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总第301期
单片机课程是高等院校电气、自动化、计算机、机电控制等专业的重要基础课程。由于该课程是一门理论性、逻辑性和实践性很强的课程，为了得到更好的教学效果，我国各高校都针 对该课程开展了课程优化和教学改革，并取得了一定的成绩。
[1-3]单片机课程实验环节是该课程教学的重要环节，通过课程实验不仅可以让学生把在课堂上学到的理论知识应用于实践，而且可以提高学生对各类电路的认知能力、设计能力以及动手能力。针对不同专业学生的教学实验要求，有些高校开发研制了适合本校要求的单片机课程实验系统。[4-6] 本文针对河海大学机
械工程及自动化专业的教学要求，研制了一种可满足单片机课
程实验要求的单片机课程实验系统。
一、课程设置基本情况
河海大学机械工程及自动化专业的单片机课程教学以MCS-51系列单片机为授课内容，分为“微机原理及应用”和“接口技术”两门课程。“微机原理及应用”课程的总学时数为48学时，其中课堂教学40学时，实验教学8学时。课程的主要内容包含单片机基础知识、MCS-51系列单片机系统结构及电路、MCS-51系列单片机指令系统和程序设计方法、MCS-51系列单片机的功能模块及其应用。“接口技术”课程的总学时数为32学时，其中课堂教学26学时，实验教学6学时。课程的主要内容包含：MCS-51系列单片机并行扩展原理、MCS-51系列单片机存储器的扩展、MCS-51系列单片机并行接口的扩展、键盘显示接口、A/D和D/A的基本原理和扩展方法、串行通信技术。所要研制的实验系统需能满足上述两门课程的实验教学要求。 二、实验系统构成
如图1所示，本实验系统由电脑、仿真器、示波器、实验板等主要部件构成。系统中电脑用于安装仿真实验软件。示波器主要用于观察D/A实验输出的电压波形。仿真器采用南京万利SE 系列仿真器，该仿真器采用Client/Server结构，无跳线、无按键、无开关，所有硬件配置和运行控制全由MedWin软件调试器设置，可以完全仿真常见MCS-51系列单片机。配套的MedWin软件集编辑、编译/汇编、在线模拟调试于一体，VC风格的用户界面，完全支持Franklin/Keil C扩展OMF格式文件，支持所有变量类型及表达式。
实验板是本单片机课程实验系统最关键的部分，其设计时充分考虑了课程教学内容、学生动手能力培养、学生认知能力训练等方面的需求。本文所说实验板完全自主研制。
三、实验板研制
图2是实验板功能模块实际分布的示意框图。如图2所示，该单片机仿真实验板具备以下几个功能模块：
1.核心模块
核心模块由插入仿真头的插座、74LS373、6264（RAM ），以及引出引线的插孔构成。核心模块用于模拟MCS-51系列的单片机，构成用于实验的并行口、地址总线、数据总线、控制总线，并且提供了8K的外部数据存贮器以做实验。
单片机课程实验系统研制探析
丁 坤 傅 雯 史中权
摘要：研制了一种单片机课程实验系统，该实验系统由电脑、仿真器、示波器、实验板等主要部件构成。自主研制了实验系统的核心部件——实验板，实验板由多个实验模块组成，可以满足单片机课程
的实验教学要求。同时根据课程要求设计了12个实验内容。该实验板上的各模块间可以自主设计接线，具有较高的灵活性。
关键词：单片机；实验系统；实验板
作者简介：丁坤（1975-），男，福建泉州人，河海大学机电工程学院，副教授；傅雯（1964-），女，浙江衢州人，河海大学机电工程学院，高级实验师。（江苏 常州 213022）
基金项目：本文系2013年江苏省高等教育教改研究立项课题（项目编号：2013JSJG121）、江苏省教育科学“十二五”规划2013年度课题（批准号：2013/01/011）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）06-0127-02DOI编码：
10.3969/j.issn.1007-0079.2014.06.065
图1
单片机课程实验系统框图
图2
实验板功能模块框图
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2.A/D模块
A/D模块由ADC0809和一个频率为500K的时钟电路构成。其中，ADC0809的通道选通信号、模拟输入端口、控制信号全部引出到引线的插孔，可供A/D转换实验时自由使用。
3.D/A模块
D/A模块由DAC0832和运放电路构成。其中，DAC0832的控制信号和经运放电路处理后的D/A输出信号引出到引线的插孔，可供D/A转换实验时自由使用。在该实验时需要通过示波器观察D/A输出的电压波形。
4.译码模块
