【浙江師范大學(xué)】C8051F高級(jí)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)
功能/作用介紹：
《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》是各高校電子信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)、光信息科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)等工科類專業(yè)核心課程之一，8051內(nèi)核一直是該課程的經(jīng)典單片機(jī)教學(xué)模型，有著豐富的教學(xué)資源、豐富的工程應(yīng)用以及應(yīng)用群體。然而隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)8051單片機(jī)在內(nèi)存容量、處理速度、片上資源、擴(kuò)展性能等方面均顯得力不從心，無(wú)法滿足高端產(chǎn)品開發(fā)需要。因此，傳統(tǒng)8051單片機(jī)教學(xué)受到了挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：
1.難以開展綜合性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，只能完成簡(jiǎn)單的原理性實(shí)驗(yàn);
2.價(jià)格昂貴，一般只存放在實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生能接觸到實(shí)驗(yàn)箱的次數(shù)和時(shí)間有限，從而不能深入掌握單片機(jī)原理及應(yīng)用;
3.和高性能模擬技術(shù)相結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)非常缺乏，同時(shí)無(wú)法開展新技術(shù)實(shí)驗(yàn)，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);
4.體積大且笨重，教師無(wú)法在課堂上進(jìn)行演示;
本作品以浙江省精品課程《單片機(jī)原理與應(yīng)用》、省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心“電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”、“計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”建設(shè)項(xiàng)目為依托，開發(fā)的高級(jí)單片機(jī)自制設(shè)備項(xiàng)目，選擇采用經(jīng)典8051完全兼容的C8051F單片機(jī)，即可讓學(xué)生輕松掌握經(jīng)典單片機(jī)原理，也可領(lǐng)略單片機(jī)高端技術(shù)應(yīng)用，滿足一本、二本、三本和高職院校不同層次學(xué)生需求。
與市面上現(xiàn)有的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備相比，本作品具備如下主要特色：
1.采用“核心板+底板+擴(kuò)展板”設(shè)計(jì)，核心板(即單片機(jī)型號(hào))可根據(jù)需要靈活更換。目前已有的核心板型號(hào)有C8051F020/340/120/040/060，及低功耗C8051F930。用戶也可以自行設(shè)計(jì)其它型號(hào)的單片機(jī)核心板插到此開發(fā)板上使用，如8051、AVR、MSP430、Cortex內(nèi)核單片機(jī)等。核心板可單獨(dú)運(yùn)行使用;
2.具備高性能模擬技術(shù)。結(jié)合單片機(jī)及內(nèi)帶A/D、D/A，可實(shí)現(xiàn)程控增益放大電路，寬帶壓控增益電路，阻容、頻率、相位測(cè)量等經(jīng)典的以模擬電路為主的綜合性系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目;
3.具備物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)?？稍诒咀髌分袑?shí)現(xiàn)GPRS、RFID、WIFI、2.4GHZ等無(wú)線通信，利用GPS/北斗實(shí)現(xiàn)位置定位;可配備加速度、超聲波、壓力、電流、電壓、溫度、濕度、光照等傳感器實(shí)現(xiàn)外圍信號(hào)的檢測(cè)。通過傳感器和相關(guān)無(wú)線通信，即可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊功能;
4.硬件資源開放，方便二次開發(fā)。系統(tǒng)將地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線、單片機(jī)所有IO口、模擬端口全部引出，底板各功能模塊資源全部開放，主機(jī)板留有擴(kuò)展單元;
5.體小質(zhì)輕，便于教師在課堂上現(xiàn)場(chǎng)演示，也便于學(xué)生隨時(shí)隨地使用。
“核心板+底板”硬件主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)板;兩路標(biāo)準(zhǔn)RS232串行通信接口;外擴(kuò)32KB高速SRAM;12864、1602、TFT彩色液晶接口電路;SD卡接口;觸摸屏;溫度采集;485總線;CAN總線;實(shí)時(shí)時(shí)鐘; EEPROM存儲(chǔ);步進(jìn)、直流電機(jī)等驅(qū)動(dòng)電路;繼電器;FLASH存儲(chǔ);PS2接口;矩陣、中斷按鍵;濾波電路;紅外發(fā)射、接收電路;LED顯示;數(shù)碼管顯示;電壓調(diào)節(jié);蜂鳴器;總線擴(kuò)展;點(diǎn)陣屏;555頻率、阻容測(cè)量電路;以太網(wǎng)電路等。
“擴(kuò)展板”硬件主要包括：高性能模擬技術(shù)相關(guān)電路模塊、各類無(wú)線通信模塊、各類傳感器模塊。
根據(jù)硬件電路模塊，相應(yīng)的軟件由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)+提高實(shí)驗(yàn)+綜合設(shè)計(jì)組成：
1.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：IO操作、定時(shí)器、中斷、數(shù)碼管、LED、看門狗、FLASH 讀寫、A/D、D/A、UART、485通信、SPI、PWM、IIC、低功耗模式、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、液晶顯示、按鍵、電機(jī)控制、溫度采集、總線擴(kuò)展、SRAM讀寫、比較器、紅外通信等;
