单片机课程应用型教学改革与实践

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摘要：为了提高学生嵌入式系统的应用设计能力，对“单片机嵌入式系统的软硬件设计”课程的硬件教学、软件教学和考核方式进行了探讨，提出了相应的教学实践改革措施，对单片机课程的应用型教学方法进行了有效探索。

关键词：单片机；嵌入式系统；应用型教学

作者简介：王斌（1974-），男，江苏淮安人，重庆大学自动化学院，副教授。（重庆 400044）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）13-0071-02

目前研究生的培养分为学术型和专业型研究生，学术型以培养教学和科研人才为主，专业型主要培养企业紧缺的应用型人才。在研究生教学体系里很多课程任然沿袭了以往的教学大纲，不能适应专业型研究生的培养需求。单片机嵌入式系统是一门应用性很强的学科，其教学目标就是使学生熟悉单片机系统的开发流程，提高系统的软硬件设计能力。[1]而传统嵌入式系统的课程主要侧重于讲述嵌入式硬件的工作原理、嵌入式操作系统的原理等，没有从工程应用的角度研究嵌入式系统软硬件的设计。在工程应用中，8位和16位单片机占据了绝大多数的份额，这些系统无需设计复杂的嵌入式操作系统，主要关注系统的软硬件匹配、高可靠性等指标。为了适应企业对应用型人才的需求，提高专业型研究生的实践能力和创新能力，在“单片机嵌入式系统的软硬件设计”课程中从实际工程应用出发，针对单片机系统软硬件的应用设计、匹配设计、可靠性设计等展开教学，对单片机课程的应用型教学方法进行了有效探索。

一、硬件教学改革

硬件体系是嵌入式系统的构建基础，是系统工程方案和控制软件实现的根基。[2]嵌入式系统的硬件设计涵盖了模拟电路、数字电路、微电子技术、传感器测量技术等多个学科的内容，是对学生所学专业知识的综合训练。传统的嵌入式系统课程在硬件教学方面一般只讲述微处理器、存储器、总线接口等器件的原理和分类，没有从应用的角度分析这些器件在电路中的设计要求和规范，学生也感觉枯燥乏味。为此，在课程教学中着重分析这些器件在电路中的具体应用，强调嵌入式系统的硬件体系设计，包括控制单元、存储单元、接口单元、信号采集单元、信号输出单元电路等。[3]在各个单元电路的学习中，主要分析核心器件的性能指标参数和器件的匹配设计等。对于控制单元电路，通过Atmel、Freescale等公司的8位或16位产品路线图讲述单片机芯片的概念和分类，使学生理解由于时钟频率、内嵌资源、封装尺寸等技术指标的区别而产生不同系列或型号的单片机；分析单片机芯片和电路的匹配设计，如时钟电路、供电电路、复位电路等的电路设计。对于供电单元电路，比较分析线性电源、开关电源、电荷泵等不同供电方式的优缺点，描述不同供电拓扑结构的应用场合和电路设计等。对于接口单元电路，重点讲述不同接口电路在设置缓冲逻辑、协调信号差异等方面的具体应用，如通用I/O口驱动键盘、LED灯和模拟数据地址总线的应用，SPI接口构建分布式系统的电路设计，红外通信接口的低成本应用设计等。对于信号采集单元，分析电压、电流、温度等不同信号的传感器测量电路，研究信号的隔离放大和滤波的实现电路等。通过硬件体系不同单元电路的具体设计描述，学生能够理解这些电路的工作原理和应用设计要求，锻炼自身的系统硬件设计能力，根据所给的设计参数搭建合适的嵌入式硬件系统。

针对嵌入式系统硬件的教学还引入了系统的可靠性设计概念，重点讲述系统抗电磁干扰的可靠性设计。电磁干扰是现代电子工业面临的一个主要问题，很多国家对电子设备和仪器有严格的电磁兼容性标准。为了满足电磁兼容的标准，电路设计者必须从板级设计开始就关注电子干扰的抑制，在器件选择、电路设计和版图设计阶段考虑如何降低干扰源的级别、缩短干扰的耦合路径、减少电磁辐射等。可靠性设计是硬件设计需要考虑的一个关键因素，在工程应用中占有重要的地位。[4]通过可靠性设计的学习，学生对系统硬件的应用设计将有更深入的认识，从而将硬件设计和工程实践需求结合起来。

