強化過程考核的單片機實驗設計

張偉濤，袁曉光，全英匯，任愛鋒，樓順天

（西安電子科技大學 電子工程學院，西安 710071）

新工科建設是教育強國的重要組成部分，作為一種新型工程教育，其目標是面向未來培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。因此新工科建設必須嚴把出口關，對人才培養(yǎng)質(zhì)量的考核尤為重要，從本科教學層面上來講，對學生學習課程進行全方位、多角度的考核是新工科建設的內(nèi)在要求[1-2]。實驗教學是理論教學的有效補充，是學生通過動手實踐消化吸收課堂所學知識的重要手段。對于課堂教學而言，除了考試外，還可通過平時作業(yè)、課堂互動、課程設計答辯等環(huán)節(jié)實現(xiàn)多角度考核。然而實驗實踐類課程考核手段相對較為單一，要實現(xiàn)多元化的考核相對困難，目前的考核方式很難滿足新工科建設的需求。

單片機原理與應用的實踐教學是電子信息、計算機、自動化類專業(yè)課程體系中重要的一環(huán)，它以數(shù)字電路、微機原理、編程語言等課程為基礎，后續(xù)為儀器儀表、自動控制、監(jiān)測與測量等多門課程提供服務，同時也有力地支撐了學生參與科技競賽和課外科技活動。單片機技術類課程的教學目標與考核目標應同時兼顧對結(jié)果與過程的考核，然而大部分高校開設的單片機實驗課目前只重視對實驗報告、實驗結(jié)果演示等結(jié)果性考核，而忽略了學生實驗過程的考核[3]。在工程教育專業(yè)認證“復雜工程問題”理念對課程考核方式提出多樣化要求的背景下，有必要加強單片機實驗課程的過程考核力度。為此，本文設計了新的實驗平臺，并在新實驗平臺上設計了實驗案例，從技術層面上解決單片機實驗課程考核工具不便、手段不足的問題。

1 實驗教學考核難點與需求分析

1.1 過程考核難點分析

傳統(tǒng)實驗教學以實驗報告、實驗結(jié)果演示作為課程成績的主要評判標準，這種實驗課考核方式過于片面，無法體現(xiàn)學生通過解決復雜工程問題提升綜合能力的過程。實驗教學的目的是讓學生將理論知識內(nèi)化為工程實踐能力，因此除了重視常規(guī)的實驗結(jié)果和實驗報告外，還應關注學生在開展實驗過程中的問題分析、方案設計、程序流程、仿真與調(diào)試方法以及工程規(guī)范性等方面的表現(xiàn)。對于高校開設的單片機實驗課程而言，大概有兩種類型，一種是配合單片機課堂教學的一般性原理認知實驗[4-5]，主要是讓學生在給定的單片機實驗板上完成諸如LED 閃爍實驗、定時器實驗、A/D 轉(zhuǎn)換實驗、中斷實驗、串口通信實驗等，目的是增強學生對單片機基本功能的認知。這種類型的單片機實驗主要考察的是學生的編程能力，對于此類型的實驗若缺乏過程考核，那么學生間抄襲程序代碼將不可避免，所得成績難分伯仲，也無法真實反映知識的掌握程度。另一種單片機實驗是面向工程應用的綜合案例開發(fā)實驗[6-10]，它要求學生以單片機為核心設計和實現(xiàn)能夠解決某一領域工程問題的功能電路，目的是培養(yǎng)學生綜合運用單片機原理的知識解決實際問題的能力。對這種類型的單片機實驗，若缺乏過程考核，那么學生的方案設計、電路調(diào)試以及工程規(guī)范性等能力水平將很難反映在最終成績中。

單片機實驗課程的過程考核當前面臨兩個問題：第一，隨著高校擴招，學校實驗場地、儀器設備、元器件等實驗資源變得相對匱乏，很多高?，F(xiàn)有的實驗資源已不能滿足全體學生短期內(nèi)同時開展實驗，只能通過錯峰和開放實驗室等手段來緩解[11]，這將導致實驗課教師無法全程跟蹤學生的實驗過程。第二，我國科技自立自強的形勢越來越緊迫，青年教師大多選擇了科研為主的崗位，從事實驗教學的青年教師越來越少，實驗課師資隊伍正在不斷萎縮。隨著實驗課老教師的陸續(xù)退休，有些高校甚至出現(xiàn)了實驗課教師青黃不接的現(xiàn)象，萎縮的師資力量也必然導致單片機實驗課過程考核困難。

1.2 需求分析

解決單片機實驗課程過程考核難題，除了進一步完善管理制度外，更多的是需要技術手段的支持。為了在資源有限、師資匱乏的條件下加強單片機實驗教學的過程考核，有必要設計一套單片機實驗教學的管理系統(tǒng)。本文針對面向工程應用的案例開發(fā)型單片機實驗教學，分析了過程考核實驗管理系統(tǒng)應具備的功能。

