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摘要:针对智能仪器课程的特点,提出了实施多媒体辅助课堂教学配合绿色实验与实际实验相结合的实验教学的思路和原则。根据授课内容的不同,设计了多媒体动画教学手段导引,利用Proteus软件辅助电路设计,Keil C51软件辅助软件设计。在多媒体教室课堂演示智能仪器框架中每个环节的设计原理和实验方法,并现场运行仿真设计的结果,给学生一个直观的认识,再配合实验室自己动手的硬件实验,激发了学生积极探索的学习热情,提高了教学效果。
关键词:智能仪器;Proteus;MCU;绿色实验
作者简介:许鸣珠(1967-),女,河北石家庄人,石家庄铁道大学机械工程学院,副教授,工学博士,主要研究方向:测控专业教学科研;张国辉(1982-),男,河北无极人,石家庄铁道大学机械工程学院硕士研究生,主要研究方向:测控技术。(河北 石家庄 050043)
基金项目:本文系“河北省研究生教育发展创新的探索与实践”项目的研究成果。
“智能仪器”课程是电子信息类专业的一门重要专业课,是理论与实践、原理与应用结合得非常紧密的课程。学生在学习这门课程时,普遍感到课程涉及的专业基础理论繁多,如“数字电路”、“模拟电路”、“单片机原理”、“计算机接口技术”等多门课程,学好本课程需要学生能够熟练掌握上述内容,拥有较强的动手能力。但现行的智能仪器课本大都以理论为主,如果想提高学生的设计能力和动手能力,只有通过大量的实验来加强练习。然而,硬件设计练习除了需要大量的元器件和耗材的支持外,还需要花费大量的时间来焊接电路。从课堂授课的角度来看,耗费的时间太长,课时明显不够用。如果不做实验,单纯讲理论,对学生的专业基础要求比较高,大部分学生对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握,使学生在学习这门课程时产生畏难情绪,影响了本课程的教学效果。造成仪器仪表专业的大多数毕业生对于智能仪器的實际设计方法没有概念,对于软件的编程、硬件的选型、系统结构的组成等实施过程依然停留在理论水平上,没有自己动手的经验,很多学生连软件编程都没有独立完成过,对一个很简单的智能仪器项目,都感到无从下手,严重影响了毕业后的工作。
为了改变这种现状,在实际教学中我们把教学工作分成了理论教学和实验教学两类。与传统的教学和实验分开不同,我们利用先进的仿真软件把理论教学和实验教学在课堂上并列进行,相互辅助。本方法设计方便、需要时间少,适合在课堂教学中使用。经过两个学期的教学实践证明,本文提出的综合方法对教学的促进效果明显,学生上课的热情高,课堂互动成为一件轻松的事情,期末考核成绩明显提高。另外,本方法不需要大量元器件和耗材,减少了电子垃圾,绿色环保,可以称为绿色实验。尤其适用于注重实践教学的职业技术教育。
一、理论教学
多媒体教学以文本、图形、动画、视频和音频等形式来表现教学内容,从多方位刺激感官,在学生的头脑中留下比较深刻的印象。[1]讲授“智能仪器”课程需要展示大量的电路原理图,用黑板很不方便,我们采用多媒体动画展示智能仪器的原理框架、组成部分的特点,如传感器的选型、放大电路的设计、单片机、A/D和D/A的选择标准等,从理论的高度讲解智能仪器的主体内容,尽量使画面生动有趣。但是,使用多媒体教学也存在着一些缺陷,由于多媒体讲课进行速度较快,学生同时听讲和看幻灯片,注意力容易分散,会感觉跟不上讲课思路或对于幻灯片内容印象不深。[2]为了解决这个问题,在教学实践过程中,我们重点考虑了仿真实验和多媒体的配合,利用多媒体动画连续展示讲解内容,利用单片机系统电路仿真软件Proteus和Keil C51软件编程工具,在课堂上给学生演示智能仪器各个环节电路的设计方法,配合Keil软件来给自己设计的电路系统进行编程控制,实现软硬件联合调试,让学生直接看到设计结果,提高了学生的学习兴趣,实际效果比单独使用多媒体讲解要好得多。
二、实验教学
在现有“智能仪器原理与设计”课程的流行教材基础上,利用Proteus软件针对每一章的具体内容,设计了相关辅助教学实验。在课堂上用多媒体动画讲解智能仪器相关理论,同时利用Proteus软件辅助演示该部分的硬件选型、组成结构等,课堂演示元器件的选型,并设计相关硬件电路,使用Keil C51现场演示软件编程,同时实现软硬联调,用直观的实验加深学生对基础知识的理解,用实用的例子吸引学生对本课程产生浓厚的兴趣。
