實物設計為依托的單片機課程體系改革

趙 鵬 錢 美 李帥波

(新疆理工學院 機電工程學院,阿克蘇 843000)

單片機課程的實物設計是對“電路分析”“模擬電子技術”“數字電子技術”“傳感器原理”“C語言程序設計”“電子線路CAD”等課程的綜合應用。實物設計的關鍵在于PCB制作,可采用萬用板、手工PCB或工業板,如采用萬用板焊接就存在抗干擾能力差、抗機械沖擊能力弱等問題;而采用工業板需要將設計圖紙交付到工廠按先后排序、生產及郵寄,如需加急則費用更高,也存在過分依賴PCB生產商,保密性差等問題。對于設計初期的電路還要調試、優化設計方案再加工,嚴重影響了開發的經濟性和時效性,導致地方院校實物設計結果的驗證主要以仿真為主,這已成為電氣電子類專業學生能力提升的瓶頸。鑒于此,根據設計要求利用熱轉印或感光制版技術制作手工PCB,在設計要求時效性較高或成本較為低廉的場合,如課程設計、學科競賽、電路設計調試初期等,采用該方案最快半個小時即可完成。該方案也能加深學生對電路設計中不同電路層的理解,幫助他們對布局、布線、線寬及孔徑尺寸從感性認識上升到理性認識。通過實施電路的設計、制作、焊接、軟硬件調試等環節,使學生具備電子類專業“電路設計與調試”這一專業核心能力,確保地方院校實現應用型、技術技能型人才培養目標。

1 PCB制作

PCB工業板的設計與制作在我國已經非常成熟,有的企業還推出了EDA在線軟件,其包含常規器件的原理圖和PCB封裝庫,支持在線下單。手工PCB是提取PCB圖中的關鍵層,制成與工業板功能等同,只是省去了阻焊層、絲印層等外形美觀、防護措施更到位的層。手工PCB制作的方法主要有熱轉印技術和感光法,PCB制作流程如圖1所示。

圖1 熱轉印及感光法PCB制作工藝流程

熱轉印法和感光法實質都是將PCB圖1∶1呈現在銅基板上,然后通過蝕刻環節保留銅線和焊盤,通過鉆孔、焊接環節制成成品。由于其省去了多個工序,保留核心部分,大大提升了時效性,在高校課程設計、學科競賽、畢業設計中應用非常廣泛。

熱轉印技術設備要求簡單,但熱轉印過程中油墨容易斷線、移位,適合于設計簡單、布線較寬的如傳統電源類產品的單面PCB制作中[1];感光法采用光致成像圖形轉移原理,雖然需要制作或采購感光板、曝光機,但其精密度高,適合于布線較為復雜的控制電路、高頻電路的設計[2],還可以利用過孔鉚釘或過孔金屬化技術制成雙面板。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,設計精度非常高。

2 單片機的選型及課程體系改革

2.1 單片機的選型

單片機主要有8位、16位及32位,其中8位單片機以51系列為代表,雖然處理速度較慢,但是卻具有寄存器少,操作簡便等優點;16位單片機有MSP430系列,由于近年來廠家常用它贊助學科競賽,在高校中也有應用;32位單片機以STM32為主流產品,學生普遍使用的主要采用Cortex-M3內核,通過鎖相環倍頻輸出,頻率最大可達72MHz。16位和32位單片機雖然性能優良、接口資源豐富,但其寄存器較多,對于以獲取理論知識為主的普通地方院校的初學者要通過操作寄存器實現特定功能有一定的難度,學生在一知半解的情況下很難鞏固所學知識,這也影響了學生學習的積極性。STM32系列雖然有較為成熟的HAL庫供初學者使用,初學者也能快速入門,但由于過分依賴庫函數導致無法深入了解單片機,對于程序設計中的冗余項無法排除,不能實現單片機控制系統的高效運行。近些年因“新冠”疫情及國際形勢的影響,16和32位單片機的生產商主要以國外為主,導致貨源和價格極其不穩定。對于大多數生源質量一般的地方院校,可以考慮將其作為單片機課程后續的選修課供感興趣的學生選學[3-4]。

國產單片機在高校的應用中以增強型51系列單片機居多,主要采用8位的1T系列單片機如STC15、STC8系列等,一個時鐘周期就是一個單指令周期,是傳統的12T單片機的12倍。其內含時鐘和上電復位電路,時鐘頻率可通過軟件最高設置為24 MHz,內部集成了ADC、SPI總線接口、多個串口、輸入捕獲、輸出比較及PWM輸出等較為豐富硬件資源,非常適合初學者,本課程選擇STC15系列單片機IAP15W4K58S4,工作電壓范圍為2.5～5.5 V,用戶可將程序存儲器FLASH當作EEPROM使用,其良好的控制性能可以實現對四軸飛行器的控制。