1）實驗管理系統(tǒng)應該包含硬件平臺和嵌入式軟件，硬件平臺負責與學生設計的功能電路完成物理連接，嵌入式軟件負責硬件平臺與實驗板的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)存儲。管理系統(tǒng)通過采集和存儲實驗板運行數(shù)據(jù)，可以記錄學生調(diào)試實驗板的各項數(shù)據(jù)，作為過程考核的重要依據(jù)。

2）針對不同的實驗板，實驗管理系統(tǒng)的硬件平臺能夠為實驗板供電，且能夠完成對不同實驗板的檢測與識別，建立數(shù)據(jù)鏈路，并與實驗板進行數(shù)據(jù)交換。實驗板檢測與識別功能允許學生根據(jù)自身情況利用課余時間靈活開展實驗，實驗數(shù)據(jù)均能準確記錄，教師無須全程進行實驗過程的跟蹤。

3）實驗管理系統(tǒng)的硬件平臺能夠?qū)崿F(xiàn)顯示實驗板數(shù)據(jù)的功能，方便學生在調(diào)試實驗板時即時查看通信數(shù)據(jù)，了解實驗板狀態(tài)，查找問題。

4）管理系統(tǒng)有配套的上位機軟件，能夠隨時讀取并顯示管理系統(tǒng)硬件平臺存儲的學生實驗板運行數(shù)據(jù)，方便教師在不同時間了解每一組學生的實驗進展情況，緩解師資匱乏問題。

2 實驗管理平臺設計與實現(xiàn)

為滿足以上實驗教學需求，開發(fā)面向工程應用的單片機實驗案例，設計了單片機實驗教學管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由單片機實驗管理硬件平臺和上位機組成，硬件平臺主要負責采集和存儲實驗數(shù)據(jù)，上位機軟件負責從硬件平臺讀取和查看學生的實驗過程數(shù)據(jù)。

基于此實驗教學管理系統(tǒng)，教師可面向不同的工程應用，開發(fā)相應的實驗案例。基于單片機實驗教學管理系統(tǒng)的實驗模塊如圖1 所示，學生針對特定實驗案例，設計以單片機為核心的解決方案，并以制作實驗板的形式實現(xiàn)解決方案。實驗板與硬件平臺可通過預留的接口進行連接，并完成數(shù)據(jù)交換，保存在硬件平臺中的學生實驗數(shù)據(jù)可通過上位機軟件讀取并顯示。教師根據(jù)采集的數(shù)據(jù)了解實驗進展情況，完成學生實驗過程的考核。

圖1 基于單片機實驗教學管理系統(tǒng)的教學模式

可以看出，通過設計實驗管理系統(tǒng)，學生可根據(jù)自身學習情況靈活安排時間完成單片機實驗，實驗過程中的數(shù)據(jù)會自動記錄在管理系統(tǒng)硬件平臺。同時，教師也可根據(jù)自身教學安排靈活地在上位機上讀取和查看學生實驗數(shù)據(jù)，避免了實驗過程考核必須師生面對面交流的限制。需要注意的是，硬件平臺無法同時連接多個實驗板，學生應錯峰分時開展實驗。由于不同小組分時開展實驗，教師利用多套單片機實驗管理系統(tǒng)可考察幾十個，甚至上百個小組的實驗進展情況，緩解了實驗課師資匱乏的狀況。

2.1 硬件平臺設計

實驗管理系統(tǒng)硬件平臺以雙ARM 處理器為核心來構建，設計的硬件平臺與實驗板的連接關系如圖2 所示，主要由ARM 處理器、電源模塊、觸摸屏模塊、存儲模塊，以及通信與供電模塊組成。硬件平臺是通用的實驗平臺，通過通信與供電接口連接面向不同應用設計的單片機實驗板，實現(xiàn)了對實驗板的供電、認證、通信，以及實驗數(shù)據(jù)的采集與存儲、人機交互與顯示等功能。同時，通信與供電接口也是硬件平臺與上位機通信的接口，由于實驗管理系統(tǒng)與實驗板和上位機沒有大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，因此均采用通用異步收發(fā)器（universal asynchronous receiver/transmitter,UART）完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿铡?/p>