1.Proteus电路仿真
英国Labcenter公司研制的专门针对单片机系统设计的仿真软件Proteus,是一种功能强大的电子设计自动化软件,能够提供智能原理图设计系统、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。运用它可以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验等,其最大特色在于提供嵌入式系统(单片机应用系统、ARM应用系统)的仿真实验,它支持单片机和周边设备,可以仿真51系列、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的MCU,并提供周边设备的仿真。在编译方面,它也支持Keil和MPLAB等多种编译器。[3-4]
随着软件版本的不断升级,Proteus所能完成的功能越来越强大。在国外有很多大学的电力电子类相关课程已经开始应用Proteus进行辅助教学,取得了很好的效果。采用Proteus软件可以在没有单片机硬件的条件下,以个人计算机为平台,用虚拟技术实现单片机软硬件仿真调试。将虚拟仿真方法应用在“智能仪器原理与设计”教学中,可以做到讲授与演示相结合,让学生直观地看到仪器仪表的设计方法和过程,提高教学质量。
例如,图1就是利用Proteus软件设计的实验电路,该图内容相对比较丰富,能够实现的功能较多。在实际讲课时,电路可以分步设计,随着课程由易到难逐步丰富其内容。
例如,仪表设计中最常用的信号灯和蜂鸣器,在设计时,从元件库中逐个选择合适的元器件,包括发光二极管LED、限流排阻、喇叭、三极管、电源等连接设计成图2所示电路,演示流水灯、喇叭等功能。
讲解数码管和键盘检测原理时,从元件库中选择7段数码管、独立按钮、电阻、外加电源等设计图3所示电路,可以演示7段码的工作原理以及共阳极和共阴极工作方式中电路设计的不同。利用16个按钮设计4×4键盘,可以演示非编码键盘的工作方式,如直接按键法、行扫描方法、线翻转方法等。
讲解多数码管控制原理时,在前面设计的基础上,增加8个数码管,每个数码管需要8位控制,而单片机只有4个口,无法满足要求,所以选择了2个锁存器74HC573,分别负责控制数码管的显示位数和每个数码管显示的数字,设计成图4所示电路,可以演示多位数码管的联合控制,实现不同的显示目的。
讲解液晶显示、模数和数模转换原理时,在前面实验的基础上,添加液晶显示器LM016L、DAC0832和AD0804,以及相关器件,设计图5所示电路。可以给学生演示液晶显示器的工作方法,数模和模数转换器的工作方法等,更重要的是通过课堂给学生讲解一种实际的工作方法,当遇到陌生的芯片时,如何通过阅读芯片说明书来了解该芯片的硬件接线方法,并根据说明书给出的时序图为单片机编程来启动该芯片工作,实现既定的设计目标。
2.Keil C51软件编程
Keil C51 uVision3软件支持众多不同公司的芯片,集编辑、编译和程序仿真等于一体,同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计。它的界面友好易学,在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能,可与Proteus仿真软件联机调试单片机系统,能够直观展示设计结果,目前有很多51应用的工程师都在使用该软件。[5]
在智能仪器的教学中,针对以上设计的5张电路图,配套设计控制软件。测控专业的本科生在学习单片机原理时,大都学过汇编语言编程,在本课程教学中改用C51编程,由浅到深引导学生逐步学会使用C语言。充分利用C语言的高效性和可移植性等优势,提高编程效率,也为将来的工作积累更多的知识。[6-7]针对“智能仪器”课程中的基本数据处理算法和软件抗干扰算法等,可以在课堂上演示如何通过编程来实现,把纯理论的知识变成可以自己动手实现的内容。图6是Keil C51 uVision3软件的编程界面。首先,建立一个新工程,再建立一个后缀名为c的C语言程序。用C51编程结束后,需要进行编译和链接,无错误报告时产生后缀名为HEX的文件,为联调做准备。
3.软硬件联合调试
