面向物流工程的單片機(jī)融合光電子教學(xué)探究

嚴(yán)嘉彬，石 帆，秦飛飛，王永進(jìn) （南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

0 引 言

單片機(jī)具有集成度高、體積小、可靠性高、控制功能強(qiáng)、易拓展以及性價比優(yōu)異的特點(diǎn)[1]，在物流業(yè)的倉儲自動化管理、貨物計件識別、人員健康監(jiān)測以及運(yùn)輸過程控制等方面有廣泛的應(yīng)用[2-3]。鑒于單片機(jī)在物流業(yè)中的重要地位，單片機(jī)已成為高等院校物流工程專業(yè)的基礎(chǔ)或重要的選修課程，并且與眾多學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計、學(xué)科競賽等關(guān)系密切，能夠?yàn)閷W(xué)生從事相關(guān)行業(yè)和進(jìn)一步的科研深造奠定基礎(chǔ)。隨著物流產(chǎn)業(yè)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)方法面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)方法重理論輕實(shí)踐[4]，具體表現(xiàn)在課程的理論課時與實(shí)驗(yàn)課時分配失衡，無法有效地開展較為系統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，理論部分基本按照單片機(jī)概述、單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、單片機(jī)指令系統(tǒng)、單片機(jī)中斷系統(tǒng)、單片機(jī)定時/計數(shù)器、單片機(jī)串行通信接口、單片機(jī)系統(tǒng)接口擴(kuò)展及應(yīng)用等內(nèi)容有序開展，對學(xué)生而言教學(xué)內(nèi)容與過程較為枯燥無聊，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并難以針對不同學(xué)生的水平開展多層次教學(xué)[5]。其次，傳統(tǒng)方法重個體輕協(xié)作，形式上偏重于孤立地培養(yǎng)學(xué)生個體的能力并通過嚴(yán)格的筆試形式進(jìn)行考核[6]，因?qū)W生個體的能力及精力有限，該模式導(dǎo)致在課程中難以開展能夠提升學(xué)生的綜合能力的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)課題。最后，傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)只講授51 單片機(jī)的內(nèi)容，尤其是實(shí)踐環(huán)節(jié)的單片機(jī)種類單一，不適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用對單片機(jī)的多樣化需求。針對上述一個或多個問題，不少單片機(jī)課程的一線教育工作者提出了一系列教學(xué)改革和探索方案，例如湖南大學(xué)的滕召勝等提出了“教-學(xué)-做-研”一體化“單片機(jī)技術(shù)”教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了課堂學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)的同步,提升了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，有利于大學(xué)生的創(chuàng)新意識培養(yǎng)和創(chuàng)新成果實(shí)現(xiàn)[7]；石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院的劉瑞濤結(jié)合參加全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的經(jīng)驗(yàn)與體會，分析了電子設(shè)計競賽暴露出來的傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)中的不足，提出了針對單片機(jī)課程的項(xiàng)目化教學(xué)模式，并對此教學(xué)模式的思路與具體實(shí)施過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述[8]。

氮化鎵光電子集成是6G、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，國家“十四五”規(guī)劃和2035 遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中已經(jīng)將氮化鎵列為重點(diǎn)攻關(guān)的科技前沿方向[9]。南京郵電大學(xué)Peter 研究中心團(tuán)隊(duì)基于發(fā)現(xiàn)的量子阱二極管發(fā)光探測共存現(xiàn)象，依據(jù)將基礎(chǔ)研究與器件、系統(tǒng)和應(yīng)用研究相結(jié)合的思路，著力攻關(guān)與氮化鎵光電子融合集成芯片相關(guān)的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，取得了具有國際領(lǐng)先水平的原創(chuàng)成果。結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，以氮化鎵光電子融合集成芯片為內(nèi)核，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功設(shè)計并搭建了智慧顯示屏、非接觸式光感控按鍵和脈搏傳感等系統(tǒng)。上述系統(tǒng)不僅在物流業(yè)中有著良好的應(yīng)用前景，而且除去核心芯片的單片機(jī)系統(tǒng)難度適宜，非常適合打造為物流工程專業(yè)單片機(jī)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)素材。圍繞“雙一流”學(xué)科建設(shè)中樹立培養(yǎng)具有綜合能力的創(chuàng)新型人才和促進(jìn)科研水平的目標(biāo)[10]，本文面向物流工程專業(yè)提出了一種單片機(jī)融合光電子的教學(xué)方案，擬將團(tuán)隊(duì)的最新成果與單片機(jī)教學(xué)進(jìn)行深度融合，探索一種嶄新的科教一體教學(xué)模式。

本文將重點(diǎn)從課程目標(biāo)、課程內(nèi)容安排、具體單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計以及考核方式等環(huán)節(jié)對所提出的單片機(jī)系統(tǒng)教學(xué)新模式進(jìn)行具體探索。

1 課程目標(biāo)

