处理器的速度要求。支持8位、16位数据总线模式；支持跳线、无跳线模式；有全双工的通信接口，可以通过交换机在双绞线上同时发送和接收数据，使带宽从10M增加到20M，是用来进行以太网通信的理想芯片。
RTL8019AS有3种工作方式：
① 跳线方式，网卡的I/O和中断由跳线决定；
② 即插即用方式，由软件进行自动配置plug and play；
③ 免跳线方式，网卡的I/O和中断由外接的93C46里的内容决定。
网卡使用哪种方式由RTL8019AS的第65脚JP决定。65脚JP 为高电平时(接到VCC或通过一个10kΩ的电阻上拉)使用跳线方式；RTL8019AS引脚悬空时，输入状态为低电平(其它引脚也是这样，悬空的输入脚电平为低电平，里面有一个100kΩ的下拉电阻)。64脚AUI，该引脚决定使用AUI还是BNC接口。我们用的网卡接口一般是BNC的，很少用AUI。BNC接口方式支持8线双绞或同轴电缆。高电平时使用AUI接口，悬空为低电平，使用BNC接口。IOCS16B引脚用电阻下拉为低电平，选择8位数据总线模式，省去BROM模块，只需8根数据线SD0~SD7。基地址选择引脚IOS3、IOS2、IOS1、IOS0空接为低电平。因为芯片内部都接有下拉电阻，此时I/O基地址为300H，所以地址线SA8、SA9接高电平。又因为寄存器的地址偏移量为00H~1FH共32个，所以只用了地址线SA0~SA4，其余地址线接地即可。芯片的中断线由IRQS2、IRQS1、IRQS0决定，全部空接时中断线为INT0，8根中断线7根空接。SMEMRB和SMEMWB引脚决定网络接口类型时，10BaseT、10Base2或10Base5采用悬空方式时为低电平。即为自动选择方式。AUI引脚决定使用AUI还是BNC接口，悬空时为低电平。使用BNC接口，支持双绞线或同轴电缆，所使用的引脚有：TPIN+、TPIN－、TPOUT+、TPOUT－，接入网卡耦合隔离变压器中，利用RJ45插头实现与网络的连接。
(2)TCP/IP协议解析芯片E5122
E5122是上海精致科技公司研制的飞虹系列网络协议处理器。外部晶振22.1184MHz，工作电压5V。以硬件实现TCP/IP协议，提供API接口，极大地方便了使用，由外部集成 RAM。对用户端以I2C协议或RS-232接口方式进行通信，通信接口支持带I2C接口MPU，为不带I2C接口MPU提供I2C驱动程序。E5122与网络的接口为以太网接口，通过以太网控制芯片RTL8019连接到以太网。串行速率最大达115.2Kbps，达到真正实时传送。
E5122 是完成TCP/IP 协议的专用芯片，用以实现以太网和串口之间的协议转换。可以为串口设备提供完善的网络通信解决方案，只需外接MPU。本系统采用的MPU型号是：89C52单片机。单片机程序中，只需要简单调用API函数即可实现。E5122结构如图2所示。设备做为服务器端，即首次连接网络时，客户机端主动请求连接服务器端作为被动端监听，并接收连接的局域网内连网接收远端客户的主动查询访问，并将设备信息返回给客户；同样，还可以作为客户机主动和局域网内，或Internet上的主机进行通信。 E5122 芯片外部使用32KB RAM，用来作为以太网数据缓冲，使用256字节(最少为256字节)的串行EEPROM(I2C总线接口)存储系统参数。用户通过串口与E5122 连接实现通信。E5122 完成TCP/IP 协议和串口通信协议。支持普通串口和用户设备进行交互，通过外接RTL8019AS 以太网控制芯片来实现网络连接。
当系统初次运行时，E5122会对RTL8019AS进行初始化工作，并设置其工作模式以及中断源等。
当RTL8019AS 接收到数据时，会触发E5122 中断。此时E5122 通过A8~A13 和A15 来选择RTL8019AS的寄存器地址和存储器地址，控制和实现数据的读取。当有数据通过E5122 发送给RTL8019AS 时，通过地址线设置RTL8019AS 相应寄存器进行数据发送。
4 硬件电路设计
在具体使用中，由于单片机本身的限制，进行了一系列的简化设计。采用跳线工作方式，JP引脚接高电平； E5122与RTL8019AS接口用于传输网络数据。
当系统初次运行时，E5122 会对RTL8019AS 进行初始化工作，设置RTL8019AS 的工作模式以及设置中断源等。当RTL8019AS 接收到数据时，会触发E5122 中断，此时E5122 通过A8~A13 和A15 来选择RTL8019AS的寄存器地址和存储器地址，控制和实现数据的读取。
