張偉濤，袁曉光，全英匯，任愛(ài)鋒，樓順天

（西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710071）

新工科建設(shè)是教育強(qiáng)國(guó)的重要組成部分，作為一種新型工程教育，其目標(biāo)是面向未來(lái)培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。因此新工科建設(shè)必須嚴(yán)把出口關(guān)，對(duì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的考核尤為重要，從本科教學(xué)層面上來(lái)講，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)課程進(jìn)行全方位、多角度的考核是新工科建設(shè)的內(nèi)在要求[1-2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的有效補(bǔ)充，是學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐消化吸收課堂所學(xué)知識(shí)的重要手段。對(duì)于課堂教學(xué)而言，除了考試外，還可通過(guò)平時(shí)作業(yè)、課堂互動(dòng)、課程設(shè)計(jì)答辯等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)多角度考核。然而實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類(lèi)課程考核手段相對(duì)較為單一，要實(shí)現(xiàn)多元化的考核相對(duì)困難，目前的考核方式很難滿(mǎn)足新工科建設(shè)的需求。

單片機(jī)原理與應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)是電子信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程體系中重要的一環(huán)，它以數(shù)字電路、微機(jī)原理、編程語(yǔ)言等課程為基礎(chǔ)，后續(xù)為儀器儀表、自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)與測(cè)量等多門(mén)課程提供服務(wù)，同時(shí)也有力地支撐了學(xué)生參與科技競(jìng)賽和課外科技活動(dòng)。單片機(jī)技術(shù)類(lèi)課程的教學(xué)目標(biāo)與考核目標(biāo)應(yīng)同時(shí)兼顧對(duì)結(jié)果與過(guò)程的考核，然而大部分高校開(kāi)設(shè)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課目前只重視對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示等結(jié)果性考核，而忽略了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考核[3]。在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證“復(fù)雜工程問(wèn)題”理念對(duì)課程考核方式提出多樣化要求的背景下，有必要加強(qiáng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程的過(guò)程考核力度。為此，本文設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)案例，從技術(shù)層面上解決單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程考核工具不便、手段不足的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核難點(diǎn)與需求分析

1.1 過(guò)程考核難點(diǎn)分析

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示作為課程成績(jī)的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，這種實(shí)驗(yàn)課考核方式過(guò)于片面，無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生通過(guò)解決復(fù)雜工程問(wèn)題提升綜合能力的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是讓學(xué)生將理論知識(shí)內(nèi)化為工程實(shí)踐能力，因此除了重視常規(guī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，還應(yīng)關(guān)注學(xué)生在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的問(wèn)題分析、方案設(shè)計(jì)、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(duì)于高校開(kāi)設(shè)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程而言，大概有兩種類(lèi)型，一種是配合單片機(jī)課堂教學(xué)的一般性原理認(rèn)知實(shí)驗(yàn)[4-5]，主要是讓學(xué)生在給定的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板上完成諸如LED 閃爍實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、A/D 轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、中斷實(shí)驗(yàn)、串口通信實(shí)驗(yàn)等，目的是增強(qiáng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)基本功能的認(rèn)知。這種類(lèi)型的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)主要考察的是學(xué)生的編程能力，對(duì)于此類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)若缺乏過(guò)程考核，那么學(xué)生間抄襲程序代碼將不可避免，所得成績(jī)難分伯仲，也無(wú)法真實(shí)反映知識(shí)的掌握程度。另一種單片機(jī)實(shí)驗(yàn)是面向工程應(yīng)用的綜合案例開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)[6-10]，它要求學(xué)生以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能夠解決某一領(lǐng)域工程問(wèn)題的功能電路，目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用單片機(jī)原理的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。對(duì)這種類(lèi)型的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，若缺乏過(guò)程考核，那么學(xué)生的方案設(shè)計(jì)、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(jī)中。

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程的過(guò)程考核當(dāng)前面臨兩個(gè)問(wèn)題：第一，隨著高校擴(kuò)招，學(xué)校實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、儀器設(shè)備、元器件等實(shí)驗(yàn)資源變得相對(duì)匱乏，很多高?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)資源已不能滿(mǎn)足全體學(xué)生短期內(nèi)同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，只能通過(guò)錯(cuò)峰和開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室等手段來(lái)緩解[11]，這將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課教師無(wú)法全程跟蹤學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。第二，我國(guó)科技自立自強(qiáng)的形勢(shì)越來(lái)越緊迫，青年教師大多選擇了科研為主的崗位，從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的青年教師越來(lái)越少，實(shí)驗(yàn)課師資隊(duì)伍正在不斷萎縮。隨著實(shí)驗(yàn)課老教師的陸續(xù)退休，有些高校甚至出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)課教師青黃不接的現(xiàn)象，萎縮的師資力量也必然導(dǎo)致單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課過(guò)程考核困難。

