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關鍵詞： 單片機 嵌入式 無線 教學 培訓
引言： 單片機也稱為微控制器(MCU Microcontroller Unit)是最典型、最廣泛、最普及的嵌入式系統。目前我國大學，中等專業學校，職業學校，職工進修， 社會培訓等，都已經廣泛開設單片機教學課程和進行單片機教學。
隨著SOC(片上系統)目前日新月異的技術進步和嵌入式無線技術的突飛猛進的高速發展，“嵌入式系統與單片機應用”及類似課程的教學內容和實驗，再次面臨一次重大的轉型期，這里就我們的認識介紹如下，以達到拋磚引玉的目的。
一 單片機教學的歷史回顧
回憶過去我國單片機教學走過的路，大多數都是從8位8051走過來的，從2004年開始，以ARM微控制器為代表的32位單片機也開始廣泛進入單片機教學中，同時UCOSII 這樣的開源實時操作系統，也開始在單片機教學中嶄露頭角，故8051和ARM單片機在國內普及單片機應用方面功不可沒。
而總結一下目前的單片機教學模式，內容和實驗系統目前的缺陷，將有利于我們討論目前的轉型。
首先的誤區是是單片機教學使用的單片機已經老掉了牙，教學平臺也逐步老化，不能適應今天日新月異的技術進步和創新。目前的8位8051單片機教學系統大部分還采用10年前的“中古”的單片機芯片，以一片雙列直插的40腳插座的8051配以不同的外圍電路去適應各種不同的應用，然后擴充大量額外的接口芯片，顯示部件等等，這樣的東西，正是幾十年不變，堪稱“超級經典”的“古董”，雖然實驗箱越做越“豪華”，實驗臺越做越巨大 (當然價格也越愈來愈高)，但是技術落后的本質，并沒有任何改變，而當前在國內流行的這樣的單片機教學實驗系統，正好和當今世界單片機技術發展的主要潮流完全背道而馳!
單片機姓“單”，SoC即片上系統才是主要的技術發展方向，只有將整個系統都集成在一個集成電路芯片上，才能做到低成本、高可靠性。
當前單片機技術世界主要發展的潮流是微功耗(一個鈕扣電池可以工作幾年)，極小的芯片體積(大量采用QFN ，VFBGA，WLCSP等等這樣的超小型封裝)，多種通訊和網絡(包括無線網絡)收發控制等功能完全內置，目前SOC技術和SIP技術，甚至要將已經很少的濾波電容和高頻匹配電路和晶體等，也集成到芯片內部，這樣的單片機才是真正的單片機。有這樣一個實例，一個可能2CMX2CM的小小的電路板，上面幾乎沒有如何外加零件，只有一個電池，一個單片機，但是確實是一個完整的，功能強大的，具有ZigBee無線網絡功能的嵌入式系統。
另一誤區是對使用仿真器褒貶。有人講單片機教學開發沒有必要使用仿真器。也有很多國內公司，目前仍然在賣力的推廣那種高價格的”通用”仿真器， 我們認為， 從單片機仿真器的世界發展趨勢看，單片機教學，不僅需要，而且完全有可能裝備得起仿真器，保證每個學生有一臺。
這是因為.SOC技術的發展，使幾乎所有的單片機生產制造商，都在目前使用的新型單片機中，內置了仿真器的功能(這相當于將價格高昂和復雜地仿真器功能，集成制造在SOC內部， 因為在硅片上集成仿真器的成本很低，基本上可以忽略不計，所以，在芯片上集成了仿真器功能后，并不影響單片機成本)， 這些仿真器都是采用類似JTAG仿真 的功能，具有強大的調試功能，仿真時無需要將單片機移除，就可以在KEIL和IAR這樣通用編譯環境下，實現單步，斷點，C語言源級調試等高級功能，這樣的高級調試功能，無論是對單片機初學者或者是對開發比較復雜的應用軟件，都是必須要的東西。
采用這樣內置JTAG的仿真器，除了無須那些大型昂貴的通用仿真器外，另外一個重要優勢是，無論仿真調試和FLASH 下載，都只需要1-3個I/O口線就可以實現，這對于新型小型封裝單片機而言，既不需要昂貴的特殊仿真插頭插座，也容易實現在應用編程和代碼更新，調試等功能。
再一個誤區是對匯編語言的看法，這一點其實已經不需要爭議，在單片機教學中，放棄匯編，完全以C語言進行編程，是大勢所趨，無論是ARM還是8051，目前C語言編程基本上都可以完全可以取代原來需要匯編的地方，目前比較新的單片機芯片，在廠商技術支持和應用代碼樣板中，都已經基本完全放棄了匯編代碼。
二 從新解讀 “授之以魚不如授之以漁”的含意
提到目前單片機教學現狀， 有人往往搬出“授之以魚不如授之以漁”這個俗話來。講我們目前的單片機教學內容如此經典和陳舊，那是因為我們目前的單片機教學主要是是“授之以漁”，授之以解決問題的方法，培養解決問題的能力，是引導學生入門。
這個解讀從理論上沒有大的問題，然而問題在于，目前國內單片機教學和教學系統的實際情況，是否可以可以達成這個“授之以漁”目標?
