首頁(yè) > 優(yōu)秀范文 > 接口技術(shù)論文
時(shí)間：2023-03-22 17:45:14
序論：速發(fā)表網(wǎng)結(jié)合其深厚的文秘經(jīng)驗(yàn)，特別為您篩選了11篇接口技術(shù)論文范文。如果您需要更多原創(chuàng)資料，歡迎隨時(shí)與我們的客服老師聯(lián)系，希望您能從中汲取靈感和知識(shí)！
引言
在IBM公司推出PC機(jī)時(shí)，并行端口已經(jīng)是PC機(jī)的一部分。并口設(shè)計(jì)之初，是為能代替速度較慢的串行端口驅(qū)動(dòng)當(dāng)時(shí)的高性能點(diǎn)陣式打印機(jī)。并口可以同時(shí)傳輸8位數(shù)據(jù)，而串口只能一位一位地傳輸，傳輸速度慢。隨著技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)傳輸速度要求的提高，最初的標(biāo)準(zhǔn)并行端口即SPP模式的并行端口的速度已不能滿足要求。1994年3月，IEEE1284委員會(huì)頒布了IEEE1284標(biāo)準(zhǔn).IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)提供的在主機(jī)和外設(shè)之間的并口傳輸速度，相對(duì)于最初的并行端口快了50～100倍。IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)定義了5種數(shù)據(jù)傳輸模式，分別是兼容模式、半字節(jié)模式、字節(jié)模式、EPP模式和ECP模式。其中EPP模式、ECP模式為雙向傳輸模式。EPP模式比ECP模式更簡(jiǎn)潔、靈活、可靠，在工業(yè)界得到了更多的實(shí)際應(yīng)用。本文介紹的一種基于uPSD323X的EPP增強(qiáng)并口的設(shè)計(jì)核心是，使用uPSD323X內(nèi)部的CPLD實(shí)現(xiàn)EPP接口。
1EPP接口協(xié)議介紹
EPP(EnhancedParallelPort,增強(qiáng)并行端口)協(xié)議最初是由Intel、Xirocm、Zenith三家公司聯(lián)合提出的，于1994年在IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)中。EPP協(xié)議有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：EPP1.7和EPP1.9。EPP接口控制信號(hào)由硬件自動(dòng)產(chǎn)品，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸可以在一個(gè)ISAI/O周期完成，通信速率能達(dá)到500KB/s～2MB/s。
EPP引腳定義如表1所列。
表1EPP接口引腳定義
對(duì)應(yīng)并口引腳EPP信號(hào)方向說(shuō)明
1nWrit輸出指示主機(jī)是向外設(shè)寫(xiě)（低電平）還是從外設(shè)讀（高電平）
2～9Data0～7輸入/輸出雙向數(shù)據(jù)總線
10Interrupt輸入下降沿向主機(jī)申請(qǐng)中斷
11nWait輸入低電平表示外設(shè)準(zhǔn)備好傳輸數(shù)據(jù)，高電平表示數(shù)據(jù)傳輸完成
12Spare輸入空余線
13Spare輸入空余線
14nDStrb輸出數(shù)據(jù)選通信號(hào)，低電平有效
15Spare輸入空余線
16Ninit輸出初始化信號(hào)，低電平有效
17nAStrb輸出地址數(shù)據(jù)選通信號(hào)，低電平有效
18～25GroundGND地線
1.1EPP接口時(shí)序
EPP協(xié)議定義了4種并口周期：數(shù)據(jù)寫(xiě)周期、數(shù)據(jù)讀周期、地址寫(xiě)周期和地址讀周期。數(shù)據(jù)周期用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)間傳送數(shù)據(jù)；地址周期用于傳送地址、通道、命令、控制和狀態(tài)等輔助信息。圖1是EPP數(shù)據(jù)寫(xiě)的時(shí)序圖。圖1中，nIOW信號(hào)實(shí)際上在進(jìn)行EPP數(shù)據(jù)寫(xiě)時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生，只不過(guò)是表示所有的操作都發(fā)生在一個(gè)I/O周期內(nèi)。在t1時(shí)刻，計(jì)算機(jī)檢測(cè)nWait信號(hào)，如果nWait為低，表明外設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以啟動(dòng)一個(gè)EPP周期了。在t2時(shí)刻，計(jì)算機(jī)把nWrite信號(hào)置為低，表明是寫(xiě)周期，同時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線。在t3時(shí)刻，計(jì)算機(jī)把nDataStrobe信號(hào)置為低電平，表明是數(shù)據(jù)周期。當(dāng)外設(shè)在檢測(cè)到nDataStrobe為低后讀取數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，且在t4時(shí)刻把nWait置為高，表明已經(jīng)讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)可以結(jié)束該EPP周期。在t5和t6時(shí)刻，計(jì)算機(jī)把nDataStrobe和nWrite置為高。這樣，一個(gè)完整的EPP數(shù)據(jù)寫(xiě)周期就完成了。如果就圖1中的nDataStrobe信號(hào)換為nAddStrobe信號(hào)，就是EPP地址寫(xiě)周期。
圖2是EPP地址讀周期。與EPP寫(xiě)周期類似，不同的是nWtrite信號(hào)置為高，表明是讀周期，并且數(shù)據(jù)線由外設(shè)驅(qū)動(dòng)。
從EPP讀、寫(xiě)周期可以看出，EPP模式的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是一個(gè)信號(hào)互鎖的過(guò)程。以EPP寫(xiě)周期為例子，當(dāng)檢測(cè)到nWait為低后，nDataStrobe控制信號(hào)就會(huì)變低，nWait狀態(tài)信號(hào)會(huì)由于nDataStrobe控制信號(hào)的變低為而高。當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)到
nWait狀態(tài)信號(hào)變高后，nDataStrobe控制信號(hào)就會(huì)變高，一個(gè)完整的EPP寫(xiě)周期結(jié)束。因此，EPP數(shù)據(jù)的傳輸以接口最慢的設(shè)備來(lái)進(jìn)行，可以是主機(jī)，也可以是外設(shè)。
1.2EPP增強(qiáng)并口的定義
EPP增強(qiáng)并口模式使用與標(biāo)準(zhǔn)并口（SPP，StandardParalledPort）模式相同的基地址，定義了8個(gè)I/O地址。基地址+0是SPP數(shù)據(jù)口，基地址+1是SPP狀態(tài)口，基地址+2是SPP控制口。這3個(gè)口實(shí)際上就是SPP模式下的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制口，保證了EPP模式和SPP模式的軟硬件兼容性。
基地址+3是EPP地址口。這個(gè)I/O口中寫(xiě)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個(gè)連鎖的EPP地址寫(xiě)周期，從這個(gè)I/O口中讀數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個(gè)連鎖的EPP地址讀周期。在不同的EPP應(yīng)用系統(tǒng)中，EPP地址口可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)為設(shè)備選擇、通道選擇、控制寄存器、狀態(tài)信息等。給EPP應(yīng)用系統(tǒng)提供了極大的靈活性。
基地址+4是EPP數(shù)據(jù)口。向這個(gè)I/O口中寫(xiě)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個(gè)連鎖的EPP數(shù)據(jù)寫(xiě)周期，從這個(gè)I/O口讀數(shù)據(jù)將產(chǎn)生一個(gè)連鎖的EPP數(shù)據(jù)寫(xiě)周期。基地址+5～+7與基地址+4一起提供對(duì)EPP數(shù)據(jù)口的雙字操作能力。EPP允許主機(jī)在此個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)寫(xiě)1個(gè)32位雙字，EPP電路再把32位雙字拆為個(gè)字節(jié)依次從EPP數(shù)據(jù)口中送出去。也可以用其所長(zhǎng)6位字方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
由于EPP通過(guò)硬件自動(dòng)握手，對(duì)EPP地址口和EPP數(shù)據(jù)口的讀寫(xiě)操作都自動(dòng)產(chǎn)生控制信號(hào)而無(wú)需軟件生成。
2uPSD323X及其開(kāi)發(fā)環(huán)境PSDsoftEXPRESS
ST公司的uPSD323X是帶8032內(nèi)核的Flash可編程系統(tǒng)器件，將于8032MCU、地址鎖存器、Flash、SRAM、PLD等集成在一個(gè)芯片內(nèi)。其主要特點(diǎn)如下：具有在線編程能力和超強(qiáng)的保密功能；2片F(xiàn)lash保存器，1片是128K或者256K的主Flash存儲(chǔ)器，另一片是32K的從Flash存儲(chǔ)器；片內(nèi)8K的SDRAM；可編程的地址解碼電路（DPLD），使存儲(chǔ)器地址可以映射到8032尋址范圍內(nèi)的任何空間；帶有16位宏單元的3000門(mén)可編程邏輯電路（CPLD），可以實(shí)現(xiàn)EPP接口等及一些不太復(fù)雜的接口和控制功能；2個(gè)異步串口、I2C接口、USB接口、5通道脈沖寬度調(diào)節(jié)器、50個(gè)I/O引腳等。由于uPSD323X采用的是8032內(nèi)核，因此可以完全得到KeilC51編程器的PSDsoftEXPRESS是ST公司針對(duì)PSD系列產(chǎn)品（包括uPSD）開(kāi)發(fā)的基于Windows平臺(tái)的一套軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。經(jīng)過(guò)不斷升級(jí)，目前最新版是PSDsoftEXPRESS7.9。它提供非常容易的點(diǎn)擊設(shè)計(jì)窗口環(huán)境用戶不需要自己編程，也不需要了解HDL語(yǔ)言，只有點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成對(duì)地址鎖存器、Flash、可編程邏輯電路等外設(shè)的所有配置和寫(xiě)入。它支持所有PSD器件的開(kāi)發(fā)，使用PSDsoftEXPRESS工具對(duì)uPSD323X系列器件的可編程邏輯電路的操作簡(jiǎn)單、直觀。PSDsoftEXPRESS工具可以在ST網(wǎng)站（/psd）免費(fèi)下載。
3用uPSD323X實(shí)現(xiàn)EPP接口設(shè)計(jì)
3.1硬件接口
EPP增強(qiáng)并口的速度最高可達(dá)到500KB/s～2MB/s,這對(duì)外設(shè)的接口設(shè)計(jì)提供了一個(gè)很高的要求，如果外設(shè)響應(yīng)太慢，系統(tǒng)的整體性能將大大下降。用戶可編程邏輯器件，系統(tǒng)的整體性能將大大降低。用戶可編程邏輯器件，如FPGA（FieldProgrammableGatesArray,現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）和CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice,復(fù)雜可編程邏輯器件），可以實(shí)現(xiàn)EPP增強(qiáng)并口的接口設(shè)計(jì)，這種實(shí)現(xiàn)方案可以達(dá)到并口中的速度極限，并且保密性好。ST公司的uPSD323X內(nèi)部集成了可編程邏輯電路（CPLD），因此使用uPSD323X可以很好地實(shí)現(xiàn)EPP增強(qiáng)并口的接口設(shè)計(jì)。
EPP接口（EPP1.7）外設(shè)硬件接口原理如圖3所示。在本設(shè)計(jì)中，uPSD323X通過(guò)中斷的方式接收PC機(jī)并口的數(shù)據(jù)，并且當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)時(shí)，PC機(jī)采用的也是中斷方式接收外設(shè)的數(shù)據(jù)。
在上述硬件電路的基于上實(shí)現(xiàn)EPP并口通信還需做兩部分的工作：一部分工作是在PSDsoftEXPRESS工具中完成對(duì)CPLD的數(shù)據(jù)的鎖存；另一部分工作是在KEILC51環(huán)境下編寫(xiě)中斷服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)EPP數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送。
圖3
3．2對(duì)CPLD的編程及其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存的過(guò)程
在PSDsoftEXPRESS工具中，將PA端口（EPPD0～EPPD7）配置成帶有時(shí)鐘上升沿觸發(fā)的寄存器類型（PTclockedregister）的輸入宏，PB0（nWait）配置成上升沿觸發(fā)的D類型寄存器（D-typeregister）的輸出宏，PB3（nWrite）、PB4(nDstrb)、PB2(nAstrb)配置成CPLD邏輯輸入（logicinput）口。NDstrb信號(hào)和nAstrb信號(hào)各自取反再相與后的值作為輸入宏單元和輸出宏單元的時(shí)鐘。上述對(duì)PA、PB端口的配置用方程式表示如下：
PORTAEQUATIONS：
=======================
！EPPD7_LD_0=nAstrb&nDstrb;
EPPD0.LD=EPPD3_LD_0.FB;
!EPPD3_LD_0=nAstrb&nDstrb;
EPPD1.LD=EPPD3_LD_0.FB;
!nWait_C_0=nAstrb&nDstrb;
EPPD2.LD=EPPD3_LD_0.FB;
EPPD3.LD=EPPD3_LD_0.FB;
EPPD4.LD=FPPD7_LD_0.FB;
EPPD5.LD=EPPD7_LD_0.FB;
EPPD6.LD=EPPD7_LD_0.FB;
EPPD7.LD=EPPD7_LD_0.FB;
PORTBEQUATIONS:
=======================
nWait.D:=1;
nWait.PR=0;
nWait.C=nWait_C_0.FB;
nWait.OE=1;
nDstrb.LE=1;
nAstrb.LE=1;
EPP數(shù)據(jù)的鎖存過(guò)程如下：以計(jì)算機(jī)向外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)（即EPP數(shù)據(jù)寫(xiě)周期）為例子，計(jì)算機(jī)首先檢測(cè)nWait信號(hào)，如果nWait為低計(jì)算機(jī)把nWrite信號(hào)置為低，表明是寫(xiě)周期，同時(shí)將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，然后置低nDstrb信號(hào)。此時(shí)，nDstrb信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)上升沿，此上升沿會(huì)將PA端口的數(shù)據(jù)鎖存到輸入宏；同時(shí)，此上升沿使nWait信號(hào)變高，表示外設(shè)正忙阻計(jì)算機(jī)發(fā)數(shù)年。當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)到nWait信號(hào)為高后就會(huì)將數(shù)據(jù)握手信號(hào)nDstrb變高，EPP數(shù)據(jù)寫(xiě)周期結(jié)束。上述EPP數(shù)據(jù)的鎖存和nWait握手信號(hào)的產(chǎn)生都由硬件產(chǎn)生，因此數(shù)據(jù)傳輸速度快。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程可以在一個(gè)I/O周期內(nèi)完成，鎖存到輸入宏的數(shù)據(jù)的讀取和nWait信號(hào)的清除則在外部中斷0服務(wù)程序軟件完成。
3．3中斷服務(wù)程序的功能描述及流程
由硬件原理圖可以看出，EPP并口的nDstrb和nAstrb信號(hào)線分別連到uPSD323X的外部中斷定和外部中斷1引腳。當(dāng)發(fā)生EPP數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)，nDstrb信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，引起外中斷定中斷。當(dāng)發(fā)生EPP地址讀寫(xiě)時(shí)，nAstrb信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，引起外中斷1中斷。外部中斷0和外部中斷1的中斷服務(wù)程序的功能是相同的，只不過(guò)前者接收或發(fā)送的是數(shù)據(jù)而后者是地址、命令等。以外部中斷0的中斷服務(wù)程序?yàn)槔敿?xì)介紹數(shù)據(jù)正向傳輸（計(jì)算機(jī)向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)）和反向傳輸（外設(shè)向計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)）時(shí)中斷服務(wù)程序的功能。外部中斷0中斷服務(wù)程序流程如圖4所示。
（1）數(shù)據(jù)正向傳輸
當(dāng)發(fā)生EPP數(shù)據(jù)寫(xiě)周期時(shí)，即數(shù)據(jù)正向傳輸時(shí)，計(jì)算機(jī)首先檢測(cè)nWait信號(hào)。如果nWait為低，表示外設(shè)已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)把nWrite信號(hào)置為低，表明是寫(xiě)周期，同時(shí)將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，然后置低nDstrb。NDstrb信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，此下降沿一方面將PA端口的數(shù)據(jù)鎖存到輸入宏并使nWait信號(hào)變高，表示外設(shè)正忙另一方面引起外部中斷0中斷，在外部中斷0的中斷服務(wù)程序中讀取輸入宏鎖存的數(shù)據(jù)，然后將nWait信號(hào)清零通知計(jì)算機(jī)現(xiàn)在外設(shè)已經(jīng)準(zhǔn)備好可以再次接收數(shù)據(jù)了。
（2）數(shù)據(jù)反向傳輸