2.2 單片機課程體系改革

地方院校培養方案的定制一般緊緊圍繞工程教育專業資格認證,專業核心能力的體現以實物設計為依托,能更加凸顯電氣電子類專業“溝通、團隊合作、社會責任感、工程倫理”等方面的內容。為后續學生能力培養實現國際實質等效、進入全球工程教育的行列打下堅實的基礎。以單片機理論實踐一體化教學為支撐,其與“電裝實訓”“電子線路CAD”“PCB制作”等課程相互融合,使學生從焊接、調試、應用、自主設計、驗證到答辯,具備電子設計方向的能力要素[5-6]。其流程如圖3所示。

3 單片機理論實踐一體化教學

“單片機原理及應用”課程采用理論與實踐相結合的教學模式,對于教室要求配備獨立的電腦和相關軟件,結合學生焊接的開發系統按要求設計符合特定功能的實踐項目,區別于傳統的職業教育教學模式,增加了討論環節,通過嚴格的課堂考核制度,調動學生的主動性,使理論與實踐有機結合。實踐內容力求趣味性,以提高學生的學習興趣[7]。具體授課模式如圖4所示。

圖4 理論實踐一體化授課模式

任課教師根據應用型人才培養的需求,設計出具有專業特色的開發板,該開發板采用較為先進的增強型51單片機IAP15系列,包含了單片機課程及實驗的所有典型應用并配套有相應的實驗指導書。每個項目的軟件設計采用模塊化程序設計思想,便于程序的移植、升級與維護[8]。教師設計、學生焊接調試后并應用于后期單片機課程學習的開發板如圖5所示。

課程最終的考核項目的選題以全國大學生電子設計競賽的題目類別為切入點進行分解,設計指標和難度要求較低。具體分為儀器儀表類、運動控制類和電源類設計項目。因其為A類賽事,命題有一定的前瞻性,能拓寬學生的知識面,提升學生綜合應用所學知識的能力,也能凝聚學生的團隊協作精神,增強學生的集體榮譽感。教師參與指導與答辯能提高指導教師水平,為后續實踐教學改革中提升綜合型、創新型實驗的比例提供借鑒,也能為畢業設計命題的把握提供更加開闊的選題方向[9]。根據設計要求利用熱轉印技術或感光法制作手工PCB并應用于單片機課程考核的實踐環節,任課教師匯總了Altium Designer常用集成封裝庫,對于有特殊尺寸的封裝采用游標卡尺測量后自行繪制封裝并共享給學生,設計效率和制板成功率明顯提高,每位學生承擔一個設計項目,儀器儀表類和運動控制類單片機課程考核作品如圖6和圖7所示。

圖6 儀器儀表類設計作品

圖7 運動控制類設計作品

4 庫函數的建立及常見問題分析

4.1 單片機C語言庫函數的建立

高級語言的最大特點是其移植性較強,學生學習初期采用寄存器實現特定功能,隨著學習的深入任課教師可以引導學生構建具有特定功能的庫函數,庫函數將特定功能的寄存器封裝在一起,庫函數的建立可以使學生加深對單片機操作的理解,也能使學生快速過渡到提供庫函數的32位單片機STM32的學習中。其包含“.h”文件和“.c”文件,其中“.h”主要實現位定義、全局變量的聲明、函數的聲明;“.c”文件主要實現對“.h”文件中聲明函數的定義。為了避免頭文件內容重復引用定義,頭文件中使用“#ifndef……#define……#endif”宏定義。常用的庫函數包含人機接口類,如:4×4矩陣鍵盤“Key.h”和“Key.c”、OLED顯示函數“OLED.h”和“OLED.c”;特定功能類函數,如“UART.h”和“UART.c”、“ADC.h”和“ADC.c”、“PWM.h”和“PWM.c”等。庫函數的積累可以大大提升設計的便捷性[10]。

4.2 程序移植過程中常見問題分析

無I2C總線的單片機與I2C器件實現數據交互時,可采用單片機I/O模擬I2C操作;當將STM32提供的外圍模塊如高精度ADC、手勢識別等的庫函數移植到STC15單片機時,移植不成功的主要原因是時序不匹配,可以嚴格按照操作時序圖加以解決;因STC15單片機可以通過STC-ISP軟件設置其工作頻率,當頻率變化時其定時時間、串口通信的波特率都會發生變化,對于外圍器件的操作還會造成時序混亂,可以根據不同的時鐘頻率定義專門的延時函數,并應用于外圍電路的時序操作中,實現程序的兼容設計;串行接口的使用要占用單片機定時器的資源,當使用多個串口時如藍牙、串行超聲波或GPS/BDS模塊同時使用時,因單片機只支持二級嵌套,程序執行過程中會出現因不同的串口中斷導致數據傳輸錯誤的情況,可以采用分時復用的方案加以解決。

5 結語

以單片機為控制器設計特定功能的系統,包含軟件設計和硬件設計,其實物的設計是一項綜合性的內容,為使學生實物設計順利實施,可以采用提高設計實物的趣味性、規范PCB庫、構建與共享特定功能C語言庫函數的形式,調動學生的主觀能動性。地方院校電氣電子類專業人才培養中,多課程與手工PCB制板技術有機融合,以實物設計為驗證依據,以單片機課程考核為載體,能充分體現電子設計方向的能力要素,達到高素質應用型人才的培養目標。