實(shí)物設(shè)計(jì)為依托的單片機(jī)課程體系改革

趙 鵬 錢(qián) 美 李帥波

(新疆理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,阿克蘇 843000)

單片機(jī)課程的實(shí)物設(shè)計(jì)是對(duì)“電路分析”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“傳感器原理”“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”“電子線(xiàn)路CAD”等課程的綜合應(yīng)用。實(shí)物設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于PCB制作,可采用萬(wàn)用板、手工PCB或工業(yè)板,如采用萬(wàn)用板焊接就存在抗干擾能力差、抗機(jī)械沖擊能力弱等問(wèn)題;而采用工業(yè)板需要將設(shè)計(jì)圖紙交付到工廠(chǎng)按先后排序、生產(chǎn)及郵寄,如需加急則費(fèi)用更高,也存在過(guò)分依賴(lài)PCB生產(chǎn)商,保密性差等問(wèn)題。對(duì)于設(shè)計(jì)初期的電路還要調(diào)試、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案再加工,嚴(yán)重影響了開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性,導(dǎo)致地方院校實(shí)物設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證主要以仿真為主,這已成為電氣電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生能力提升的瓶頸。鑒于此,根據(jù)設(shè)計(jì)要求利用熱轉(zhuǎn)印或感光制版技術(shù)制作手工PCB,在設(shè)計(jì)要求時(shí)效性較高或成本較為低廉的場(chǎng)合,如課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽、電路設(shè)計(jì)調(diào)試初期等,采用該方案最快半個(gè)小時(shí)即可完成。該方案也能加深學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)中不同電路層的理解,幫助他們對(duì)布局、布線(xiàn)、線(xiàn)寬及孔徑尺寸從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。通過(guò)實(shí)施電路的設(shè)計(jì)、制作、焊接、軟硬件調(diào)試等環(huán)節(jié),使學(xué)生具備電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)“電路設(shè)計(jì)與調(diào)試”這一專(zhuān)業(yè)核心能力,確保地方院校實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

1 PCB制作

PCB工業(yè)板的設(shè)計(jì)與制作在我國(guó)已經(jīng)非常成熟,有的企業(yè)還推出了EDA在線(xiàn)軟件,其包含常規(guī)器件的原理圖和PCB封裝庫(kù),支持在線(xiàn)下單。手工PCB是提取PCB圖中的關(guān)鍵層,制成與工業(yè)板功能等同,只是省去了阻焊層、絲印層等外形美觀(guān)、防護(hù)措施更到位的層。手工PCB制作的方法主要有熱轉(zhuǎn)印技術(shù)和感光法,PCB制作流程如圖1所示。

圖1 熱轉(zhuǎn)印及感光法PCB制作工藝流程

熱轉(zhuǎn)印法和感光法實(shí)質(zhì)都是將PCB圖1∶1呈現(xiàn)在銅基板上,然后通過(guò)蝕刻環(huán)節(jié)保留銅線(xiàn)和焊盤(pán),通過(guò)鉆孔、焊接環(huán)節(jié)制成成品。由于其省去了多個(gè)工序,保留核心部分,大大提升了時(shí)效性,在高校課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛。

熱轉(zhuǎn)印技術(shù)設(shè)備要求簡(jiǎn)單,但熱轉(zhuǎn)印過(guò)程中油墨容易斷線(xiàn)、移位,適合于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、布線(xiàn)較寬的如傳統(tǒng)電源類(lèi)產(chǎn)品的單面PCB制作中[1];感光法采用光致成像圖形轉(zhuǎn)移原理,雖然需要制作或采購(gòu)感光板、曝光機(jī),但其精密度高,適合于布線(xiàn)較為復(fù)雜的控制電路、高頻電路的設(shè)計(jì)[2],還可以利用過(guò)孔鉚釘或過(guò)孔金屬化技術(shù)制成雙面板。利用感光制版法制成的手工PCB如圖2所示,其控制器采用LQFP44封裝的IAP15W4K58S4單片機(jī),設(shè)計(jì)精度非常高。