機(jī)電接口主要就是機(jī)電一體化產(chǎn)品中機(jī)械裝置與控制微機(jī)之間的接口，其是基于機(jī)電一體化而產(chǎn)生的。機(jī)電接口根據(jù)信息傳輸方向的不同，可以分為信息采集接口、輸出接口[1]。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，傳感器是一種較為常用的設(shè)備，在輸出信號(hào)的時(shí)候，一般采用模擬量方式進(jìn)行檢測(cè)，時(shí)刻掌握發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且檢測(cè)差動(dòng)變壓器位置。然而，在輸出控制量的時(shí)候，存在一個(gè)比較特殊的形式，就是數(shù)字系統(tǒng)。機(jī)電接口技術(shù)主要就是研究機(jī)電系統(tǒng)各項(xiàng)組成技術(shù)與子系統(tǒng)連接問(wèn)題的綜合技術(shù)，其主要包括電子技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等，共同構(gòu)成了一個(gè)綜合系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了信息的交互與融合，在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。機(jī)電接口主要是由硬件與軟件共同構(gòu)成，在機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行中，與環(huán)境及操作者之間成立一種有效連接，在物理通道中展開(kāi)信息與能量的輸入、轉(zhuǎn)換及傳輸。在信息轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，需要進(jìn)行有效的交互與調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化技術(shù)的協(xié)調(diào)與綜合，保證各系統(tǒng)的有效運(yùn)行，充分發(fā)揮系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工作目標(biāo)。
（二）分類
目前，機(jī)電接口主要包括以下幾種：智能接口、動(dòng)力接口、機(jī)電接口、人機(jī)接口[2]。智能接口應(yīng)用較為復(fù)雜，不同技術(shù)形式產(chǎn)生的信息形式也不同，并且在使用過(guò)程中，可以根據(jù)不同要求展開(kāi)相應(yīng)的改變。在各種信息轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)倪^(guò)程中，智能接口可以確保不同技術(shù)與子系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)。動(dòng)力接口可以有效連接動(dòng)力源與機(jī)電系統(tǒng)，之后給予機(jī)電系統(tǒng)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。在機(jī)電系統(tǒng)中，動(dòng)力類型有很多種，主要包括直流電、交流電、液壓等，在系統(tǒng)中運(yùn)用不同動(dòng)力類型的時(shí)候，需要選用不同的接口形式，確保系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。機(jī)電接口的作用就是實(shí)現(xiàn)各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有效連接，并且將驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成執(zhí)行信號(hào)，在轉(zhuǎn)變的過(guò)程中滿足傳感器運(yùn)行要求。人機(jī)接口是機(jī)電系統(tǒng)與操作者之間存在的接口，通過(guò)這一接口，可以在操作者眼前呈現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并且有效監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)人性化操作目標(biāo)。
二、機(jī)電一體化發(fā)展及其發(fā)展趨勢(shì)
（一）機(jī)電接口技術(shù)對(duì)機(jī)電一體化發(fā)展的影響
近些年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對(duì)一些事物的要求也在明顯提高。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開(kāi)科學(xué)技術(shù)水平的提高，傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的技術(shù)需求，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)與完善。從而在此形勢(shì)下，機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其主要包括電子技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等，充分滿足了現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的技術(shù)要求。在機(jī)電一體化技術(shù)初始發(fā)展中，只是將電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)進(jìn)行融合，接口十分簡(jiǎn)單、便捷[3]。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，機(jī)電一體化技術(shù)水平也在不斷提升。目前，機(jī)電一體化技術(shù)不再是簡(jiǎn)單的機(jī)電一體化產(chǎn)品，逐漸形成了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其系統(tǒng)內(nèi)部接口也日益復(fù)雜?，F(xiàn)階段，機(jī)電一體化技術(shù)研究越來(lái)越深入、成熟，然而，簡(jiǎn)單的技術(shù)研究已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求，需要充分重視其復(fù)雜性研究。針對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)而言，其復(fù)雜性較強(qiáng)，如果只是單純研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其集成理論，根本無(wú)法充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的作用，為此，需要加深對(duì)機(jī)電接口技術(shù)的研究，在設(shè)計(jì)方面，加強(qiáng)對(duì)有關(guān)理論的融合，確保機(jī)電一體化系統(tǒng)的全面實(shí)施。在機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，越來(lái)越向智能化、系統(tǒng)化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，其系統(tǒng)內(nèi)部接口要求越來(lái)越高，不僅要確保接口技術(shù)與系統(tǒng)技術(shù)的有效融合，還要確保信息傳輸?shù)捻槙场?/p>
（二）機(jī)電一體化發(fā)展歷程及趨勢(shì)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過(guò)微機(jī)COM端口的RS-232串行通訊及通過(guò)微機(jī)并行端口的并行通訊具有開(kāi)發(fā)使用方便的特點(diǎn)，前者可與工作于11.0592MHz晶振下的8052單片機(jī)在波特率115200時(shí)，實(shí)現(xiàn)10ksps(samplespersecond)的連續(xù)數(shù)據(jù)采集和傳輸而不丟失數(shù)據(jù)，若要達(dá)到更高速率的數(shù)據(jù)采集，可以通過(guò)并行口通訊方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前微機(jī)均可通過(guò)配置CMOS，將基地址為378H的并行口設(shè)置為EPP模式以支持通過(guò)數(shù)據(jù)口雙向傳輸通訊，并由芯片硬件自動(dòng)產(chǎn)生握手信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高速傳輸?shù)哪康摹?/p>
為充分實(shí)現(xiàn)EPP模式的高速特性，外設(shè)應(yīng)當(dāng)及時(shí)響應(yīng)EPP的握手信號(hào)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作于非實(shí)時(shí)多任務(wù)的WIN98操作系統(tǒng)環(huán)境下，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、均勻性采樣，還需要在外設(shè)配置必要的數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器。如果數(shù)據(jù)采集速率低于EPP模式數(shù)據(jù)讀入平均速率，就可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連貫有效性。有資料[1]說(shuō)明在EPP模式，可實(shí)現(xiàn)500kBytes/s以上的傳輸速率，這表明通過(guò)EPP模式，可以實(shí)現(xiàn)500ksps的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)EPP模式的深入實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)500ksps，外設(shè)硬件及微機(jī)軟件程序均要采取一些策略：硬件上必須配置FIFO數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器，才能協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集嚴(yán)格的時(shí)間間隔要求與數(shù)據(jù)傳輸給微機(jī)的非實(shí)時(shí)、非均勻性之間的矛盾；軟件程序方面應(yīng)當(dāng)采取雙字讀的方法，否則EPP模式下僅能實(shí)現(xiàn)250kBytes/s數(shù)據(jù)讀取可行性。
1EPP模式讀取速率的實(shí)驗(yàn)分析
圖1為實(shí)驗(yàn)EPP模式讀取速率的電路，實(shí)驗(yàn)程序?yàn)?/p>
Delphi結(jié)合內(nèi)嵌匯編語(yǔ)言，涉及EPP讀取的關(guān)鍵代碼如下：
FUNCTIONREADDATA:BYTE;
VAR
STARTTIME,STOPTIME,DELAY:INT64;
NUMBER:LONGWORD;
QUERYPERFORMANCECOUNTER(STARTTIME);
FORNUMBER:=0TO999999DO
BEGIN
ASM
MOVDX,$37C
INAL,DX
MOVRESULT,AL
END;
END;
QUERYPERFORMANCECOUNTER(STOPTIME);
DELAY:=STOPTTIME-STARTTIME;
END;
此為循環(huán)1000000次讀取EPP數(shù)據(jù)口程序，循環(huán)僅為方便用計(jì)時(shí)及示波器觀察而設(shè)，并在執(zhí)行前后分別讀取系統(tǒng)計(jì)數(shù)值，DELAY值除以1.2后為執(zhí)行花費(fèi)的時(shí)間（單位為微秒），執(zhí)行前先通過(guò)對(duì)地址379H的D0位寫(xiě)入高，使該位為低（注意：對(duì)該位寫(xiě)入低通常不能達(dá)到使該位變?yōu)榈偷哪康模挥胁扇?xiě)入高才能使該位變?yōu)榈停?，以清除EPP超時(shí)位，當(dāng)A、B點(diǎn)均為低時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最快的EPP握手，若A為高、B為低時(shí)，由于EPP周期開(kāi)始時(shí)滿足WAIT為低的要求，EPP自動(dòng)在DATASTB處輸出低，但因WAIT沒(méi)有出現(xiàn)表示應(yīng)答的高狀態(tài)，EPP在延時(shí)10μs后，將DATASTB恢復(fù)為高以結(jié)束該次EPP訪問(wèn)過(guò)程，并置超時(shí)位。稍后因WAIT為低再次開(kāi)始一次EPP訪問(wèn)過(guò)程，如果B為高，則WAIT為高，不能滿足EPP的開(kāi)始條件，故DATASTB保持為高，EPP在延時(shí)10μs后結(jié)束該次EPP訪問(wèn)過(guò)程，并置超時(shí)位。在發(fā)生超時(shí)情況下，數(shù)據(jù)仍然可正確讀入
(這一特性與筆者所查資料[1]有出入)，此結(jié)論可通過(guò)對(duì)比循環(huán)前后時(shí)間差來(lái)及實(shí)際讀入數(shù)據(jù)值證實(shí)。
注意程序循環(huán)中并未執(zhí)行清除EPP超時(shí)位的指令，根據(jù)筆者實(shí)驗(yàn)，即使已發(fā)生EPP訪問(wèn)超時(shí)，也不影響下一次的EPP讀周期（包括對(duì)37BH的地址讀及對(duì)37CH的數(shù)據(jù)讀），但超時(shí)對(duì)EPP寫(xiě)周期有影響，在清除超時(shí)位之前，EPP寫(xiě)周期無(wú)效（因本文不涉及EPP寫(xiě)周期的內(nèi)容，此處不再展開(kāi)探討）。在圖2所示意波形中，當(dāng)有正確握手的EPP讀周期執(zhí)行時(shí)間約為1.5μs，此時(shí)間是字節(jié)模式下一次有效EPP訪問(wèn)所需最短時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，“INAL，DX”這一條指令占據(jù)了約90%以上的訪問(wèn)時(shí)間，驗(yàn)證此點(diǎn)僅需臨時(shí)屏蔽“INAL，DX”指令，并比較所花費(fèi)的時(shí)間差別即可。1.5μs相當(dāng)于接近700kBytes/s的數(shù)據(jù)讀速率。如果以“INEAX，DX”替代“INAL，DX”指令，可以充分利用EPP模式下硬件將4個(gè)8位數(shù)自動(dòng)合并為1個(gè)32位數(shù)的特性，在一次I/O訪問(wèn)中由硬件自動(dòng)產(chǎn)生4個(gè)DATASTB負(fù)脈沖從而實(shí)現(xiàn)4個(gè)字節(jié)的輸入。因?yàn)橐淮巫止?jié)模式的I/O訪問(wèn)所費(fèi)時(shí)大約間需要1.5μs，減少這類指令的執(zhí)行次數(shù)有利于實(shí)現(xiàn)更高速的EPP訪問(wèn)過(guò)程，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以4字節(jié)方式訪問(wèn)的EPP過(guò)程可以在3.2μs內(nèi)讀取一次，即平均每字節(jié)需0.8μs，相當(dāng)于1.2MBytes/s，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果是基于外設(shè)可以連續(xù)不斷的輸送數(shù)據(jù)理想前提，實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸，可得到的速率要低于該值。
2WIN98下高速EPP接口的構(gòu)成
在WIN98環(huán)境下，由于非實(shí)時(shí)多任務(wù)的特性，運(yùn)行于RING3的應(yīng)用程序頻繁作系統(tǒng)打斷，這決定了靠軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻的數(shù)據(jù)采樣，只有在硬件上配置數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器并及時(shí)傳入微機(jī)以免數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器溢出。只要保證一定深度的數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器，且滿足數(shù)據(jù)傳輸平均速率大于數(shù)據(jù)采樣速率，就能將所采集的數(shù)據(jù)傳入微機(jī)的大容量?jī)?nèi)存，以備處理。在硬件構(gòu)成方面，為以較低代價(jià)獲得大容量的FIFO數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器，采取CPLD器件結(jié)合512KB的SRAM方式，實(shí)現(xiàn)，由CPLD器件完成讀寫(xiě)控制的FIFO特性及EPP模式的應(yīng)答握手信號(hào)。接口結(jié)構(gòu)及CPLD內(nèi)部功能模塊見(jiàn)圖3所示，數(shù)據(jù)在CPLD控制下，以2μs的固定速率存入SRAM環(huán)狀連續(xù)增量地址，因?yàn)镋PP模式讀取速率與數(shù)據(jù)采樣的固定速率是異步的，控制邏輯為保證2μs的固定采樣速率，當(dāng)采樣時(shí)間點(diǎn)到達(dá)時(shí)，不論當(dāng)前是否處于EPP應(yīng)答處理期間，優(yōu)先執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣，因?yàn)樘幚硎窃谙到y(tǒng)時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下的硬件行為，僅存在固定的傳輸延時(shí)，故兩次采樣間隔是嚴(yán)格保證的。
EPP模式的讀取平均速率必須高于數(shù)據(jù)采樣速率，一旦FIFO數(shù)據(jù)讀空必須讓微機(jī)正確處理，由前述實(shí)驗(yàn)可知，每次字節(jié)方式I/O執(zhí)行時(shí)間約為1.5μs，如果通過(guò)在EPP的狀態(tài)口（379H）的保留位輸入代表FIFO讀空的信號(hào)，則每完整讀取均要執(zhí)行兩次I/O指令：EPP數(shù)據(jù)讀及EPP狀態(tài)讀，至少需3μs完成讀取一個(gè)字節(jié)，這也是通常方式能達(dá)到的最快有效讀取速率。當(dāng)采用雙字讀讀及EPP狀態(tài)讀的方式時(shí)，需4.8μs完成4個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)讀取，但此方式需要處理的一個(gè)問(wèn)題：由于雙字方式EPP數(shù)據(jù)讀由硬件自動(dòng)產(chǎn)生4個(gè)EPP數(shù)據(jù)讀周期，當(dāng)其執(zhí)行完畢，執(zhí)行EPP狀態(tài)讀發(fā)現(xiàn)FIFO已空，微機(jī)軟件無(wú)法判別在從第幾個(gè)EPP數(shù)據(jù)讀周期開(kāi)始FIFO為空，從而影響對(duì)數(shù)據(jù)隊(duì)列的正確排序，故CPLD邏輯應(yīng)當(dāng)在FIFO隊(duì)列還有至少4個(gè)未讀數(shù)據(jù)時(shí)必須發(fā)出讀空信號(hào)，微機(jī)程序應(yīng)當(dāng)在每次EPP開(kāi)始前執(zhí)行讀取狀態(tài)口的指令，以決定是否可以開(kāi)始EPP數(shù)據(jù)讀周期，從上分析可以看出為實(shí)現(xiàn)有效的EPP數(shù)據(jù)讀取，平均每字節(jié)至少需要1.2μs，即可