1.2 需求分析

解決單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課程過(guò)程考核難題，除了進(jìn)一步完善管理制度外，更多的是需要技術(shù)手段的支持。為了在資源有限、師資匱乏的條件下加強(qiáng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程考核，有必要設(shè)計(jì)一套單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理系統(tǒng)。本文針對(duì)面向工程應(yīng)用的案例開(kāi)發(fā)型單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，分析了過(guò)程考核實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)應(yīng)具備的功能。

1）實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)應(yīng)該包含硬件平臺(tái)和嵌入式軟件，硬件平臺(tái)負(fù)責(zé)與學(xué)生設(shè)計(jì)的功能電路完成物理連接，嵌入式軟件負(fù)責(zé)硬件平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)板的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。管理系統(tǒng)通過(guò)采集和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)板運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以記錄學(xué)生調(diào)試實(shí)驗(yàn)板的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，作為過(guò)程考核的重要依據(jù)。

2）針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)板，實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的硬件平臺(tái)能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)板供電，且能夠完成對(duì)不同實(shí)驗(yàn)板的檢測(cè)與識(shí)別，建立數(shù)據(jù)鏈路，并與實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。實(shí)驗(yàn)板檢測(cè)與識(shí)別功能允許學(xué)生根據(jù)自身情況利用課余時(shí)間靈活開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均能準(zhǔn)確記錄，教師無(wú)須全程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程的跟蹤。

3）實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的硬件平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)顯示實(shí)驗(yàn)板數(shù)據(jù)的功能，方便學(xué)生在調(diào)試實(shí)驗(yàn)板時(shí)即時(shí)查看通信數(shù)據(jù)，了解實(shí)驗(yàn)板狀態(tài)，查找問(wèn)題。

4）管理系統(tǒng)有配套的上位機(jī)軟件，能夠隨時(shí)讀取并顯示管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)存儲(chǔ)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)板運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便教師在不同時(shí)間了解每一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，緩解師資匱乏問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為滿(mǎn)足以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，開(kāi)發(fā)面向工程應(yīng)用的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)案例，設(shè)計(jì)了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由單片機(jī)實(shí)驗(yàn)管理硬件平臺(tái)和上位機(jī)組成，硬件平臺(tái)主要負(fù)責(zé)采集和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)從硬件平臺(tái)讀取和查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)。

基于此實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，教師可面向不同的工程應(yīng)用，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)案例?；趩纹瑱C(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K如圖1 所示，學(xué)生針對(duì)特定實(shí)驗(yàn)案例，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的解決方案，并以制作實(shí)驗(yàn)板的形式實(shí)現(xiàn)解決方案。實(shí)驗(yàn)板與硬件平臺(tái)可通過(guò)預(yù)留的接口進(jìn)行連接，并完成數(shù)據(jù)交換，保存在硬件平臺(tái)中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過(guò)上位機(jī)軟件讀取并顯示。教師根據(jù)采集的數(shù)據(jù)了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，完成學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的考核。

圖1 基于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的教學(xué)模式

可以看出，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，學(xué)生可根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況靈活安排時(shí)間完成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)記錄在管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)。同時(shí)，教師也可根據(jù)自身教學(xué)安排靈活地在上位機(jī)上讀取和查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免了實(shí)驗(yàn)過(guò)程考核必須師生面對(duì)面交流的限制。需要注意的是，硬件平臺(tái)無(wú)法同時(shí)連接多個(gè)實(shí)驗(yàn)板，學(xué)生應(yīng)錯(cuò)峰分時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。由于不同小組分時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，教師利用多套單片機(jī)實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)可考察幾十個(gè)，甚至上百個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，緩解了實(shí)驗(yàn)課師資匱乏的狀況。

2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)以雙ARM 處理器為核心來(lái)構(gòu)建，設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)板的連接關(guān)系如圖2 所示，主要由ARM 處理器、電源模塊、觸摸屏模塊、存儲(chǔ)模塊，以及通信與供電模塊組成。硬件平臺(tái)是通用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)通信與供電接口連接面向不同應(yīng)用設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)板的供電、認(rèn)證、通信，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)、人機(jī)交互與顯示等功能。同時(shí)，通信與供電接口也是硬件平臺(tái)與上位機(jī)通信的接口，由于實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)板和上位機(jī)沒(méi)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?wù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)板與實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)配合工作原理圖

