基于图形化编程技术的单片机课程教学初探

兰翔

【摘 要】本文针对中职教育中基于汇编语言或 C 语言的单片机课程教学难度大、教学效果差等问题，提出将 Matlab/Simulink 引入单片机的课程教学实践中，实现单片机配置和编程的图形化;与抽象的汇编语言和 C 语言相比，这种图形化编程语言具有编程简单、易于理解，且还能实现较复杂的算法编程等优点，基于该技术的教学实践取得了较好的效果。

【关键词】单片机教学 汇编语言 图形化编程软件

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2020）06B-0057-02

长期以来，51 单片机因结构和指令简单，一直被中职学校选择作为单片机入门课程教学内容。但这种 8 位的单片机一般只能用汇编语言与 C 语言对其进行编程，这对于中职学校的学生而言，要想熟练地掌握并运用这两种语言对单片机进行较为复杂的编程是很困难的。统计数据表明，经过这种系统学习后，平均每个班级最多能产生 1～2 名具有独立编程能力的学生，而这些学生一般都是发烧级的单片机爱好者。究其原因，主要是汇编语言和 C 语言比较难以掌握，学生一般只能在实验指导书的引导下进行编程。学生由于缺乏自主编程的成就感，久而久之，便对该课程失去了兴趣。没有了兴趣的支撑，自然就无法产生发烧级的单片机爱好者。

随着单片机技术的飞速发展，处理速度更快、处理能力更强、功能更多、存储容量更大、价格低廉的 32 位单片机已经逐渐取代老式的 8 位和 16 位单片机，其中最具代表性的是以 ARM 为内核的单片机。但伴随这种高性能单片机而来的还有复杂的硬件结构和指令集，且其编程语言仍然采用汇编语言和 C 语言，显然，伴随着高性能一起来到的是更高的学习门槛，于是学生对 ARM 单片机一般都是望而却步。

对于 32 位的 ARM 单片机，有没有一种更为简单、快捷的更适合中职学校学生使用的编程手段呢？意法半导体公司（STMicroelectronics，ST）给出了肯定的答案。笔者在利用 ST公司提供的图形化配置工具 STM32CubeMX 和 STM32-MAT/TARGET 图形化编程工具包，对 ST 公司生产的全系列 32 位 ARM 单片机进行编程实验之后，发现这种编程方法比较好学，可以用来進行教学，帮助中职学生更好地进行学习。为此，笔者尝试利用单片机图形化编程方式进行讲授，对课程进行改革。

一、图形化编程工具简介

（一）STM32CubeMX 工程配置软件。STM32CubeMX 是 ST 公司为 STM32 系列单片开发的，旨在帮助用户快速建立工程，并快速初始化单片机片内外设的图形化配置工具软件，其软件界面如图 1 所示。单片机的开发流程如图 2 所示，其中第 1 至第 5 步，可以在 STM32CubeMX 中利用鼠标和键盘在图形界面上进行简单的勾选配置，最后自动生成程序框架，这对于结构复杂的 32 位单片机显得尤为重要。基于这款图形化配置软件，学生不用深入学习和掌握复杂的单片机内部结构，就能对单片机及其外设进行初始化，因此可以专注于第 6 步的用户程序编写。可以毫不夸张地说， STM32CubeMX 的出现，将 32 位 ARM 单片机的使用门槛拉得比 51 单片机更低。

（二）STM32-MAT/TARGET 图形化编程工具包。STM32CubeMX 屏蔽了单片机底层硬件，使单片机开发变得非常简单，但是仍需要利用 C 语言进行用户程序的编写。这对于中职学校的学生而言，仍是一道难以逾越的门槛。那么用户程序编写是否有更便捷的方法呢？ST 公司给出了解决的办法。

STM32-MAT/TARGET 是 ST 公司基于迈斯沃克公司的 Simulink 图形化软件平台开发的 STM32 单片机自动代码生成工具包。如图 2 所示，基于该工具包，学生可以在完全图形化的环境中对用户程序进行编程，然后通过一键生成代码，自动嵌入到 STM32CubeMX 配置软件自动生成的代码框架中，最后经编译下载到单片机中运行。整个开发过程实现了代码图形化和两个图形化软件代码的无缝衔接，开发过程变得非常简单与高效。

二、利用图形化编程工具开展的教学实践

用户代码是实现具体功能和算法的部分，也是学生学习单片机过程中的难点部分，因此如何降低这部分代码的编写难度是提高学生学习兴趣的关键。图 3 是笔者教学过程中给学生讲解的图形化编程案例之一。图 3 所示程序不仅包含了中断模式的 AD 转换，以及采样后的数值处理，还包含串口通信的内容。如果通过汇编语言或 C 语言进行编程，其代码编写的复杂程度足以让一名普通的中职学生抓狂。而依托图形化代码编程软件，学生仅需要几个拖拽图形控件及连线的动作就可以完成。经课堂教学演示，学生对这种新型的开发模式均表现出浓厚的学习兴趣。

三、利用图形化编程工具进行教学实践的总结与展望

为降低单片机的开发难度，提高学生学习单片机的兴趣，本文将图形化编程技术引进单片机的教学实践中，学生反馈意见表明，图形化编程技术已然成为了解决当前中职学校单片机教学瓶颈的重要手段。尽管如此，教学改革仍面临以下阻力：（1）缺乏与之相配套的教材;（2）职业院校技能大赛等竞赛规则规定大赛仅限于使用功能单一的老式 51 单片机，这将是改革的主要阻力。从现实来看，虽然教材建设任重道远，但仍可为之。更难的是竞赛规则的滞后性，如何改变这种相对比较落后的情况是我们面临的头等大事。现行的竞赛规则显然与中央“弘扬新时代精益求精的工匠精神”相悖，已经不合时宜。只有相关部门从政策层面上进行相应的改革，才有可能将这样的教学改革进行到底。

【参考文献】

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[2]倪丹艳.基于“中国制造2025”战略理念的“单片机原理与应用”教学改革探索与实践[J].科技与创新，2020（6）.

[3]区嘉洁，江 帆.单片机原理类课程的卓越机械工程师实践教学模式改革研究[J].实训与实践探索，2020（4）.

[4]黄大勇，郭建昌，胡冬梅，张 戈.单片机技术实践教学模式的探索与改革[J].当代教育实践与教学研究，2020（7）.

（责编 卢建龙）