以獲得最快約800kBytes/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。因500ksps的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)速率僅略低于800kBytes/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，考慮WIN98工作環(huán)境，配置大容量的FIFO十分必要，采用大容量SRAM與CPLD器件構(gòu)成FIFO，具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)使用VHDL的行為描述，經(jīng)CPLD器件開(kāi)發(fā)軟件的編譯、綜合、仿真、適配、下載，實(shí)現(xiàn)所需要的控制邏輯。根據(jù)設(shè)計(jì)，當(dāng)數(shù)據(jù)鎖存輸出的下一個(gè)時(shí)鐘脈沖（即83ns后）,WAIT將輸出為高電平，EPP在此時(shí)讀取數(shù)據(jù)口信號(hào)，如果不采用外部緩沖驅(qū)動(dòng)器，數(shù)據(jù)上升過(guò)程將耗時(shí)80ns,對(duì)EPP數(shù)據(jù)接收可靠性有不容忽視的影響，為減小電纜電容的影響，數(shù)據(jù)輸出使用了74ALS574芯片作緩沖，其高電平輸出能力達(dá)15mA,是ispLSI1032高電平輸出能力的3.5倍，在電纜電容有100pF時(shí)，23ns可達(dá)到3.5V的邏輯高電平，保證數(shù)據(jù)接收可靠性。
1USB協(xié)議和芯片選擇
理解好USB協(xié)議是USB系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的第一步。USB協(xié)議版本包括1.0、1.1和2.0，USBOTG是對(duì)2.0版本協(xié)議的補(bǔ)充。雖然USB協(xié)議內(nèi)容繁多且復(fù)雜，然而，對(duì)USB開(kāi)發(fā)影響較大的卻只是少數(shù)部分，以下對(duì)協(xié)議版本1.1[1]中這些部分進(jìn)行介紹。
1.1USB協(xié)議
一般，每個(gè)USB設(shè)備由一個(gè)或多個(gè)配置（Configuration）控制其行為。使用多配置原因是對(duì)操作系統(tǒng)的支持；一個(gè)配置由接口（Interface）組成；接口則是由管道（Pipe）組成；管道與USB設(shè)備的端點(diǎn)（Endpoint）對(duì)應(yīng)，一個(gè)端點(diǎn)可以配置為輸入輸出兩個(gè)管道。在固件編程中，USB設(shè)備、配置、接口和管道都用描述符報(bào)告其屬性。
圖1為USB多層次通信模型。端點(diǎn)0默認(rèn)配置為控制管道，用來(lái)完成所規(guī)定的設(shè)備請(qǐng)求(USB協(xié)議第九章)。其它端點(diǎn)可配置為數(shù)據(jù)管道。對(duì)開(kāi)發(fā)而言，主要的大數(shù)據(jù)傳輸都是通過(guò)數(shù)據(jù)管道完成的[2]。
USB傳輸類型包括批量傳輸、等時(shí)傳輸、中斷傳輸和控制傳輸，每種傳輸類型的傳輸速度、可靠性以及應(yīng)用范圍都不同[3]?？刂苽鬏斂煽啃允亲罡叩?，但速度最慢；等時(shí)傳輸速度快，滿足實(shí)時(shí)性，但可靠性低。在具體應(yīng)用中，端點(diǎn)傳輸類型可根據(jù)傳輸速度和可靠性選擇。
在USB通信協(xié)議中，主機(jī)取得絕對(duì)主動(dòng)權(quán)利，設(shè)備只能是“聽(tīng)命令行事”，通過(guò)一定的命令格式（設(shè)備請(qǐng)求）完成通信。USB設(shè)備請(qǐng)求包括標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求、廠商請(qǐng)求和設(shè)備類請(qǐng)求。設(shè)備的枚舉是標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求命令完成的；廠商請(qǐng)求是用戶定義的請(qǐng)求；設(shè)備類請(qǐng)求是特定的USB設(shè)備類發(fā)出的請(qǐng)求，例如海量?jī)?chǔ)存類、打印機(jī)類和HID（人機(jī)接口）類。固件編程中設(shè)備請(qǐng)求必須遵循一定的格式，包括請(qǐng)求類型、設(shè)備請(qǐng)求、值、索引和長(zhǎng)度。
1．2USB接口芯片選擇
USB接口芯片的類型有：
（1）按傳輸速度的高低：低速（1．5Mbps）和全速(12Mbps)可選USB1．1接口芯片，例如Philips公司的PDIUSBD12和Cypress公司的EZ－USB2100系列；高速（480Mbps）可選USB2．0接口芯片，例如Philips公司的ISP1581和Cypress公司的CY7C68013。
（2）是否帶MCU（微控制器）：一般Philips公司的都不帶MCU，Cypress公司大多都帶，例如AN2131。
（3）是否帶主控器功能：不需要主機(jī)參與，主從設(shè)備間可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，芯片有Philips公司的ISP1301和Cypress公司的SL811HS等。
還有專門(mén)用途USB芯片，例如閃存專用芯片IC1114。工程中用戶可根據(jù)自己的需求選擇一款性價(jià)比高的芯片。另外可用開(kāi)發(fā)資源也是要考慮的重要方面，例如開(kāi)發(fā)板和芯片廠商提供的網(wǎng)上資源，可大大降低開(kāi)發(fā)的難度。
2基于USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介
該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)16路溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。主要包括8個(gè)組成部分：中央處理器選用AT89C52芯片，完成各部分控制功能和USB傳輸協(xié)議；實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄當(dāng)前測(cè)量溫度的時(shí)間；溫度傳感器和接口電路主要完成溫度采集，并讀入MCU處理；復(fù)位電路完成對(duì)MCU的上電復(fù)位和電源電壓監(jiān)視；看門(mén)狗電路用來(lái)監(jiān)視MCU是否工作；存儲(chǔ)電路主要存儲(chǔ)采集到的溫度數(shù)據(jù)以及采集的實(shí)時(shí)時(shí)間；電源電路主要為各部分提供要求的電源；外設(shè)與主機(jī)間的通信電路采用USB接口。
2.2接口芯片選擇
接口電路采用Philips公司的PDIUSBD12[4]（以下簡(jiǎn)稱為D12）芯片。主要因?yàn)镈12芯片信息、開(kāi)發(fā)資源豐富，具有較高的性價(jià)比。
D12芯片的主要特點(diǎn)包括：
·符合USB1．1版本規(guī)范；
·可與任何外部微控制器／微處理器實(shí)現(xiàn)高速并行接口(2MB／s)；
·采用GoodLink技術(shù)的連接指示器，在通信時(shí)使LED閃爍；
·主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；
·在批量和等時(shí)模式下均可實(shí)現(xiàn)1MB／s的數(shù)據(jù)傳輸率；
·完全自治的直接內(nèi)存存取DMA操作。
2．3接口硬件設(shè)計(jì)
由D12接口組成的通信電路原理如圖3所示。關(guān)于D12的各引腳說(shuō)明見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。多路地址／數(shù)據(jù)總線ALE接單片機(jī)的ALE腳，這樣使用MOVX指令可以與D12接口，對(duì)D12操作就象對(duì)RAM操作一樣，此時(shí)忽略A0（命令口和數(shù)據(jù)口地址線）的輸入。因?yàn)闆](méi)有使用DMA傳輸方式，所以沒(méi)有用到DMACK＿N、EOT＿N和DMREQ＿NDMA引腳。INT＿N是USB中斷請(qǐng)求腳，發(fā)出USB中斷請(qǐng)求；GL＿N是GoodLink指示燈，在調(diào)試過(guò)程中非常有用，在通信時(shí)會(huì)不停閃爍。如果一直亮或者一直暗，表示USB接口有問(wèn)題，如果D12掛起，則LED關(guān)閉。CLKOUT是D12的時(shí)鐘輸出，可以通過(guò)固件編程改變其頻率，在調(diào)試固件時(shí)，可作為參考。
2．4接口程序設(shè)計(jì)
USB接口程序設(shè)計(jì)是USB開(kāi)發(fā)的核心。USB接口程序設(shè)計(jì)包括三部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序開(kāi)發(fā)、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、主機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。三者互相配合，才能完成可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。
2．4．1單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
單片機(jī)程序（又稱固件）采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要模塊包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)通信模塊。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、可讀性好、升級(jí)簡(jiǎn)單。
通信模塊固件結(jié)構(gòu)如圖4所示。主循環(huán)和中斷服務(wù)程序之間的數(shù)據(jù)交換可通過(guò)事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖實(shí)現(xiàn)。圖3中USB中斷引腳INT＿N發(fā)出中斷請(qǐng)求，中斷服務(wù)程序根據(jù)中斷請(qǐng)求類型操作，設(shè)置事件和填充數(shù)據(jù)緩沖區(qū)再傳輸給主循環(huán)；標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求程序是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求進(jìn)行處理；用戶可以根據(jù)實(shí)際需要編寫(xiě)廠商請(qǐng)求，例如發(fā)出啟動(dòng)或停止數(shù)據(jù)采集命令。
圖3USB接口連接示意圖
2．4．2驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工具有DDK和第三方開(kāi)發(fā)工具。其中DDK開(kāi)發(fā)難度最大，第三方開(kāi)發(fā)工具有DriverStudio和Windriver等。DriverStudio難度適中，而Windriver則屬于應(yīng)用層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，難度小，但效率低，并存在問(wèn)題。
DDK驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工作包括：開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)置（VC編譯環(huán)境）[5]、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[6]、安裝文件（INF文件）設(shè)計(jì)。
驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用WDM（WindowsDriveMode）。WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了一個(gè)參考框架，大大降低了由DDK書(shū)寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序帶來(lái)的難度。
D12驅(qū)動(dòng)使用的例程包括：DriverEntry、AddDevice、DispatchPnp、DispatchRead、DispatchWrite和DispatchDeviceControl例程，以下是D12的WDM驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)：
DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿CREATE]＝D12＿Create;
DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿CLOSE]＝D12＿Close;
DriverObject－＞DriverUnload＝D12＿Unload;
DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿DEVICE＿CONTROL;
＝D12＿ProcessIOCTL;
DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿WRITE]＝D12＿Write;
DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿READ]＝D12＿Read;
DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿SYSTEM＿CONTROL;
DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿PNP]＝D12＿Dispatch;
DriverObject－＞MajorFunction[IRP＿M(jìn)J＿POWER]＝D12＿Process－PowerIrp;
DriverObject－＞DriverExtension－＞AddDevice＝D12＿PnPAddDevice;
驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序和硬件之間通信都是IRP（I／O請(qǐng)求包）完成的。IRP＿M(jìn)J＿PNP主要是實(shí)現(xiàn)USB即插即用，例如設(shè)備的添加、刪除和資源的分配；IRP＿M(jìn)J＿POWER實(shí)現(xiàn)電源管理，例如設(shè)備的掛起和喚醒；IRP＿M(jìn)J＿CREATE(創(chuàng)建)、IRP＿M(jìn)J＿CLOSE(關(guān)閉)、IRP＿M(jìn)J＿
DEVICE＿CONTROL（設(shè)備控制）、IRP＿M(jìn)J＿WRITE（讀）和IRP＿M(jìn)J＿READ?穴寫(xiě)?雪是主要完成數(shù)據(jù)通信的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)管道的創(chuàng)建、關(guān)閉和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。其中設(shè)備控制具有輸入輸出緩沖區(qū)，可實(shí)現(xiàn)讀和寫(xiě)功能；AddDevice和DriverUnload實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理，在設(shè)備添加和卸載時(shí)，創(chuàng)建和刪除設(shè)備，以及管理資源分配。
驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)安裝文件（．inf文件）中PID(產(chǎn)品識(shí)別號(hào))和VID（廠商識(shí)別號(hào)）識(shí)別USB設(shè)備。
2．4．3應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
主機(jī)應(yīng)用程序的編寫(xiě)使用VC編譯環(huán)境中的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)用程序的編程方法與串口編程類似。首先必須查找設(shè)備，打開(kāi)設(shè)備的句柄；然后進(jìn)行讀寫(xiě)和控制操作；最后是關(guān)閉設(shè)備句柄。為了提高效率，可使用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)。
應(yīng)用程序通過(guò)GUID(注冊(cè)表驅(qū)動(dòng)唯一識(shí)別號(hào))查找驅(qū)動(dòng)程序。
2．5調(diào)試
首先是固件調(diào)試，可用仿真機(jī)完成，驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工具Windriver也是很好的固件調(diào)試工具，例如測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求、廠商請(qǐng)求和管道讀寫(xiě)。其次是驅(qū)動(dòng)調(diào)試，這是USB接口開(kāi)發(fā)最困難的部分，調(diào)試工具可用DriverStudio中Softice工具和文獻(xiàn)[6]中DebugPrint跟蹤工具，監(jiān)視工具BusHound可監(jiān)視USB的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸情況。需要注意的是，驅(qū)動(dòng)調(diào)試必須在應(yīng)用程序正確調(diào)用的前提下。
2單邊通信協(xié)議
根據(jù)蟲(chóng)孔（Wormhole）交換策略［5］，一個(gè)數(shù)據(jù)包被劃分為若干個(gè)微片（flit），其中位于數(shù)據(jù)包最前端和最尾端的微片分別被稱為頭微片（headflit，HF）和尾微片（tailflit，TF），中間部分的微片則被稱為體微片（bodyflit，BF），這三種微片可進(jìn)一步通過(guò)微片類型編碼進(jìn)行區(qū)分。數(shù)據(jù)包的頭微片主要包含相關(guān)的路由信息，如源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（src＿x和src＿y）、目的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（dst＿x和dst＿y），以及數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、冗余校驗(yàn)碼等信息，尾微片和體微片則包含了具體待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。此外，在具有多個(gè)虛通道的片上網(wǎng)絡(luò)中，微片中還包含了其所屬的虛通道號(hào)（vcid），以使不同數(shù)據(jù)包的微片可以在數(shù)據(jù)鏈路上混合傳輸，從而提高數(shù)據(jù)鏈路的帶寬利用率。為了減少處理器的干預(yù)、提高數(shù)據(jù)傳輸效率，本文對(duì)片上網(wǎng)絡(luò)采用單邊通信協(xié)議，其主要思想是在數(shù)據(jù)包中顯式地包含數(shù)據(jù)的目的地址。圖2示意了本文使用的數(shù)據(jù)包格式：一個(gè)數(shù)據(jù)包由至多16個(gè)微片組成，每個(gè)微片的數(shù)據(jù)負(fù)荷為32位；第一個(gè)微片為頭微片，包含了路由信息及數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度信息；第二個(gè)微片包含了一個(gè)32位的目的地址，該地址指定了后續(xù)數(shù)據(jù)在目的節(jié)點(diǎn)中應(yīng)被存放的位置；后續(xù)微片則包含了具體傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這種將目的地址包含在數(shù)據(jù)包中的單邊通信方式使網(wǎng)絡(luò)接口能直接將接收到的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，而無(wú)需處理器進(jìn)行干預(yù)，因此有助于提升網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)接收能力。