2.提高實(shí)驗(yàn)：數(shù)字電子鐘、語(yǔ)音、點(diǎn)陣屏、RC參數(shù)測(cè)量、頻率、相位測(cè)量、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、2.4G無(wú)線數(shù)據(jù)通信、傳感器數(shù)據(jù)采集、超聲測(cè)距等;
3.綜合設(shè)計(jì)：以太網(wǎng)、文件系統(tǒng)、數(shù)碼相框、人機(jī)界面GUI、UCOS操作系統(tǒng)、USB、CAN總線、程控增益放大，寬帶壓控增益放大、GPRS/GSM數(shù)據(jù)通信、RFID讀寫、GPS/北斗定位、UCOS操作系統(tǒng)等。
本實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備可用于《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程的隨課實(shí)驗(yàn)、電子競(jìng)賽培訓(xùn)、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、學(xué)生開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、科技創(chuàng)新、畢業(yè)設(shè)計(jì)。還可用于模擬電路、傳感器技術(shù)、UCOS操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。
主要性能及特色 ：
(1)教學(xué)性(30 分) ：能夠貼近教學(xué)實(shí)際，應(yīng)用于課堂演示、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié);能夠滿足本學(xué)科專業(yè)不同課程的教學(xué)要求，對(duì)改進(jìn)教學(xué)方法起到促進(jìn)作用;實(shí)驗(yàn)設(shè)備有與之配套的實(shí)驗(yàn)教材或指導(dǎo)書。
1. 滿足不同高校層次、不同專業(yè)、不同階段的教學(xué)實(shí)踐要求。作品采用與經(jīng)典8051完全兼容的C8051F單片機(jī)，“核心板+底板+擴(kuò)展板”的硬件設(shè)計(jì)方法，可開展基礎(chǔ)、提高、綜合三大教學(xué)實(shí)驗(yàn)，從簡(jiǎn)到難，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容覆蓋面廣;
2.體小質(zhì)輕、USB供電，滿足課堂演示，學(xué)生隨時(shí)隨地使用需求;
3.單片機(jī)技術(shù)、高性能模擬技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，已多年服務(wù)于《單片機(jī)原理與應(yīng)用》隨課實(shí)驗(yàn)、電子競(jìng)賽培訓(xùn)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、科技創(chuàng)新、畢業(yè)設(shè)計(jì)，還可用于《模擬電路》、《傳感器技術(shù)》、《UCOS操作系統(tǒng)》、《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué);
4.省新世紀(jì)教改項(xiàng)目“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程群(電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理及應(yīng)用)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)效性研究”、“以電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽為載體，探索大學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)新途徑”，以及“電子信息類大學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)探索與實(shí)踐”浙江師范大學(xué)第六屆教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)均以本設(shè)備為載體開展教學(xué)、實(shí)踐活動(dòng)，對(duì)改進(jìn)教學(xué)方法起到極大的促進(jìn)作用;
5. 配備實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、應(yīng)用筆記、教學(xué)視頻，代碼注釋詳細(xì)、原理講解清晰;依托省精品課程《單片機(jī)原理與應(yīng)用》網(wǎng)站BBS論壇，開展在線學(xué)習(xí)交流。
(2)科學(xué)性(15 分) ：教學(xué)儀器設(shè)備所示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容符合科學(xué)原理， 體現(xiàn)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)過程相統(tǒng)一的原則;有利于學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，樹立科學(xué)意識(shí)，掌握科學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)操作技能。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)、提高、綜合三部分，兼顧入門、提高和綜合創(chuàng)新開發(fā)，滿足不同階段、層次、專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐要求?；A(chǔ)、提高部分充分根據(jù)單片機(jī)自身原理開展，突出基本知識(shí)和教學(xué)要點(diǎn);綜合性設(shè)將模擬技術(shù)、無(wú)線、傳感、物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)相融合，將科研成果轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)性實(shí)例，拓展相關(guān)知識(shí)在實(shí)際項(xiàng)目中的科學(xué)運(yùn)用。