在以上基础上,将后缀名为HEX的单片机可执行文件下载到单片机里,实现软硬件联合调试,得到如图7所示结果。图中用LCD和发光二极管展示了模数和数模转换结果的变化,AD0804模数转换模块的输入电压值随着可调电阻的滑动而改变,影响到输出结果从0到255随之产生变化。同时,利用8个发光二极管的亮灭来展示模数转换中8数字量输出的变化,利用模数转换结果再进行数模转换来驱动一个发光二极管发光,结果直观。
每次在课上讲完工作原理,立刻带领学生设计电路仿真,在设计过程中对前面学过的专业知识进行回忆和总结,对陌生的内容进行有效拓展,帮助学生把专业知识活学活用,提高了学生的动手能力和学习兴趣。在每一章结束后,给学生布置相应的设计任务,每个学生独立完成原理图设计和软件编程。在计算机房安排实验学时,给学生提供自己动手、独立操作的机会,及时发现自己设计中的问题,尝试独立解决问题,获得强烈的成就感,激发学生的学习热情。通过联合使用上述仿真软件进行设计和调试,可以使学生获得实际工作经验,节约了焊接电路的时间,还减少电子垃圾的产生,方便、高效,绿色环保。
4.实际电路实验
在课程结束时,安排少量课时的实际电路实验,学生可以将仿真成功的电路移植到实际电路板上,通过自己测量筛选相关的元器件、自己动手焊接、自己调试硬件和软件,进一步体会智能仪器设计的精髓,积累更多的实践经验。
三、結束语
本文所采用的多媒体动画辅助、Proteus电路仿真设计、Keil软件编程和实际动手操作等多手段方法,目的是激发学生的学习兴趣,变被动学习为主动探索。把理论和实践相结合,有利于培养学生获取新知识、应用新知识的能力,推动学生灵活深入地掌握“智能仪器”课程的基本原理和软硬件的设计方法。经过两学期的教学实践,获得了很好的教学效果,为毕业生今后的实际工作打下了良好的基础。
参考文献:
[1]李旭东.多媒体教学和传统教学在高等数学课上的融合[J].高等教育研究,2008,25(2):53-54.
[2]任治刚.“数字信号处理”多媒体教学方法初探[J].电气电子教学学报,2006,28(6):102-104.
[3]朱清慧.Proteus教程[M].北京:清华大学出版社,2008.
[4]张靖武.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.
[5]秦志强.C51单片机应用与C语言程序设计[M].北京:电子工业出版社,2007.
[6]谭浩强.C语言程序设计教程[M].北京:高等教育出版社,2006.
[7]冯育长.单片机系统设计与实例分析[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:智能仪器;Proteus;MCU;绿色实验
作者简介:许鸣珠(1967-),女,河北石家庄人,石家庄铁道大学机械工程学院,副教授,工学博士,主要研究方向:测控专业教学科研;张国辉(1982-),男,河北无极人,石家庄铁道大学机械工程学院硕士研究生,主要研究方向:测控技术。(河北 石家庄 050043)
基金项目:本文系“河北省研究生教育发展创新的探索与实践”项目的研究成果。
“智能仪器”课程是电子信息类专业的一门重要专业课,是理论与实践、原理与应用结合得非常紧密的课程。学生在学习这门课程时,普遍感到课程涉及的专业基础理论繁多,如“数字电路”、“模拟电路”、“单片机原理”、“计算机接口技术”等多门课程,学好本课程需要学生能够熟练掌握上述内容,拥有较强的动手能力。但现行的智能仪器课本大都以理论为主,如果想提高学生的设计能力和动手能力,只有通过大量的实验来加强练习。然而,硬件设计练习除了需要大量的元器件和耗材的支持外,还需要花费大量的时间来焊接电路。从课堂授课的角度来看,耗费的时间太长,课时明显不够用。如果不做实验,单纯讲理论,对学生的专业基础要求比较高,大部分学生对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握,使学生在学习这门课程时产生畏难情绪,影响了本课程的教学效果。造成仪器仪表专业的大多数毕业生对于智能仪器的實际设计方法没有概念,对于软件的编程、硬件的选型、系统结构的组成等实施过程依然停留在理论水平上,没有自己动手的经验,很多学生连软件编程都没有独立完成过,对一个很简单的智能仪器项目,都感到无从下手,严重影响了毕业后的工作。