3網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)接口（NI）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收工作，是處理單元與片上網(wǎng)絡(luò)通信的接口。一方面，NI監(jiān)聽(tīng)從網(wǎng)絡(luò)到達(dá)該節(jié)點(diǎn)的微片，組裝成完整的數(shù)據(jù)包，然后通知DMA控制器根據(jù)接收到的目的地址將數(shù)據(jù)存放到存儲(chǔ)器中；另一方面，NI從處理器接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包后傳入片上網(wǎng)絡(luò)。因此，NI的處理器端和網(wǎng)絡(luò)端需分別滿足嵌入式總線協(xié)議（本文采用AHB總線［6］）和基于信用量（credit）的流控協(xié)議。以具有兩個(gè)虛通道（分別用VC0和VC1表示）的片上網(wǎng)絡(luò)為例，圖3示意了本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)，其中上半部為網(wǎng)絡(luò)接收部分，下半部為網(wǎng)絡(luò)發(fā)送部分。在網(wǎng)絡(luò)接收部分，每個(gè)虛通道都對(duì)應(yīng)了一個(gè)接收隊(duì)列、數(shù)據(jù)包隊(duì)列、目的地址寄存器和DMA寫(xiě)控制器（wDMA）。數(shù)據(jù)包的解析和接收是由接收控制狀態(tài)機(jī)和wDMA控制器協(xié)同實(shí)現(xiàn)的，圖4示意了兩者的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系與協(xié)同工作方式。一方面，接收控制狀態(tài)機(jī)對(duì)接收隊(duì)列中的微片進(jìn)行解析，剝離vcid和微片類型等信息后，將有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)包隊(duì)列；接收控制狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包后，就通知相關(guān)的wDMA控制器直接將接收到的數(shù)據(jù)搬移到存儲(chǔ)器中。另一方面，DMA寫(xiě)控制器（wDMA）接收到DMA傳輸請(qǐng)求之后，首先從數(shù)據(jù)包隊(duì)列中讀取出第一個(gè)微片，并將其記錄為后續(xù)數(shù)據(jù)的目的地址；然后，wDMA控制器向AHB仲裁器發(fā)送總線請(qǐng)求信號(hào)，申請(qǐng)對(duì)總線的所有權(quán)；接下來(lái)，wDMA控制器發(fā)起AHB總線傳輸操作，將數(shù)據(jù)包隊(duì)列中的數(shù)據(jù)按照先前記錄的目的地址連續(xù)地存入存儲(chǔ)器中；等到數(shù)據(jù)包隊(duì)列為空之后，接收控制狀態(tài)機(jī)和wDMA控制器均返回空閑狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)送部分，處理器將待發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址（針對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)而言）和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寫(xiě)入相關(guān)的DMA讀控制器（rDMA）中，再由rDMA將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器搬移到發(fā)送端的數(shù)據(jù)包隊(duì)列。發(fā)送控制狀態(tài)機(jī)再將數(shù)據(jù)包的目的地址（針對(duì)目的節(jié)點(diǎn)而言）與數(shù)據(jù)包隊(duì)列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包后傳入網(wǎng)絡(luò)。另外，由于VC0和VC1可能同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包，因此在發(fā)送控制狀態(tài)機(jī)中還進(jìn)行了虛通道間的仲裁，仲裁的結(jié)果用于選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。為了簡(jiǎn)化接收控制狀態(tài)機(jī)對(duì)完整數(shù)據(jù)包的探測(cè)過(guò)程，規(guī)定網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度不能大于NI中數(shù)據(jù)包隊(duì)列的深度，以使數(shù)據(jù)包隊(duì)列可以存放一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。在本文中，NI接收部分和發(fā)送部分的數(shù)據(jù)包隊(duì)列深度均被設(shè)置為16，因此網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包最長(zhǎng)不能超過(guò)16個(gè)微片。
4驗(yàn)證及性能分析
4.1驗(yàn)證及測(cè)試環(huán)境為了對(duì)設(shè)計(jì)的片上網(wǎng)絡(luò)傳輸接口進(jìn)行驗(yàn)證及性能測(cè)試，本文將網(wǎng)絡(luò)接口集成到了一個(gè)4×4mesh片上多處理器驗(yàn)證環(huán)境中，圖5示意了該多處理器的結(jié)構(gòu)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為一個(gè)基于AHB總線的小型系統(tǒng)，其中包含了一個(gè)小型RISC處理器（μP）、私有SRAM存儲(chǔ)器、片上網(wǎng)絡(luò)路由器及網(wǎng)絡(luò)接口。為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口的性能進(jìn)行對(duì)比分析，本文選取了并行FFT計(jì)算［7～10］作為應(yīng)用案例來(lái)對(duì)該16核系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。其中，測(cè)試組采用本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)接口間的搬移采用DMA方式實(shí)現(xiàn)；而對(duì)比組采用非DMA操作的網(wǎng)絡(luò)接口，數(shù)據(jù)的搬移是以中斷的方式通知處理器μP干預(yù)實(shí)現(xiàn)。
4.2案例測(cè)試圖6給出了在16核系統(tǒng)中進(jìn)行單精度浮點(diǎn)FFT計(jì)算的結(jié)果，其中橫軸表示輸入序列長(zhǎng)度的對(duì)數(shù)，縱軸為計(jì)算過(guò)程所消耗的時(shí)鐘周期。從圖5可以看出，對(duì)比采用CPU干預(yù)型網(wǎng)絡(luò)接口的16核系統(tǒng)，采用DMA傳輸型網(wǎng)絡(luò)接口的16核系統(tǒng)具備了更高的并行計(jì)算性能。當(dāng)FFT序列長(zhǎng)度為1024時(shí)，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口使FFT計(jì)算耗時(shí)降低了20％左右，且隨著FFT序列長(zhǎng)度的增加，DMA傳輸型網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)16核系統(tǒng)并行計(jì)算性能的提升更加明顯。導(dǎo)致FFT計(jì)算性能提升的原因主要有兩點(diǎn)。1）由于本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口通過(guò)DMA方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)負(fù)荷的搬移，而非通過(guò)CPU進(jìn)行顯式的搬移，因此縮減了數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收延時(shí)，減低了處理器核間通信帶來(lái)的性能損耗；2）網(wǎng)絡(luò)接口采用的DMA傳輸方式減少了CPU對(duì)數(shù)據(jù)包的干預(yù)，使得CPU能更加專注地進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，因此應(yīng)用程序的并行計(jì)算性能得到了提升。
《微機(jī)原理與接口技術(shù)》是高職高專計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)必修的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是一門(mén)實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。經(jīng)過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)兩方面的教學(xué)，使學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理，匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的基本方法，微機(jī)系統(tǒng)與輸入輸出設(shè)備的典型接口電路和接口技術(shù)，并能綜合運(yùn)用軟、硬件技術(shù)分析實(shí)際問(wèn)題?！段C(jī)原理與接口技術(shù)》這門(mén)課程的學(xué)習(xí)涉及到很多先行課程，比如《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電路》等，這些課程的學(xué)習(xí)效果往往對(duì)本課程的學(xué)習(xí)有一定影響，加之本課程的教學(xué)內(nèi)容較多，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間相互交叉又造成理解上的困難，需要學(xué)生記憶的內(nèi)容太多，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)起來(lái)較困難，從而失去了學(xué)習(xí)的信心，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。針對(duì)這樣的現(xiàn)狀，作者結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，談?wù)剬?duì)于該課程教學(xué)的思考。
一、讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到該課程的重要性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力及興趣
隨著高校的擴(kuò)招，就業(yè)壓力的增大，學(xué)生密切的關(guān)注所學(xué)的知識(shí)是否能夠促進(jìn)自己未來(lái)的就業(yè)和發(fā)展，高職學(xué)生尤是如此，所以在教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常有學(xué)生提問(wèn)說(shuō)《微機(jī)原理與接口技術(shù)》這門(mén)課程晦澀難懂，學(xué)習(xí)它有什么實(shí)際意義，對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和發(fā)展有什么作用。對(duì)于學(xué)生的提問(wèn)我思考：其實(shí)在教學(xué)過(guò)程中第一節(jié)課是非常關(guān)鍵的，在第一節(jié)課里教師應(yīng)該將本課程的內(nèi)容進(jìn)行整體的介紹并且要告訴學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的意義?！段C(jī)原理與接口技術(shù)》主要講述微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理，匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的基本方法，微機(jī)系統(tǒng)與輸入輸出設(shè)備的典型接口電路和接口技術(shù)三部分內(nèi)容。第一部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)有利于學(xué)生對(duì)微機(jī)工作原理有深入地了解，直接地應(yīng)用在嵌入式計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等方面，掌握它也有利于對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，比如《操作系統(tǒng)》、《編譯原理》等，并且這一部分內(nèi)容中介紹到的計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件的結(jié)構(gòu)又是匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。第二部分介紹的匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)是我們和計(jì)算機(jī)溝通最直接的方式，如果我們想從事計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的工作的話，匯編語(yǔ)言的基礎(chǔ)是必不可缺的，因?yàn)槲覀兊墓ぷ髌脚_(tái)、研究對(duì)象都是機(jī)器，我們通過(guò)匯編語(yǔ)言和機(jī)器交流，尤其在和硬件關(guān)系非常密切的程序或要提高運(yùn)算速度的程序，即使是 C 語(yǔ)言也會(huì)有些力不從心，而匯編語(yǔ)言則能夠很好揚(yáng)長(zhǎng)避短，最大限度地發(fā)揮硬件的性能。由于匯編語(yǔ)言和硬件密切相關(guān)，所以第一部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)一定要打好基礎(chǔ)。第三部分內(nèi)容是一些常用且典型的芯片，使學(xué)生能深層次的理解微機(jī)系統(tǒng)，為以后學(xué)習(xí)其他芯片打下基礎(chǔ)。只有讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到本課程的學(xué)習(xí)確實(shí)能對(duì)自己的就業(yè)和未來(lái)發(fā)展有用，才能激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，提高主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。
二、改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效果
《微機(jī)原理與接口技術(shù)》這門(mén)課程中有一些內(nèi)容確實(shí)比較抽象，難于理解，又有很多知識(shí)點(diǎn)需要學(xué)生記憶，所以光有學(xué)習(xí)的熱情還不夠，正確的學(xué)習(xí)方法才能有事半功倍的學(xué)習(xí)效果。
1、在學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程當(dāng)中，要不斷鼓勵(lì)學(xué)生
《微機(jī)原理與接口技術(shù)》這門(mén)課程會(huì)分章節(jié)講述構(gòu)成微機(jī)的中央處理器，系統(tǒng)總線，存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備和一些典型的接口電路以及它們的工作原理。我們知道微機(jī)是一個(gè)有機(jī)的整體，要講清楚任何一個(gè)部件的工作原理都不可能只單獨(dú)將這一部件拿出來(lái)講，必然涉及到其他新部件，而其他新部件我們還沒(méi)接觸到，所以經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)還沒(méi)講清楚，又出現(xiàn)新的疑問(wèn)，在整個(gè)課程的學(xué)習(xí)當(dāng)中疑問(wèn)會(huì)一直存在，直至該課程結(jié)束，也就是說(shuō)只有到學(xué)期末所有的疑問(wèn)才能搞清楚。還有這門(mén)課中最難的地方在第二章，本章知識(shí)理解起來(lái)困難，并且有大量?jī)?nèi)容（幾乎全部?jī)?nèi)容）要求在理解的基礎(chǔ)上記憶以便為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，而這時(shí)學(xué)生剛剛開(kāi)始接觸這門(mén)課程便一下子覺(jué)得很難，容易產(chǎn)生放棄的思想。所以教師在整個(gè)學(xué)期別是學(xué)期初一定要不斷鼓勵(lì)學(xué)生：學(xué)習(xí)中存在問(wèn)題是很正常的，隨著進(jìn)一步學(xué)習(xí)問(wèn)題會(huì)得到解決，關(guān)鍵是堅(jiān)持，樹(shù)立學(xué)習(xí)信心。
2、對(duì)于抽象的概念和工作原理，老師要精心設(shè)計(jì)課堂教學(xué)，使晦澀難懂的知識(shí)變得淺顯易懂
課堂教學(xué)是使學(xué)生獲得知識(shí)最有效最快捷的方式。在教學(xué)過(guò)程中，真正做到“以學(xué)生為本”，提高課堂效率，我的體會(huì)是精心的進(jìn)行合理、有效的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。合理、有效的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)可以在最短的時(shí)間得到最好的教學(xué)效果。比如，本課程的教學(xué)安排中，先講cpu內(nèi)部寄存器后講存儲(chǔ)器分段，講cpu內(nèi)部寄存器時(shí)就要涉及到存儲(chǔ)器分段，這樣一來(lái)知識(shí)點(diǎn)前后交叉多，學(xué)生聽(tīng)不明白，老師也會(huì)覺(jué)得講不清楚。換種思路，重新調(diào)整一下次序，先介紹存儲(chǔ)器分段，講清楚四種段、段地址和偏移地址以及物理地址的形成，再介紹cpu內(nèi)部寄存器，4個(gè)段寄存器分別存放4個(gè)段的段地址，地址指針寄存器和指令指針寄存器用來(lái)存放偏移地址，這樣講符合學(xué)生接受知識(shí)的規(guī)律，用時(shí)較少而且教學(xué)效果好。
3、采用多媒體教學(xué)手段，更高效地完成課堂教學(xué)任務(wù)
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)在課堂教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。多媒體計(jì)算機(jī)使圖、文、聲、像集于一體，使教學(xué)內(nèi)容形象生動(dòng)富有感染力，使抽象問(wèn)題形象化。一些抽象概念在單純語(yǔ)言講解的情況下，感性材料不足，說(shuō)服力不強(qiáng)，通過(guò)多媒體可以把抽象的理論和抽象的模型具體形象地展示在屏幕上幫助學(xué)生理解。比如講存儲(chǔ)器分段時(shí)，說(shuō)到存儲(chǔ)單元物理地址唯一而邏輯地址不唯一時(shí)很多學(xué)生感到很困惑“邏輯地址不唯一”，傳統(tǒng)教學(xué)手段憑教師一張嘴、一根粉筆、一塊黑板有時(shí)很難講清楚，這時(shí)采用多媒體動(dòng)畫(huà)的形式將存儲(chǔ)器分段進(jìn)行演示，它能夠直觀形象地讓學(xué)生看出段與段之間的一種重疊關(guān)系，某個(gè)存儲(chǔ)單元既屬于A段又屬于B段，從而得出這一存儲(chǔ)單元邏輯地址不唯一，既記住了結(jié)論又很好的理解了結(jié)論推導(dǎo)的整個(gè)過(guò)程。
4、注重實(shí)踐環(huán)節(jié)
參考文獻(xiàn):
[1] 胡漢才,單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京,航空工業(yè)出版社,1998:145-200.