当有数据通过E5122 发送给RTL8019AS 时，通过地址线设置RTL8019AS 相应的寄存器进行数据发送。
接口电路图如图3所示。
5 应用中的几个技术问题
在系统的实际应用过程中，要注意以下几个问题。
(1)传输速度
在系统中，上位PC机与下位测控设备之间数据交换的速度，取决于以太网接口模块的传输速度。而以太网模块的传输速度取决于以太网接口芯片的速度、单片机的处理速度，以及和设备交换数据的方式。
在一般的测控系统中，要传送的仅仅是控制命令和测量数据，数据量不大。模块与测控设备之间采用RS-232、RS-485、CAN等串口方式连接，其通信速率仅几十kb/s或上百kb/s。这时以太网接口芯片的速度(10Mb/s)和微处理器的速度就远大于串口通信速度。因此传输速率主要就取决于串口的通信速率。
当要传送的数据速率要求很高时(如图像)，它与测控设备之间就不能再采用串口连接，而必须采用并口连接，这时传输速率就取决于微处理器的处理速度。此时，要选用一些高速的单片机，如P89C52RX系列或SX系列等单片机。
(2)IP地址
以太网测控系统中，测控设备通过该模块进入以太网，就必须确定自己的IP地址。IP地址的获得有两种方式：有动态获得IP地址和固定分配IP地址。由于E5122不支持RARP反向地址解析协议，因此无法获得动态IP地址，只能使用固定IP地址。
(3)安全控制
在小型封闭的局域网中进行测控，安全问题不大，但在广域网甚至因特网上进行测控，安全控制就至关紧要。为此，采用48~128位的用户密码来保护测控设备的安全。合法用户可以修改、设定自己的密码。网络非法用户即使窃取了IP地址，没有用户密码，也无法操作设备。
(4)实时性问题
测控系统在很多场合都要强调它的实时性，但以太网不是一个实时系统。由于它的载波侦听碰撞检测(CSMA/CD)通信方式，决定了以太网中IP包的传输会有延迟，甚至丢包，这是利用以太网组成分布式测控系统最大的缺点。但是，现在以太网的速度越来越快，百兆网甚至千兆网，或在一些小型封闭的局域网中，网络的繁忙程度大为减轻，IP包几乎没有碰撞，传输延迟、丢包现象就大大减小，不会影响测控系统的正常工作。同时，在系统的网络层之上，可增加应答协议，丢包的问题就可基本克服。
(5)连接方式
该模块有两个插座：一个是RJ-45插座，可用双绞线直接连接到以太网；另一个是25脚插座，内含RS-232或RS-485总线接口。
1引言
在测控系统中，通常采用计算机作为上位机，单片机为下位机的分布式结构[1]，完成数据采集、测量、控制和管理等任务。这些系统因其使用灵活、性价比较高、功能较强，而在许多领域得到广泛的应用。
随着数字控制技术的发展，由单片机构成的测控系统也日益复杂。在一些要求响应速度快、实时性强、控制量多的应用场合，单个单片机构成的系统往往难以胜任[2]。这时，由多个单片机结合工控机组成分布式测控系统成为一个比较好的解决方案。在这些分布式测控系统中，如何更好地解决通讯问题显得尤为重要。本文针对某型测地仪配套检测设备的通讯系统设计部分进行阐述，构建一个由AVR单片机和工控机组成的RS485现场总线测控系统。
2需求分析
某型测地仪是一种集惯性技术、卫星技术、光电技术为一体的综合性装备，具有快速数据综合、处理、传输能力，并能满足测地作业各种计算的需要。由于测地仪由七个部分单体组成，每个单体又独立系统，并且都有相对应的通信以及供电接口与外界相连，其系统连接关系如图1所示。
从图中可以看出，系统总体以控显器为中心，协调各测量单体工作，并给各测量单体分配了唯一地址。系统总体开始作业时，控显器会自动查找测量单体，以判断是何种配置状态，再进行相应控制作业。因此，测地仪的检测设备设计思路是既扮演控显器的角色向其他单体发送控制命令，使各单体工作，并采集数据，判断工作状况，又模拟各单体工作状态向控显器反馈信号。
3总体方案设计
针对测地仪各单体相对独立，其通讯接口均是RS485的特点，检测设备采用一个由工控机作为上位机，AVR单片机作为主控机，各单体上的单片机作为从机构成的RS485现场总线测控系统，整个测控系统的功能示意图如图2所示。
AVR单片机是检测设备RS485现场总线测控系统的核心部分，它不仅要给测地仪各单体提供相应的激励信号，采集反馈信号，判断工作状况，还接收工控机的控制命令，并将各单体数据上传给工控机。AVR单片机通过RS232接口与工控机进行通讯，同时，通过RS485接口与测地仪7个单体进行通讯。
4系统硬件设计