2 單片機(jī)的選型及課程體系改革

2.1 單片機(jī)的選型

單片機(jī)主要有8位、16位及32位,其中8位單片機(jī)以51系列為代表,雖然處理速度較慢,但是卻具有寄存器少,操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn);16位單片機(jī)有MSP430系列,由于近年來(lái)廠(chǎng)家常用它贊助學(xué)科競(jìng)賽,在高校中也有應(yīng)用;32位單片機(jī)以STM32為主流產(chǎn)品,學(xué)生普遍使用的主要采用Cortex-M3內(nèi)核,通過(guò)鎖相環(huán)倍頻輸出,頻率最大可達(dá)72MHz。16位和32位單片機(jī)雖然性能優(yōu)良、接口資源豐富,但其寄存器較多,對(duì)于以獲取理論知識(shí)為主的普通地方院校的初學(xué)者要通過(guò)操作寄存器實(shí)現(xiàn)特定功能有一定的難度,學(xué)生在一知半解的情況下很難鞏固所學(xué)知識(shí),這也影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。STM32系列雖然有較為成熟的HAL庫(kù)供初學(xué)者使用,初學(xué)者也能快速入門(mén),但由于過(guò)分依賴(lài)庫(kù)函數(shù)導(dǎo)致無(wú)法深入了解單片機(jī),對(duì)于程序設(shè)計(jì)中的冗余項(xiàng)無(wú)法排除,不能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)的高效運(yùn)行。近些年因“新冠”疫情及國(guó)際形勢(shì)的影響,16和32位單片機(jī)的生產(chǎn)商主要以國(guó)外為主,導(dǎo)致貨源和價(jià)格極其不穩(wěn)定。對(duì)于大多數(shù)生源質(zhì)量一般的地方院校,可以考慮將其作為單片機(jī)課程后續(xù)的選修課供感興趣的學(xué)生選學(xué)[3-4]。

國(guó)產(chǎn)單片機(jī)在高校的應(yīng)用中以增強(qiáng)型51系列單片機(jī)居多,主要采用8位的1T系列單片機(jī)如STC15、STC8系列等,一個(gè)時(shí)鐘周期就是一個(gè)單指令周期,是傳統(tǒng)的12T單片機(jī)的12倍。其內(nèi)含時(shí)鐘和上電復(fù)位電路,時(shí)鐘頻率可通過(guò)軟件最高設(shè)置為24 MHz,內(nèi)部集成了ADC、SPI總線(xiàn)接口、多個(gè)串口、輸入捕獲、輸出比較及PWM輸出等較為豐富硬件資源,非常適合初學(xué)者,本課程選擇STC15系列單片機(jī)IAP15W4K58S4,工作電壓范圍為2.5～5.5 V,用戶(hù)可將程序存儲(chǔ)器FLASH當(dāng)作EEPROM使用,其良好的控制性能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器的控制。

2.2 單片機(jī)課程體系改革

地方院校培養(yǎng)方案的定制一般緊緊圍繞工程教育專(zhuān)業(yè)資格認(rèn)證,專(zhuān)業(yè)核心能力的體現(xiàn)以實(shí)物設(shè)計(jì)為依托,能更加凸顯電氣電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)“溝通、團(tuán)隊(duì)合作、社會(huì)責(zé)任感、工程倫理”等方面的內(nèi)容。為后續(xù)學(xué)生能力培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)國(guó)際實(shí)質(zhì)等效、進(jìn)入全球工程教育的行列打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。以單片機(jī)理論實(shí)踐一體化教學(xué)為支撐,其與“電裝實(shí)訓(xùn)”“電子線(xiàn)路CAD”“PCB制作”等課程相互融合,使學(xué)生從焊接、調(diào)試、應(yīng)用、自主設(shè)計(jì)、驗(yàn)證到答辯,具備電子設(shè)計(jì)方向的能力要素[5-6]。其流程如圖3所示。

3 單片機(jī)理論實(shí)踐一體化教學(xué)

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式,對(duì)于教室要求配備獨(dú)立的電腦和相關(guān)軟件,結(jié)合學(xué)生焊接的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)按要求設(shè)計(jì)符合特定功能的實(shí)踐項(xiàng)目,區(qū)別于傳統(tǒng)的職業(yè)教育教學(xué)模式,增加了討論環(huán)節(jié),通過(guò)嚴(yán)格的課堂考核制度,調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性,使理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。實(shí)踐內(nèi)容力求趣味性,以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7]。具體授課模式如圖4所示。

圖4 理論實(shí)踐一體化授課模式

任課教師根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求,設(shè)計(jì)出具有專(zhuān)業(yè)特色的開(kāi)發(fā)板,該開(kāi)發(fā)板采用較為先進(jìn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)IAP15系列,包含了單片機(jī)課程及實(shí)驗(yàn)的所有典型應(yīng)用并配套有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。每個(gè)項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想,便于程序的移植、升級(jí)與維護(hù)[8]。教師設(shè)計(jì)、學(xué)生焊接調(diào)試后并應(yīng)用于后期單片機(jī)課程學(xué)習(xí)的開(kāi)發(fā)板如圖5所示。