20世紀(jì)70年代大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展促生了第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，至今，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)在短短三四十年的時(shí)間里已不可動(dòng)搖地發(fā)展成為計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的分支，廣泛深入地滲透到工業(yè)控制、儀器儀表、消費(fèi)產(chǎn)品、汽車、辦公自動(dòng)化和通信等領(lǐng)域，從微控制器的品種、結(jié)構(gòu)、功能、性能、價(jià)格、生產(chǎn)工藝到開(kāi)發(fā)方式等都以迅猛的勢(shì)頭快速發(fā)展。這無(wú)疑對(duì)微型計(jì)算機(jī)人才的適應(yīng)性提出了更高的要求。高校開(kāi)設(shè)的“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是電子、自動(dòng)化、通信、計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)一門(mén)理論與實(shí)踐聯(lián)系很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有很高的實(shí)用價(jià)值，起到承上啟下的重要作用，其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接影響著學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)與提高。為了更好地滿足社會(huì)和企業(yè)對(duì)具有高技能應(yīng)用型人才的要求，減輕教師教學(xué)的壓力，結(jié)合自身教學(xué)和實(shí)踐，談幾點(diǎn)體會(huì)和改革的新思路。
一、安排好合理的教學(xué)計(jì)劃
“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程一般安排在大學(xué)二年級(jí)下學(xué)期或三年級(jí)上學(xué)期，由于內(nèi)容多、難度大，初次接觸微機(jī)的大多數(shù)學(xué)生對(duì)其缺乏正確的認(rèn)知，其心理上對(duì)之有一定的畏懼，所以制訂的授課計(jì)劃應(yīng)重點(diǎn)突出、層次分明、由淺入深循序漸進(jìn)。
1.重點(diǎn)突出、層次分明
從目前的教學(xué)培養(yǎng)方案來(lái)看，“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程的學(xué)時(shí)一般為60～70學(xué)時(shí)。在課時(shí)這么少的情況下要完成相對(duì)較多的內(nèi)容，安排講授的重點(diǎn)就應(yīng)放在實(shí)用性的理論知識(shí)上。為此應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則：首先是可行性。根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的理論儲(chǔ)備、企事業(yè)現(xiàn)階段對(duì)微機(jī)人才的要求和學(xué)院相應(yīng)的設(shè)備條件等基礎(chǔ)環(huán)境，將有實(shí)用價(jià)值的內(nèi)容合理地有重點(diǎn)地安排進(jìn)課程或適度加強(qiáng)。其次是拓展性。為達(dá)到實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在教學(xué)計(jì)劃安排過(guò)程中，加入對(duì)知識(shí)縱向和橫向的延伸，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)內(nèi)容在實(shí)際的應(yīng)用中討論，進(jìn)行更深層次的研究。只有這樣，書(shū)本上的知識(shí)才能真正成為自己的知識(shí)。
2.由淺入深、循序漸進(jìn)
在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程之前學(xué)生已進(jìn)行了大學(xué)物理和電子技術(shù)的學(xué)習(xí)。為了更好地銜接，教師在制訂教學(xué)計(jì)劃時(shí)應(yīng)從學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的數(shù)制轉(zhuǎn)換、編碼、存儲(chǔ)器等知識(shí)入手逐漸深入到微機(jī)原理其他未知的領(lǐng)域，由淺入深地安排好課程計(jì)劃，慢慢地培養(yǎng)學(xué)生興趣。如此安排易于學(xué)生接受知識(shí)，起到了很好的承接作用。經(jīng)過(guò)在集美大學(xué)信息工程學(xué)院、理學(xué)院和誠(chéng)毅學(xué)院的實(shí)踐教學(xué)表明，這樣的課程安排很受學(xué)生歡迎。
二、選擇合適的課堂教學(xué)方法
理工學(xué)科的課程內(nèi)容相對(duì)枯燥又難以理解，所以就更加要求理論教學(xué)應(yīng)該針對(duì)性地尋求靈活的教學(xué)方法。適合“微機(jī)原理與接口技術(shù)”的課堂教學(xué)方法很多，如啟發(fā)式教學(xué)法、漸進(jìn)式教學(xué)法、比較式教學(xué)法、歸納式教學(xué)法等。這些方法綜合應(yīng)用在課堂教學(xué)中，對(duì)教學(xué)質(zhì)量有很好的保證。但針對(duì)不同的學(xué)生也必須有各自的側(cè)重方法，才能達(dá)到最佳效果。下面以前兩種方法為例進(jìn)行探討。
1.啟發(fā)式教學(xué)
理工課程內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)性很容易造成課堂氛圍沉悶，形成填鴨式的教師一言堂。例如信息工程學(xué)院的學(xué)生特點(diǎn)是入學(xué)成績(jī)好，基礎(chǔ)知識(shí)比較扎實(shí)，但缺點(diǎn)是思維不夠活躍，最容易形成死氣沉沉的課堂。如何在教學(xué)中調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，是改善課堂氛圍、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要環(huán)節(jié)。所以針對(duì)信息工程學(xué)院的學(xué)生，更合適較多地采用啟發(fā)式教學(xué)，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情與興趣，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性發(fā)展。這就要求在教學(xué)中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的鋪展由表及里循序漸進(jìn)地不斷引出問(wèn)題，啟迪學(xué)生去思考、分析問(wèn)題，直到提出解決問(wèn)題的方法或途徑。比如在教授算術(shù)運(yùn)算指令時(shí)，首先引導(dǎo)學(xué)生回憶標(biāo)志寄存器的結(jié)構(gòu)和數(shù)制計(jì)算時(shí)的補(bǔ)碼運(yùn)算，在此基礎(chǔ)上再仔細(xì)講解算術(shù)運(yùn)算類指令的功能。有了良好的理論基礎(chǔ)，再舉一例題：十進(jìn)制轉(zhuǎn)十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換程序，用傳統(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)算法詳盡地講解轉(zhuǎn)換的過(guò)程。下一步就是引導(dǎo)學(xué)生思考傳統(tǒng)算法的不足，有的學(xué)生就提出計(jì)算太繁復(fù)、結(jié)構(gòu)不合理，于是更深地引導(dǎo)如何解決這個(gè)問(wèn)題，要求學(xué)生通過(guò)課堂練習(xí)、課后作業(yè)或上機(jī)實(shí)驗(yàn)完成新的計(jì)算程序。反饋的結(jié)果是有的學(xué)生選擇使用循環(huán)結(jié)構(gòu)、有的選擇過(guò)程調(diào)用，都大大地簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)換程序，達(dá)到了預(yù)期的效果。最后引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用后續(xù)的宏或中斷的知識(shí)完成相應(yīng)的編程，進(jìn)一步拓展學(xué)生思路，為學(xué)習(xí)后續(xù)的知識(shí)打下伏筆。
啟發(fā)式教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生是教學(xué)的主體，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。教師要淡化標(biāo)準(zhǔn)答案，鼓勵(lì)學(xué)生多向思維，弱化思維定勢(shì)?！拔C(jī)原理與接口技術(shù)”教學(xué)中針對(duì)信息工程學(xué)院的學(xué)生采用啟發(fā)式教學(xué)，利用學(xué)生相對(duì)比較扎實(shí)的理論知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)生的疑問(wèn)不作正面回答，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，發(fā)揚(yáng)教學(xué)民主，用問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生順應(yīng)教師的思路不斷思考，主動(dòng)分析問(wèn)題，找到問(wèn)題所在并最終找到解決辦法。
2.漸進(jìn)式教學(xué)法
漸進(jìn)式教學(xué)法是指利用已有的知識(shí)作為新知識(shí)的基礎(chǔ)和階梯，靈活利用知識(shí)點(diǎn)之問(wèn)的橫向關(guān)聯(lián)和縱向?qū)哟?，由淺入深、由易到難、循序漸進(jìn)的教學(xué)方法。此方法在實(shí)踐中主要針對(duì)集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院的學(xué)生，他們的特點(diǎn)是思維活躍、富有個(gè)性，但是基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱。例如在講解存儲(chǔ)器時(shí)先是從上學(xué)期學(xué)生剛剛學(xué)過(guò)的觸發(fā)器入手，進(jìn)入到由觸發(fā)器構(gòu)成的存儲(chǔ)器單元，將新知識(shí)鋪墊在學(xué)生已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)上，有了這個(gè)基礎(chǔ)再進(jìn)一步講解CPU對(duì)存儲(chǔ)器的組織、如何尋址，學(xué)生自然而然進(jìn)入所授新知識(shí)的環(huán)境中。這樣由淺入深，層層遞進(jìn)，符合認(rèn)知規(guī)律，有利于學(xué)生系統(tǒng)全面地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。
三、改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>
在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往以驗(yàn)證理論知識(shí)為主要目的，這樣安排旨在讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程加深對(duì)理論知識(shí)的記憶和理解，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為課堂教學(xué)的有限延伸。在實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生用統(tǒng)一的模式，無(wú)法將自己的創(chuàng)造性想法和實(shí)驗(yàn)課程結(jié)合起來(lái)，也無(wú)法靈活地將所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和課堂教學(xué)內(nèi)容過(guò)多重復(fù)，無(wú)法激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣；理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過(guò)多，學(xué)生也很難去真正地思考、分析問(wèn)題，失去了提高動(dòng)手能力的機(jī)會(huì)。改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，以理論?yàn)證為基礎(chǔ)，增加實(shí)驗(yàn)的拓展性、挑戰(zhàn)性和綜合性，真正達(dá)到讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中提高動(dòng)手能力、鍛煉思維能力的目的。
1.改驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)性的試驗(yàn)
教師僅提供實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，指出?shí)驗(yàn)的方向，學(xué)生提前到圖書(shū)館或者網(wǎng)上查閱相關(guān)資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，編寫(xiě)相關(guān)的流程圖和預(yù)習(xí)程序。在實(shí)驗(yàn)中的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，最后得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)過(guò)程撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，重要的環(huán)節(jié)是報(bào)告中一定要包括實(shí)驗(yàn)中各自遇到的問(wèn)題，解決方案是什么；如果最終也未能解決問(wèn)題，要分析原因并考慮可能的解決方案。同時(shí)教師也可以組織學(xué)生交流，分組討論，對(duì)各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果與報(bào)告展開(kāi)分析，從而提高學(xué)生的研究能力和科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>
2.加強(qiáng)參與實(shí)踐的積極性
為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性，實(shí)踐中還引入激勵(lì)機(jī)制。每一個(gè)能提前完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的學(xué)生都有機(jī)會(huì)從教師那里隨機(jī)的得到一道拓展性的題目，這個(gè)題目是教師根據(jù)學(xué)生前面完成任務(wù)的具體情況、遇到的問(wèn)題和存在的不足或是希望其在某一方面有更深的思考而針對(duì)性地提出新任務(wù)，是本次試驗(yàn)的鞏固和延伸。等學(xué)期結(jié)束后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，完成拓展任務(wù)多的學(xué)生就有機(jī)會(huì)實(shí)驗(yàn)考試免試。由于新任務(wù)是學(xué)生主動(dòng)要求的，再加上激勵(lì)機(jī)制，故學(xué)生積極性非常高，解決問(wèn)題的主動(dòng)性很強(qiáng)，收獲也更大。
3.充分利用好課外時(shí)間
論文摘要：本文論述了激光探測(cè)系統(tǒng)信息接口技術(shù)；討論了激光探測(cè)接口的一般設(shè)計(jì)思想。
1引言
激光具有波長(zhǎng)單一和良好的方向性，所以和傳統(tǒng)的探測(cè)方法相比，激光探測(cè)具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光告警、激光制導(dǎo)、目標(biāo)識(shí)別等軍事領(lǐng)域，都得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)不同武器系統(tǒng)的需求，激光探測(cè)系統(tǒng)接口呈現(xiàn)出多樣性。
近年來(lái)，隨著應(yīng)用需求和集成化度的增加，激光探測(cè)系內(nèi)部、激光探測(cè)系統(tǒng)和各武器平臺(tái)之間集成了不同廠商的硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，由此帶來(lái)的異構(gòu)性給探測(cè)系統(tǒng)的互操作性、兼容性及平滑升級(jí)能力帶來(lái)了問(wèn)題。
對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)而言，接口技術(shù)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。一個(gè)激光探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施，有很大的工作量是在接口的處理上，好的接口設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)行效率、升級(jí)能力等，本文以激光探測(cè)系統(tǒng)接口技術(shù)為研究對(duì)象，著重分析其接口技術(shù)類型、設(shè)計(jì)考慮因素和驗(yàn)證方法。
2激光探測(cè)系統(tǒng)幾種主要接口技術(shù)
接口是多要素或多系統(tǒng)之間的公共邊界部分，對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)的接口包括機(jī)械接口、電氣接口、電子接口、軟件接口等，本文著重討論電子接口。按物理電氣特性劃分，常用的激光探測(cè)系統(tǒng)接口類型可分為以下幾類：
1TTL電平接口：最通用的接口類型，常用做系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間接口信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)能力一般為幾毫安到幾十毫安，在激光探測(cè)系統(tǒng)中主要應(yīng)用是作為長(zhǎng)距離的總線數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸
2CMOS電平接口：速度范圍與TTL相仿，驅(qū)動(dòng)能力要弱一些。
3ECL電平接口：為高速電氣接口，速率可達(dá)幾百兆，但相應(yīng)功耗較大，電磁輻射與干擾與較大。
4LVDS電平接口：在標(biāo)準(zhǔn)中推薦的最大操作速率是655Mbps，電流驅(qū)動(dòng)模式，信號(hào)的噪聲和EMI都較小。
5GTL接口電平：低電壓，低擺幅，常用作背板總線型信號(hào)的傳輸，雖然使用頻率一般在100MHz以下，但上升沿一般都比較陡，特別是對(duì)沿敏感的信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)。