4.1系统硬件电路
随着现代测控技术的迅猛发展，以单片机为主的微机自动测控系统逐步取代了常规测量仪表。现有高性能、低功耗的8位AVR RISC单片机中，ATmega128是AVR系列中功能最强的单片机。该芯片还具有比较丰富的片上资源，其内部集成了128。用于本通讯系统设计时，既可以省去扩展程序存储器和A/D转换器，又可以满足系统串行通信要求。以AVR单片机为核心设计的系统硬件电路，其原理框图如图3所示。
4.2串口通信电路
串口通信有多种工业标准，设计中采用的是RS232接口和RS485接口电平规范。通过RS232来完成AVR单片机与工控机之间的通讯，实际上只需要RXD，TXD和GND三根线即可。其中RXD为输入引脚，用于接收数据，TXD为输出引脚，用于发送数据。由于RS232标准采用负逻辑方式，标准逻辑1对应-5V～-15V，标准逻辑0对应+5V～+15V。为了与RS232的电压相匹配，在单片机的I/O引脚和RS232连接器之间需要加电平转换芯片。图4为RS232接口原理图。
图5给出了RS485驱动电路原理，由于RS485的发送控制端仅在需要发送时打开，平时应关闭发送器，所以在由MAX485构成的半双工式差分平衡通信网络，多个接收器的使能控制信号485#C禁止的驱动器可以直接挂在传输线上而不会影响信号的正常传输。
5系统软件设计
5.1通信协议设计
在软件设计中，首先需要进行通信协议的设计。在单片机多机通信中，为了保证消息的正确发送和接收，主机和从机之间首先要规定通信的流程和具体的通信信息帧结构。主从机之间通信的流程即采用主从式结构[4]：数据通信总是由主机发起，若从机需要发送数据，则必须等到主机轮询本地从机时，才可提出请求。这种网络模式下从机不会“侦听”其他从机对主机的响应，这样就不会对其他从机产生错误的响应。
单片机的串口通讯均设置波特率9600，数据8位，停止位1位，无校验位，数据帧长可变。帧结构由帧头、数据包和校验三分组成，如图6所示。其中，帧头由6个字节内容组成，包括包头（第1字节）、发方地址（第2字节）、收方地址（第3字节）、命令字（第4字节）、数据长度字节（第5字节）以及帧头校验（第6字节）。包头固定为AA，表示命令帧头，可当同步码；地址字节包括发方地址和收发地址，以01-06代表各单体的地址，0A代表工控机，0B代表下位机地址；命令字30，31……3F代表工控机向AVR单片机发送命令字单片机转发给相应单体，完成测试，40，41……4F代表AVR单片机向工控机发送命令字，用于返回单体数据；数据长度N表示后面数据包数据长度，如果长度N为0时，该帧数据就只有帧头，即表示单纯的指令帧，帧数据长度为6个字节，如果不为0，则帧数据长度为N+6；第6个字节校验是对帧头前5个进行校验和计算并随数据帧一起发送，在接收端进行误码判断。
5.2校验算法
校验编码是差错检测技术的核心，常用的编码技术有两种：一是奇/偶校验编码，目前大多数带通信的芯片都具有该功能，可以在发送时进行配置校验编码方式；二是循环冗余校验编码（Cycle Redundancy Check， CRC）必须为1。CRC的处理方法是：发送方以k（X）去除t（X），得到余数作为CRC校验码。校验时，以计算的校正结果是否为0来判断数据帧是否出错。
CRC校验可以100%地检测出所有奇数个随机错误和长度≤n（n为g（x）的阶数）的突发错误。所以，CRC的生成多项式的阶数越高，误判的概率就越小。本文采用在数据的校验方法上采用CRC256校验，即将所有传送字符的ASCII 码累加后除以255得到校验码。
5.3软件设计流程
整个系统软件分为工控机端和单片机端两部分，单片机端软件包括数据采集和串口通信程序，数据采集部分可设计成一个函数，在主程序中调用即可，AVR单片机串口通信部分软件流程如图7所示。以发送/接收中断函数为例，其实现的功能是采用中断的方式保存或发送一帧的数据，可以实现双全工的数据传输。按照数据帧结构，中断函数需要对0xAA开头的数据进行处理，下面以接收中断函数为例，程序流程如图8所示：6结束语
本文基于AVR单片机设计一个RS485通讯系统以满足测地仪的数据采集和故障检测中的通信需求。在数据传输过程中，通信协议的制定和传输线状态的稳定直接影响数据传输的可靠性。本设计已在某型测地仪的检测上调试通过，结果表明数据传输可靠、移植性好，同时也大大降低研发成本。
参考文献
[1]任伟，王艳. 主从分布式网络监控系统的设计与实现[J]. 计算机测量与控制，2010，18（11）：2539-2541.