译码模块由74LS138构成，74LS138的3个输入端和8个输出端引出到引线的插孔，可供实验自由使用。
5.串行模块
串行模块由74LS164和RS232电平转换器MAX232两个主要芯片构成。74LS164可以做串行口方式0应用实验，RS232电平转换器可以做串行通信实验。74LS164的输入控制盒输出端口以及MAX232的TTL端口和RS232端口被引出到引线的插孔。
6.并行口模块
并行口模块由8155为主构成。8155的控制总线、I/O口和计数器引脚被引出到引线的插孔。该模块可以做关于8155的各种实验。
7.指示灯模块
指示灯模块由8个LED发光二极管构成，每个LED的阴极被引出到引线的插孔。该模块可以做指示灯输出相关实验。
8.数码管模块
数码管模块由4个8位数码管及其驱动电路组成。可以做动态显示实验。其中每个数码管的公共端和每个段控制位被引出到引线的插孔。
9.键盘模块
键盘模块由一个4×4的小键盘构成。键盘的4位行控制信号和4位列控制信号被引出到引线的插孔。可以做行列式键盘实验。
10.模拟输入模块
模拟输入模块由2个电位器构成，可以通过调节电位器得到不同的电压值。其中，电位器的中间抽头被引出到引线的插孔。
11.数字输入模块
数字输入模块由两个8位的DIP开关组成，既可作为16位的数字量的输入，又可作为单个开关量的输入以做控制之用。每个DIP开关的输出都被引出到引线的插孔。
在实验过程中，各个模块的接线都需要学生根据实验要求设计接线并动手通过各个模块引线的插孔进行接线，可以充分锻炼学生的设计能力和动手能力。
四、实验设计
led发光模块
根据研制的实验板和“微机原理及应用”、“接口技术”两门课程的实验要求，设计了12个实验，其中7个“微机原理及应用”课程实验和5个“接口技术”课程实验。“微机原理及应用”课程实验包括4个纯软件实
验和3个与硬件相关的实验——并行口实验、计数器/定时器实验、外部中断实验。“接口技术”课程实验都是硬件相关的实验——并行口扩展实验、键盘显示实验、A/D、D/A转换实验、串行口方式0应用实验、双机通讯实验。安排软件实验的目的是为了让学生掌握仿真软件的使用，熟悉所学的汇编指令，并且练习程序的编辑、汇编和调试及运行。
安排硬件实验的目的是为了让学生掌握上课所学的MCS-51系列单片机相关硬件知识，并且通过实验应用强化理解硬件和软件的相结合。以并行口实验为例，本实验利用MCS-51单片机仿真实验板的核心模块（CPU ）、指示灯模块和数字输入模块。核心模块中有MCS-51单片机的P0、P1、P2、P3的引出引脚供接线使用。指示灯模块有8个LED，这8个LED分别由8个引脚控制，当引脚为高电平时对应的LED亮。数字输入模块由两个8位的DIP开关组成，既可作为16位的数字量的输入，又可作为单个开关量的输入以做控制之用，当DIP开关在OFF状态时对应的引脚输出高电平，当DIP开关在ON状态时对应的引脚输出低电平。
实验要求如下：
第一，利用软件延时的方法使指示灯模块中的L ED 按如图3规律亮灭（间隔时间为500ms，当某个LED亮时其他的LED全灭）。
可将核心模块中P1口通过引脚与指示灯模块的4个LED控制引脚对应相接，然后通过编程控制P1口的
状态变化即可实现控制要求。
第二，用P1.0～P1.3口控制指示灯模块中某4个LED的亮灭，用P1.4～P1.7口读取数字输入模块中某4位的DIP开关的状态，使得DIP开关的状态与被P1.0～P1.3口控制的LED的亮灭状态一一对应。要求：当DIP开关处于OFF状态时其读入引脚所对应引脚控制的LED灭，当DIP开关处于ON状态时其读入引脚所对应引脚控制的LED亮。分别使用位操作和字节操作的方法编程。
对应关系如下：P1.0与P1.4对应、P1.1与P1.5对应、P1.2与P1.6对应、P1.3与P1.7对应。
将核心模块中P1.0～P1.3口通过引脚与指示灯模块的前4个LED控制引脚对应相接，将核心模块中的P1.4～P1.5口通过引脚与数字输入模块中某4位的DIP开关对应的引脚相接。
实验过程中，学生要根据要求接好实验板的接线，并编写程序、调试试验相关的实验要求。通过该实验可以使学生更进一步熟悉MCS—51系列单片机并行口等知识点的内容。
五、使用效果
本文研制的单片机课程实验系统在河海大学机械工程及自动化专业的单片机课程实验已投入使用多年，效果良好，尤其是自行研制的实验板可以由学生自主接线，提高了学生对单片机系统的认识和动手能力。但是也存在着一些缺点，如：实验板上的插孔在使用一段时间后由于失去弹性需要更换；学
生实验时的误接线、误操作会损坏实验板上的芯片，这些方面都有待进一步改进。
参考文献：
[1]王芳，花怀海.单片机课程教学改革的实践与探索[J].电子世界,2013,(3).