硬件平臺(tái)電源模塊不僅為平臺(tái)自身提供所需電壓，也通過(guò)通信與供電接口為實(shí)驗(yàn)板供電。電源模塊采用12 V 的直流電源供電。由于各個(gè)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(shí)驗(yàn)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(mǎn)足所需的轉(zhuǎn)換要求。SW 引腳為電源開(kāi)關(guān)輸出，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓二極管D6、LC 濾波器連接到輸出負(fù)載，穩(wěn)壓后去除紋波，輸出電壓可通過(guò)FB 引腳的反饋參考電壓和R31、R32的分壓比例計(jì)算得出。圖4 為實(shí)驗(yàn)板數(shù)據(jù)采集輸入接口電路，由于不同實(shí)驗(yàn)板用于解決不同的工程應(yīng)用問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)板的信號(hào)差異較大，信號(hào)電平有 5 V，也有3.3 V，有些實(shí)驗(yàn)板上還可能存在大功率器件，為了可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)板的監(jiān)測(cè)，使用光電耦合器TLP281-4 對(duì)實(shí)驗(yàn)板信號(hào)與硬件平臺(tái)信號(hào)進(jìn)行了隔離。

圖3 電源模塊電路原理圖

圖4 實(shí)驗(yàn)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(tái)的主控制器，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、資源管理與人機(jī)交互；STM32F103 芯片為從控制器，用于對(duì)實(shí)驗(yàn)板的認(rèn)證、通信，以及通過(guò)主動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)板MCU的輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)板工作狀況的監(jiān)測(cè)。

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(shí)驗(yàn)板通過(guò)UART串口和GPIO 引腳進(jìn)行連接，采集實(shí)驗(yàn)板數(shù)據(jù)并完成存儲(chǔ)。一方面，主控制器利用RXD 和TXD 信號(hào)與實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行串口通信，通過(guò)發(fā)送認(rèn)證命令，并接收實(shí)驗(yàn)板反饋的認(rèn)證編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)板的識(shí)別。另一方面，主控制器利用RXD4 和TXD4 信號(hào)與從控制器實(shí)現(xiàn)通信，發(fā)送采集信號(hào)命令，并利用引腳ST1～ST8 接收從控制器分析處理實(shí)驗(yàn)板數(shù)據(jù)后反饋的有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于FLASH存儲(chǔ)器中。此外，主控制器利用RXD1 和TXD1信號(hào)完成對(duì)LED 觸摸屏的控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。從控制器接收主控制器的啟動(dòng)采集命令，通過(guò)I/O 口采集由光電耦合器件隔離后輸入的實(shí)驗(yàn)板信號(hào)P1～P3 和DI1～DI5，然后對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，判斷數(shù)據(jù)有效性，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)板工作情況，并將有效數(shù)據(jù)通過(guò)引腳ST1～ST8 發(fā)送給主控制器。

2.2 管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)必須面向多個(gè)不同應(yīng)用連接對(duì)應(yīng)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)板，實(shí)現(xiàn)特定功能，因此管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)板的認(rèn)證、通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，圖6 給出了ARM主控制器的工作流程。為了方便對(duì)實(shí)驗(yàn)板的調(diào)試測(cè)試以及直觀查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用觸摸屏提供人機(jī)交互界面實(shí)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(kāi)始工作時(shí)觸摸屏上顯示的界面如圖7所示，界面給出了實(shí)驗(yàn)管理硬件與實(shí)驗(yàn)板的5 線(xiàn)接口，并設(shè)計(jì)了觸摸按鍵“開(kāi)始”。界面中的次數(shù)表示已經(jīng)保存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組數(shù)，時(shí)間信息則用于記錄存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間，方便上位機(jī)查看學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。當(dāng)實(shí)驗(yàn)板連接好并準(zhǔn)備就緒后，用戶(hù)通過(guò)點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鍵來(lái)開(kāi)啟認(rèn)證功能。實(shí)驗(yàn)板在收到連接命令后發(fā)送唯一的認(rèn)證特征碼，然后由硬件平臺(tái)的ARM 主控制器根據(jù)獲取的特征碼進(jìn)行處理和校驗(yàn)，并在認(rèn)證成功后向?qū)嶒?yàn)板回復(fù)認(rèn)證結(jié)果，建立通信鏈接，最終由ARM主控制器啟動(dòng)從控制器，由從控制器接管相應(yīng)實(shí)驗(yàn)板的處理任務(wù)，并將有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋給主控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖7 硬件平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示界面

