新型ＭＣＳ５１实验设备的研究与探索
【摘 要】单片机实验设备中以MCS-51为核心的产品最多,本文讨论了国内几款MCS-51系列单片机实验设备存在的缺陷,同时也提出了自己的设计方案,为新一代设备的问世提供参考。
【关键词】单片机 实验设备
目前,虽然单片机家族的成员种类繁多,但MCS-51系列单片机依旧占领着工业测控和自动化工程应用的主要市场,是国内单片机应用领域中的主流,这一客观事实决定了全国各大高校的单片机类教材仍以MCS51系列单片机为主,同时MCS51单片机教学和实验设备也得到了相当迅速的发展。
一、现有实验设备状况和特点
1.上海杭虹公司生产的ADEK单片机实验系统价格十分昂贵,约为五千元左右,且需外接一个稳压电源,体积也相当庞大。开发环境仅支持汇编语言编程,不支持C语言。
2.浙江启东计算机有限公司生产的DAIS80958B+实验系统,技术相对比较成熟,功能也较多,但价格仍要在三千元以上,体积也比较庞大。开发环境也存在局限性。使用时灵活性差。
3.国内还用很多单片机仿真机产品(例如:伟福等),但它们只有仿真功能,是真正意义上的仿真设备,没有任何外围电路,而且每台价格在一千八百元左右,相对比较昂贵。
二、各种实验设备的共同问题
1.功能接口陈旧且价格昂贵
实验系统上只是由一些传统的与教材同步的实验项目,一些综合性的、设计性的实验项目过于古老而失去的实际价值。在功能接口的数量上也相对较少,不利于系统结构的简化和扩展。在此种情况下,系统设备的整体价格仍旧保持在几千元以上,可以说其性价比很差。对于高校一般设备单位价值在500元以上,专用设备单位价值在800元以上,使用期限在一年以上,并在使用过程中基本保持原有物质形态的资产被称为固定资产。据统计,多数高校的单片机实验设备作为固定资产,使用期限一般为5-10年之间,其中期限为8年的占50%以上。对于当今电子行业的飞速发展可想而知,实验设备的经济价值与实用价值已经产生了矛盾,而且随着时间的推移正在逐步加深。
2.体积庞大
设备体积庞大意味着实验台面积要跟着增加,保存和管理均需占用很大空间,且在外观上也会失去美观。几大厂商的产品占用实验台面积基本上远超过一张A3纸,每台设备的保存空间大约也要在0.05立方米左右(按长*宽*高=0.6米*0.4米*0.2米=0.048立方米计算),如果一间实验室按配置40套实验设备计算,保存空间约占2立方米,数字虽小,但单位很大。
在设备检修与维护方面,由于生产厂家有一些技术不公开,所以造成多数故障实验室管理人员无法检测,需返厂维修,极大地加大了后期维护的成本,同时也会极大地影响实验的开出率。
3.存在编程环境的限制
编程语言的限制却是一个致命的问题。
汇编语言程序以执行速度快著称,因为汇编语言编出来的程序是最优化的程序。汇编语言要具体考虑每个寄存器和存储器的位数,较适合单片机初学者。但不同型号的单片机都有属于自己的一套汇编语言,因此程序根本不存在可移植性。所以不便于学生向其它型号单片机转向。
C语言是全世界工程技术人员中最为流行、和最通用的编程和调试语言。C程序生成机器代码的过程稍微复杂些,而且代码数要比直接用汇编语言编写的程序代码数多得多。但C程序具有很好的可移植性,而且算法实现容易,不用考虑寄存器位数限制,程序通俗易懂等特点。
正因为汇编语言和C语言各有各的优势和特点,所以不应对编程环境加以限制。更应该使二者结合起来给使用者提供更加便利的实验条件。
4.系统电源安全性差
系统电源若采用变压器降压加整流加稳压的方法,虽说可以得到各种不同的电压源,但势必要将交流220V直接引入实验设备上,在一定程度上存在安全隐患。
三、新型MCS51教学实验设备的设计探索
1.确定设计方案
要保留典型的功能接口作为对传统实验项目的兼容,去除功能陈旧而失去了实际意义和使用价值的功能接口,减少空间的浪费。实验设备上多设计一些数字化传感器功能接口,顺应数字化的发展趋势,而且实用价值高,性价比高。
采用的单片机作为系统处理器的核心,需要它可以通过串行口或ISP等方式从计算机上进行程序下载,简化开发过程。这样的单片机已经问世许多年,如STC89C系列单片机采用串行口下载程序,AT89S系列单片机采用ISP方式下载程序,它们都是51系列的兼容单片机。
采用KEIL C编程调试环境,打破编程语言的局限。SST89E564RD等SST系列的几款单片机不仅可以兼容51系列单片机,而且可以通过串行口与PC机相连,使用KEIL C编程调试环境进行单步运行、跟踪等仿真调试,十分方便。
2.系统设计
在完成相同功能的前提下,采用性价比高的元器件替换或改变设计方法,以降低生产成本。
虽说减小体积与增加功能接口是矛盾的,但功能接口尽量采用串行的,数字的接口,再加上使用贴片技术,可以使得在有效的空间内增加功能接口的数量。
采用体积小的有绝缘外壳的开关稳压电源为设备供电,更便于管理,而且安全性高,价格便宜,便于更换,这种电源在损坏的过程中不会打火,直接内部击穿烧成断路,无电压输出。
3.编写使用说明书,实验参考程序,和实验指导手册
除了编写文本说明书、手册外,还应该配备视频手册(即视频光盘),包括使用方法、注意事项、实验操作过程、实验成果演示等。
归根结底,本人呼吁,各高校应大力鼓励自研设备,即加强了教师队伍的科研能力,又能节省一批相当可观的开支。在单片机实验设备上,我建议用自研的开发板代替实验箱。我们的实验室已经用自研的设备“武装”了两年多,从实际使用效果上看它主要有以下好处:
(1)占用空间极小。40套自研的实验设备罗列在一起仍不及过去一台实验箱的使用面积和占地空间。所以更便于保存。再加上设备是自研的,维修起来更加容易,大幅度降低投入成本,大大减少后期维护成本。
(2)学生的学习效果更好。因为在实验箱上做实验多以验证性实验为主,效果不直观,还总会出现学生做完了实验还不知道自己在干什么,做了有什么用。而在开发板上做实验就向自己在搞研发一样,极大地提高了学生学习的积极性,实验目的明确,实验效果好。
(3)性价比高。每套设备的投入成本不及购买实验箱投入成本的十分之一,就是因为投入成本小,所以随着电子器件的层出不穷而可以不断的更新。甚至我们的学生在做过实验以后,都要自己购买,更多的是自己DIY一套与实验相同的实验设备,这远比课堂上的教学效果好上许多。
四、结语
总之,设计一款性价比高,且系统上各个功能模块既体现出了现代特色又与教材紧密相结合,能够做到对传统实验设备和实验项目的兼容,又有其现代的实际应用特性,既安全又操作比较灵活,且能够一机多用的实验教学设备,是完全有必要的,它存在十分广阔的发展前景。
参考文献
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