为了改变这种现状,在实际教学中我们把教学工作分成了理论教学和实验教学两类。与传统的教学和实验分开不同,我们利用先进的仿真软件把理论教学和实验教学在课堂上并列进行,相互辅助。本方法设计方便、需要时间少,适合在课堂教学中使用。经过两个学期的教学实践证明,本文提出的综合方法对教学的促进效果明显,学生上课的热情高,课堂互动成为一件轻松的事情,期末考核成绩明显提高。另外,本方法不需要大量元器件和耗材,减少了电子垃圾,绿色环保,可以称为绿色实验。尤其适用于注重实践教学的职业技术教育。
一、理论教学
多媒体教学以文本、图形、动画、视频和音频等形式来表现教学内容,从多方位刺激感官,在学生的头脑中留下比较深刻的印象。[1]讲授“智能仪器”课程需要展示大量的电路原理图,用黑板很不方便,我们采用多媒体动画展示智能仪器的原理框架、组成部分的特点,如传感器的选型、放大电路的设计、单片机、A/D和D/A的选择标准等,从理论的高度讲解智能仪器的主体内容,尽量使画面生动有趣。但是,使用多媒体教学也存在着一些缺陷,由于多媒体讲课进行速度较快,学生同时听讲和看幻灯片,注意力容易分散,会感觉跟不上讲课思路或对于幻灯片内容印象不深。[2]为了解决这个问题,在教学实践过程中,我们重点考虑了仿真实验和多媒体的配合,利用多媒体动画连续展示讲解内容,利用单片机系统电路仿真软件Proteus和Keil C51软件编程工具,在课堂上给学生演示智能仪器各个环节电路的设计方法,配合Keil软件来给自己设计的电路系统进行编程控制,实现软硬件联合调试,让学生直接看到设计结果,提高了学生的学习兴趣,实际效果比单独使用多媒体讲解要好得多。
二、实验教学
在现有“智能仪器原理与设计”课程的流行教材基础上,利用Proteus软件针对每一章的具体内容,设计了相关辅助教学实验。在课堂上用多媒体动画讲解智能仪器相关理论,同时利用Proteus软件辅助演示该部分的硬件选型、组成结构等,课堂演示元器件的选型,并设计相关硬件电路,使用Keil C51现场演示软件编程,同时实现软硬联调,用直观的实验加深学生对基础知识的理解,用实用的例子吸引学生对本课程产生浓厚的兴趣。
1.Proteus电路仿真
英国Labcenter公司研制的专门针对单片机系统设计的仿真软件Proteus,是一种功能强大的电子设计自动化软件,能够提供智能原理图设计系统、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。运用它可以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验等,其最大特色在于提供嵌入式系统(单片机应用系统、ARM应用系统)的仿真实验,它支持单片机和周边设备,可以仿真51系列、AVR、PIC、Motorola的68系列等常用的MCU,并提供周边设备的仿真。在编译方面,它也支持Keil和MPLAB等多种编译器。[3-4]
随着软件版本的不断升级,Proteus所能完成的功能越来越强大。在国外有很多大学的电力电子类相关课程已经开始应用Proteus进行辅助教学,取得了很好的效果。采用Proteus软件可以在没有单片机硬件的条件下,以个人计算机为平台,用虚拟技术实现单片机软硬件仿真调试。将虚拟仿真方法应用在“智能仪器原理与设计”教学中,可以做到讲授与演示相结合,让学生直观地看到仪器仪表的设计方法和过程,提高教学质量。
例如,图1就是利用Proteus软件设计的实验电路,该图内容相对比较丰富,能够实现的功能较多。在实际讲课时,电路可以分步设计,随着课程由易到难逐步丰富其内容。
例如,仪表设计中最常用的信号灯和蜂鸣器,在设计时,从元件库中逐个选择合适的元器件,包括发光二极管LED、限流排阻、喇叭、三极管、电源等连接设计成图2所示电路,演示流水灯、喇叭等功能。
讲解数码管和键盘检测原理时,从元件库中选择7段数码管、独立按钮、电阻、外加电源等设计图3所示电路,可以演示7段码的工作原理以及共阳极和共阴极工作方式中电路设计的不同。利用16个按钮设计4×4键盘,可以演示非编码键盘的工作方式,如直接按键法、行扫描方法、线翻转方法等。
讲解多数码管控制原理时,在前面设计的基础上,增加8个数码管,每个数码管需要8位控制,而单片机只有4个口,无法满足要求,所以选择了2个锁存器74HC573,分别负责控制数码管的显示位数和每个数码管显示的数字,设计成图4所示电路,可以演示多位数码管的联合控制,实现不同的显示目的。