圖2 實驗板與實驗管理系統(tǒng)硬件平臺配合工作原理圖

硬件平臺電源模塊不僅為平臺自身提供所需電壓，也通過通信與供電接口為實驗板供電。電源模塊采用12 V 的直流電源供電。由于各個模塊所需的供電電壓不同，如雙ARM 控制器需3.3 V，觸摸屏需5 V，部分實驗板需12 V，因此需將12 V 電壓轉(zhuǎn)換為模塊所需的工作電壓。以12 V 轉(zhuǎn)為3.3 V 為例，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3 所示。RT8272為高壓降壓轉(zhuǎn)換器，寬輸入電壓范圍為4.75～24 V，輸出電壓可調(diào)范圍為0.92～15 V，滿足所需的轉(zhuǎn)換要求。SW 引腳為電源開關輸出，經(jīng)過穩(wěn)壓二極管D6、LC 濾波器連接到輸出負載，穩(wěn)壓后去除紋波，輸出電壓可通過FB 引腳的反饋參考電壓和R31、R32的分壓比例計算得出。圖4 為實驗板數(shù)據(jù)采集輸入接口電路，由于不同實驗板用于解決不同的工程應用問題，實驗板的信號差異較大，信號電平有 5 V，也有3.3 V，有些實驗板上還可能存在大功率器件，為了可靠地實現(xiàn)對實驗板的監(jiān)測，使用光電耦合器TLP281-4 對實驗板信號與硬件平臺信號進行了隔離。

圖3 電源模塊電路原理圖

圖4 實驗板數(shù)據(jù)采集輸入接口電路原理圖

雙ARM 處理器的最小系統(tǒng)電路原理如圖5所示，其中STM32F205 芯片為硬件平臺的主控制器，主要負責實驗數(shù)據(jù)存儲、資源管理與人機交互；STM32F103 芯片為從控制器，用于對實驗板的認證、通信，以及通過主動采集實驗板MCU的輸出信號實現(xiàn)對實驗板工作狀況的監(jiān)測。

圖5 雙ARM 處理器最小系統(tǒng)電路原理圖

主從控制器相互配合，與實驗板通過UART串口和GPIO 引腳進行連接，采集實驗板數(shù)據(jù)并完成存儲。一方面，主控制器利用RXD 和TXD 信號與實驗板進行串口通信，通過發(fā)送認證命令，并接收實驗板反饋的認證編碼實現(xiàn)對實驗板的識別。另一方面，主控制器利用RXD4 和TXD4 信號與從控制器實現(xiàn)通信，發(fā)送采集信號命令，并利用引腳ST1～ST8 接收從控制器分析處理實驗板數(shù)據(jù)后反饋的有效實驗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲于FLASH存儲器中。此外，主控制器利用RXD1 和TXD1信號完成對LED 觸摸屏的控制，實現(xiàn)人機交互功能。從控制器接收主控制器的啟動采集命令，通過I/O 口采集由光電耦合器件隔離后輸入的實驗板信號P1～P3 和DI1～DI5，然后對采集的信號進行分析，判斷數(shù)據(jù)有效性，監(jiān)測實驗板工作情況，并將有效數(shù)據(jù)通過引腳ST1～ST8 發(fā)送給主控制器。

2.2 管理系統(tǒng)軟件設計

由于管理系統(tǒng)硬件平臺必須面向多個不同應用連接對應的學生實驗板，實現(xiàn)特定功能，因此管理系統(tǒng)的軟件設計主要實現(xiàn)硬件平臺與實驗板的認證、通信和數(shù)據(jù)存儲功能，圖6 給出了ARM主控制器的工作流程。為了方便對實驗板的調(diào)試測試以及直觀查看實驗數(shù)據(jù)，采用觸摸屏提供人機交互界面實現(xiàn)按鍵輸入和顯示輸出。

圖6 ARM 主控制器工作流程圖

系統(tǒng)開始工作時觸摸屏上顯示的界面如圖7所示，界面給出了實驗管理硬件與實驗板的5 線接口，并設計了觸摸按鍵“開始”。界面中的次數(shù)表示已經(jīng)保存的實驗數(shù)據(jù)組數(shù)，時間信息則用于記錄存儲實驗數(shù)據(jù)的時間，方便上位機查看學生開展實驗的時間。當實驗板連接好并準備就緒后，用戶通過點擊“開始”按鍵來開啟認證功能。實驗板在收到連接命令后發(fā)送唯一的認證特征碼，然后由硬件平臺的ARM 主控制器根據(jù)獲取的特征碼進行處理和校驗，并在認證成功后向?qū)嶒灠寤貜驼J證結(jié)果，建立通信鏈接，最終由ARM主控制器啟動從控制器，由從控制器接管相應實驗板的處理任務，并將有效的實驗數(shù)據(jù)反饋給主控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。