[2]刘海成. AVR单片机原理及测控工程应用——基于ATmega48/ATmega16[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[3]ATmega128[EB/OL]. atmel.com/literature.
关键词： 电子专业 单片机产品设计 教学改革
电子专业学生主要从事以下三类岗位工作：核心岗位（电子产品装配工、电子产品调试工）、从属岗位（电子产品检修员、电子技术员）、拓展岗位（电子技术工程师、产品生产管理员）。对于核心岗位的需求量最大，但相对比例会有所下降，对知识与能力的要求会有所提高；从属岗位和拓展岗位的人才需求量呈上升趋势，需求紧迫。单片机技术及应用系统设计这门课程的主要任务是培养学生成为在智能控制系统检测维修与设计方面的专门人才，直接反映从属岗位和拓展岗位的工作要求，具有鲜明的职业性与实践性。通过本课程的学习，培养学生典型的智能控制系统调试与设计的能力。
传统教学以教师讲授为主，学生只能被动接受。在实训课中传统教学方法已不能充分激发学生的学习兴趣，无法使学生更好地提高操作技能，使实训课逐渐变得枯燥无味。参照单片机产品设计工作过程和工作情境，进行课程教学改革。
1.课程改革思路
根据高职教育数控技术专业人才的培养目标，遵循以“就业为导向，能力为本位”的职教理念设计。本课程从职业成长过程，按照从易到难、由浅入深的认知规律，确定合适的载体，运用教学论、方法论方式分析处理后，参照企业中单片机产品系统设计工作过程和工作情境，进行选材。
2.学习情境创设
通过调研，针对智能控制系统检测维修与设计行动领域下的单片机技术及应用系统设计学习领域需要具备以下能力：
（1）专业能力
①读懂单片机电路图纸的能力；②掌握单片机工作原理及内部结构的能力；③具备相应的单片机硬件线路的调试能力；④具备能看懂单片机程序流程图的能力；⑤具有基本的单片机编程的能力；⑥具备单片机软硬件安装和联调的能力；⑦具备单片机产品开发的基本流程和工艺的能力。
（2）方法能力
①资料收集整理能力；②制订、实施工作计划的能力；③单片机应用系统综合应用设计能力；④单片机应用系统故障的检查分析能力；⑤理论知识的综合运用能力。
（3）社会能力
①语言表达能力、沟通协调能力；②团队组织能力；③班组管理能力、责任心与职业道德；④安全与自我保护能力。
为了实现上述能力，在此将课程划分为：循环彩灯的设计制作（22课时）、交通控制灯的设计制作（30课时）、数字电子钟的设计制作（40课时）、温度控制系统的设计制作（40课时）四个学习情境。其中，此四个学习情境的创设是根据单片机应用电子产品的设计由简到难的过程确定的。
3.学习情境教学实施
以子情境循环彩灯的设计制作为例，进行教学实施。
（1）教学背景
教学目标：能够读懂单片机I/O口控制电路原理图，能够掌握单片机I/O口的内部结构和工作原理，能够选用单片机I/O口作外部硬件电路的设计，能够编制简单的程序实现单片机I/O口对外部电路的控制，能够熟悉单片机系统硬件电路的组成及控制原理，能够掌握基本的单片机软硬件调试能力，能够正确使用测量相关的仪器仪表，具备劳动组织能力、具备团队协作能力、具备安全操作规范的意识。
