摘要：本文首先介绍了单片机和微控制器课程的开设情况，然后对微控制器系统环境下的应用情况进行了分析和归类，最后对微控制器课程的CDIO工程项目的开发进行了开发研究和探讨，认为CDIO符合高职高专院校教育教学改革的方向，值得推广。
关键词：CDIO；微控制器课程；单片机课程；应用情况；开发研究
中图分类号：TP311 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2012.01.040
引言
单片机(“Single Chip Microcomputer”，即单片微型计算机)简称SCM，确切的可称为单片微控制器，它是微型计算机的一个重要分支。单片机因其内部硬件结构和指令系统主要是针对自动控制应用而设计的，所以人们习惯称之为微控制器MCU(Microcontroller Unit)，我院的应用电子、微电子技术、电子工艺、电子信息、软件技术、自动化和电气自动化、机电一体化等专业都开设了单片机或微控制器课程；由于用单片机可以很容易嵌入到各种仪器和现场控制设备中，因此单片机也叫嵌入式微控制器(Embedded MCU)；通常把嵌入某种微处理器或单片机的测试和控制系统称为嵌入式控制系统，它在航空航天、机械电子、家用电器等各个领域都有广泛应用，特别是家用电器领域是其最大的应用领域。嵌入式技术和嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可以裁剪，随时可能引起人们的创作灵感，尤其适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。单片机作为一种嵌入式芯片，尤其是初学者入门常接触的8位单片机一直广泛应用于各种智能化产品之中。
1微控制器课程介绍
笔者从事单片机(即微控制器)课程的教学已有若干届了，之前从事过很多次的单片机相关课程的教学，如《微机原理及应用》、《汇编语言程序设计》、《办公自动化设备使用与维护》等课程的理论教学及相关实验实训操作，而只有单片机课程更易强烈地引起学生的直观感觉和浓厚的兴趣，其中与可视化的嵌入式应用系统仿真实验实训开发工具PROTEUS ISIS和语言调试开发工具Wave 6000或KeilμVision 3，及实施多媒体项目化教学有着很大很直接的关系。
单片机是一种采用简单的硬件结构、复杂而灵活多变的软件系统来完成设计的通用型产品。所以，我们在教学中就要以学生自主学习为主，教师教学辅导为辅。教学时适当增加有关单片机的硬件设计的仿真和实现很有必要。例如增加LED/LCD控制电路、键盘电路、串口通信电路等等。先用PROTEUS仿真实现后，然后鼓励学生在面包板上实现，实现前多去查阅相关资料，当学生亲手完成了一个又一个项目的设计和制作要求，并且看到仿真的实际效果时就会充满成就感，这样就会不断激发学生学习和进取的兴趣。正像人民教育家陶行知所言“先生的责任不在教，而在教学，而在教学生学”，即教学是在学生的学习过程中体现的。实践证明，通过电路仿真和硬件设计实现可以有效地激发学生学习单片机的积极性。
为了取得单片机或微控制器课程的良好的教学效果，必须要做到以下几点：
(1)选择适合的编译语言(C语言)和编译软件
在编程语言选择上，传统的单片机教学多采用汇编语言，因为汇编语言比较紧
，编译后生成的目标代码比较短小，执行速度快，而且可以直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，通常具有如下一些优点：1)能够直接访问与硬件相关的存储器或I/0端口；2)能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制；3)有助于学生更清楚地了解单片机的结构。但是汇编语言的指令多，不便记忆，可读性和可移植性较差，对于高职高专学生的学习效果较差。随着现代电子技术的发展，几乎各种品种的单片机厂商都相继发布了C语言开发工具。如Keil μ Vision 3，MedWin V3.0(国产的)编译工具等，C语言既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的优点，C语言编程逐渐成为高职高专院校单片机或微控制器教学的新宠。C语言功能齐全，易于让初学者接受，适用于多种机型，可读性和可移植性强，便于程序功能的创新和扩展。
(2)精选优质教材：
我们选择教材要根据高职高专学生的特点，本着“因材施教”的原则，选择理论知识简明，实践操作易于接受的项目任务式的教材较为理想，这类教材基本上都是立足于生产、生活实际，从简单的应用入手，以实践过程和实验现象为主导，引导学生步步深入，逐渐学会完成一个一个的单片机或微控制器的实际项目的仿真和实现。为了方便教学，我们选择了北京大学出版社出版的张秀国的《单片机C语言程序设计》等书。
(3)电路分析与实物仿真软件的选用