讲解液晶显示、模数和数模转换原理时,在前面实验的基础上,添加液晶显示器LM016L、DAC0832和AD0804,以及相关器件,设计图5所示电路。可以给学生演示液晶显示器的工作方法,数模和模数转换器的工作方法等,更重要的是通过课堂给学生讲解一种实际的工作方法,当遇到陌生的芯片时,如何通过阅读芯片说明书来了解该芯片的硬件接线方法,并根据说明书给出的时序图为单片机编程来启动该芯片工作,实现既定的设计目标。
2.Keil C51软件编程
Keil C51 uVision3软件支持众多不同公司的芯片,集编辑、编译和程序仿真等于一体,同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计。它的界面友好易学,在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能,可与Proteus仿真软件联机调试单片机系统,能够直观展示设计结果,目前有很多51应用的工程师都在使用该软件。[5]
在智能仪器的教学中,针对以上设计的5张电路图,配套设计控制软件。测控专业的本科生在学习单片机原理时,大都学过汇编语言编程,在本课程教学中改用C51编程,由浅到深引导学生逐步学会使用C语言。充分利用C语言的高效性和可移植性等优势,提高编程效率,也为将来的工作积累更多的知识。[6-7]针对“智能仪器”课程中的基本数据处理算法和软件抗干扰算法等,可以在课堂上演示如何通过编程来实现,把纯理论的知识变成可以自己动手实现的内容。图6是Keil C51 uVision3软件的编程界面。首先,建立一个新工程,再建立一个后缀名为c的C语言程序。用C51编程结束后,需要进行编译和链接,无错误报告时产生后缀名为HEX的文件,为联调做准备。
3.软硬件联合调试
在以上基础上,将后缀名为HEX的单片机可执行文件下载到单片机里,实现软硬件联合调试,得到如图7所示结果。图中用LCD和发光二极管展示了模数和数模转换结果的变化,AD0804模数转换模块的输入电压值随着可调电阻的滑动而改变,影响到输出结果从0到255随之产生变化。同时,利用8个发光二极管的亮灭来展示模数转换中8数字量输出的变化,利用模数转换结果再进行数模转换来驱动一个发光二极管发光,结果直观。
每次在课上讲完工作原理,立刻带领学生设计电路仿真,在设计过程中对前面学过的专业知识进行回忆和总结,对陌生的内容进行有效拓展,帮助学生把专业知识活学活用,提高了学生的动手能力和学习兴趣。在每一章结束后,给学生布置相应的设计任务,每个学生独立完成原理图设计和软件编程。在计算机房安排实验学时,给学生提供自己动手、独立操作的机会,及时发现自己设计中的问题,尝试独立解决问题,获得强烈的成就感,激发学生的学习热情。通过联合使用上述仿真软件进行设计和调试,可以使学生获得实际工作经验,节约了焊接电路的时间,还减少电子垃圾的产生,方便、高效,绿色环保。
4.实际电路实验
在课程结束时,安排少量课时的实际电路实验,学生可以将仿真成功的电路移植到实际电路板上,通过自己测量筛选相关的元器件、自己动手焊接、自己调试硬件和软件,进一步体会智能仪器设计的精髓,积累更多的实践经验。
三、結束语
本文所采用的多媒体动画辅助、Proteus电路仿真设计、Keil软件编程和实际动手操作等多手段方法,目的是激发学生的学习兴趣,变被动学习为主动探索。把理论和实践相结合,有利于培养学生获取新知识、应用新知识的能力,推动学生灵活深入地掌握“智能仪器”课程的基本原理和软硬件的设计方法。经过两学期的教学实践,获得了很好的教学效果,为毕业生今后的实际工作打下了良好的基础。
参考文献:
[1]李旭东.多媒体教学和传统教学在高等数学课上的融合[J].高等教育研究,2008,25(2):53-54.
[2]任治刚.“数字信号处理”多媒体教学方法初探[J].电气电子教学学报,2006,28(6):102-104.
[3]朱清慧.Proteus教程[M].北京:清华大学出版社,2008.
[4]张靖武.单片机系统的PROTEUS设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.
[5]秦志强.C51单片机应用与C语言程序设计[M].北京:电子工业出版社,2007.
[6]谭浩强.C语言程序设计教程[M].北京:高等教育出版社,2006.
[7]冯育长.单片机系统设计与实例分析[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.
(责任编辑:麻剑飞)