图3 指示灯亮灭控制规律
（下转第132页）
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系，现有的教学实践或多或少的造成了这部分内容的割裂。
3.就业导向不足
以黑龙江科技大学为例，其培养目标是培养应用型人才，绝大多数学生的学习目标是顺利就业、高薪就业。但偏重理论、千篇一律的操作系统实验课程内容的设置，会使学生提不起兴趣。为了修够学分学生只能消极应付，造成教师和学生的时间、精力的极大浪费。另外，应用型高校应彻底取消操作系统的实践教学。
三、操作系统实验教学的改革及实践1.操作系统实验教学改革的总体思想
以就业为导向、以应用型人才为培养目标，调整操作系统实验内容与实验难度，拓展宽度，加入最新的应用开发引导，使实验内容成为课程的纽带，把课程相关课程的知识联系和贯通起来，培养学生应用层面的技能，提高学生就业能力。
2.保证操作系统实验的基本重点内容
保留基本的重点内容，如并发程序设计中熟练运用信号量等方法解决进程间通信问题、内存管理的分页、分段以及虚存技术的算法等，使学生通过实验掌握操作系统并发应用程序开发的能力，能够对操作系统中的重要管理算法进行仿真模拟。将这些基本的重点内容凝练为6个左右的实验，实验时从中必选3个，其他课时增加应用层面的实验内容，以提高学生的就业能力，激发其学习热情，从而避免本课程的教学改革走入歧途。
3.增强学生就业能力的考虑
由于有些应用层面的课程学校还没有开出，如Android操作系统上的应用开发、ios应用开发等，因此在操作系统实验课程中应给学生以尝试的机会，让学生有选择这些内容的机会，使他们尝试感受这些应用开发的基本入门练习。这些内容可以凝练出6个左右的实验，实验时可以从中选择1～2个。
4.将操作系统实验建设成课程的基础纽带
如图1所示，把相关课程的实验内容知识整合起来，编出一本“操作系统课程实验集成指导教程”，内容涵盖计算机操作系统原理、UNIX/Linux和嵌入式操作系统等课程的全部实验可选内容，并包括上述的Android操作系统上的应用开发、ios应用开发等内容。保证在操作系统原理课实验上至少能够在UNIX /Linux安装配置、服务管理、嵌入式操作系统内核裁剪编译、驱动编写等方面有20多个可选实验。而整本“操作系统课程实验集成指导教程”在不同实验内容及相同内容的不同角度、方法等方面设计出了共计40个左右的可选实验，使该教程成为操作系统课程通用的实验教材。在不同学期的操作系统课程实验课程上，学生可以通过选择其中的实验把相关知识温故知新、融会贯通，并且有最新应用层面的入门内容。“操作系统课程实验集成指导教程”是一本对学生有吸引力并同时对教师和学生都有帮助的实验教程。
通过该教程，使操作系统课程的相关课程很好地、有机地联系起来，学生和教师在实验内容选择方
面有了更大的自由，这种自由极大促进了相关知识的贯通，因此该教程必成为操作系统课程的良好纽带。
四、结束语
“计算机操作系统”是计算机相关专业的一门重要核心课程，而实验是学好该课程的必要手段。多年来课程建设追求的规范化、标准化使实验课程的内容及难度与学校的人才培养目标不尽相符、
也与时代的需求以及学生的具体情况不甚接洽，造成教学效果还有较大的提升空间。
本次操作系统实验教学研究是以课程建设为目标，为课程的贯通和联系打造了一条强有力的基础纽带——操作系统课程实验集成指导教程。在课程中，不同学期的不同课程都是从这本手册式的教程中选择实验，而且有一定的自由范围的选择余地。实践证明，这种教学改革能够提高学生的学习兴趣、达到很好的教学效果，对提升学生的就业能力有一定的促进作用，为课程的建设打下了良好的基础。
参考文献：
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（责任编辑：孙晴）
图1 操作系统实验与课程的关系图
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（责任编辑：孙晴）
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