針對物流工程專業(yè)學(xué)生的職業(yè)需求，本課程的目標(biāo)如下：了解單片機(jī)和光電應(yīng)用系統(tǒng)在物流業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，樹立科技創(chuàng)新引領(lǐng)的現(xiàn)代物流意識；通過本課程的理論學(xué)習(xí)，了解51 系列單片機(jī)的功能原理、硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和編程方法等方面；能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行單片機(jī)的調(diào)研和選型；熟練掌握單片機(jī)的高級語言編程，以及具備中等復(fù)雜度單片機(jī)程序的開發(fā)能力；了解氮化鎵光電子融合集成芯片的相關(guān)基礎(chǔ)知識、研究背景及現(xiàn)狀，形成基本的科學(xué)素養(yǎng)，認(rèn)識將光電技術(shù)應(yīng)用到物流業(yè)中單片機(jī)所發(fā)揮的作用；結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)課題，掌握單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)流程和系統(tǒng)設(shè)計知識，培養(yǎng)在物流業(yè)中具體應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的能力。

2 課程內(nèi)容安排

作為面向物流工程專業(yè)的課程，課程內(nèi)容一方面需要貼合物流行業(yè)的應(yīng)用，有助于學(xué)生今后從事自動化和信息化的現(xiàn)代物流行業(yè)，另一方面課程內(nèi)容應(yīng)難度適宜，考慮物流工程專業(yè)學(xué)生的知識基礎(chǔ)，突出單片機(jī)的應(yīng)用性，具體安排如下。

2.1 單片機(jī)的基礎(chǔ)知識以及在現(xiàn)代物流中的地位和作用介紹

除51 系列單片機(jī)型號外，補(bǔ)充介紹同學(xué)們在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)會用到的AVR 單片機(jī)和STM32 單片機(jī)。重點(diǎn)講解單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器、串口通信和單片機(jī)系統(tǒng)接口拓展。結(jié)合實(shí)例講述概念、原理、方式以及對應(yīng)的C 語言編程方法。

2.2 介紹基于氮化鎵光電子融合集成芯片的單片機(jī)系統(tǒng)在物流行業(yè)的潛在應(yīng)用

示例系統(tǒng)包括用于非接觸式物流簽名的智慧顯示屏、用于物流控制的非接觸式光感控按鍵系統(tǒng)和用于物流人員體征監(jiān)測的脈搏傳感系統(tǒng)，基于這三種系統(tǒng)向同學(xué)們?nèi)娴卣故締纹瑱C(jī)系統(tǒng)的開發(fā)流程。

2.3 在三套示例單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，讓同學(xué)根據(jù)所選的具體物流應(yīng)用場景進(jìn)行拓展，提供多層次的教學(xué)空間

對學(xué)生進(jìn)行分組，后期的實(shí)驗(yàn)、報告和答辯環(huán)節(jié)以組為單位開展，給組內(nèi)成員合理地分配任務(wù)，要求相互協(xié)作完成單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計；為每個課題組發(fā)放所選系統(tǒng)相關(guān)的參考資料，包括文獻(xiàn)資料、集成芯片信息和系統(tǒng)方案等。對于氮化鎵光電子融合集成芯片的物流應(yīng)用有獨(dú)到見解的同學(xué)，允許開發(fā)不同于示例的物流應(yīng)用系統(tǒng)。在前期理論教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生在課后時間完成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的前期調(diào)研和準(zhǔn)備工作，并通過小組答辯的形式把握學(xué)生進(jìn)度。

2.4 以組為單位指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計

該內(nèi)容的教學(xué)課時不少于總課時的二分之一，且安排集中課時為學(xué)生提供指導(dǎo)。為每組學(xué)生提供封裝好的氮化鎵光電子融合集成芯片和所用單片機(jī)，在教學(xué)助理的幫助下指導(dǎo)學(xué)生完成系統(tǒng)電路設(shè)計和PCB 制備。

3 貼合物流應(yīng)用的單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計

3.1 用于非接觸式物流簽名的智慧顯示屏

3.1.1 系統(tǒng)要求

在物流收貨簽名時，通過手指在智慧顯示屏附近描寫姓名，單片機(jī)系統(tǒng)可以識別手指描寫的字符并在顯示屏上進(jìn)行展現(xiàn)。為簡化系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度，課程要求系統(tǒng)在同一時刻能夠識別和顯示單一字符。該系統(tǒng)用于簽名時更加方便，識別的字符能夠用于物流數(shù)據(jù)管理，并且降低了物流環(huán)節(jié)的皮膚接觸幾率、提高了衛(wèi)生安全水平。

3.1.2 系統(tǒng)組成

用于非接觸式物流簽名的智慧顯示屏主要由4×4 量子阱二極管陣列芯片、電路單元和單片機(jī)（MCU）構(gòu)成。示例單片機(jī)為STM 32。顯示屏通過單片機(jī)的定時器設(shè)置字符顯示和掃描時間占比。在掃描操作時，單片機(jī)通過行或列掃描形式，在對應(yīng)量子阱二極管上施加偏置電壓，當(dāng)手指靠近對應(yīng)的二極管時由于遮光效應(yīng)會影響器件的光電流，生成的光電流通過處理電路后輸入單片機(jī)進(jìn)行判決和識別，根據(jù)識別出的字符形成輸出信號，通過LED 驅(qū)動電路點(diǎn)亮對應(yīng)的二極管實(shí)現(xiàn)字符顯示。