到互聯網上進行搜索，在國內可能有幾百上千本教材，數不清的單片機課程和“精品課程”，數不清的五花八門的實驗系統。但是仔細看其中的內容，基本大同小異，8位的教學系統，基本上以89C51這樣的8051單片機為核心， 實驗主要是匯編，指令系統A/D，DA. I/O擴展，串口(232/485)， SPI， I2C. C51編程等， 但是， 這樣一套已經有10到20年的如此成熟技術和教學體系，哪里還有多少技術問題可以供學生們去分析?去解決?
從目前世界上單片機技術的發展的眼光看，這目前國內單片機教學這部分地內容，最多可以說是單片機的部分“內核”，從硅成本看，這部分在芯片中所占比例會越來越小。換句話來講，目前的國內單片機教學內容，在未來單片機中占有的比例(包括原理和擴展部分的知識)正在越來越少。 而新的單片機集成主要是各種有線和無線的收發器，無線網絡基帶處理，語音視頻處理，電源管理等等，這些新技術，正在成為單片機有機組成部分，而我們的單片機教學系統，如何能視而不見?如何能回避讓學生不去具備這方面解決問題和分析問題的能力?
我們單片機教學，是要給予學生“捕魚”的本領， 然而時代變了，“江河”的情況變了，“魚”也改變為更刁滑了， 捕“魚”的工具也變了，難道我們教授給學生的“捕魚”的本領和捕魚的方式可以 “以不變應萬變”? 可以10年不變?50年不變?
可以設想這樣一個例子： 一位在我們今天單片機教學系統的培訓下，對AT89C51得分優秀的畢業生，走進一家合資企業的開發部門，老板拿過來一個藍牙2.0的耳機樣品，請他增加一下簡單功能，這位畢業生馬上就“傻眼” 。小小電路板板上密密麻麻的各種微型封裝零件，一個也不認識，連哪里是天線也不知道? 如何對內部多個單片機內核編程?如何進行低功耗設計?如何進行無線通訊?什么是通訊協議?應用剖面? 基本的入門知識都沒有(因為我們目前的單片機教學體系根本沒有涉及這些知識)只好被很快掃地出門….. 有人講那老板也需要他進行培訓吧?可是你連基礎都一點沒有，“對牛彈琴”那個老板愿意花這個冤枉錢? 有人講那未必就會碰到這樣的無線系統開發吧?隨著技術發展，無線會無處不在，也必然會成為嵌入式的組成部分，單片機的一部分你不可能逃避。
單片機教學需要“授之以漁”，我們必須要跟上技術發展的腳步，這句話才又正真的意義。
三 將嵌入式無線技術加入到單片機教學中勢在必行
嵌入式無線技術加入目前單片機教學體系，目前有兩個問題，一是有沒有必要，二是可能不可能實現?
前一個問題，由于無線技術，特別是短距離無線通訊技術的飛速發展，已經對我們目前的單片機教學體系和教學內容，提出了緊迫的挑戰，目前ZigBee(802.15.4)技術，藍牙技術，低功耗WI-FI(802.11B/G)和以太網，CAN總線等多種有線和無線網絡技術，已經全面植入單片機，其中，無線單片機SOC地價格，也已經逐步接近普通單片機(價格范圍每片2美元到5美圓在批量)。 無論你愿意不愿意面對，單片機無線技術都會像像SPI， I2C， 串口技術等一樣，成為單片機基本技術的一部分，成為嵌入式基本技術的一部分. 采用無線和無線網絡技術來連接多個單片機或者實現自組織網絡。雖然和有線通訊和網絡通訊方式有共同的地方，但是，也都有許多很多完全不同的特點，需要在軟件，網絡， 無線防沖突等方面，擴展學生知識面和實際動手能力，包括看懂新型單片機結構原理，看懂別人的通訊和網絡協議C語言代碼，學會使用這些新型單片機進行設計， 這就必需要將無線和無線網絡技術作為單片機基礎技術的一部分，盡快加入到目前單片機教學系統中去。
對于可能不可能的問題，如果在3-4年前提出來，可能還有些困難，但是在無線單片機SOC日益成熟和國內技術開發能力設計能力不斷進步的今天，已經不是問題，任何大學和職業學校，中等專業學校，甚至個人愛好者， 都可以容易的實現，這是因為：
北京航空航天大學從2006年12月開始，出版了系列教材《無線單片機技術叢書》，目前已經出版了七本，而且還將繼續安排出版， 為將無線技術加入到單片機教學體系，提供了比較高質量的教材體系。
深圳無線龍科技公司等一批先行的國內高科技公司，提供了和教材/實驗一一對應的低價格開發配套開發平臺，這些平臺包括支持KEIL 和IAR編譯調試環境的USB/JTAG仿真器， 配套的無線基礎通訊和網絡通訊實驗源代碼， 無線模塊， 批量裝備的時候，價格僅僅是進口同類產品的十分之一。
