發布日期：2022-05-20 點擊率：43
摘要：
微控制器和微處理器，即單片機，是最典型、最廣泛、最簡單的嵌入式系統，它是多數高校和職業學校電類專業的廣泛開設的骨干課程和基本技術課程，同時，也是目前物聯網專業普遍開設的基本基礎課程，在課程設計、畢業設計和各種電子類競賽等實踐教學環節，也都得到廣泛地使用。
隨著集成電路技術和物聯網技術的發展和系統在芯片（SOC）技術的高速發展，目前單片機已經逐步從4位，八位向32位過渡，以ARM為核心的單片機不斷擴大，同時已經開始實現將8051和ARM內核控制器和無線收發器，包括ZIGBEE，藍牙，WIFI等收發器整合，以無線單片機的新形式，獲得愈來愈廣泛的應用。
在今天的物聯網時代，目前高校和職業學校對改革傳統的以8051系列MCU為主的相關教學體系有了新的、緊迫的要求，目前高校和職業學校多年積累的傳統的MCU教學在教學內容、教學方法上與當今技術的發展狀況嚴重脫節，缺乏時效性，一方面無法與物聯網技術整合，另外一方面也無法有效銜接物聯網專業課程體系。
本文以擴展傳感器網絡、無線單片機及嵌入式技術和相關射頻微波技術和高頻技術為基礎，討論如何利用現有微處理器教學體系，淘汰老舊實驗設備，換裝最新儀器化教學設備，以無線單片機為技術切入點和硬件平臺，結合最新的頻域儀器和協議分析儀器，探討單片機教學在內容上、方法上改進與與時俱進的全新思路。
同時提出在原來教學體系上融合面向物聯的無線單片機、嵌入式無線技術，低功耗技術，射頻電路，天線技術等內容，旨在提高單片機教學內容的時效性和對物聯網時代的單片機課程教學和實踐教學實現改革、改善學生的知識結構，培養物聯網時代的卓越工程師。
一、目前單片機教學現狀
國內不僅僅是物聯網專業設有單片機類課程，而是幾乎所有的工科院校和信息電子類職業學校都開設了單片機課程，涉及電子、通信、機電、自動化、電氣等專業。幾十年來，單片機教學的內容沒有大的改變，仍然以單片機結構、指令、匯編等出發，輔以幾個簡單的單片機應用。這種以單片機結構和指令為主線展開的，不符合本該學科的認知規律，也不符合當前系統在芯片技術發展趨勢，目前這樣的傳統成熟和教學體長期以來系亙古不變，已經無法提供多少技術問題可供學生們去分析，并且已經從教學理念和技術發展兩方面落后，必須改變。
從教學方法和實驗手段看，目前的單片機教學方法陳舊，采用傳統的灌輸式課堂教學方法、過多的理論課時抑制了學生學習的積極性，特別是對實踐教學重視度不夠，缺乏大量直觀化實驗手段，僅僅利用老舊的8051單片機實驗箱進行實驗。只能起到演示的作用，無法培養學生動手、動腦解決問題的能力，而且目前物聯網技術強調各種通訊手段，特別是無線通訊手段，目前陳舊的的單片機實驗設備完全不能滿足這樣新的技術要求，同時，當前較少的實驗課時又使本門課程的理論和實踐脫節，學生缺乏在單片機方面動手和創新能力。
二、單片機教學改革的必要性
物聯網時代對單片機或嵌入式教學改革提供了機遇與挑戰。物聯網時代對單片機教學在教學內容、教學方法和課程體系設置上都提出新的迫切的要求。對于已經開設單片機課程的高校和職業學校，如何在單片機課程中，體現物聯網相關技術？對于物聯網專業的單片機基礎課程，如何和物聯網專業其他課程接口和貫通？如何采用新的教學設備和教學手段，提升教學質量？如何使用物聯網及其相關技術，為單片機教學改革提供了豐富的教學資源、內容和實現方法？這些問題的回答本身也就說明了單片機課程改革的必要性。
從必要性方面而言，從我國的單片機教學的現狀可以看出，目前的單片機教學無論從內容到方法都需要改變。學生的反映、學習態度和學習效果也在一定程度上促使盡早變革是必要的。物聯網發展的國家戰略也要求高校盡早地培養掌握物聯網相關技術、理念和應用設計人才。因此，必須在高校和職業學校基礎課程教學中提前開展SOC單片機及物聯網關聯的學習，牢固掌握相關基礎知識和技術。
