工程型智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)微控制器技術(shù)課程教學(xué)研究.doc

工程型智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)微控制器技術(shù)課程教學(xué)研究 陳啟麗，陳雯柏 （北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京100192） 摘要：面向工程型智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，探討微控制器技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式改革，提出以機器人為對象，將MSP430微控制器引入教學(xué)，并介紹一系列課程案例的開發(fā)。 關(guān)鍵詞：智能科學(xué)與技術(shù)；機器人；微控制器；課程改革 基金項目：北京信息科技大學(xué)xx年教學(xué)改革立項項目(xxJG08)；北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院xx年青年教師教學(xué)能力提升項目“xx年人才培養(yǎng)質(zhì)量提高”(5111523309)。 第一作者簡介：陳啟麗，女，講師，研究方向為遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能控制，qilichenhotmail。 1背景 智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是一個面向前沿高新技術(shù)的基礎(chǔ)性本科專業(yè)，涉及機器人技術(shù)、以新一代網(wǎng)絡(luò)計算為基礎(chǔ)的智能系統(tǒng)、新一代的人一機系統(tǒng)技術(shù)等。特別是經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，智能機器人技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)成為各個行業(yè)及各個領(lǐng)域創(chuàng)新的重要生長點，應(yīng)用前景日趨廣泛。習(xí)近平總書記在xx年兩院院士大會講話中提到，“機器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個切入點和重要增長點，我國將成為全球最大的機器人市場。 智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)在我國的發(fā)展尚屬初級階段，主要由多個專業(yè)的合并和重組而成，因此其本科教學(xué)模式具有融合、交叉、綜合等特點的同時又各具有自身的特色。 基于對智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)科內(nèi)涵的科學(xué)認(rèn)識和十幾所高校的實踐經(jīng)驗，中國人工智能學(xué)會教育工作委員會于xx年8月提出智能科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)專業(yè)規(guī)范，建議不同學(xué)校根據(jù)自身特點定位其人才培養(yǎng)目標(biāo)。北京信息科技大學(xué)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)定位于培養(yǎng)工程技術(shù)型人才，以本科生實驗教學(xué)模式為主進行教學(xué)改革。結(jié)合本科生能力培養(yǎng)實際，從基礎(chǔ)的實驗?zāi)芰﹀憻?、開放式網(wǎng)絡(luò)化實驗教學(xué)、組建科研小組到舉辦機器人比賽等多個方面提高學(xué)術(shù)的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實際操作能力以及在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用能力。智能科學(xué)與技術(shù)將傳統(tǒng)機器智能化，為新學(xué)科發(fā)展提供研究載體和持久動力，同時引入生命科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和腦科學(xué)的研究成果和研究方法，推進信息系統(tǒng)的智能化。 2面向機器人設(shè)計的微控制器技術(shù)課程開發(fā) 嵌入式微控制器是機器人的大腦，是機器人實現(xiàn)智能的先決條件和基本平臺。微控制器可以控制機器人進行信息采集、存儲、處理以及實現(xiàn)機器人智能的行為?！拔⒖刂破骷夹g(shù)”并不是一個全新的課程，幾乎是每個工科院校都開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程是學(xué)習(xí)和使用機器人必不可少的課程之一。機器人的核心控制模塊就是微控制器，機器人搭載的各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)均會通過單片機的I/O口或者其他通信模塊傳輸給微控制器。經(jīng)過一定的運算決策，微控制器將控制策略傳輸給機器人的執(zhí)行機構(gòu)，最終實現(xiàn)機器人的智能控制。 從教學(xué)方式來看，學(xué)生將機器人作為一個學(xué)習(xí)對象，通過微控制器技術(shù)課程的學(xué)習(xí)，直觀地將自己所學(xué)的內(nèi)容應(yīng)用于機器人獲取環(huán)境以及控制過程，這也是一種新型的教學(xué)方式。對學(xué)生而言學(xué)習(xí)內(nèi)容極具有趣味性，激發(fā)其主觀能動性。 在教學(xué)安排上，微控制器技術(shù)課程設(shè)計環(huán)節(jié)使學(xué)生不但掌握微控制器技術(shù)的基本原理，而且能夠熟練應(yīng)用微控制器技術(shù)進行機器人等智能系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。 微控制器技術(shù)課程主要包括微控制器的基本原理，微控制器內(nèi)核心模塊的功能、設(shè)置及應(yīng)用，微控制器的程序設(shè)計等。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生理解和掌握微控制器技術(shù)基礎(chǔ)理論，微控制器內(nèi)部時鐘系統(tǒng)、端口模塊、定時器以及串口通信等工作原理及設(shè)計方法，微控制器的程序設(shè)計方法；能使用微控制器技術(shù)實現(xiàn)機器人對環(huán)境信息的準(zhǔn)確采集、信息處理以及對機器人行為、動作和運動的有效控制。 