试论将嵌入式无线技术用于单片机教学

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关键词： 单片机  嵌入式  无线  教学  培训

引言： 单片机也称为微控制器(MCU Microcontroller Unit)是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。目前我国大学，中等专业学校，职业学校，职工进修， 社会培训等，都已经广泛开设单片机教学课程和进行单片机教学。
随着SOC(片上系统)目前日新月异的技术进步和嵌入式无线技术的突飞猛进的高速发展，“嵌入式系统与单片机应用”及类似课程的教学内容和实验，再次面临一次重大的转型期，这里就我们的认识介绍如下，以达到抛砖引玉的目的。

一 单片机教学的历史回顾
    回忆过去我国单片机教学走过的路，大多数都是从8位8051走过来的，从2004年开始，以ARM微控制器为代表的32位单片机也开始广泛进入单片机教学中，同时UCOSII 这样的开源实时操作系统，也开始在单片机教学中崭露头角，故8051和ARM单片机在国内普及单片机应用方面功不可没。

    而总结一下目前的单片机教学模式，内容和实验系统目前的缺陷，将有利于我们讨论目前的转型。
    首先的误区是是单片机教学使用的单片机已经老掉了牙，教学平台也逐步老化，不能适应今天日新月异的技术进步和创新。目前的8位8051单片机教学系统大部分还采用10年前的“中古”的单片机芯片，以一片双列直插的40脚插座的8051配以不同的外围电路去适应各种不同的应用，然后扩充大量额外的接口芯片，显示部件等等，这样的东西，正是几十年不变，堪称“超级经典”的“古董”，虽然实验箱越做越“豪华”，实验台越做越巨大 (当然价格也越愈来愈高)，但是技术落后的本质，并没有任何改变，而当前在国内流行的这样的单片机教学实验系统，正好和当今世界单片机技术发展的主要潮流完全背道而驰!

    单片机姓“单”，SoC即片上系统才是主要的技术发展方向，只有将整个系统都集成在一个集成电路芯片上，才能做到低成本、高可靠性。
当前单片机技术世界主要发展的潮流是微功耗(一个钮扣电池可以工作几年)，极小的芯片体积(大量采用QFN ，VFBGA，WLCSP等等这样的超小型封装)，多种通讯和网络(包括无线网络)收发控制等功能完全内置，目前SOC技术和SIP技术，甚至要将已经很少的滤波电容和高频匹配电路和晶体等，也集成到芯片内部，这样的单片机才是真正的单片机。有这样一个实例，一个可能2CMX2CM的小小的电路板，上面几乎没有如何外加零件，只有一个电池，一个单片机，但是确实是一个完整的，功能强大的，具有ZigBee无线网络功能的嵌入式系统。
另一误区是对使用仿真器褒贬。有人讲单片机教学开发没有必要使用仿真器。也有很多国内公司，目前仍然在卖力的推广那种高价格的”通用”仿真器， 我们认为， 从单片机仿真器的世界发展趋势看，单片机教学，不仅需要，而且完全有可能装备得起仿真器，保证每个学生有一台。

这是因为.SOC技术的发展，使几乎所有的单片机生产制造商，都在目前使用的新型单片机中，内置了仿真器的功能(这相当于将价格高昂和复杂地仿真器功能，集成制造在SOC内部， 因为在硅片上集成仿真器的成本很低，基本上可以忽略不计，所以，在芯片上集成了仿真器功能后，并不影响单片机成本)， 这些仿真器都是采用类似JTAG仿真 的功能，具有强大的调试功能，仿真时无需要将单片机移除，就可以在KEIL和IAR这样通用编译环境下，实现单步，断点，C语言源级调试等高级功能，这样的高级调试功能，无论是对单片机初学者或者是对开发比较复杂的应用软件，都是必须要的东西。
    采用这样内置JTAG的仿真器，除了无须那些大型昂贵的通用仿真器外，另外一个重要优势是，无论仿真调试和FLASH 下载，都只需要1-3个I/O口线就可以实现，这对于新型小型封装单片机而言，既不需要昂贵的特殊仿真插头插座，也容易实现在应用编程和代码更新，调试等功能。
再一个误区是对汇编语言的看法，这一点其实已经不需要争议，在单片机教学中，放弃汇编，完全以C语言进行编程，是大势所趋，无论是ARM还是8051，目前C语言编程基本上都可以完全可以取代原来需要汇编的地方，目前比较新的单片机芯片，在厂商技术支持和应用代码样板中，都已经基本完全放弃了汇编代码。