6RS-232電平接口：為低速串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，電平為±12V，用于DTE與DCE之間的連接。RS-232接口采用不平衡傳輸方式，收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地的電平而言，其共模抑制能力低，傳輸距離近，多用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口通訊。
7RS-422/RS-485接口：采用平衡方式傳輸，采用差分方式，使其在通訊速率、抗干擾性和傳輸距離較RS-232接口有較大改善。多用于多點(diǎn)接口通迅。RS485電平接口可驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載，忍受-7V到12V共模干擾。
9光隔離接口：能實(shí)現(xiàn)電氣隔離，更高速率的器件價(jià)格較昂貴。
10線圈耦合接口：電氣隔離特性好，但允許信號(hào)帶寬有限
11以太網(wǎng)：經(jīng)常采用的是10Base-T和100Base-T兩種主流標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用激光探測(cè)系統(tǒng)和分系統(tǒng)之間的接口通訊和數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)接口具有性價(jià)比高、數(shù)據(jù)傳輸速率高、資源共享能力強(qiáng)和廣泛的技術(shù)支持等眾多優(yōu)點(diǎn)。
12USB接口：USB總線接口是一種基于令牌的接口，USB主控制器廣播令牌，總線上的設(shè)備檢測(cè)令牌中的地址是否與自身相符，通過(guò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)對(duì)主機(jī)作出響應(yīng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是安裝配置簡(jiǎn)單。
3激光探測(cè)系統(tǒng)接口方案設(shè)計(jì)考慮因素
隨著大規(guī)模數(shù)字處理芯片和高速接口芯片的迅猛發(fā)展，激光探測(cè)系統(tǒng)也呈現(xiàn)出智能化、小型化、模塊化的趨勢(shì)。在激光探測(cè)系統(tǒng)中，信息接口的設(shè)計(jì)逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、多節(jié)點(diǎn)、高速等方向展
3.1接口信號(hào)傳輸中的干擾噪聲
3.1.1接口信號(hào)傳輸中的主要干擾形式
a)串模干擾：雜散信號(hào)通過(guò)感應(yīng)和輻射的方式進(jìn)入接口信道的干擾。串模干擾的產(chǎn)生原因主要是傳輸中插件等所產(chǎn)生的接觸電勢(shì)、熱電勢(shì)等噪聲引起的。
b)共模干擾：干擾同時(shí)作用在兩根信號(hào)往返線上，而且幅指相同。共模干擾產(chǎn)生的原因，主要是傳輸線路較長(zhǎng)，在發(fā)送端和接收端之間存在著接地的電位差。
3.1.2接口信號(hào)傳輸中的抗干擾措施
a)傳輸線的選擇
為了抑制由于雜散電磁場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)進(jìn)入信道的干擾，接口傳輸線應(yīng)盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地，而且屏蔽層的接地要于激光探測(cè)系統(tǒng)一端浮地的結(jié)構(gòu)形式配合，不要將屏蔽線層當(dāng)作信號(hào)線和公用線。
b)傳輸線的平衡和匹配
采用平衡電路和平衡傳輸結(jié)構(gòu)是抑制共模干擾的有力措施。目前廣泛使用的是差分式平衢性線電路，例如RS-422/RS-485標(biāo)準(zhǔn)串口電路。
接口信號(hào)傳輸時(shí)還要考慮與傳輸線特性阻抗的匹配問(wèn)題。一般長(zhǎng)線傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)器接收器都適用于驅(qū)動(dòng)特性阻抗為50Ω—150Ω的同軸電纜和雙絞線，一般接口接收器的輸入阻抗要比傳輸線的特性阻抗大，因此要設(shè)法將兩者匹配，最好將發(fā)送端和接收端匹配。
控制信號(hào)線的具體配置：控制信號(hào)線要和強(qiáng)電、數(shù)據(jù)總線、地址總線分開(kāi)，盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地。
c)隔離技術(shù)：電位隔離是常用的抗干擾方法，接口信號(hào)采用光電隔離和電磁隔離可以切斷接口內(nèi)外線路的電氣連接，從而減弱露流、地阻抗耦合等傳導(dǎo)性干擾的影響。
3.2接口硬件的選擇原則：
3.2.1為各類接口選擇合適的總線接口芯片、接口總線，并設(shè)計(jì)具體的接口電路。
3.2.3選擇接口芯片時(shí)應(yīng)根據(jù)激光探測(cè)系統(tǒng)CPU/MPU類型，總線類型／寬度和系統(tǒng)所完成的功能并按照高效、經(jīng)濟(jì)、可靠，方便、簡(jiǎn)單的原則來(lái)確定。
3.2.4設(shè)計(jì)具體的接口電路應(yīng)具體考慮電源問(wèn)題
3.2.5數(shù)據(jù)／命令的鎖存和驅(qū)動(dòng)
激光探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部及激光探測(cè)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)間實(shí)施數(shù)據(jù)／命令傳輸時(shí)，一般采用數(shù)據(jù)鎖存技術(shù)來(lái)適應(yīng)雙方讀寫(xiě)的時(shí)間要求。
3.3接口的實(shí)時(shí)性
由于激光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高，設(shè)計(jì)時(shí)要使時(shí)鐘抖動(dòng)、通道間時(shí)延、工作周期失真以及系統(tǒng)噪聲最小化，所以設(shè)計(jì)接口時(shí)盡量選用高通訊速率和同步工作方式。
接口軟件的設(shè)計(jì)原則
同步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要充分考慮數(shù)據(jù)流量的控制，最好在數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每隔一段時(shí)間插入一段空閑時(shí)間，從而保證數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
異步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要充分考慮合理的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式，可以根據(jù)系統(tǒng)要求選擇冗余校驗(yàn)、校驗(yàn)和、冗余校驗(yàn)的方法。
4激光探測(cè)系統(tǒng)接口方案設(shè)計(jì)驗(yàn)證
構(gòu)建高速有效的激光探測(cè)系統(tǒng)接口是非常有挑戰(zhàn)性的，并且設(shè)計(jì)者需要在設(shè)計(jì)接口前后就考慮多個(gè)因素，詳細(xì)的系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證都是必須的。
4.1設(shè)計(jì)前的驗(yàn)證
基于指令集模擬器和硬件模擬器軟硬件模擬技術(shù)是一種高效、低代價(jià)的系統(tǒng)驗(yàn)證方法。接口設(shè)計(jì)軟件采用匯編，C，C++等語(yǔ)言編寫(xiě)，用戶編寫(xiě)的接口源程序經(jīng)過(guò)交叉編譯器和連接器編譯，輸入到軟件指令集模擬器進(jìn)行軟件模擬。而接口硬件驗(yàn)證則采用硬件描述語(yǔ)言如VHDL設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)編譯后由硬件模擬器模擬。但設(shè)計(jì)前的驗(yàn)證也有一定的局限性，比如只能驗(yàn)證數(shù)字接口和驗(yàn)證環(huán)境理想化等缺點(diǎn)。這些都需要設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證
4.2設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證
最常見(jiàn)的驗(yàn)證方法是制作模擬激光探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部接口和系統(tǒng)間外部接口的通用信號(hào)源，通用信號(hào)源可以模擬探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的如主回波、時(shí)統(tǒng)、顯示、鍵盤(pán)等信號(hào)，也可以模擬輸入外部操控命令，并將激光探測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)、測(cè)量數(shù)據(jù)等信息顯示輸出。
電子信息工程專業(yè)作為實(shí)踐性、應(yīng)用性非常強(qiáng)的理工科專業(yè)，學(xué)生必須具備扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，具有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)技能，今后才能順利地從事電子設(shè)備和信息系統(tǒng)的維護(hù)和研發(fā)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，必須十分重視相關(guān)課程的建設(shè)，搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。而單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程作為電子信息專業(yè)的一門(mén)專業(yè)主干課程，其應(yīng)用性非常強(qiáng)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)質(zhì)量對(duì)于學(xué)生今后就業(yè)、工作至關(guān)重要。
一、教學(xué)現(xiàn)狀
單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程是電子信息工程專業(yè)核心課程之一，理論的重要性不言而喻，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面大都還是停留在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ缴?，離培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神還有差距。很多學(xué)生反映，課程學(xué)習(xí)下來(lái)理論基本掌握了，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)也能順利完成，但要真正完成一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目時(shí)，卻無(wú)從入手。出現(xiàn)這種現(xiàn)象原因是多方面的，筆者認(rèn)為主要有：
1.教學(xué)模式方面的原因。傳統(tǒng)教學(xué)方式中，教師主要注重于理論的完整性和知識(shí)結(jié)構(gòu)的完備性。理論上從單片機(jī)的結(jié)構(gòu)講起，然后講匯編指令和c語(yǔ)言編程，再講硬件接口及相關(guān)的程序編寫(xiě)，最后講一兩個(gè)實(shí)例，課時(shí)也就差不多用完了，再想講其他東西就沒(méi)有時(shí)間了。WWW.133229.cOm實(shí)驗(yàn)也注重基本原理和基本方法的訓(xùn)練，為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)單片機(jī)的基本組成和基本指令，所開(kāi)出的實(shí)驗(yàn)就占了大部分實(shí)驗(yàn)課時(shí)，最后只能做幾個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)或做一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，這樣就結(jié)束了整個(gè)課程的學(xué)習(xí)。
2.教師方面的原因。自從高校擴(kuò)招以后，學(xué)生的數(shù)量劇增，而教師并沒(méi)有同比例增長(zhǎng)，教師承擔(dān)的課時(shí)量太大，教學(xué)壓力過(guò)重。具體到單片機(jī)原理與接口技術(shù)這類專業(yè)性和實(shí)驗(yàn)性都非常強(qiáng)的課程，存在著精力投入不夠的問(wèn)題。如果要改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主的話，教師就要投入非常多的精力。
3.評(píng)價(jià)體系方面的原因。就評(píng)價(jià)體系而言，目前通行的仍然是以分?jǐn)?shù)的高低來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的好壞。一般采用平時(shí)成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、考試成績(jī)各占總成績(jī)的一定比例來(lái)得到學(xué)生課程的最后得分。對(duì)有些課程來(lái)說(shuō)這種方法是比較科學(xué)的，但對(duì)單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程，就會(huì)存在這些問(wèn)題：學(xué)生成績(jī)不低，但一旦面臨實(shí)際問(wèn)題時(shí)，無(wú)從入手，沒(méi)有達(dá)到本課程的教學(xué)目標(biāo)。
二、解決對(duì)策
為提高單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，筆者認(rèn)為，提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的質(zhì)量是教學(xué)改革的重點(diǎn)，應(yīng)該從以下幾點(diǎn)來(lái)改革：
1.教學(xué)模式。提出和采用新的教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)要特別注重開(kāi)出的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。新的教學(xué)模式主要包含理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面。在理論教學(xué)中，單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本指令講解要精，應(yīng)通過(guò)實(shí)例來(lái)將相關(guān)的知識(shí)串起來(lái)，力求通過(guò)具體實(shí)例的講解達(dá)到以較少的理論課時(shí)就讓學(xué)生真正掌握單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和指令的目的。在實(shí)驗(yàn)方面，則采用以開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔的方法，并提高實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)數(shù)。適量開(kāi)設(shè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在課堂內(nèi)只做1～2個(gè)，而將大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容放在課堂外，由學(xué)生通過(guò)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室單獨(dú)完成。增加較多的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生選做，在教師精心指導(dǎo)下，讓學(xué)生在課外準(zhǔn)備，課內(nèi)完成，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)技能。
2.教師自身的定位。教師應(yīng)自覺(jué)提高自身做項(xiàng)目的能力，并保證足夠的精力投入到教學(xué)中去。教師要注重平時(shí)積累，一方面，要自己動(dòng)手，精心制作好幾個(gè)作品。另一方面，也可以通過(guò)提出選題，指導(dǎo)學(xué)生去做，將完成后的作品及文檔全部存檔。只要通過(guò)2～3年的積累，就可以形成難度、層次區(qū)分較為合理的項(xiàng)目選題庫(kù)和作品庫(kù)，既為后續(xù)班級(jí)的教學(xué)創(chuàng)建了良好的條件，對(duì)后續(xù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)起到示范和引領(lǐng)作用，又為今后的教學(xué)工作減輕了負(fù)擔(dān)。要做好這些，就要求教師充分明確自身職責(zé)，牢固樹(shù)立以教學(xué)為中心的觀念，保證有足夠的精力投入教學(xué)中。
3.評(píng)價(jià)體系。作為評(píng)價(jià)體系，要改變傳統(tǒng)的基本是以分?jǐn)?shù)論英雄的模式。單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程如果只是掌握了一些理論知識(shí)而沒(méi)有實(shí)戰(zhàn)能力，分?jǐn)?shù)再高都不能算是學(xué)好。作為對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)，筆者認(rèn)為一定確立以實(shí)踐能力為主體的評(píng)價(jià)體系，通過(guò)對(duì)學(xué)生做的項(xiàng)目難易程度、項(xiàng)目完成的效果等驗(yàn)收情況來(lái)給出合適的評(píng)價(jià)。
三、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)與評(píng)價(jià)體系建立中要注意的幾個(gè)問(wèn)題
想搞好單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程建設(shè)，提高學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)能力，就要以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)為重點(diǎn)來(lái)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為需要特別注意抓好以下四個(gè)銜接：
1.理論與實(shí)驗(yàn)的銜接。理論教學(xué)是單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程教學(xué)中必不可少的組成部分，但其開(kāi)設(shè)方式不能采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，而應(yīng)設(shè)計(jì)出一種項(xiàng)目教學(xué)或稱為專題講授的形式來(lái)進(jìn)行。首先，要講透基礎(chǔ)部分，筆者認(rèn)為可以分成單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、單片機(jī)的指令系統(tǒng)、程序編寫(xiě)的基本思想、硬件接口構(gòu)建等四個(gè)專題進(jìn)行。其次，要針對(duì)課程特點(diǎn)，做好五個(gè)簡(jiǎn)單項(xiàng)目，如外部中斷的使用、定時(shí)器中斷的使用、并口的擴(kuò)展、串口通信、ad和da轉(zhuǎn)換。最后，要對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)全面整合，綜合演練，實(shí)戰(zhàn)2～3個(gè)較為復(fù)雜的綜合性項(xiàng)目，進(jìn)行原理圖分析、算法設(shè)計(jì)和程序分析，并制作出作品進(jìn)行演示。按這種思路設(shè)計(jì)，理論教學(xué)大致課時(shí)數(shù)為36～48個(gè)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)為24～36個(gè)課時(shí)。