学生应具备的知识：单片机的整体认识、基本电子电路图整体认识、I/O的整体认识、计算机使用能力、简单硬件电路调试能力、电子仪器设备检测及规范操作能力。
具体任务：使用相关电子仪器仪表对电路参量进行测量、掌握电路故障排除方法及处理思路、掌握应用环节、确定方案、制定实施步骤、开发工具的使用。
准备文件：任务书、引导文、指导作业文件、演示视频文件、单片机I/O口作外部控制电路相关文件、检查单、评价表。
本任务旨在在该学习领域培养学生团队合作能力、沟通能力、检修组织实施能力等；教师需合理引导学生完成小组讨论，确定单片机I/O口控制硬件电路的设计及软件编程的方案。
（2）教学组织形式
①针对循环彩灯的控制功能要求，学生设计相应的功能接口电路，编制出程序及完成产品的调试。
②学生独立工作和合作学习相结合，通过小组讨论、和教师谈话培养交流能力。
（3）具体实施
①资讯：（2学时）
下发任务书，描述项目学习目标，交代项目任务，发放相关学习资料，最后回答学生的提问。
②计划（4学时）
学生自愿组织工作小组，推选班组长，以小组为单位，确认工作任务，分解任务，制订工作计划，教师对学生方案进行检查、指导。
③决策（2学时）
确定掌握单片机I/O口基础知识需要的资源及学习步骤，确定控制电路的设计与编程的学习步骤，确定任务完成的展示方式。
④实施（10学时）
第一，单片机I/O口的控制电路设计。小组成员分工收集资料，掌握单片机I/O口的结构及工作原理，最后进行资料汇总，小组讨论、教师指导下确定方案，完成I/O电路设计。
第二，程序的编制。根据所设计的I/O接口电路及控制要求，在小组讨论、教师指导下确定方案，画出程序流程图，最后学生自己完成具体程序。
第三，软硬件的调试。烧入程序，对设计的系统进行软硬件调试，在调试过程中，记录好调试出现的问题，并归纳总结经验。
教师应合理安排时间，即使有个别小组在规定时间中没有完成任务也必须停止，并要求该小组对未完成任务的原因进行详细分析。教师应安排课余时间让未完成的小组完成项目的制作。如果大多数小组均未完成，教师应根据实际情况查找原因，是否项目设置过难、是否学生还没有掌握本次课的内容，在以后的课程中做出相应的调整。
⑤检查及实施（4学时）
根据设计产品的功能及具体过程，教师及小组互检评分。同时每人撰写产品说明书，根据个人在小组活动中的表现进行小组互评。
选小组代表按照任务书的要求，在全班介绍工作过程，改进提高并总结系统设计及调试经验，结合班级所有方案，优化小组方案。
4.结语
采用工作过程系统化的《单片机技术及应用系统设计》课程，大大提高了学生的学习兴趣和参与主动性、积极性，收到了良好的教学效果。通过对企业的用人调查，学生产品的调试与系统设计能力很强，不需再进行专业培训。今后还将对工作过程系统化的课程改革进行进一步完善，提高教学水平和教学质量，提高学生的工程实践能力。
参考文献：
[1]王斌.《电子设计自动化》课程工作过程系统化方案的开发[J].化工职业技术教育，2010（01）.