3.2 用于物流控制的非接觸式光感控按鍵系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)要求

按鍵開關(guān)作為控制部件在物流領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)在高強(qiáng)度的操作中容易損壞，而非接觸式光感控按鍵系統(tǒng)不存在機(jī)械開合，當(dāng)手指接近按鍵時，系統(tǒng)即可識別，隨后在增強(qiáng)按鍵亮度的同時控制外部電機(jī)或其他部件的工作，控制部件及操作可根據(jù)學(xué)生選定的物流應(yīng)用場景進(jìn)行具體設(shè)定，比如貨運(yùn)電梯運(yùn)行或傳送帶控制。另外該按鍵可極大地減少物流管理環(huán)節(jié)的病毒交叉感染。

3.2.2 系統(tǒng)組成

非接觸式光感控按鍵系統(tǒng)主要由量子阱二極管、跨阻放大器、LED 驅(qū)動電路、單片機(jī)構(gòu)成。示例中選用AT89S51 單片機(jī)。初始狀態(tài)，單片機(jī)在定時器的控制下以一定的時間間隔讀取光電流處理電路輸入的信號；當(dāng)檢測到光電流發(fā)生改變時，生成輸出信號，一方面控制外部部件工作，另一方面增強(qiáng)對應(yīng)按鍵的亮度；外部部件完成相應(yīng)操作后，狀態(tài)傳感器產(chǎn)生反饋信號，單片機(jī)根據(jù)反饋信號恢復(fù)到初始狀態(tài)或進(jìn)行下一步設(shè)定操作。

3.3 用于物流人員體征監(jiān)測的脈搏傳感系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)要求

物流人員的工作強(qiáng)度大，是心血管疾病的易發(fā)群體，利用可穿戴式的脈搏傳感系統(tǒng)監(jiān)測物流人員在工作中的心率狀態(tài)可有效預(yù)防猝死等突發(fā)事故。光電容積脈搏波描記法、脈搏傳感器的LED 和光探測器（PD）采用相同的量子阱二極管結(jié)構(gòu)并使用兼容的制造工藝集成在同一塊芯片上，當(dāng)手指靠近芯片時，系統(tǒng)輸出脈搏頻率和波形，能夠用于對快遞人員的健康診斷和監(jiān)測。

3.3.2 系統(tǒng)組成

脈搏傳感系統(tǒng)主要由氮化鎵光電子融合集成芯片（同時集成LED 和PD）、濾波放大電路、單片機(jī)和顯示系統(tǒng)構(gòu)成。示例采用Arduino 平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算與處理，學(xué)生亦可以選擇自己熟悉的單片機(jī)型號。將硬件電路的輸出信號讀入處理器并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號在處理器中進(jìn)行放大處理，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)募訖?quán)和濾波算法來消除電源波紋或其他噪聲，使心率傳感器能夠報告準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，數(shù)字信號經(jīng)過時域分析后可以得出當(dāng)前的心率，處理模塊與顯示器相連，從而顯示實(shí)時的脈搏波型和當(dāng)前的心率數(shù)值。

4 考核方式

作為一門應(yīng)用型較強(qiáng)的課程，在兼顧理論認(rèn)知考核的基礎(chǔ)上，側(cè)重考查學(xué)生在物流工程領(lǐng)域應(yīng)用單片機(jī)的能力。評定成績的比例如下：平時成績占20 %，期末理論考試成績占30 %，課題設(shè)計占50 %。其中，平時成績主要依據(jù)學(xué)生平時的考勤、作業(yè)以及課堂報告情況；期末理論考試主要考察單片機(jī)的基礎(chǔ)知識，減少對機(jī)械記憶內(nèi)容的考核；課題設(shè)計以小組答辯和課題報告的形式進(jìn)行考核，重點(diǎn)考察學(xué)生課題的完成情況以及每個學(xué)生在課題中發(fā)揮的作用。對能力較強(qiáng)的學(xué)生或者課題內(nèi)容優(yōu)秀的小組成員，鼓勵他們參加相關(guān)的競賽或通過創(chuàng)業(yè)形式在具體的物流場合推廣其設(shè)計的單片機(jī)系統(tǒng)，在成績評定中給予這部分學(xué)生以適當(dāng)?shù)恼n程附加分。

5 結(jié) 語

南京郵電大學(xué)Peter 研究中心團(tuán)隊(duì)將氮化鎵光電子融合集成芯片方面最新的科研成果同單片機(jī)教學(xué)進(jìn)行了深度融合，設(shè)計出了多種在現(xiàn)代物流領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值的單片機(jī)系統(tǒng)，為物流工程專業(yè)的單片機(jī)教學(xué)開辟出了科教一體教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密貼合科學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)與物流業(yè)的應(yīng)用需求，在提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和眼界的同時還容易激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，不僅有利于學(xué)生提前了解行業(yè)的最新動態(tài)，亦有助于學(xué)生進(jìn)一步深造，有效避免了教學(xué)與社會的脫節(jié)。