工程型智能科学与技术专业微控制器技术课程教学研究

陈启丽，陈雯柏

（北京信息科技大学自动化学院，北京100192）

摘要：面向工程型智能科学与技术专业，探讨微控制器技术课程的教学内容及教学方式改革，提出以机器人为对象，将MSP430微控制器引入教学，并介绍一系列课程案例的开发。

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关键词 ：智能科学与技术；机器人；微控制器；课程改革

基金项目：北京信息科技大学2014年教学改革立项项目(2014JG08)；北京信息科技大学自动化学院2015年青年教师教学能力提升项目“2015年人才培养质量提高”(5111523309)。

第一作者简介：陈启丽，女，讲师，研究方向为递归神经网络、智能控制，qilichen@hotmail．com。

1 背景

智能科学与技术专业是一个面向前沿高新技术的基础性本科专业，涉及机器人技术、以新一代网络计算为基础的智能系统、新一代的人一机系统技术等。特别是经过近几十年的发展，智能机器人技术及其应用已经成为各个行业及各个领域创新的重要生长点，应用前景日趋广泛。总书记在2014年两院院士大会讲话中提到，“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，我国将成为全球最大的机器人市场。

智能科学与技术本科专业在我国的发展尚属初级阶段，主要由多个专业的合并和重组而成，因此其本科教学模式具有融合、交叉、综合等特点的同时又各具有自身的特色。

基于对智能科学与技术学科内涵的科学认识和十几所高校的实践经验，中国人工智能学会教育工作委员会于2004年8月提出《智能科学与技术本科专业专业规范》，建议不同学校根据自身特点定位其人才培养目标。北京信息科技大学智能科学与技术专业定位于培养工程技术型人才，以本科生实验教学模式为主进行教学改革。结合本科生能力培养实际，从基础的实验能力锻炼、开放式网络化实验教学、组建科研小组到举办机器人比赛等多个方面提高学术的自主学习能力、创新能力、实际操作能力以及在工程领域中的应用能力。智能科学与技术将传统机器智能化，为新学科发展提供研究载体和持久动力，同时引入生命科学、认知科学和脑科学的研究成果和研究方法，推进信息系统的智能化。

2 面向机器人设计的微控制器技术课程开发

嵌入式微控制器是机器人的大脑，是机器人实现智能的先决条件和基本平台。微控制器可以控制机器人进行信息采集、存储、处理以及实现机器人智能的行为。“微控制器技术”并不是一个全新的课程，几乎是每个工科院校都开设的一门专业基础课，该课程是学习和使用机器人必不可少的课程之一。机器人的核心控制模块就是微控制器，机器人搭载的各种传感器获取的数据均会通过单片机的I/O口或者其他通信模块传输给微控制器。经过一定的运算决策，微控制器将控制策略传输给机器人的执行机构，最终实现机器人的智能控制。

从教学方式来看，学生将机器人作为一个学习对象，通过微控制器技术课程的学习，直观地将自己所学的内容应用于机器人获取环境以及控制过程，这也是一种新型的教学方式。对学生而言学习内容极具有趣味性，激发其主观能动性。

在教学安排上，微控制器技术课程设计环节使学生不但掌握微控制器技术的基本原理，而且能够熟练应用微控制器技术进行机器人等智能系统的应用开发。

微控制器技术课程主要包括微控制器的基本原理，微控制器内核心模块的功能、设置及应用，微控制器的程序设计等。通过课程学习，学生理解和掌握微控制器技术基础理论，微控制器内部时钟系统、端口模块、定时器以及串口通信等工作原理及设计方法，微控制器的程序设计方法；能使用微控制器技术实现机器人对环境信息的准确采集、信息处理以及对机器人行为、动作和运动的有效控制。

在教学过程中引入智能机器人，可以融合传感科学与技术、通信科学与技术、计算机科学与技术等来实现智能技术。传感科学与技术的任务是把原始信息转换为机器可感知信息；通信科学与技术的任务是可靠地传输感知信息；计算机科学与技术的任务是将感知信息进行计算、处理并转换为可用信息。智能机器人为学生把可用信息转换成为知识进而在目标制导下转换为智能策略提供了可靠的平台。