二 从新解读 “授之以鱼不如授之以渔”的含意
    提到目前单片机教学现状， 有人往往搬出“授之以鱼不如授之以渔”这个俗话来。讲我们目前的单片机教学内容如此经典和陈旧，那是因为我们目前的单片机教学主要是是“授之以渔”，授之以解决问题的方法，培养解决问题的能力，是引导学生入门。
    这个解读从理论上没有大的问题，然而问题在于，目前国内单片机教学和教学系统的实际情况，是否可以可以达成这个“授之以渔”目标?
    到互联网上进行搜索，在国内可能有几百上千本教材，数不清的单片机课程和“精品课程”，数不清的五花八门的实验系统。但是仔细看其中的内容，基本大同小异，8位的教学系统，基本上以89C51这样的8051单片机为核心， 实验主要是汇编，指令系统A/D，DA. I/O扩展，串口(232/485)， SPI， I2C. C51编程等， 但是， 这样一套已经有10到20年的如此成熟技术和教学体系，哪里还有多少技术问题可以供学生们去分析?去解决?
    从目前世界上单片机技术的发展的眼光看，这目前国内单片机教学这部分地内容，最多可以说是单片机的部分“内核”，从硅成本看，这部分在芯片中所占比例会越来越小。换句话来讲，目前的国内单片机教学内容，在未来单片机中占有的比例(包括原理和扩展部分的知识)正在越来越少。 而新的单片机集成主要是各种有线和无线的收发器，无线网络基带处理，语音视频处理，电源管理等等，这些新技术，正在成为单片机有机组成部分，而我们的单片机教学系统，如何能视而不见?如何能回避让学生不去具备这方面解决问题和分析问题的能力?

    我们单片机教学，是要给予学生“捕鱼”的本领， 然而时代变了，“江河”的情况变了，“鱼”也改变为更刁滑了， 捕“鱼”的工具也变了，难道我们教授给学生的“捕鱼”的本领和捕鱼的方式可以 “以不变应万变”? 可以10年不变?50年不变?
    可以设想这样一个例子： 一位在我们今天单片机教学系统的培训下，对AT89C51得分优秀的毕业生，走进一家合资企业的开发部门，老板拿过来一个蓝牙2.0的耳机样品，请他增加一下简单功能，这位毕业生马上就“傻眼” 。小小电路板板上密密麻麻的各种微型封装零件，一个也不认识，连哪里是天线也不知道? 如何对内部多个单片机内核编程?如何进行低功耗设计?如何进行无线通讯?什么是通讯协议?应用剖面? 基本的入门知识都没有(因为我们目前的单片机教学体系根本没有涉及这些知识)只好被很快扫地出门…..  有人讲那老板也需要他进行培训吧?可是你连基础都一点没有，“对牛弹琴”那个老板愿意花这个冤枉钱?  有人讲那未必就会碰到这样的无线系统开发吧?随着技术发展，无线会无处不在，也必然会成为嵌入式的组成部分，单片机的一部分你不可能逃避。
    单片机教学需要“授之以渔”，我们必须要跟上技术发展的脚步，这句话才又正真的意义。

三 将嵌入式无线技术加入到单片机教学中势在必行
    嵌入式无线技术加入目前单片机教学体系，目前有两个问题，一是有没有必要，二是可能不可能实现?
    前一个问题，由于无线技术，特别是短距离无线通讯技术的飞速发展，已经对我们目前的单片机教学体系和教学内容，提出了紧迫的挑战，目前ZigBee(802.15.4)技术，蓝牙技术，低功耗WI-FI(802.11B/G)和以太网，CAN总线等多种有线和无线网络技术，已经全面植入单片机，其中，无线单片机SOC地价格，也已经逐步接近普通单片机(价格范围每片2美元到5美圆在批量)。 无论你愿意不愿意面对，单片机无线技术都会像像SPI， I2C， 串口技术等一样，成为单片机基本技术的一部分，成为嵌入式基本技术的一部分. 采用无线和无线网络技术来连接多个单片机或者实现自组织网络。虽然和有线通讯和网络通讯方式有共同的地方，但是，也都有许多很多完全不同的特点，需要在软件，网络， 无线防冲突等方面，扩展学生知识面和实际动手能力，包括看懂新型单片机结构原理，看懂别人的通讯和网络协议C语言代码，学会使用这些新型单片机进行设计， 这就必需要将无线和无线网络技术作为单片机基础技术的一部分，尽快加入到目前单片机教学系统中去。
    对于可能不可能的问题，如果在3-4年前提出来，可能还有些困难，但是在无线单片机SOC日益成熟和国内技术开发能力设计能力不断进步的今天，已经不是问题，任何大学和职业学校，中等专业学校，甚至个人爱好者， 都可以容易的实现，这是因为：