清華大學，浙江大學，中山大學，江蘇大學，浙江大學，成都電子科大都已經批量(每個實驗室30-60套)裝備，并使用北航教材，進行了成功的教學實踐。涉及專業包括工業控制，通訊，儀器儀表，傳感器，計算機等。
廣泛的教學實踐證明，嵌入式無線作為單片機基礎技術，并不是那樣困難，單片機無線通訊技術也并不是那樣高不可攀， 關鍵是要抓住C語言編程這個核心，抓住無線通訊和無線網絡的特殊點，讓學生在動手實踐，實際設計中，去體驗無線，去分析和解決新的技術挑戰，讓學生掌握如何在單片機設計和應用中實際中， 容易的使用無線這個新的技術手段。
四 實現目前單片機教學實驗系統升級的可行性分析
實現嵌入式無線技術在單片機教學中的升級， 對已經建立單片機課程和實驗室的單位，也就是需要淘汰原來已經使用了數年和十年以上實驗平臺，從新建立以具有新一代單片機特徵的單片機教學實驗系統，這些新型單片機特徵包括：
4.1 具有微功耗特點和電源管理電路，既有很低的休眠功耗(數NA) 又能很快速的喚醒，這一點不僅目前新型的8位單片機具備，新一代的32位ARM7/ARM9/ARM- M3 單片機都具備。
4.2 內置網絡和基帶處理能力，無線/有線收發器電路。
4.3 內置JTAG 仿真器電路。
4.4 內置較大容量的FLASH 和SRAM.
4.5. 采用微型封裝技術，占用電路板體積很小，很少外圍零件。
這些特征都是目前使用的像89C51這樣的類似老芯片不可能具備的。
要實現更新和對單片機教學系統升級，最大問題可能不在硬件成本，因為目前市場上這類系統，成本都足以和陳舊的老芯片構成的系統競爭，問題是，很多單位舍不得放棄經過多年努力和教學實踐積累起來的實驗代碼和教學大綱，和教學體系，對于這個問題，其實大可以不必擔心，因為單片機內核的完全兼容性，已經完全解決了這些問題。
以8051為系統的向新型單片機(包括無線單片機)過渡，由于其8051內核，包括匯編級別的代碼，具有100%兼容性，I/O，定時器等外部接口，也是完全兼容，特別在C51這個級別，同樣使用KEIL/IAR的編譯開發平臺，代碼移植和原有實驗等，都可以基本原封不動的保留，教材和教學大綱等，也可以完全保留。
這樣就可以使用新系統， 在保留原來教學體系的基礎上，進行網絡和無線擴展教學， 這相當于在原來的單片機接口技術基礎上，直接利用新平臺，擴展單片機無線技術基礎，單片機無線網絡基礎，單片機低功耗設計等實驗和擴展相關知識范圍。
這樣新一代的單片機平臺，就和原有的單片機教學系統和精品課程系統自然的，有機的融合為一體。實現了無縫升級。
無線龍通訊最近推出的C51RF-PS，C51RF-3-PK的ZigBee系統，都是升級單片機教學系統的很好選擇。
對于32位以ARM為核心的單片機教學平臺，這樣的升級方式仍然有效，因為以ARM為內核的無線單片機，本身也就是一個標準的ARM單片機，原來ARM單片機的教學實驗內容，包括μC/OS-II移植和使用，μC/OS-II文件系統， μC/OS-II圖形界面GUI，μC/OS-II TCP/IP編程等，都可以在新平臺上不做修改而直接運行。
但是由于ARM無線單片機在芯片內，已經具備了無線和無線網絡的硬件，(例如，最新的ARM無線單片機 MC1322X ，內置了ZigBee網絡和基帶，MAC等功能) 我們可以在我們的RTOS下，進行無線多任務處理，將多個ARM傳感器節點，連接成一個低功耗無線傳感器網絡…..
深圳無線龍科技公司即將推出的低功耗，低價格ARMRF-2新一代平臺，就將同時具備支持μC/OS-II 移植和使用，μC/OS-II文件系統，μC/OS-II圖形界面GUI，μC/OS-II TCP/IP編程，也同時具備低功耗無線通訊基礎和低功耗無線網絡學習開發新功能。
五 結束語
隨著世界單片機技術的發展和嵌入式無線等新技術不斷整合，集成到新型單片機內部，我們目前的單片機教學體系，升級和更新是不可避免得大潮流。
放眼世界無線的潮流，新一代高集成SOC的潮流，正在以超越想象的速度向我們走來，讓我們舉起雙手去迎接吧!
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