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多元化、創新型卓越工程人才。因此新工科建設必須嚴把出口關，對人才培養質量的考核尤為重要，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、課堂互動、課程設計答辯等環節實現多角度考核。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、自動化類專業課程體系中重要的一環，它以數字電路、微機原理、編程語言等課程為基礎，后續為儀器儀表、自動控制、監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、實驗結果演示等結果性考核，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

傳統實驗教學以實驗報告、實驗結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化為工程實踐能力，因此除了重視常規的實驗結果和實驗報告外，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、仿真與調試方法以及工程規范性等方面的表現。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實驗[6-10]，它要求學生以單片機為核心設計和實現能夠解決某一領域工程問題的功能電路，目的是培養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、電路調試以及工程規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有的實驗資源已不能滿足全體學生短期內同時開展實驗，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退休，有些高校甚至出現了實驗課教師青黃不接的現象，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。本文針對面向工程應用的案例開發型單片機實驗教學，分析了過程考核實驗管理系統應具備的功能。

1）實驗管理系統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據交換和數據存儲。管理系統通過采集和存儲實驗板運行數據，可以記錄學生調試實驗板的各項數據，作為過程考核的重要依據。

2）針對不同的實驗板，實驗管理系統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，建立數據鏈路，并與實驗板進行數據交換。實驗板檢測與識別功能允許學生根據自身情況利用課余時間靈活開展實驗，實驗數據均能準確記錄，教師無須全程進行實驗過程的跟蹤。

3）實驗管理系統的硬件平臺能夠實現顯示實驗板數據的功能，方便學生在調試實驗板時即時查看通信數據，了解實驗板狀態，查找問題。

4）管理系統有配套的上位機軟件，能夠隨時讀取并顯示管理系統硬件平臺存儲的學生實驗板運行數據，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

為滿足以上實驗教學需求，開發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，系統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據，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據。

基于此實驗教學管理系統，教師可面向不同的工程應用，開發相應的實驗案例?；趩纹瑱C實驗教學管理系統的實驗模塊如圖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，并完成數據交換，保存在硬件平臺中的學生實驗數據可通過上位機軟件讀取并顯示。教師根據采集的數據了解實驗進展情況，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的教學模式

可以看出，通過設計實驗管理系統，學生可根據自身學習情況靈活安排時間完成單片機實驗，實驗過程中的數據會自動記錄在管理系統硬件平臺。同時，教師也可根據自身教學安排靈活地在上位機上讀取和查看學生實驗數據，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，實現了對實驗板的供電、認證、通信，以及實驗數據的采集與存儲、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，由于實驗管理系統與實驗板和上位機沒有大量數據傳輸的需求，因此均采用通用異步收發器（universal asynchronous receiver/transmitter,UART）完成數據傳輸的任務。

圖2 實驗板與實驗管理系統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 電壓轉換為模塊所需的工作電壓。以12 V 轉為3.3 V 為例，電壓轉換電路如圖3 所示。RT8272為高壓降壓轉換器，寬輸入電壓范圍為4.75～24 V，輸出電壓可調范圍為0.92～15 V，滿足所需的轉換要求。SW 引腳為電源開關輸出，經過穩壓二極管D6、LC 濾波器連接到輸出負載，穩壓后去除紋波，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 為實驗板數據采集輸入接口電路，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，為了可靠地實現對實驗板的監測，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 實驗板數據采集輸入接口電路原理圖

雙ARM 處理器的最小系統電路原理如圖5所示，其中STM32F205 芯片為硬件平臺的主控制器，主要負責實驗數據存儲、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的輸出信號實現對實驗板工作狀況的監測。

圖5 雙ARM 處理器最小系統電路原理圖

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，采集實驗板數據并完成存儲。一方面，主控制器利用RXD 和TXD 信號與實驗板進行串口通信，通過發送認證命令，并接收實驗板反饋的認證編碼實現對實驗板的識別。另一方面，主控制器利用RXD4 和TXD4 信號與從控制器實現通信，發送采集信號命令，并利用引腳ST1～ST8 接收從控制器分析處理實驗板數據后反饋的有效實驗數據，將數據存儲于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，判斷數據有效性，監測實驗板工作情況，并將有效數據通過引腳ST1～ST8 發送給主控制器。

2.2 管理系統軟件設計

由于管理系統硬件平臺必須面向多個不同應用連接對應的學生實驗板，實現特定功能，因此管理系統的軟件設計主要實現硬件平臺與實驗板的認證、通信和數據存儲功能，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試測試以及直觀查看實驗數據，采用觸摸屏提供人機交互界面實現按鍵輸入和顯示輸出。

圖6 ARM 主控制器工作流程圖

系統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”。界面中的次數表示已經保存的實驗數據組數，時間信息則用于記錄存儲實驗數據的時間，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送唯一的認證特征碼，然后由硬件平臺的ARM 主控制器根據獲取的特征碼進行處理和校驗，并在認證成功后向實驗板回復認證結果，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，并將有效的實驗數據反饋給主控制器，實現數據存儲。

圖7 硬件平臺數據顯示界面

2.2.1 數據幀格式與認知通信

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 位數據位，無奇偶校驗位，1 位停止位。約定數據格式如表1 所示，數據幀頭固定為0xE5，數據幀尾固定為0xE6，命令碼用于指示消息類型，長度表示數據域的字節長度，FCS 為1 個字節的校驗碼，用于數據查錯，它是從命令碼到數據域之間字節數據在模256 下的累加和。

表1 通信協議幀格式

當實驗板連接硬件平臺后，管理系統先對實驗板進行檢測和識別，為了有效區分實驗板，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，其中系統碼為系統指定的3 個字符；實驗板代碼用于區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，當硬件平臺接收到實驗板發送的數據后，判斷是否為有效特征碼數據，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，并向實驗板回復認證結果。上位機在讀取實驗數據時，實驗數據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據。

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的教學效果，本節以一個簡單的傾角測量實驗為例來演示實驗案例的開發。傾角測量實驗目的是監測大型設備的傾斜度，防止設備在傾斜狀態下工作，一旦發現便給出報警提示。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、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，最終根據測量結果進行相應的報警提示。

為了確保實驗管理系統與實驗板的正常通信，表3 給出了設計的通信命令，其中“—”表示無數據域，設計的命令主要包括3 個類別：建立連接、數據交互和結束，實驗管理系統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硬件平臺后，在管理系統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，學生應該自行調試解決問題，實驗數據會自動保存到管理系統，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 實驗管理系統硬件平臺連接實驗板的工作效果

3 結束語

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，設計和實現了一套單片機實驗教學管理系統，它能通過預留的通信接口與學生設計的實驗板連接，利用統一規劃的通信命令與實驗板完成交互，在學生進行實驗板調試和觀察實驗結果過程中主動完成實驗數據的采集和存儲，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據，實現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。