在教學(xué)過程中引入智能機器人，可以融合傳感科學(xué)與技術(shù)、通信科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)等來實現(xiàn)智能技術(shù)。傳感科學(xué)與技術(shù)的任務(wù)是把原始信息轉(zhuǎn)換為機器可感知信息；通信科學(xué)與技術(shù)的任務(wù)是可靠地傳輸感知信息；計算機科學(xué)與技術(shù)的任務(wù)是將感知信息進行計算、處理并轉(zhuǎn)換為可用信息。智能機器人為學(xué)生把可用信息轉(zhuǎn)換成為知識進而在目標(biāo)制導(dǎo)下轉(zhuǎn)換為智能策略提供了可靠的平臺。 3教學(xué)研究 3.1選用先進的MSP430微控制器作為教學(xué)平臺 華盛頓協(xié)議對工程類本科生的能力要求主要有以下幾方面： (1)在系統(tǒng)、工藝和機器的設(shè)計、操作和改進過程中，能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程技術(shù)知識； (2)發(fā)現(xiàn)并解決復(fù)雜工程問題； (3)了解并解決環(huán)境、經(jīng)濟和社會與工程相關(guān)的問題； (4)具有有效溝通能力； (5)能夠接受終身學(xué)習(xí)并促進職業(yè)發(fā)展； (6)遵守工程職業(yè)道德； (7)能夠在當(dāng)今社會中發(fā)揮作用。 基于以上的7個能力要求，我們設(shè)計了一系列課程案例。在各類機器人中，目前輪式機器人的結(jié)構(gòu)較為簡單且較容易控制。在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生基本都能搭建各種形式的輪式機器人。教學(xué)過程中主要選用MSP430F149系列的單片機作為機器人的核心控制模塊。MSP430F149芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器，包括60KB+256字節(jié)的FLASH、2KB的RAM，基本時鐘模塊、看門狗定時器、3個捕獲比較寄存器、PWM輸出的16位定時器、2個具有中斷功能的8位并行端口、4個8位并行端口、模擬比較器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、2個串行通信接口等模塊。MSP430F149芯片具有如下特點： (1)低電壓、超低功耗； (2)強大的處理能力； (3)豐富的片上外圍模塊； (4)系統(tǒng)工作穩(wěn)定； (5)方便高效的開發(fā)環(huán)境。 其作為學(xué)生學(xué)習(xí)的入門級微控制器，既不像51單片機功能過于簡單，也不像TI公司其他系列的單片機功能過于復(fù)雜，其能夠兼顧學(xué)生學(xué)習(xí)能力和市場需求。 機器人除了控制模塊之外，主要由傳感器模塊和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成。傳感器模塊主要用于智能獲取環(huán)境信息，執(zhí)行機構(gòu)則主要用于執(zhí)行智能決策。教學(xué)過程中使用的機器人，其內(nèi)部搭建了攝像頭傳感器和超聲傳感器，執(zhí)行機構(gòu)有電機、機械臂等?；贛SP430單片機的機器人實驗平臺為智能科學(xué)與技術(shù)系的學(xué)生搭建了一個智能控制的硬件平臺。該平臺可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計機器人的一些智能行為并通過使用微控制器技術(shù)實現(xiàn)該智能行為。 3.2開發(fā)驗證性案例實驗 驗證性實驗主要實現(xiàn)以下功能： (1)編程產(chǎn)生PWM波，控制機器人移動； (2)編程產(chǎn)生PWM波，控制機器人機械臂； (3)讀取超聲波的測量值； (4)讀取攝像頭的圖像等。 教學(xué)過程中設(shè)計了部分基礎(chǔ)實驗（見表1），學(xué)生在實驗過程中，理解微控制器的工作原理及具體應(yīng)用。幫助學(xué)生建立起理論與應(yīng)用之間的對應(yīng)關(guān)系，為學(xué)生開展創(chuàng)新性工作、開拓性工作奠定扎實的理論及實踐基礎(chǔ)。 3.3開發(fā)設(shè)計性案例實驗 設(shè)計性實驗多為課外開放實驗，主要實現(xiàn)以下功能： (1)使用一種傳感器實現(xiàn)機器人的控制； (2)融合兩種以上的傳感器實現(xiàn)機器人的控制； (3)基于攝像頭實現(xiàn)機器人機械臂的抓取任務(wù)等。 我們在教學(xué)過程中設(shè)計了各式各樣的項目式課外開放實驗，見表2。學(xué)生自己完成方案設(shè)計、動作設(shè)計、控制器設(shè)計等內(nèi)容，老師給予一定的理論指導(dǎo)，最終實現(xiàn)機器人完成各式各樣的項目任務(wù)。 4結(jié)語 在課程教學(xué)中，我們精心設(shè)計及開發(fā)各類機器人模型，充分考慮工程素質(zhì)教育要求，增加學(xué)生的動手實踐環(huán)節(jié)。實踐表明，實物實驗降低了學(xué)生對單片機課程理論的排斥心理，很大程度上增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。基于機器人平臺的設(shè)計性實驗，有效鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新性思維以及應(yīng)用理論解決實踐問題的能力，增加了本科學(xué)生對智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的深入理解。 參考文獻： 1鐘義信智能科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論M北京：北京郵電大學(xué)出版社，xx. 2陳雯柏，李擎，王萬森工程型智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)知識體系與課程研究J計算機教育，xx(19):29-33 3王萬森，適應(yīng)智能化應(yīng)用發(fā)展趨勢，培養(yǎng)創(chuàng)新型智能科技人才J計算機教育，xx(10):1 4王萬森，方勇純，張磊課程與教學(xué)研究J計算機教育，xx(15):47 5中國科協(xié)國際聯(lián)絡(luò)部，中國科協(xié)代表我國順利加入華盛頓