據(jù)此分析，實(shí)驗(yàn)教學(xué)則應(yīng)充分重視設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)。與理論教學(xué)相對(duì)應(yīng)，每講完一個(gè)項(xiàng)目，就要依托該項(xiàng)目開(kāi)設(shè)一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)3～5個(gè)課時(shí)。通過(guò)簡(jiǎn)單的5個(gè)項(xiàng)目和較復(fù)雜的2～3個(gè)項(xiàng)目的訓(xùn)練后，學(xué)生能掌握單片機(jī)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)與實(shí)物制作的基本方法和技能。當(dāng)積累了2～3年后，有了很多已成功的項(xiàng)目可參照時(shí)，不同的學(xué)生就可以選做不同的設(shè)計(jì)性項(xiàng)目。在進(jìn)行單片機(jī)原理與接口技術(shù)的課程設(shè)計(jì)時(shí)，則應(yīng)要求學(xué)生在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化，將多個(gè)部分綜合在一起設(shè)計(jì)制作一個(gè)更復(fù)雜、具有較完備功能的實(shí)際系統(tǒng)。這是一個(gè)由理論出發(fā)，通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、復(fù)雜的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，最后完成復(fù)雜的課程設(shè)計(jì)過(guò)程，符合循序漸進(jìn)的教學(xué)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了該課程理論與實(shí)踐的完美結(jié)合。在此過(guò)程中，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)基本覆蓋了單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程的所有知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生牢固掌握基本理論，熟練掌握基本設(shè)計(jì)思路，綜合應(yīng)用基本設(shè)計(jì)方法，從而達(dá)到學(xué)以致用的根本目的。
2.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的銜接。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是指為驗(yàn)證已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的理論知識(shí)所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是指給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蠛蛯?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)作為一種傳統(tǒng)的教學(xué)方法，在現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也還有一定的作用，可為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)提供一些必要的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)一般是在相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)箱上完成，通過(guò)開(kāi)設(shè)1~2個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生了解單片機(jī)的基本構(gòu)成和基本工作原理，所以在開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)前開(kāi)設(shè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是非常必要的。同時(shí)，一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)可在實(shí)驗(yàn)箱上對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改造而成，特別是對(duì)于開(kāi)始的簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)更是如此。比如一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，所有的電路硬件在實(shí)驗(yàn)箱中是現(xiàn)成的，同時(shí)給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序范例，學(xué)生就可以在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的功能進(jìn)行分析。教師只需要在理論教學(xué)時(shí)將程序流程圖和涉及的算法講述清楚，最后要求學(xué)生去編寫(xiě)程序，然后再進(jìn)行功能驗(yàn)證即可。采用這么一種由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)并進(jìn)行改造的方法對(duì)于以基本原理的掌握為目標(biāo)的簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的可操作性，有利于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的自然銜接。
3.課堂與課外的銜接。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)要做好課堂與課外的銜接。因?yàn)樵O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是要學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，所有的實(shí)驗(yàn)方案不可能僅在幾個(gè)課時(shí)的實(shí)驗(yàn)課上完成，主要工作要在課外完成。一方面，實(shí)驗(yàn)方案的制訂、原理圖的設(shè)計(jì)、實(shí)物的制作等主要在課外完成，實(shí)驗(yàn)課中主要是在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。另一方面，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)很難一次性成功，往往需要多次嘗試、反復(fù)修正才行，這些必須在課外完成。要使設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)真正達(dá)到較好的效果，除了在理論教學(xué)中要注重和實(shí)驗(yàn)教學(xué)銜接外，課外的銜接尤其重要，要做好實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放，讓學(xué)生在課外能夠較方便地利用實(shí)驗(yàn)室的資源，也應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生采購(gòu)一些比較簡(jiǎn)單的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具，如簡(jiǎn)易開(kāi)發(fā)版、燒錄器等。
4.評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的再定位與評(píng)價(jià)體系建立的思路。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)往往只涉及一門(mén)課程的一個(gè)章節(jié)或一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可以使所學(xué)理論知識(shí)具體化和形象化，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解與掌握，培養(yǎng)基本動(dòng)手能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)突出它的自主設(shè)計(jì)性，可以是單一知識(shí)的運(yùn)用，也可以是多知識(shí)點(diǎn)的綜合運(yùn)用，給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁蠛蛯?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)帶有試探性、研究性，在時(shí)間上也需要課內(nèi)與課外相結(jié)合。
由于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)性開(kāi)設(shè)的目標(biāo)不同，所以最終的考核方式也不同。對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教師可以直接根據(jù)學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)判其實(shí)驗(yàn)成績(jī)。傳統(tǒng)的做法是百分制。一般每個(gè)實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括三個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)（20分）、實(shí)驗(yàn)操作（40分）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（40分）。使用傳統(tǒng)的百分制，可以評(píng)價(jià)學(xué)生是否掌握了基本理論和設(shè)計(jì)方法。但設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)所涉及的知識(shí)點(diǎn)數(shù)量不同，綜合運(yùn)用的效果不同，設(shè)計(jì)方案是否得當(dāng)，步驟是否簡(jiǎn)易可行，實(shí)驗(yàn)的成本、效率是否令人滿意等等，都不能一概而論，因此需要結(jié)合各方面進(jìn)行綜合的評(píng)定。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的考核要貫穿這樣一個(gè)原則：淡化結(jié)果，注重過(guò)程。對(duì)于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)我們更重視學(xué)生在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的表現(xiàn)，而測(cè)定結(jié)果只作為考核的次要因素。學(xué)生在設(shè)計(jì)方案中是否有獨(dú)到新穎的想法，整個(gè)實(shí)驗(yàn)思路邏輯是否清楚，實(shí)驗(yàn)過(guò)程是細(xì)節(jié)嚴(yán)密還是顧此失彼，結(jié)果是否可信等都是評(píng)定設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)成績(jī)的重要因素?？己酥幸浞止膭?lì)和肯定學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中所表現(xiàn)出的敢于挑戰(zhàn)、主動(dòng)學(xué)習(xí)、大膽創(chuàng)新的精神，以及由此帶來(lái)的思維水平和實(shí)踐水平的全面提高。
因此，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不宜采用傳統(tǒng)的百分制，筆者認(rèn)為，宜采用優(yōu)、良、中、及格、不及格5個(gè)檔次來(lái)進(jìn)行評(píng)定。首先明確“優(yōu)”和“及格”的標(biāo)準(zhǔn)，在“優(yōu)”的標(biāo)準(zhǔn)下，適當(dāng)下降一點(diǎn)作為“良”的標(biāo)準(zhǔn)，“及格”標(biāo)準(zhǔn)高一點(diǎn)作為“中”，達(dá)不到“及格”標(biāo)準(zhǔn)的就判定為“不及格”。比如，每一個(gè)項(xiàng)目都設(shè)定多個(gè)指標(biāo)，完全達(dá)到指標(biāo)并有所創(chuàng)新的評(píng)為“優(yōu)”；完全達(dá)到指標(biāo)而無(wú)創(chuàng)新的可評(píng)為“良”；實(shí)現(xiàn)主要指標(biāo)可評(píng)為“中”；實(shí)現(xiàn)部分指標(biāo)，能體現(xiàn)設(shè)計(jì)者掌握了基本相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)則可評(píng)為“及格”；沒(méi)有實(shí)現(xiàn)任何指標(biāo)，或沒(méi)有做的評(píng)定為“不及格”。這樣就應(yīng)在設(shè)定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)上著手，針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不同的設(shè)定，才能比較準(zhǔn)確地定性評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，這一點(diǎn)仍需在實(shí)踐中不斷探索和改進(jìn)。
四、結(jié)語(yǔ)
中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 20-0077-04
1引言
目前，我國(guó)計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)模式主要還是從基礎(chǔ)理論到專業(yè)理論，實(shí)踐環(huán)節(jié)較少，這就導(dǎo)致了學(xué)生厭學(xué)，眼高手低，本科畢業(yè)連基本的編程技能都不具備，從而，在就業(yè)市場(chǎng)上一敗涂地。這些效果又使在校學(xué)生更加沮喪，進(jìn)一步影響其學(xué)習(xí)的積極性。中國(guó)要發(fā)展IT產(chǎn)業(yè)，必須改革計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)模式。
印度是一個(gè)貧窮落后的發(fā)展中國(guó)家，軟件業(yè)的成就卻舉世矚目。印度的軟件人才主要是通過(guò)職業(yè)教育而不是高等教育來(lái)培養(yǎng)的，從而大大降低了培養(yǎng)成本和使用成本，縮短了培養(yǎng)周期。其教學(xué)不是按從基礎(chǔ)理論到專業(yè)理論，再到實(shí)習(xí)的路徑，而是把順序顛倒過(guò)來(lái)，先從做開(kāi)始，在做的過(guò)程中，學(xué)生如遇到問(wèn)題，再以此問(wèn)題為基點(diǎn)去學(xué)習(xí)專業(yè)理論。學(xué)員一入學(xué)，便要做項(xiàng)目，培訓(xùn)中心把所承接的大項(xiàng)目分解成一個(gè)個(gè)小項(xiàng)目，然后要求每個(gè)學(xué)員完成一個(gè)小項(xiàng)目，讓學(xué)員在完成項(xiàng)目的過(guò)程中學(xué)習(xí)。培訓(xùn)中心的學(xué)員最后一年都在公司實(shí)習(xí)，積累工作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也給企業(yè)提供深入了解雇員的機(jī)會(huì)。
我們借鑒印度發(fā)展軟件業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合多年從事計(jì)算機(jī)監(jiān)控的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和從事教學(xué)的心得體會(huì)，提出一種“趣味實(shí)用程序的演示+知識(shí)點(diǎn)+趣味實(shí)用程序的模仿+綜合訓(xùn)練+學(xué)術(shù)論文”的教學(xué)模式[1]，引導(dǎo)學(xué)生充滿興趣地鉆研技術(shù)，最后逐漸成為計(jì)算機(jī)監(jiān)控方面的專家，并熟練掌握計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)理論與編程語(yǔ)言。
2計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的特點(diǎn)與主要技術(shù)
計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是以監(jiān)測(cè)控制計(jì)算機(jī)為主體，加上檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被監(jiān)測(cè)控制的對(duì)象共同構(gòu)成的整體。在這個(gè)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)直接參與被監(jiān)控對(duì)象的檢測(cè)、監(jiān)督和控制。檢測(cè)主要是通過(guò)傳感器和相應(yīng)的輸入模塊來(lái)取得被監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)督主要是對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后給操作員提供手動(dòng)操作的參考，控制則是手動(dòng)或按照一定的策略自動(dòng)地對(duì)被監(jiān)控對(duì)象執(zhí)行相應(yīng)的操作。
傳統(tǒng)的檢測(cè)與控制所使用的模塊一般采用RS-232接口，因?yàn)樵摻涌诤?jiǎn)單可靠。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，采用網(wǎng)絡(luò)接口RJ-45的模塊逐漸增多。監(jiān)控用的計(jì)算機(jī)一般稱為主控機(jī)(或上位機(jī))，各種檢測(cè)與控制模塊或嵌入式系統(tǒng)一般稱為受控機(jī)(或下位機(jī))。主控機(jī)軟件一般采用高級(jí)語(yǔ)言(如Visual Basic 6.0，簡(jiǎn)稱VB)進(jìn)行開(kāi)發(fā)；受控機(jī)軟件沒(méi)有軟件界面，僅實(shí)現(xiàn)相關(guān)的邏輯功能，一般采用C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)調(diào)試后，再下載到受控機(jī)系統(tǒng)中。主控機(jī)通過(guò)RS-232/RJ-45接口與受控機(jī)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢與命令的發(fā)送。各種控制策略、設(shè)備的狀態(tài)等的保存，都需要使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。因而，實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，需要綜合使用諸多計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論與編程語(yǔ)言：計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、VB與C語(yǔ)言等，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)作為計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練的主線，具有很高的操作性和極大的意義。