從課程設置上可行上而言，物聯網時代的單片機教學涉及嵌入式，現代通訊，數字電路，網絡基礎，微機原理和接口，單片機，傳感器和采集，操作系統等基礎課程和軟、硬件知識及其相關課程，分為基礎課程、核心課程和實踐教學中的應用開發，很多課程都是已經開設的課程。這是單片機教學改革改革的基礎，這樣，不需要對現有的課程體系做較大的調整。核心課程中，SOC單片機可以選擇以MSC-51為內的無線單片機，也可以選擇更加高級ARM Cortex?-A8 /M3/M4等先進的32為SOC無線單片機， 這樣可以將傳統的單片機教學順延、加強。 嵌入式微處理器和RTOS操作系統也是高校課程之一，這里只需將單片機用作物聯網網關，也可以作為物聯網的路由器、節點、控制中心、網絡終端。授課時強調其在物聯網體系中不同的作用。改革后，單片機課程就可以作為一套獨立課程開設，也可以作為物聯網專業基礎課程開設。
三、單片機教學改革的思路和措施
由于物聯網的核心技術之一是微功耗條件下的無線通訊技術，所以單片機與無線通訊合二為一是物聯網時代單片機教學的必然形式和特點，各種新型通訊/協議接口和無線單片機模塊的使用也是新時期單片機或嵌入式系統的主要表現形式。為此，需要結合物聯網技術發展趨勢和新的教學儀器設備的發展，對當前教學內容、方法和實踐環節加以變革。
從教學內容方面而言，教學目標硬件選為比較經濟適用的無線單片機(SOC)。隨著無線單片機技術發展，無線單片機內核目前已經有8051，MSP430，ARM Cortex?-M3等多種從8位到32位內核，單片機教學可以從TI CC2530這個目前比較成熟的ZIGBEE無線單片機開始起步。
教學中應以物聯網系統應用和傳感器網絡通訊技術為背景，突出網絡、無線通信和數據采集、相關射頻和天線技術基礎微功耗技術基礎和物聯網相關新概念。保留傳統單片機中的部分教學內容，如A/D、D/A、串行通信、定時器、SPI、I2C、中斷技術等。
軟件系統和網絡協議，建議選擇ZigBee和RF4CE協議棧。利用軟件實例和空中協議分析儀觀察講授協議棧中各層實現的方法。基礎教學階段不必講解RTOS操作系統。軟件系統和網絡協議部分教學只需要結合測試觀察簡單講解，要注重學生實際使用能力的訓練。
微功耗技術是傳感器網絡中的一項重要新技術，傳統的單片機教學，沒有這部分的內容，但是，使用在傳感器網絡的路由器和節點，必須要在微功耗條件下工作，單片機教學將增加這部分技術的教學內容。
同時，既然要實現無線通訊，就不可能離開天線和傳播，射頻電路，電磁兼容等方面的一些知識，也不可能離開頻域儀器使用和測量方法的知識，這部分原來屬于射頻工程師的復雜知識，對于非射頻工程師也必須掌握的一部分知識，這部分知識也需要補充到改革后的單片機教學內容中來。
從教學方法而言，傳統單片機部分，采用采用以案例引導法，以任務為中心,提出創設環境、確定任務、完成任務的三部曲來實施教學任務；對應新的單片機課程，可以改進為以傳感器網絡應用產品為中心的全新思路，提出應用需求要求，確定產品設計任務，完成應用產品設計測試三部曲。
教學方法要突出物聯網/傳感器網絡數據采集、無線通信的概念，構造有實用意義的應用產品背景。例如，智能家居系統中的ZIGBEE紅外線遙控轉發器，如何實現對電風扇，空調等直接控制; 如何使用串口，控制ZIGBEE網關，實現溫度、濕度、光線等傳感器數據采集，如何使用SPI接口，完成對傳感器的接口和控制，如何使用紐扣電池，實現一個微功耗遠程采集控制節點等。
對于無線通信教學，該部分接觸到理論部分比較復雜，因此減少理論描述與推導，增加實際的開發和利用，通過9K-6GHZ頻譜分析儀/信號發生器等先進教學儀器，讓學生看見高頻信號和高頻功率信號，了解如何使用這些儀器開展測量和設計單片機相關射頻電路，并且對無線單片機模塊通訊距離，信號質量，環境噪聲等進行直觀測試，增強學生的感性認識，提升學生的學習興趣，降低無線通訊部分學習門檻。