二、软件教学改革

软件是嵌入式系统的灵魂，是系统控制算法的实现途径。以往的嵌入式系统软件教学主要介绍嵌入式操作系统，讲述操作系统的内存管理、进程与中断管理、调度机制等概念。[5]而在实际应用中，大多数单片机系统没有嵌入复杂的操作系统，通过嵌入式程序就能够完成实时控制的需要。因此，在软件教学中针对嵌入式程序的编程主要介绍嵌入式C语言的应用开发。嵌入式C语言和标准C语言不同，必须适合嵌入式系统的特殊应用环境，如有限RAM、有限ROM、有限堆栈空间、多种指针类型、严格的时序等。由于教学课时有限，没有介绍标准C语言的语法，而是重点讲述嵌入式C语言相对标准C语言的扩展语法，从变量定位、中断程序定义、混合编程等方面学习嵌入式C语言的编程语法。如关于变量定位学习映像寄存器定位、变量定义修饰符、全局和局部变量、位定义访问等语法；关于中断程序定义学习预处理定义、关键字定义、中断向量号定义等语法；关于混合编程学习内嵌编程、变量的混合调用、函数参数传递协议等语法。通过以上内容的学习，学生可以理解标准C语言不适合单片机嵌入式系统开发的原因，掌握嵌入式C语言的扩展语法，了解嵌入式C语言对系统硬件资源的编程需求，结合嵌入式系统的特殊要求编写控制程序代码。

由于嵌入式系统的硬件资源非常有限，一个高效简洁的C语言程序代码至关重要，不但可以节约占用的嵌入式系统的硬件资源，而且减少了程序代码运行的机器周期，提高了嵌入式系统控制的实时性。为了加深学生对嵌入式C语言编程环境的理解，基于CodeWarrior集成开发环境引入高效C语言编程实验案例。CodeWarrior开发环境集成了处理器专家库、全芯片仿真、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编和调试器等，能够完成从源代码编辑、编译到调试的全部过程。通过编程实验案例学生学习了嵌入式C语言的扩展语法，如中断定义、数据段定义、变量定义等；C语言程序的多种优化方法，如编译器优化、循环代码优化、数组指针优化、乘除运算优化、存储模式优化、参数传递优化等。由此，学生可以掌握高效嵌入式C语言程序的编程方法，提高自身的嵌入式软件设计水平。

三、考核方式改革

目前工程实践中的嵌入式系统的规模越来越大，硬件和软件的设计日趋复杂，需要团队的力量才能完成整个系统的设计。为了锻炼学生的软硬件设计和团队合作能力，在课程的考核方式上要求学生2人一组，完成一个嵌入式系统的项目设计。由于学生平时都在导师的实验室里做项目，所以课程考核的主要目的不是锻炼学生的动手能力，而是希望学生熟悉单片机嵌入式系统的软硬件开发流程，掌握软硬件的常规设计规范，锻炼相互合作的能力。要求2个学生分别独立完成系统设计的硬件部分和软件部分，项目报告必须包括系统功能分析、器件选型、原理图设计、控制算法描述、软件流程图、C语言编程等内容。学生考核时还需要做口头陈述，重点描述项目的功能需求、设计方案、软硬件的设计途径等。允许学生在硬件和软件上采用非常规的设计手段，但必须提出自己的设计思路。通过考核，学生掌握了嵌入式系统硬件架构和软件架构的设计理念，提高了学生独立解决工程问题和创新设计的能力。

四、结论

单片机嵌入式系统设计是一门应用性很强的学科，在教学中有效结合工程实践应用对于学生掌握嵌入式系统软硬件的设计知识非常重要。为了提高研究生的实践和创新能力，从实际工程应用出发，针对“单片机嵌入式系统的软硬件设计”课程的硬件教学、软件教学和考核方式进行了探讨，提出了教学实践改革的具体措施，对单片机课程的应用型教学方法进行了有效的探索。教学改革的目标是充分调动学生学习的主动性和积极性，提高学生分析和解决实际工程问题的水平，培养学生嵌入式系统的应用设计和创新设计能力。

参考文献：

[1]谢光前.卓越工程师背景下的单片机课程教学改革与探索[J].电脑知识与技术，2012，（11）：2563-2564.

[2]孙士明，刘新平，郑秋梅，等.计算机专业嵌入式系统实践教学体系探索[J].实验室研究与探索，2009，28（5）：122-125.

[3]怯肇乾.嵌入式系统硬件体系设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[4]周长林，常青美，左秀彦，等.电子设备可靠性预测与设计[J].继电器，2005，33（14）：92-95.

[5]李平勇，游磊，苏长明.嵌入式系统教学体系建设研究[J].教育与教学研究，2011，25（5）：95-98.