Proteus是英国Labcenter Electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，它是目前最好的模拟单片机及其外围器件的工具之一，可以对基于微控制器的模拟电路、数字电路、模数混合电路的设计及其外围器件一起进行系统仿真，并提供简便易用的印刷电路板(PCB)设计工具。其最大的特点是：用户可以利用其丰富的元器件库，例如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型和多种虚拟仪器模型搭建单片机的外围电路进行硬件仿真，在ISIS(电子系统仿真平台)编辑区中，能方便地完成微控制器系统的硬件设计、软件设计和源代码级调试与仿真。例如为了完成一个小项目的仿真和实现，首先，在Pro-teus中绘制其电路原理图；其次，在Keil“Vision 3中编写其源程序并进行调试，直到源程序通过编译并生成*.HEX文件为止；最后，在Proteus中加载生成的*.HEX文件进行仿真，并观察仿真结果和各种仿真实验现象。
2微控制器系统环境下的开发应用
《微控制器技术与应用》是一门应用性很强的电子信息类专业基础课程。微控制器的应用从根本上已改变了传统的控制系统的设计思想和设计方法。从前必须由硬件电路实现的大部分控制功能，现在已使用单片机通过软件方法得以实现，这种以软件取代硬件、简化硬件设计、并能提高系统性能的智能化控制技术是对传统控制技术的一次革命。有关微控制器系统环境下的开发应用主要表现在以下三个方面：
首先，微控制器因其体积小，可以嵌入到产品的内部，取代部分老式的机械零件、电子元器件等硬件，这样实现的目的在于可以缩小产品的体积、增加产品的性能，实现机械、电子、仪器仪表一体化的智能要求，这一点是其它任何类型的计算机无与伦比的。
例如：日常生活中的嵌入式产品，如电子表、电子秤、电冰箱、彩电、冼衣机、照相机、高级玩具、电脑缝纫机、MP3、MP4、PDA等；单片机在计算机控制的外设中有一定的应用，如软盘驱动器、硬盘驱动器、微型打印机等；单片机在智能化仪器仪表中应用最为广泛，如在各类测量温度、湿度、流量、电压、频率、角度等的仪器仪表中应用十分活跃。 其次，单片机在工业实时控制中有大量应用。单片机因其I/O线较多，逻辑处理指令丰富，特别适于实时控制场合，例如在机器设备和整套生产线中有大量应用，如单片机用于棉纺厂织物温度的控制、用于汽车点火和转向的控制等等。
第三，单片机在计算机网络与通信中有一定的应用。因为高档的单片机都具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用创造了良好的条件。例如，利用RS232串口可以控制LED数码管显示屏，一台个人PC也可利用RS232串口可以实现连接投影机的任务，电脑RS232串口开关控制器可以和电脑连接对多路开关进行程序自动控制等等。
近年来，单片机的产量已占具整个微型计算机(含一般微处理器)产量的80％以上，尤其是8位单片机已成为目前单片机的主流机型。随着技术的进步，单片机外围电路也将会装入单片机芯片内部，以简化外围电路和设计，简化控制系统的体积。
3微控制器课程的cDlO工程项目的开发研究
单片机或微控制器课程在教学中以前多采取传统的模块化教学，从单片机的结构原理介绍到单片机的指令系统，再接着介绍汇编语言程序设计、中断系统及定时器/计数器、串/并行接口技术等等，这样整个教学过程下来，大多数学生都只是对汇编语言有一定的理解，而对单片机的应用却非常生疏。由于本门课程是一门理论性和应用性均较强的课程，课程的培养目标是通过本课的学习，应能掌握单片机的基础知识和单片机仿真系统的基本操作和使用能力，并具有单片机系统研制工程典型项目开发的能力。传统的单片机原理及应用课程的教学方法多采用理论实践相结合的模式，经过教改后先后采用过“任务驱动式教学方法”和“项目教学方法”，对本课教学效果有了一定程度的提高。但由于单片机的基础理论知识比较抽象，实验学时占的比重较小，实验又主要集中在学期末一段时间在面包板上进行，因此很多学生在做完实验之后，对实验中所编写的程序及所采用的具体硬件电路理解得很肤浅，而且能够独立去思考查找出实验过程中出现问题原因的学生更少。这些传统的教学方法不利于对学生基于工作过程的单片机产品研制工程能力和综合素质的培养。
为了克服传统单片机或微控制器教学中存在的问题，适应基于工作过程的工程教育和研发的需要，在单片机或微控制器课程中的应用中引入CDIO[Conceive(构思)一Design(设计)一Implement(实现)一Operate(运作)]工程教育的模式。其中，CDIO可以说是“基于做中学”和“基于项目的教育和学习”(Project based education and Learning)的集中概括和抽象表达，它以工程项目从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习一个工程项目。