對于網絡協議部分，建議以ZigBee和RF4CE藍本，以Keil等開發系統中用C語言書寫的ZigBee協議棧程序為具體對象，強調應用層開發的流程，輔以網絡層和MAC層中針對網絡不同拓撲形態的具體設置。從簡單的點對點通信的實現開始，逐步過渡到星型網絡和網狀的構建。網關部分可以使用普通節點和串通信，實現物聯網與Internet互聯。這部份教學方法使用高級的圖形化空中協議分析儀，可以讓學生實時看見空中飛行的各種ZIGBEE協議包裝，看見圖形化的網絡拓撲，進行包裝比較，分析，直觀化可視化的理解協議棧的內涵，大大降低了協議棧教學門檻和增加了教學直觀性。
對于低功耗部分教學，可以使用微功耗動態分析儀，觀察在電池狀態下瞬間功率和動態曲線，自動完成功率計算和了解電池工作時間，看見了功率狀態，簡化了教學難度，增加了學生興趣和動手能力。
圖一 深藍RM6001 教學實驗平臺
四、 實驗室構建和突出教學實踐環節
單片機本身技術是一門實踐性很的技術，沒有實踐形同紙上談兵，造成許多學生的高分低能現象，特別是目前使用無線單片機教學將涉及到的數千兆赫的高頻微波信號，這些信號在空中飛行摸不到，看不見，更加增加了單片機教學難度，如果實踐教學中，要改變只注重老師講，學生做的方式，必須依靠全新一代的頻域儀器和協議分析儀器等儀器組合來全面改革實踐教學體系。
實驗室建設：淘汰原有單片機實驗老舊平臺（這些平臺有10多年甚至20年歷史），建立以具有新一代無線SOC單片機特征的單片機儀器化教學實驗系統。選擇支持ZigBee的無線SOC單片機選擇最新深藍RM6001教學實驗平臺是理想的選擇，該平臺首次集成了9K到6GHZ全頻譜分析儀/射頻信號發生器/圖形化ZIGBEE/RF4CE空中協議分析儀/微功耗動態分析儀等先進儀器設備，各種CC2530/CC2540/CC1110/CC1120等無線單片機模塊和大量測試和課程實驗等教學資源；同樣可以使用Keil/IAR的編譯開發平臺，方便代碼移植和與原有實驗兼容等，減少整改教學大綱的工作量。
采用高級頻域儀器和多種物聯網新型教學儀器實現單片機教學，是很多老師期待多年的事情，但是多年來，以進口標準頻域儀器為主的儀器，價格高昂，維護復雜，僅僅標準6GHZ頻譜分析儀，單臺要價就高達20多萬人民幣，而且沒有相應配套的實驗和教程。
深藍系列是新一代國產化教學儀器，采用全計算機化儀器設計技術和若干專利技術，突破這個價格瓶頸，國內高校和職業學校可以非常低的價格普遍裝備，并且完全有能力實現學生人手一套，完成相關單片機實驗和實踐課程教學，該設備不僅可以使用在單片機課程教學，也可以同時適用物聯網專業精品課程，物聯網應用產品開發等多種用途。
實驗項目：
深藍RM6001目前配置100多個個無線單片機標準試驗庫（標準實驗庫將不斷升級），實驗內容包括多種無線單片機的基礎硬件實驗、網絡協議實驗和綜合試驗三個部分。具體包括通用數字I/O接口、點陣式LCD驅動、時鐘/中斷、ADC實驗、溫度測量、UART實驗和射頻點對點通信等基礎硬件實驗；TI-ZStack、軟件架構、應用層、網絡層以及尋址路由等網絡協議實驗；無線模塊發射功率和接收靈敏度測試，電池兼容測試，空中協議監視分析，微功耗儀器化測試分析等儀器化實驗。綜合試驗可以根據硬件條件擴展各種選擇智能家居，傳感器采集，ZIGBEE網絡，智能追溯，智慧農業，智慧交通等單片機課程綜合實驗。
實驗形式：
實驗圍繞新型深藍RM6001儀器掛架和各種無線單片機實驗套件組成，全部實驗內容均為以觀察分析信號和觀察分析協議為主，直觀看見頻譜波形，看見空中協議，看見功耗曲線，看到代碼運行情況，就像模擬數字電路使用函數發生器和示波器，邏輯分析儀實現教學實驗一樣，單片機教學跨入了完全儀器化現代化教學實驗的新時代，實現了實驗形式的全面創新和單片機課程實踐和實驗的全新用戶體驗；
和傳統單片機課程實驗相比較，改革后的實驗課程時間大幅度提升，大幅度增加學生自主試驗時間、實驗室可以靈活配置實驗形式、最終形成開放實驗室。并且實驗教學中，減少驗證性實驗，增加綜合性實驗，鼓勵學生利用整個課程的實驗學時完成一個節點乃至簡單傳感器網絡的構建，鼓勵學生完成物聯網應用產品設計和測試，調試和認證等的全過程。