課程最終的考核項(xiàng)目的選題以全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的題目類(lèi)別為切入點(diǎn)進(jìn)行分解,設(shè)計(jì)指標(biāo)和難度要求較低。具體分為儀器儀表類(lèi)、運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)和電源類(lèi)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。因其為A類(lèi)賽事,命題有一定的前瞻性,能拓寬學(xué)生的知識(shí)面,提升學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力,也能凝聚學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神,增強(qiáng)學(xué)生的集體榮譽(yù)感。教師參與指導(dǎo)與答辯能提高指導(dǎo)教師水平,為后續(xù)實(shí)踐教學(xué)改革中提升綜合型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的比例提供借鑒,也能為畢業(yè)設(shè)計(jì)命題的把握提供更加開(kāi)闊的選題方向[9]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求利用熱轉(zhuǎn)印技術(shù)或感光法制作手工PCB并應(yīng)用于單片機(jī)課程考核的實(shí)踐環(huán)節(jié),任課教師匯總了Altium Designer常用集成封裝庫(kù),對(duì)于有特殊尺寸的封裝采用游標(biāo)卡尺測(cè)量后自行繪制封裝并共享給學(xué)生,設(shè)計(jì)效率和制板成功率明顯提高,每位學(xué)生承擔(dān)一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目,儀器儀表類(lèi)和運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)單片機(jī)課程考核作品如圖6和圖7所示。

圖6 儀器儀表類(lèi)設(shè)計(jì)作品

圖7 運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)設(shè)計(jì)作品

4 庫(kù)函數(shù)的建立及常見(jiàn)問(wèn)題分析

4.1 單片機(jī)C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)的建立

高級(jí)語(yǔ)言的最大特點(diǎn)是其移植性較強(qiáng),學(xué)生學(xué)習(xí)初期采用寄存器實(shí)現(xiàn)特定功能,隨著學(xué)習(xí)的深入任課教師可以引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建具有特定功能的庫(kù)函數(shù),庫(kù)函數(shù)將特定功能的寄存器封裝在一起,庫(kù)函數(shù)的建立可以使學(xué)生加深對(duì)單片機(jī)操作的理解,也能使學(xué)生快速過(guò)渡到提供庫(kù)函數(shù)的32位單片機(jī)STM32的學(xué)習(xí)中。其包含“.h”文件和“.c”文件,其中“.h”主要實(shí)現(xiàn)位定義、全局變量的聲明、函數(shù)的聲明;“.c”文件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)“.h”文件中聲明函數(shù)的定義。為了避免頭文件內(nèi)容重復(fù)引用定義,頭文件中使用“#ifndef……#define……#endif”宏定義。常用的庫(kù)函數(shù)包含人機(jī)接口類(lèi),如:4×4矩陣鍵盤(pán)“Key.h”和“Key.c”、OLED顯示函數(shù)“OLED.h”和“OLED.c”;特定功能類(lèi)函數(shù),如“UART.h”和“UART.c”、“ADC.h”和“ADC.c”、“PWM.h”和“PWM.c”等。庫(kù)函數(shù)的積累可以大大提升設(shè)計(jì)的便捷性[10]。

4.2 程序移植過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題分析

無(wú)I2C總線(xiàn)的單片機(jī)與I2C器件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互時(shí),可采用單片機(jī)I/O模擬I2C操作;當(dāng)將STM32提供的外圍模塊如高精度ADC、手勢(shì)識(shí)別等的庫(kù)函數(shù)移植到STC15單片機(jī)時(shí),移植不成功的主要原因是時(shí)序不匹配,可以嚴(yán)格按照操作時(shí)序圖加以解決;因STC15單片機(jī)可以通過(guò)STC-ISP軟件設(shè)置其工作頻率,當(dāng)頻率變化時(shí)其定時(shí)時(shí)間、串口通信的波特率都會(huì)發(fā)生變化,對(duì)于外圍器件的操作還會(huì)造成時(shí)序混亂,可以根據(jù)不同的時(shí)鐘頻率定義專(zhuān)門(mén)的延時(shí)函數(shù),并應(yīng)用于外圍電路的時(shí)序操作中,實(shí)現(xiàn)程序的兼容設(shè)計(jì);串行接口的使用要占用單片機(jī)定時(shí)器的資源,當(dāng)使用多個(gè)串口時(shí)如藍(lán)牙、串行超聲波或GPS/BDS模塊同時(shí)使用時(shí),因單片機(jī)只支持二級(jí)嵌套,程序執(zhí)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)因不同的串口中斷導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的情況,可以采用分時(shí)復(fù)用的方案加以解決。

5 結(jié)語(yǔ)

以單片機(jī)為控制器設(shè)計(jì)特定功能的系統(tǒng),包含軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì),其實(shí)物的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的內(nèi)容,為使學(xué)生實(shí)物設(shè)計(jì)順利實(shí)施,可以采用提高設(shè)計(jì)實(shí)物的趣味性、規(guī)范PCB庫(kù)、構(gòu)建與共享特定功能C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)的形式,調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性。地方院校電氣電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中,多課程與手工PCB制板技術(shù)有機(jī)融合,以實(shí)物設(shè)計(jì)為驗(yàn)證依據(jù),以單片機(jī)課程考核為載體,能充分體現(xiàn)電子設(shè)計(jì)方向的能力要素,達(dá)到高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。