关键词：单片机技术；变电站保护；软件设计
中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 20-0000-02
1 引言
变电站综合自动化系统是适应变电站自动化技术的发展要求而推出的新一代微机保护，设备在出厂前必须经过详尽的调试检验。开发单板调试台系列可对即将出厂的装置中每一块板件进行完备的测试，保证了装置的可靠性，也提高了调试人员的整机调试效率。
电力保护装置[2]对于电力系统的安全稳定运行起到至关重要的作用，这就给电力保护装置自身的可靠性提出了更高的要求。在电力保护装置[3]生产过程中，针对保护产品的每一块板卡都要进行自动化的测试，以满足可靠性的要求。所以就必须开发一套有针对性的测试装备，满足高效率的测试要求。
2 板件设计概述
2.1 测试台功能及测试流程。微机保护装置具备模拟量采集、CPU处理单元、开入开出（I/O）板及背板组成，各个板件以插板方式以背板作为总线板，所有的插件都可以插入到背板上的哈丁（Harding）标准接口，组成保护装置。
本文依据开入开出板的技术特点，利用单片机技术，设计一款自动化的单板测试台，可自动对开入开出板进行测试，并通过将测试结果通过串口通讯，记录在计算机里。
为了测试台的最大使用原则，测试台设定了多路的输入输出回路。开始测试时需要先根据被测板的类型进行接线，并将被测板插装到测试的标准哈丁接口上。后台计算机根据被测板的类型，设定测试的开入开出路的数量，对应的端口等，然后下发测试配置及启动命令，此时，测试板即根据配置进行自动测试，测试完成后，测试板将数据通过串口发送给计算机测试程序。计算机后台对数据进行分析后，得出测试结论。
2.2 测试台设计。一般情况下，开入开出板的作为电力设备现场断路器的控制及信号状态采集的功能，对于可靠性要求很高，所以针对开入开出板的测试，需要有严格的测试。以下为针对开入开出板设计的调试台框图。
大调试台作为接线装置，可以将不同板件，按照配置来接线，以适应各类不同板件的测试要求。辅助机箱内部可以安装对应板件的测试板，及本文接下来要介绍的主要内容。后台程序安装在计算机中，通过串口和测试板连接。
2.3 计算机软件设计。计算机测试软件可根据板件的类型对测试板发送相对应的命令，测试板对被测的开入开出板进行测试，并将结果通过串口发送给计算机。
由计算机测试程序对测试结果进行判断，并形成测试报告保存在计算机中。
3 板件设计
该测试台具备测试电力保护装置开入开出板的功能要求。满足开入状态监测、开出接口控制的功能。并能通过串行接口和计算机连接，将测试数据发送出去。
3.1 开入回路设计。开入回路，内外部用光耦隔离。
图3 开入回路电路
其中D12和R38作限流用，D13作为防止反向接入信号，保护光耦器件。Z1可针对不同的外部开入信号，选择不同的器件，确保在某一个值以上开入回路导通。
根据继电保护装置的开入回路的要求，在该测试板中配置16路开入回路。
3.2 开出回路设计。开出回路使用继电器。
图4 开出回路电路
继电器控制端用光耦隔离。其中D16为继电器线圈保护二极管，防止线圈信号反向。XJ1可控制两个开出节点。
根据继电保护装置的开入回路的要求，在该测试板中配置16路开出回路。
3.3 通讯接口设计。采用RS232接口与计算机通讯[4]。RS232标准是美国电子工业联合会制定的一种串行通讯接口标准。适合于数据传输率在0-20000bps范围内的通讯，光放应用于计算机与终端或外设之间的近距离连接。常用的转换芯片是MAX232。
MAX232功能就是将控制器的TTL电平转换为RS232的通讯电平（5V-15V），使用十分方便。
3.4 单片机选择。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
开入开出回路的接口可以直接和单片机的IO口连接，单片机通过改变IO口的输入、输出属性，可对开入量进行信号状态量采集，对开出量进行输出控制。
AT98S51的UART接口和串行通讯接口连接，将UART的TTL通讯方式，转换成RS232的通讯方式。
4 单片机软件设计
该单片机有内部的ROM和RAM，不用外扩存储器，使用Keil V3软件对测试板程序进行编程与调试。该测试板的程序流程如下图所示：
在上图中，测试板上电初始化以后，等待串口通讯发送的命令。初始化程序将单片机的IO口初始化为对应的输入、输出属性。并初始化好串行通讯口，设定波特率、奇偶位、校验位等。
计算机测试软件根据所测试的板件类型设定测试配置，然后通过串口下发给测试板，并启动测试。测试板在测试完成以后将测试结果发送给计算机。
5 结论
在本设计中，采用AT89S51单片机作为测试板的主控CPU，具备易于编程。通过单片机的IO口进行开入开出回路的测试，串行通讯接口满足与计算机的连接。计算机通过串口发送命令，针对性的进行开入开出板件测试，并将测试结果在计算机中显示出来。
该测试板的设计，满足了电力保护装置开入开出板的测试要求，自动化的测试方法给批量化生产提供了有效的手段。
参考文献：
[1]姜大源，王胜元.单片机技术[M].北京：高教出版社，2005，6，1.
[2]陈德树.计算机继电保护原理与技术[M].北京：中国水利水电出版社，2006，4.