3 教学研究

3.1 选用先进的MSP430微控制器作为教学平台

华盛顿协议对工程类本科生的能力要求主要有以下几方面：

(1)在系统、工艺和机器的设计、操作和改进过程中，能够应用数学、自然科学和工程技术知识；

(2)发现并解决复杂工程问题；

(3)了解并解决环境、经济和社会与工程相关的问题；

(4)具有有效沟通能力；

(5)能够接受终身学习并促进职业发展；

(6)遵守工程职业道德；

(7)能够在当今社会中发挥作用。

基于以上的7个能力要求，我们设计了一系列课程案例。在各类机器人中，目前轮式机器人的结构较为简单且较容易控制。在老师的指导下，学生基本都能搭建各种形式的轮式机器人。教学过程中主要选用MSP430F149系列的单片机作为机器人的核心控制模块。MSP430F149芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器，包括60KB+256字节的flash、2KB的RAM，基本时钟模块、看门狗定时器、3个捕获／比较寄存器、PWM输出的16位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行端口、模拟比较器、12位A/D转换器、2个串行通信接口等模块。MSP430F149芯片具有如下特点：

(1)低电压、超低功耗；

(2)强大的处理能力；

(3)丰富的片上外围模块；

(4)系统工作稳定；

(5)方便高效的开发环境。

其作为学生学习的入门级微控制器，既不像51单片机功能过于简单，也不像TI公司其他系列的单片机功能过于复杂，其能够兼顾学生学习能力和市场需求。

机器人除了控制模块之外，主要由传感器模块和执行机构构成。传感器模块主要用于智能获取环境信息，执行机构则主要用于执行智能决策。教学过程中使用的机器人，其内部搭建了摄像头传感器和超声传感器，执行机构有电机、机械臂等。基于MSP430单片机的机器人实验平台为智能科学与技术系的学生搭建了一个智能控制的硬件平台。该平台可以引导学生设计机器人的一些智能行为并通过使用微控制器技术实现该智能行为。

3.2 开发验证性案例实验

验证性实验主要实现以下功能：

(1)编程产生PWM波，控制机器人移动；

(2)编程产生PWM波，控制机器人机械臂；

(3)读取超声波的测量值；

(4)读取摄像头的图像等。

教学过程中设计了部分基础实验（见表1），学生在实验过程中，理解微控制器的工作原理及具体应用。帮助学生建立起理论与应用之间的对应关系，为学生开展创新性工作、开拓性工作奠定扎实的理论及实践基础。

3.3 开发设计性案例实验

设计性实验多为课外开放实验，主要实现以下功能：

(1)使用一种传感器实现机器人的控制；

(2)融合两种以上的传感器实现机器人的控制；

(3)基于摄像头实现机器人机械臂的抓取任务等。

我们在教学过程中设计了各式各样的项目式课外开放实验，见表2。学生自己完成方案设计、动作设计、控制器设计等内容，老师给予一定的理论指导，最终实现机器人完成各式各样的项目任务。

4 结语

在课程教学中，我们精心设计及开发各类机器人模型，充分考虑工程素质教育要求，增加学生的动手实践环节。实践表明，实物实验降低了学生对单片机课程理论的排斥心理，很大程度上增加了学生的学习兴趣。基于机器人平台的设计性实验，有效锻炼了学生的创新性思维以及应用理论解决实践问题的能力，增加了本科学生对智能科学与技术专业的深入理解。

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参考文献：

[1]钟义信．智能科学技术导论[M]．北京：北京邮电大学出版社，2007.

[2]陈雯柏，李擎，王万森．工程型智能科学与技术专业知识体系与课程研究[J]计算机教育，2014(19): 29-33．

[3]王万森，适应智能化应用发展趋势，培养创新型智能科技人才[J]．计算机教育，2013(10):1．

[4]王万森，方勇纯，张磊．课程与教学研究[J]．计算机教育，2011 (15): 47．

[5]中国科协国际联络部，中国科协代表我国顺利加入《华盛顿协议》[J]．科协论坛，2013(7): 28．

[6]李彬，王朝阳，卜涛，等．基于MSP430F149的最小系统设计[J]应用天地，2009(28): 74-76．

（编辑：彭远红）