實踐教學：
實踐教學包括專業課程設計、畢業設計和各級各類競賽等。考慮無線單片機課程內容的特點，這種畢業設計是競賽是學生的鍛煉機會，是能力提高的途徑。由于改革后的實驗室具備了先進的信號測試和協議觀察儀器和功耗觀察測量儀器，實踐教學將很容易和應用產品設計接口，讓學生設計出正真可以實用化的無線模塊，無線路由器，各種各樣物聯網實際應用產品。
課程設計、畢業設計中要從市場需要出發，提出課題，培養學習創新意識和開發產品的能力。改革后的課程設計，可以完全以物聯網傳感網應用產品設計為主，選擇以無線單片機為核心的智能水電氣表，智能眼鏡，智能手表，智能開關，智能家電，智能安防等應用產品，結合學習的無線單片機知識和射頻電路，天線等知識，完成各種課程設計。
結語
本文以單片機教學改革為突破點和目標，根據教育部“提高質量，辦出特色”的要求，選擇無線單片機硬件平臺和先進的頻域儀器，協議分析和微功耗分析儀器對等先進實驗手段，對傳統單片機教學進行全方位改革。
物聯網或傳感器網是當前高校專業建設的熱點之一，在物聯網時代背景下，筆者認為：改革單片機課程教學相關軟硬件課程是可行的、必要的，這些課程改革將有助于高等教育和職業教育的改革和與時俱進，有助于培養物聯網行業需要的卓越工程師。
物聯網專業教育改革系列研討介紹：
《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》把新一代信息技術定為七大戰略性新興產業之一（其中新一代信息技術包含六個方面即：物聯網、三網融合、通信網絡、高性能集成電路、云計算技術），顯示出國家對于這一新興產業的高度重視。
根據教育部關于物聯網專業的建設精神，國內許多高校和職業院校已開設物聯網及相關專業。 圍繞物聯網專業學什么？如何教學？如何配合各種豐富的實驗手段，提高學生的物聯網專業和相關專業技能與專業素養，培養戰略性新產業高素質人才？等問題，高校和職業學校面臨全新的探索和挑戰。
筆者認為：今天我們的時代，是一個改革的時代，各行各業都在改革，物聯網專業教學也不能例外。當今新技術日新月異，新的教學儀器設備不斷涌現，新的教學方法和手段不斷演進，唯有不斷改革我們的物聯網專業教學，才能對應時代的挑戰。我們認為，不僅僅當前傳統的信息科技，電子科技，嵌入式等教學需要改革，新興的物聯網專業教學，也需要不斷改革，才能與時俱進，肩負起培養物聯網產業急需人才的重任。
物聯網專業學什么？目前物聯網專業普遍開設包括計算機系列課程、信息與通信工程、模擬電子技術、物聯網技術及應用、物聯網安全技術等幾十門課程，這些課程又涉及計算機、通信技術、電子技術、測控技術等專業基礎知識，以及管理學、軟件開發等多方面知識。比如典型的北京科技大學物聯網專業開設的課程包括物聯網工程導論、嵌入式系統與單片機、無線傳感器網絡與RFID技術、物聯網技術及應用、云計算與物聯網、物聯網安全、物聯網體系結構及綜合實訓、信號與系統概論、現代傳感器技術、數據結構、計算機組成原理、計算機網絡、現代通信技術、操作系統等課程以及多種選修課。
至于如何組織教學和實驗，目前高校基本上是采用以ARM處理器為核心的物聯網教學實驗箱和無線模塊為主要實驗手段，職業學校主要采用物聯網應用實訓臺為主要實驗實訓教學手段，普遍存在實驗內容少，缺乏直觀化，缺乏對相關技術和知識點的深度教學等顯著問題，就需要在教學內容，教學方法，實驗設立，實驗設備改進等方面進行全面改革和提升；
如何突破當前物聯網專業教學和實踐環節的瓶頸？與時俱進，實現物聯網教學改革？在該系列研討中，我們將陸續從不同的課程角度，來詳細討論如何改革我們的傳統的基礎課程和最新的物聯網專業課程，使之適合物聯網技術和產業發展的變化和需要。從而實現提高教學深度，降低教學難度，提升學生動手和創新能力的物聯網教學改革遠大目標。
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