3仿真軟件的設(shè)計(jì)
學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，需要購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的硬件模塊，從而在一定程度上制約了該技術(shù)的推廣。本文提出了一個(gè)基于RS-232的仿真模塊的可視化模型，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了可視化的仿真數(shù)字I/O模塊，模擬量輸入模塊，并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議。主控軟件與仿真模塊之間的通信通過(guò)虛擬串口實(shí)現(xiàn)，從而，達(dá)到在計(jì)算機(jī)房零成本搭建計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的效果。
RS-232/RJ-45協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程處理，也可以用于將普通的輸入模塊轉(zhuǎn)換為仿真的網(wǎng)絡(luò)傳感器。
3.1仿真模塊的可視化模型
基于RS-232接口的仿真模塊的可視化模型如圖1所示。模塊表示區(qū)用來(lái)模擬實(shí)際的模塊，對(duì)于數(shù)字量輸入模塊(Digital Input Module，DIM)，輸入開(kāi)關(guān)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間隨機(jī)閉合/打開(kāi)，并通過(guò)圖形表示；對(duì)于數(shù)字量輸出模塊(Digital Output Module，DOM)，用有源電路回路表示輸出開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，例如，開(kāi)關(guān)閉合，播放鈴聲或燈亮等；對(duì)于模擬量輸入模塊(Analog Input Module，AIM)，用圖形表示檢測(cè)回路，并在檢測(cè)點(diǎn)旁邊顯示溫度的原始數(shù)據(jù)。每個(gè)模塊都設(shè)置數(shù)據(jù)接收和發(fā)送指示燈，顯示數(shù)據(jù)收發(fā)的狀態(tài)。
功能按鈕區(qū)為系統(tǒng)設(shè)置按鈕和關(guān)閉程序按鈕。系統(tǒng)設(shè)置主要完成串行通信的端口號(hào)、波特率、校驗(yàn)碼、結(jié)尾碼、模塊地址等的設(shè)置，對(duì)于DIM模塊，還需要設(shè)置隨機(jī)切換輸入開(kāi)關(guān)所需要的時(shí)間段。
協(xié)議描述區(qū)顯示本仿真模塊適用的通信協(xié)議，包括協(xié)議的格式及其具體的含義。
數(shù)據(jù)接收區(qū)顯示接收到的主控程序發(fā)送的原始數(shù)據(jù)包，以字節(jié)形式顯示；數(shù)據(jù)響應(yīng)區(qū)則發(fā)送對(duì)應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)包，也是以字節(jié)形式。
利用此可視化模型設(shè)計(jì)的軟件界面，使用方便，動(dòng)態(tài)效果好，仿真模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均一目了然。與實(shí)物模塊相比，不需要物理連線，也不需要信號(hào)發(fā)生器與萬(wàn)用表來(lái)產(chǎn)生信號(hào)和測(cè)量狀態(tài)與數(shù)據(jù)，對(duì)于通信協(xié)議，也不需翻閱手冊(cè)。
3.2通信協(xié)議的設(shè)計(jì)
相同類型(或廠家)的模塊一般采用相同的前導(dǎo)字符，EOT是一個(gè)特殊的ASCII字符(0x04)，常被用做控制字符，這里的仿真模塊全部采用EOT作為前導(dǎo)字符。
計(jì)算機(jī)所連接的I/O模塊比較多，CPU為了與連接的設(shè)備相互溝通，必須給設(shè)備設(shè)置一個(gè)編號(hào)，從而使CPU可以通過(guò)每個(gè)設(shè)備獨(dú)一無(wú)二的編號(hào)與不同的設(shè)備進(jìn)行溝通，這個(gè)設(shè)備編號(hào)就是地址，用ADD表示，地址占用一個(gè)字節(jié)。
功能碼主要包括讀功能碼(用RD表示)和寫(xiě)功能碼(用WD表示)。RD用字符“R”(0x52)表示，WD用字符“W”(0x57)表示。
BCC為數(shù)據(jù)塊校驗(yàn)碼，一般有Xor、Add、CRC、CheckSum幾種。Xor與Add分別是異或與累加和，占一個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度；CRC與CheckSum分別是循環(huán)冗余校驗(yàn)碼與TCP/IP協(xié)議簇中所使用的累加求補(bǔ)校驗(yàn)碼，分別占兩個(gè)字節(jié)。這里的仿真模塊提供4種數(shù)據(jù)塊校驗(yàn)方式，根據(jù)程序設(shè)置進(jìn)行選擇。
不少模塊以回車CR(0x0d)作為結(jié)尾標(biāo)志EM(End Message)，而TCP/IP協(xié)議簇(如HTTP，POP3等)較多地采用CRLF(0x0d0a)作為結(jié)尾標(biāo)志，這里的仿真模塊也提供這兩種結(jié)尾標(biāo)志，根據(jù)程序設(shè)置進(jìn)行選擇。
協(xié)議舉例。讀取仿真模塊狀態(tài)的命令協(xié)議如圖2所示，其中，ADD的范圍為1至255，可由程序進(jìn)行設(shè)置，這樣，一臺(tái)主控設(shè)備可以連接多達(dá)255個(gè)虛擬模塊。BCC和EM的種類也可以根據(jù)需要由程序進(jìn)行設(shè)置。
3.3RS-232/RJ-45協(xié)議轉(zhuǎn)換器
該協(xié)議轉(zhuǎn)換器的主要功能是用軟件轉(zhuǎn)換器來(lái)替代硬件轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)口數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)發(fā)，不涉及到協(xié)議的變換。串口只要進(jìn)行常規(guī)的設(shè)置，與所連接設(shè)備的串口參數(shù)一致。由于主控機(jī)與嵌入式模塊之間一般采用串口進(jìn)行連接，另外，數(shù)據(jù)采集模塊也大部分采用串口，因而，通過(guò)該協(xié)議轉(zhuǎn)換器，可以將此類串口設(shè)備連接到Internet，進(jìn)行遠(yuǎn)程處理。AIM模塊與該協(xié)議轉(zhuǎn)換器配合，可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入的網(wǎng)絡(luò)傳感器。
3.4虛擬串口的使用
除了跟內(nèi)置的Modem通信，一般地，進(jìn)行串行通信的調(diào)試都需要RS-232連接線。參考文獻(xiàn)[2]提供了虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序，模擬實(shí)際的RS-232接口，可以在沒(méi)有物理RS-232接口和電纜的情況下，進(jìn)行串行通信的調(diào)試，并且，還可以模擬硬件引腳信號(hào)的變化。
4教學(xué)模式的具體實(shí)現(xiàn)
重視教材建設(shè)和教學(xué)方法的研究，在教學(xué)過(guò)程中重視由實(shí)踐而激發(fā)學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的興趣，再用提高了的理論水平來(lái)指導(dǎo)新的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐活動(dòng)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式在實(shí)踐環(huán)節(jié)上的缺乏與不足也與今天社會(huì)人才市場(chǎng)急功近利的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相適應(yīng)。長(zhǎng)期以來(lái)，我們培養(yǎng)的學(xué)生存在著“什么都學(xué)過(guò)，卻什么都不會(huì)”的尷尬局面，專業(yè)教育和教材與市場(chǎng)需求嚴(yán)重脫節(jié)。事實(shí)上，學(xué)生就業(yè)難并不是就業(yè)市場(chǎng)不需要人才，其根源還是教學(xué)的現(xiàn)狀所致[3]。
本文采用“趣味實(shí)用程序的演示+知識(shí)點(diǎn)+趣味實(shí)用程序的模仿+綜合訓(xùn)練+學(xué)術(shù)論文”的教學(xué)模式，在講解新的課程的時(shí)候，首先演示程序，例如，用主控程序?qū)Ψ抡鏀?shù)字I/O模塊進(jìn)行監(jiān)控，讓學(xué)生觀察輸入開(kāi)關(guān)量的變化，可以導(dǎo)致輸出開(kāi)關(guān)量的變化，并可以看到指示燈的亮與滅，聽(tīng)到電鈴的響與停，通過(guò)實(shí)物激發(fā)學(xué)生的興趣，為學(xué)生樹(shù)立一個(gè)目標(biāo)：要實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，需要掌握哪些技術(shù)？從而引出本課程中涉及的主要相關(guān)技術(shù)。
4.1C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的應(yīng)用
C語(yǔ)言是許多高校為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生設(shè)置的第一門(mén)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。學(xué)習(xí)一門(mén)語(yǔ)言，不是學(xué)習(xí)其語(yǔ)法，而是要學(xué)習(xí)利用該語(yǔ)言去解決問(wèn)題的方法，從而培養(yǎng)相關(guān)的能力。通信是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，制訂了通信協(xié)議，引入了校驗(yàn)碼與結(jié)尾碼，如果收到的數(shù)據(jù)，其頭字節(jié)、校驗(yàn)碼或結(jié)尾碼錯(cuò)誤，一般不進(jìn)一步處理，而是直接丟棄該數(shù)據(jù)。
可以利用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)異或校驗(yàn)碼的生成程序，即對(duì)給定的一批字節(jié)，計(jì)算其異或校驗(yàn)碼；對(duì)于含異或校驗(yàn)碼的一批字節(jié)，編寫(xiě)子程序檢查是否正確。同理，可以編寫(xiě)其它校驗(yàn)碼處理程序。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步講解在一個(gè)C語(yǔ)言項(xiàng)目中集成子程序的方法。如果學(xué)生掌握了這些方法，就基本掌握了用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)受控機(jī)軟件的80%以上的技術(shù)。
匯編語(yǔ)言是符號(hào)化了的面向機(jī)器的語(yǔ)言，比較枯燥?？梢杂脜R編語(yǔ)言來(lái)生成校驗(yàn)碼與檢查數(shù)據(jù)是否正確，通過(guò)調(diào)試，讓學(xué)生明確各個(gè)寄存器的作用。在字節(jié)處理方面，可以用0表示開(kāi)關(guān)打開(kāi)，1表示開(kāi)關(guān)閉合，在置位和復(fù)位某位時(shí)，不能影響其它位的值。
4.2計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用
在計(jì)算機(jī)接口中講解“串行通信技術(shù)”時(shí)，首先演示一個(gè)“支持來(lái)電顯示的多賬號(hào)撥號(hào)器”，可以讓學(xué)生一鍵撥號(hào)──201卡與IP卡及所撥打的長(zhǎng)途電話，只要一鍵即可完成，還支持來(lái)電顯示。通過(guò)演示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)習(xí)成為其需要；然后，講解知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生模仿軟件的開(kāi)發(fā)。
可以通過(guò)匯編語(yǔ)言設(shè)置串口參數(shù)，對(duì)串口進(jìn)行初始化，然后，發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)，控制仿真模塊的輸出開(kāi)關(guān)，通過(guò)聲光效果觀察程序運(yùn)行的結(jié)果，這比觀察單純的數(shù)據(jù)變化要形象直觀，對(duì)學(xué)生更有吸引力。
4.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
在C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言，以及計(jì)算機(jī)接口技術(shù)中都涉及到字節(jié)數(shù)據(jù)流，這就是協(xié)議及主控機(jī)與受控機(jī)之間的約定。通過(guò)串行通信協(xié)議，可以自然過(guò)渡到TCP/IP協(xié)議，加深學(xué)生對(duì)協(xié)議的理解。
在網(wǎng)絡(luò)編程方面，可以演示一個(gè)充當(dāng)客戶機(jī)的POP3密碼攻擊程序，讓學(xué)生在增強(qiáng)信息安全意識(shí)的同時(shí)，學(xué)習(xí)基于Socket的客戶機(jī)與服務(wù)器程序的設(shè)計(jì)。3.3節(jié)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，就是通過(guò)客戶機(jī)/服務(wù)器編程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與串行通信數(shù)據(jù)的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。這個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器雖然功能簡(jiǎn)單，代碼簡(jiǎn)單，但是，作用非常大，可以用來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試與維護(hù)。
4.4VB與數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用
有了仿真模塊，就可以采用VB開(kāi)發(fā)主控程序。VB是一門(mén)快速語(yǔ)言，采用VB編程，學(xué)生可以很快入門(mén)，有利于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的自信心。VB可以很方便地設(shè)計(jì)各種表單界面，通過(guò)MSComm32控件和Winsock控件，實(shí)現(xiàn)串行通信和網(wǎng)絡(luò)通信，從而與受控機(jī)或模塊建立通信，完成查詢和控制功能。VB也可以很方便地調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)控制策略、通信協(xié)議及設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄等，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行各種操作。通過(guò)主控程序的開(kāi)發(fā)，可以提高對(duì)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)的感性認(rèn)識(shí)，從而加深理論方面的理解。
5結(jié)束語(yǔ)
計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。本文提出了“趣味實(shí)用程序的演示+知識(shí)點(diǎn)+趣味實(shí)用程序的模仿+綜合訓(xùn)練+學(xué)術(shù)論文”的教學(xué)模式，通過(guò)程序演示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生樹(shù)立一個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，然后，講解知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生模仿相應(yīng)的程序，再進(jìn)行綜合訓(xùn)練。同樣是學(xué)習(xí)相同的課程，但是我們?cè)谄渲腥谌肓擞?jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計(jì)了仿真模塊，可以在計(jì)算機(jī)房零成本搭建計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)我們的教學(xué)，學(xué)生畢業(yè)后，可以直接作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或技術(shù)骨干參加計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。進(jìn)行深入學(xué)習(xí)后，學(xué)生也可以發(fā)表計(jì)算機(jī)監(jiān)控方面的學(xué)術(shù)論文。
目前，我校已經(jīng)開(kāi)設(shè)了“計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”課程，實(shí)踐表明，該課程的開(kāi)設(shè)，將計(jì)算機(jī)專業(yè)的若干專業(yè)平臺(tái)課有機(jī)地融合到一起，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)技能的培養(yǎng)，加深對(duì)理論的理解，提高就業(yè)率具有重要意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬玉春. 計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2007.
[2] Virtual Serial Port[EB/OL]. /products /vspdxp/，2007-7.
[3] 周蘇，王文. 軟件工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2006，(10).
作者簡(jiǎn)介
馬玉春(1969-)，男(漢族)，江蘇南京人，博士，東北大學(xué)秦皇島分校計(jì)算機(jī)工程系教學(xué)主任。
E-mail:
聯(lián)系方式：東北大學(xué)秦皇島分校計(jì)算機(jī)工程系，郵編066004