圖7 硬件平臺數(shù)據(jù)顯示界面

2.2.1 數(shù)據(jù)幀格式與認知通信

硬件平臺與實驗板和上位機均采用串口方式通信，串口采用TTL 電平，波特率為19 200 bit/s，幀格式為：1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1 位停止位。約定數(shù)據(jù)格式如表1 所示，數(shù)據(jù)幀頭固定為0xE5，數(shù)據(jù)幀尾固定為0xE6，命令碼用于指示消息類型，長度表示數(shù)據(jù)域的字節(jié)長度，F(xiàn)CS 為1 個字節(jié)的校驗碼，用于數(shù)據(jù)查錯，它是從命令碼到數(shù)據(jù)域之間字節(jié)數(shù)據(jù)在模256 下的累加和。

表1 通信協(xié)議幀格式

當實驗板連接硬件平臺后，管理系統(tǒng)先對實驗板進行檢測和識別，為了有效區(qū)分實驗板，必須為每個實驗板分配一個唯一的特征碼。表2 給出了特征碼組成，其中系統(tǒng)碼為系統(tǒng)指定的3 個字符；實驗板代碼用于區(qū)分不同的單片機應用實驗案例；編號表示選擇某一個實驗案例的組別的編碼，用于區(qū)分不同完成人設計的硬件實體。

實驗板認證流程如圖8 所示，首先由硬件平臺通過發(fā)送命令與實驗板建立連接，然后開啟定時器，設定等待接收特征碼的時間；在設定的時間內(nèi)，當硬件平臺接收到實驗板發(fā)送的數(shù)據(jù)后，判斷是否為有效特征碼數(shù)據(jù)，若為有效特征碼則將其保存，并從中提取實驗板代碼，判斷是否為正確的代碼，若是則認證成功，并向?qū)嶒灠寤貜驼J證結(jié)果。上位機在讀取實驗數(shù)據(jù)時，實驗數(shù)據(jù)會按照實驗板特征碼進行歸類，方便教師查看不同完成人的實驗數(shù)據(jù)。

圖8 實驗板認證流程圖

2.2.2 實驗板設計案例

為了展示單片機實驗教學管理系統(tǒng)的教學效果，本節(jié)以一個簡單的傾角測量實驗為例來演示實驗案例的開發(fā)。傾角測量實驗目的是監(jiān)測大型設備的傾斜度，防止設備在傾斜狀態(tài)下工作，一旦發(fā)現(xiàn)便給出報警提示。因此學生針對這一工程問題設計的實驗板應該包含MCU 最小系統(tǒng)、角度測量模塊和聲光報警模塊等。建議學生采用ADXL345模塊，利用3 軸加速度計來實時測量傾角。

對于實驗管理系統(tǒng)的軟件設計，首先應該在觸摸屏上顯示傾角測量主界面，設計的主界面如圖9 所示。程序應該具有期望角度和偏差閾值設定的功能，當角度實際測量值與期望角度偏差大于閾值時，對應的監(jiān)測軸應該報警提示。對于學生實驗板的程序設計，應該考慮兩種模式：測量模式和設置模式，默認進入實驗板的測量模式。程序應該讀取3 個軸的加速度值，進行運算后給出3 個軸的傾角，最終根據(jù)測量結(jié)果進行相應的報警提示。

為了確保實驗管理系統(tǒng)與實驗板的正常通信，表3 給出了設計的通信命令，其中“—”表示無數(shù)據(jù)域，設計的命令主要包括3 個類別：建立連接、數(shù)據(jù)交互和結(jié)束，實驗管理系統(tǒng)嵌入式程序和實驗板程序均應按照表3 給出的命令來完成通信。若實驗板軟硬件設計無誤，并通過預留的接口連接到實驗管理系統(tǒng)硬件平臺后，在管理系統(tǒng)觸摸屏上應該能顯示如圖10 所示的效果。若實驗板有軟硬件設計問題，學生應該自行調(diào)試解決問題，實驗數(shù)據(jù)會自動保存到管理系統(tǒng)，供教師掌握學生實驗過程情況。

表3 傾角測量實驗通信命令

圖10 實驗管理系統(tǒng)硬件平臺連接實驗板的工作效果

3 結(jié)束語

針對單片機實驗教學過程考核難題，本文從技術層面上提出了加強過程考核的解決方案。面向工程應用型開放式單片機實驗教學，設計和實現(xiàn)了一套單片機實驗教學管理系統(tǒng)，它能通過預留的通信接口與學生設計的實驗板連接，利用統(tǒng)一規(guī)劃的通信命令與實驗板完成交互，在學生進行實驗板調(diào)試和觀察實驗結(jié)果過程中主動完成實驗數(shù)據(jù)的采集和存儲，提高了學生開展實驗的靈活性，方便教師查閱學生實驗過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了教師對學生實驗過程的跟蹤，也從一定程度上緩解了實驗課師資匱乏和實驗場地不足的問題。