2.2.1 數(shù)據(jù)幀格式與認(rèn)知通信

硬件平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)板和上位機(jī)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(wú)奇偶校驗(yàn)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(lèi)型，長(zhǎng)度表示數(shù)據(jù)域的字節(jié)長(zhǎng)度，F(xiàn)CS 為1 個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)碼，用于數(shù)據(jù)查錯(cuò)，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(dāng)實(shí)驗(yàn)板連接硬件平臺(tái)后，管理系統(tǒng)先對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別，為了有效區(qū)分實(shí)驗(yàn)板，必須為每個(gè)實(shí)驗(yàn)板分配一個(gè)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(gè)字符；實(shí)驗(yàn)板代碼用于區(qū)分不同的單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)案例；編號(hào)表示選擇某一個(gè)實(shí)驗(yàn)案例的組別的編碼，用于區(qū)分不同完成人設(shè)計(jì)的硬件實(shí)體。

實(shí)驗(yàn)板認(rèn)證流程如圖8 所示，首先由硬件平臺(tái)通過(guò)發(fā)送命令與實(shí)驗(yàn)板建立連接，然后開(kāi)啟定時(shí)器，設(shè)定等待接收特征碼的時(shí)間；在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)硬件平臺(tái)接收到實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)板代碼，判斷是否為正確的代碼，若是則認(rèn)證成功，并向?qū)嶒?yàn)板回復(fù)認(rèn)證結(jié)果。上位機(jī)在讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)按照實(shí)驗(yàn)板特征碼進(jìn)行歸類(lèi)，方便教師查看不同完成人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 實(shí)驗(yàn)板認(rèn)證流程圖

2.2.2 實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)案例

為了展示單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的教學(xué)效果，本節(jié)以一個(gè)簡(jiǎn)單的傾角測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例來(lái)演示實(shí)驗(yàn)案例的開(kāi)發(fā)。傾角測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖潜O(jiān)測(cè)大型設(shè)備的傾斜度，防止設(shè)備在傾斜狀態(tài)下工作，一旦發(fā)現(xiàn)便給出報(bào)警提示。因此學(xué)生針對(duì)這一工程問(wèn)題設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)板應(yīng)該包含MCU 最小系統(tǒng)、角度測(cè)量模塊和聲光報(bào)警模塊等。建議學(xué)生采用ADXL345模塊，利用3 軸加速度計(jì)來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)A角。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該在觸摸屏上顯示傾角測(cè)量主界面，設(shè)計(jì)的主界面如圖9 所示。程序應(yīng)該具有期望角度和偏差閾值設(shè)定的功能，當(dāng)角度實(shí)際測(cè)量值與期望角度偏差大于閾值時(shí)，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)軸應(yīng)該報(bào)警提示。對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)板的程序設(shè)計(jì)，應(yīng)該考慮兩種模式：測(cè)量模式和設(shè)置模式，默認(rèn)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)板的測(cè)量模式。程序應(yīng)該讀取3 個(gè)軸的加速度值，進(jìn)行運(yùn)算后給出3 個(gè)軸的傾角，最終根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警提示。

為了確保實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)板的正常通信，表3 給出了設(shè)計(jì)的通信命令，其中“—”表示無(wú)數(shù)據(jù)域，設(shè)計(jì)的命令主要包括3 個(gè)類(lèi)別：建立連接、數(shù)據(jù)交互和結(jié)束，實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)嵌入式程序和實(shí)驗(yàn)板程序均應(yīng)按照表3 給出的命令來(lái)完成通信。若實(shí)驗(yàn)板軟硬件設(shè)計(jì)無(wú)誤，并通過(guò)預(yù)留的接口連接到實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)后，在管理系統(tǒng)觸摸屏上應(yīng)該能顯示如圖10 所示的效果。若實(shí)驗(yàn)板有軟硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題，學(xué)生應(yīng)該自行調(diào)試解決問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存到管理系統(tǒng)，供教師掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程情況。

表3 傾角測(cè)量實(shí)驗(yàn)通信命令

圖10 實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)連接實(shí)驗(yàn)板的工作效果

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程考核難題，本文從技術(shù)層面上提出了加強(qiáng)過(guò)程考核的解決方案。面向工程應(yīng)用型開(kāi)放式單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，它能通過(guò)預(yù)留的通信接口與學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)板連接，利用統(tǒng)一規(guī)劃的通信命令與實(shí)驗(yàn)板完成交互，在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)板調(diào)試和觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果過(guò)程中主動(dòng)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，提高了學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的靈活性，方便教師查閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的跟蹤，也從一定程度上緩解了實(shí)驗(yàn)課師資匱乏和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足的問(wèn)題。