開放式硬件設(shè)計(jì)，方便二次開發(fā)，有利于發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，發(fā)揮其實(shí)用性、靈活性、可擴(kuò)展性。
(3)創(chuàng)新性(20 分) ：教學(xué)儀器設(shè)備設(shè)計(jì)新穎，構(gòu)思巧妙，體現(xiàn)新的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)方式、方法和內(nèi)容;應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新工藝方面有創(chuàng)新和發(fā)展;在信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合方面有所創(chuàng)意。國(guó)內(nèi)無(wú)同類設(shè)備或比同類設(shè)備先進(jìn)、通用性強(qiáng)。
1.采用“核心板+底板+擴(kuò)展板”設(shè)計(jì)，核心板(單片機(jī)最小系統(tǒng)板)可根據(jù)需要靈活更換。用戶也可以自行設(shè)計(jì)其它廠家型號(hào)的單片機(jī)核心板插到此開發(fā)板上使用。
2.具備高性能模擬技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)程控增益放大電路，寬帶壓控增益電路等以模擬電路為主的綜合性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目;
3.具備物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)多種無(wú)線通信、定位、各類信號(hào)傳感檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)功能模塊;
4.硬件資源開放，方便二次開發(fā)。系統(tǒng)將地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線、單片機(jī)所有IO口、模擬端口全部引出，底板各功能模塊資源全部開放，主機(jī)板留有擴(kuò)展單元;
5. 體小質(zhì)輕、便于攜帶，即方便教師在課堂上現(xiàn)場(chǎng)演示，也方便學(xué)生隨身攜帶使用;
6. 獨(dú)特LED數(shù)碼管倒置設(shè)計(jì)，巧妙實(shí)現(xiàn)電子鐘中間兩個(gè)點(diǎn)的秒閃動(dòng)，溫度顯示時(shí)形成漂亮的“℃”;
7. 目前尚無(wú)同類設(shè)備的報(bào)道，僅有芯片廠商推出的簡(jiǎn)易學(xué)習(xí)板，功能單一，只適合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);
8.單片機(jī)核心板、各功能模塊均可單獨(dú)使用，可廣泛用于其它開發(fā)場(chǎng)合，降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
(4)啟發(fā)性(15 分) ：可直觀地對(duì)某一理論或現(xiàn)象進(jìn)行演示、驗(yàn)證;引發(fā)學(xué)習(xí)興趣和思考，有利于學(xué)生主動(dòng)參與、互動(dòng)、合作交流。
1. 可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過液晶、數(shù)碼管顯示，也可發(fā)送到PC機(jī)進(jìn)行觀察，達(dá)到形象的演示、驗(yàn)證效果;
2. 具備在線調(diào)試功能，可在開發(fā)環(huán)境中觀察各類參數(shù)變量，方便程序調(diào)試、結(jié)果驗(yàn)證;
3. 課堂現(xiàn)場(chǎng)演示，可提高學(xué)習(xí)興趣，利于師生互動(dòng)和交流，開展啟發(fā)式教學(xué);
4. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多、覆蓋面廣、開放式硬件資源豐富，即滿足初學(xué)入門，也滿足提高訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì);可啟發(fā)學(xué)生將模擬電路、單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、操作系統(tǒng)等知識(shí)融會(huì)貫通。
(5)實(shí)用性(20 分) ：易于操作、性能穩(wěn)定，通用性好、安全可靠，價(jià)格低廉、便于推廣;滿足認(rèn)識(shí)性、啟發(fā)性、綜合性等實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)及學(xué)生動(dòng)手能力的訓(xùn)練的要求，有利于推進(jìn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。
1. 支持多型號(hào)單片機(jī);
2. 開放式、模塊化設(shè)計(jì)，方便用戶自行進(jìn)行硬件擴(kuò)展，單獨(dú)重復(fù)使用;分層次、漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足各實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)及學(xué)生動(dòng)手能力的訓(xùn)練要求，有利于推進(jìn)素質(zhì)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力;
3. 單電源5V供電，多種單電源供電方式，保證設(shè)備安全和人身安全;
4. 具備短路保護(hù)功能，硬件連接緊湊，各接口模塊具備防止反插功能，保證系統(tǒng)可靠;
5. 體小質(zhì)輕，使用方便，筆記本+USB調(diào)試器+實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，即可開展課堂演示、隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)實(shí)踐;
6. 適用高職高專、本科、研究生等不同群體;
7. 標(biāo)準(zhǔn)硬件配置成本低，便于推廣;
8. 曾獲“2011年度省大學(xué)生新苗科技成果推廣項(xiàng)目”，并成功推廣至多所高校和企業(yè)，并獲得好評(píng)。
作品名稱：C8051F高級(jí)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)
完成單位：浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院