北京航空航天大学从2006年12月开始，出版了系列教材《无线单片机技术丛书》，目前已经出版了七本，而且还将继续安排出版， 为将无线技术加入到单片机教学体系，提供了比较高质量的教材体系。
深圳无线龙科技公司等一批先行的国内高科技公司，提供了和教材/实验一一对应的低价格开发配套开发平台，这些平台包括支持KEIL 和IAR编译调试环境的USB/JTAG仿真器， 配套的无线基础通讯和网络通讯实验源代码， 无线模块， 批量装备的时候，价格仅仅是进口同类产品的十分之一。
清华大学，浙江大学，中山大学，江苏大学，浙江大学，成都电子科大都已经批量(每个实验室30-60套)装备，并使用北航教材，进行了成功的教学实践。涉及专业包括工业控制，通讯，仪器仪表，传感器，计算机等。
    广泛的教学实践证明，嵌入式无线作为单片机基础技术，并不是那样困难，单片机无线通讯技术也并不是那样高不可攀， 关键是要抓住C语言编程这个核心，抓住无线通讯和无线网络的特殊点，让学生在动手实践，实际设计中，去体验无线，去分析和解决新的技术挑战，让学生掌握如何在单片机设计和应用中实际中， 容易的使用无线这个新的技术手段。

四 实现目前单片机教学实验系统升级的可行性分析
    实现嵌入式无线技术在单片机教学中的升级， 对已经建立单片机课程和实验室的单位，也就是需要淘汰原来已经使用了数年和十年以上实验平台，从新建立以具有新一代单片机特徵的单片机教学实验系统，这些新型单片机特徵包括：

    4.1 具有微功耗特点和电源管理电路，既有很低的休眠功耗(数NA) 又能很快速的唤醒，这一点不仅目前新型的8位单片机具备，新一代的32位ARM7/ARM9/ARM- M3 单片机都具备。
    4.2 内置网络和基带处理能力，无线/有线收发器电路。
    4.3 内置JTAG 仿真器电路。
    4.4 内置较大容量的FLASH 和SRAM.
    4.5. 采用微型封装技术，占用电路板体积很小，很少外围零件。
    这些特征都是目前使用的像89C51这样的类似老芯片不可能具备的。

    要实现更新和对单片机教学系统升级，最大问题可能不在硬件成本，因为目前市场上这类系统，成本都足以和陈旧的老芯片构成的系统竞争，问题是，很多单位舍不得放弃经过多年努力和教学实践积累起来的实验代码和教学大纲，和教学体系，对于这个问题，其实大可以不必担心，因为单片机内核的完全兼容性，已经完全解决了这些问题。

    以8051为系统的向新型单片机(包括无线单片机)过渡，由于其8051内核，包括汇编级别的代码，具有100%兼容性，I/O，定时器等外部接口，也是完全兼容，特别在C51这个级别，同样使用KEIL/IAR的编译开发平台，代码移植和原有实验等，都可以基本原封不动的保留，教材和教学大纲等，也可以完全保留。
    这样就可以使用新系统， 在保留原来教学体系的基础上，进行网络和无线扩展教学， 这相当于在原来的单片机接口技术基础上，直接利用新平台，扩展单片机无线技术基础，单片机无线网络基础，单片机低功耗设计等实验和扩展相关知识范围。
    这样新一代的单片机平台，就和原有的单片机教学系统和精品课程系统自然的，有机的融合为一体。实现了无缝升级。
    无线龙通讯最近推出的C51RF-PS，C51RF-3-PK的ZigBee系统，都是升级单片机教学系统的很好选择。

    对于32位以ARM为核心的单片机教学平台，这样的升级方式仍然有效，因为以ARM为内核的无线单片机，本身也就是一个标准的ARM单片机，原来ARM单片机的教学实验内容，包括μC/OS-II移植和使用，μC/OS-II文件系统， μC/OS-II图形界面GUI，μC/OS-II TCP/IP编程等，都可以在新平台上不做修改而直接运行。
    但是由于ARM无线单片机在芯片内，已经具备了无线和无线网络的硬件，(例如，最新的ARM无线单片机 MC1322X ，内置了ZigBee网络和基带，MAC等功能) 我们可以在我们的RTOS下，进行无线多任务处理，将多个ARM传感器节点，连接成一个低功耗无线传感器网络…..
    深圳无线龙科技公司即将推出的低功耗，低价格ARMRF-2新一代平台，就将同时具备支持μC/OS-II 移植和使用，μC/OS-II文件系统，μC/OS-II图形界面GUI，μC/OS-II TCP/IP编程，也同时具备低功耗无线通讯基础和低功耗无线网络学习开发新功能。

五 结束语
    随着世界单片机技术的发展和嵌入式无线等新技术不断整合，集成到新型单片机内部，我们目前的单片机教学体系，升级和更新是不可避免得大潮流。
    放眼世界无线的潮流，新一代高集成SOC的潮流，正在以超越想象的速度向我们走来，让我们举起双手去迎接吧!

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