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(jià)比優(yōu)異的特點(diǎn)[1]，在物流業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化管理、貨物計(jì)件識(shí)別、人員健康監(jiān)測(cè)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(jì)、學(xué)科競(jìng)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(shí)與實(shí)驗(yàn)課時(shí)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(shí)/計(jì)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(duì)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(duì)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(gè)體輕協(xié)作，形式上偏重于孤立地培養(yǎng)學(xué)生個(gè)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(gè)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(duì)單片機(jī)的多樣化需求。針對(duì)上述一個(gè)或多個(gè)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(shí)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(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)，分析了電子設(shè)計(jì)競(jìng)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(duì)單片機(jī)課程的項(xiàng)目化教學(xué)模式，并對(duì)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(guó)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(cè)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(guó)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(jì)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(jì)以及考核方式等環(huán)節(jié)對(duì)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(duì)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(shì)，樹立科技創(chuàng)新引領(lǐng)的現(xiàn)代物流意識(shí)；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(jí)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(shí)、研究背景及現(xiàn)狀，形成基本的科學(xué)素養(yǎng)，認(rèn)識(shí)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(jì)知識(shí)，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(dòng)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(shí)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(shí)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(hào)外，補(bǔ)充介紹同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)會(huì)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(shí)器/計(jì)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(duì)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(cè)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(chǎng)景進(jìn)行拓展，提供多層次的教學(xué)空間

對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，后期的實(shí)驗(yàn)、報(bào)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(jì)；為每個(gè)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(duì)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(shí)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(jì)

該內(nèi)容的教學(xué)課時(shí)不少于總課時(shí)的二分之一，且安排集中課時(shí)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(jì)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(jì)

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(shí)，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(shí)別手指描寫的字符并在顯示屏上進(jìn)行展現(xiàn)。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度，課程要求系統(tǒng)在同一時(shí)刻能夠識(shí)別和顯示單一字符。該系統(tǒng)用于簽名時(shí)更加方便，識(shí)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(shí)器設(shè)置字符顯示和掃描時(shí)間占比。在掃描操作時(shí)，單片機(jī)通過行或列掃描形式，在對(duì)應(yīng)量子阱二極管上施加偏置電壓，當(dāng)手指靠近對(duì)應(yīng)的二極管時(shí)由于遮光效應(yīng)會(huì)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(shí)別，根據(jù)識(shí)別出的字符形成輸出信號(hào)，通過LED 驅(qū)動(dòng)電路點(diǎn)亮對(duì)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(shí)，系統(tǒng)即可識(shí)別，隨后在增強(qiáng)按鍵亮度的同時(shí)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(chǎng)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(dòng)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(shí)器的控制下以一定的時(shí)間間隔讀取光電流處理電路輸入的信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)到光電流發(fā)生改變時(shí)，生成輸出信號(hào)，一方面控制外部部件工作，另一方面增強(qiáng)對(duì)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(hào)，單片機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)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(cè)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(cè)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(cè)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(shí)，系統(tǒng)輸出脈搏頻率和波形，能夠用于對(duì)快遞人員的健康診斷和監(jiān)測(cè)。

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(shí)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(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理，學(xué)生亦可以選擇自己熟悉的單片機(jī)型號(hào)。將硬件電路的輸出信號(hào)讀入處理器并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)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(bào)告準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過時(shí)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(shí)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(píng)定成績(jī)的比例如下：平時(shí)成績(jī)占20 %，期末理論考試成績(jī)占30 %，課題設(shè)計(jì)占50 %。其中，平時(shí)成績(jī)主要依據(jù)學(xué)生平時(shí)的考勤、作業(yè)以及課堂報(bào)告情況；期末理論考試主要考察單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，減少對(duì)機(jī)械記憶內(nèi)容的考核；課題設(shè)計(jì)以小組答辯和課題報(bào)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(gè)學(xué)生在課題中發(fā)揮的作用。對(duì)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(lì)他們參加相關(guān)的競(jìng)賽或通過創(chuàng)業(yè)形式在具體的物流場(chǎng)合推廣其設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)，在成績(jī)?cè)u(píng)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(jì)出了多種在現(xiàn)代物流領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)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(shí)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(dòng)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(huì)的脫節(jié)。