CDIO工程项目的研制开发，围绕一个项目开发的全过程(构思C、设计D、制作I、运行0)实施教学的全过程，通过调查研究并结合本院“项目教学方法”的开展，将其实施步骤拟定如下：
(1)项目需求分析(C)：进行项目需求分析，主要是明确一个工程项目开发的任务。可以单片机为核心出发构思，根据技术、功能及性能要求选择合适型号的单片机和相关的元器件，接着尽量理解用户的要求，明确该工程项目实现的任务，并考虑实现需求的方式方法等。
(2)项目构思(c)：进行项目构思，主要是对单片机系统进行设计分析，讨论、交流，了解系统总体的要求和开发的意义，提出项目开发的初步设想，可以分小组互相讨论，交换各自的设想。目的是启发创新意识，探讨工程方法，加强人际交流，培养工程推理和解决问题的能力，发现新知识，进行系统思维。
(3)项目设计(D)：进行项目总体设计，包括进行项目硬件设计(含元器件在印刷电路板的布置设计和印刷电路板的布线设计)和项目软件设计(含汇编语言或C语言的程序设计)。主要是方案的提出、研讨、互评、优化，小组互动，最终总结得出合理的设计方案。目的是熟悉元件、器件，建立系统概念、设计方法的初步知识，培养个人能力和态度、职业能力和态度及人际交流能力。
(4)项目实现(I)：进行项目实现，主要是完成应用系统在线仿真调试、焊接。应做到分工合作，统一调度，印刷电路板布线的正确性检查、测试，元器件布置，元器件电源线正确性检查，各项工作及时互通进度及时商讨改进，焊接系统，注意通电前的电源线正确性检查。目的是要求学生学会设计电路板、布置元器件的工程能力、系统电路设计能力。培养团队工作、管理和统筹能力，协作精神和口头、书面交流能力。
(5)项目运行(0)：进行项目运行，主要是程序固化，并使应用系统独立运行。应做到分析系统故障、检查系统、寻找解决问题的切入点及具体解决问题的办法，小组高度密切交流互动，最终学会运行维护系统的方法，如启动系统运行，检查按键的工作和功能是否正常。培养运行管理能力，故障处理能力，系统改进能力，如按功能对系统进行测试，按性能对系统进行测试，针对故障检查系统，进行维护。
(6)项目开发总结(C)：进行项目开发总结，主要是整理系统资料，包括说明书、图纸及工作总结。目的是总结经验，形成完整的工作方式和负责的工作态度，建立工程档案，以备日后应用、参考和查验。
综上可见，CDIO培养了学生做成事的能力，通过自学获取知识的能力，通过解决问题运用知识的能力，通过团队合作共享知识的能力，通过创新发现知识的能力，通过交流沟通传播知识的能力；培养了教师应成为学生心目中的工程师榜样。因此，值得在微控制器或单片机课程中推广应用。具体，项目实施的组织方式如下：
(1)学生以4～6人为一个项目小组，每个小组配备指导教师一名；
(2)项目在理论课堂内或课堂外执行，以小组为单位进行活动；
(3)项目在组内活动方式有：座谈交流研讨，专题式讲解介绍，边做边探讨式互动，系统性总结等；
(4)组间活动主要采用：总结介绍、组间比较等方式。
项目完成后应具有的成果资料包括下面六项：
(1)系统结构设计图；
(2)电路原理图及元件布置图；
(3)程序流程图和程序清单；
(4)系统仿真实现图；
(5)面包板或印刷电路板布线图；
(6)项目开发工作总结等等。
4.总结
CDIO是国际创新型工程教育模式，它以工业界需求牵引，并以学生为中心，回归工程教育本质，突出知识、素质、能力的全面性、系统性培养，使得教育教学各个方面各个环节有机地联系并更加有效、事半功倍。将CDIO国际化教学工程教育模式应用于微控制器或单片机课程，建立基于工程教育模式下的新型授课体系，通过把工程项目和授课体系有机结合，能有效提高工程人才培养的质量，因为CDIO强调的是一体化，是把要培养和提升学生的各种能力和素质贯穿于高职三年学习的各个方面。经过南方部分院校教育教学实践环节的检验，该教学体系已激发了学生的学习积极性，提高了学生的理论水平和动手能力，符合微控制器或单片机课程教学的特点，比如特色之一是可以建立融机械制作、电子制作、软件编程多元化科技为一体的综合科技环境，为全院师生的科技创新项目提供技术平台，特色之二是可以学习国际先进的CDIO工程教育理念，借鉴一些成熟的项目管理和运作机制，提升师生和科技应用能力和创新能力。总之，CDIO符合高职高专院校教育教学改革的方向，为此也希望我院也能争取早日建设CDIO实践创新实验中心，为更多的学生更好地服务。
参考文献
[1]尹毅峰，刘龙江.单片机原理及应用[M].北京理工大学出版社，2010.
[2]郑毛祥.单片机应用基础[M].人民邮电出版社，2008.
[3]张秀国.单片机c语言程序设计[M].北京大学出版社，2010.
[4]王洪涛，何益宏.基于CDIO工程教育模式下单片机原理及应用课程教学研究[J].重庆文理学院学报(自然科学版)，2011(05)