【浙江師范大學】C8051F高級單片機實驗教學系統
功能/作用介紹：
《單片機原理與接口技術》是各高校電子信息工程、通信工程、計算機、光信息科學與技術、物理學等工科類專業核心課程之一，8051內核一直是該課程的經典單片機教學模型，有著豐富的教學資源、豐富的工程應用以及應用群體。然而隨著科學技術的迅猛發展，傳統8051單片機在內存容量、處理速度、片上資源、擴展性能等方面均顯得力不從心，無法滿足高端產品開發需要。因此，傳統8051單片機教學受到了挑戰，主要表現在：
1.難以開展綜合性實驗訓練，只能完成簡單的原理性實驗;
2.價格昂貴，一般只存放在實驗室，學生能接觸到實驗箱的次數和時間有限，從而不能深入掌握單片機原理及應用;
3.和高性能模擬技術相結合的綜合實驗非常缺乏，同時無法開展新技術實驗，如物聯網技術;
4.體積大且笨重，教師無法在課堂上進行演示;
本作品以浙江省精品課程《單片機原理與應用》、省級實驗教學示范中心“電工電子實驗教學中心”、“計算機科學實驗教學中心”建設項目為依托，開發的高級單片機自制設備項目，選擇采用經典8051完全兼容的C8051F單片機，即可讓學生輕松掌握經典單片機原理，也可領略單片機高端技術應用，滿足一本、二本、三本和高職院校不同層次學生需求。
與市面上現有的單片機實驗教學設備相比，本作品具備如下主要特色：
1.采用“核心板+底板+擴展板”設計，核心板(即單片機型號)可根據需要靈活更換。目前已有的核心板型號有C8051F020/340/120/040/060，及低功耗C8051F930。用戶也可以自行設計其它型號的單片機核心板插到此開發板上使用，如8051、AVR、MSP430、Cortex內核單片機等。核心板可單獨運行使用;
2.具備高性能模擬技術。結合單片機及內帶A/D、D/A，可實現程控增益放大電路，寬帶壓控增益電路，阻容、頻率、相位測量等經典的以模擬電路為主的綜合性系統實訓項目;
3.具備物聯網相關技術?？稍诒咀髌分袑崿FGPRS、RFID、WIFI、2.4GHZ等無線通信，利用GPS/北斗實現位置定位;可配備加速度、超聲波、壓力、電流、電壓、溫度、濕度、光照等傳感器實現外圍信號的檢測。通過傳感器和相關無線通信，即可實現物聯網中的無線節點模塊功能;
4.硬件資源開放，方便二次開發。系統將地址總線、數據總線、控制總線、單片機所有IO口、模擬端口全部引出，底板各功能模塊資源全部開放，主機板留有擴展單元;
5.體小質輕，便于教師在課堂上現場演示，也便于學生隨時隨地使用。
“核心板+底板”硬件主要包括：單片機最小系統板;兩路標準RS232串行通信接口;外擴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;實時時鐘; EEPROM存儲;步進、直流電機等驅動電路;繼電器;FLASH存儲;PS2接口;矩陣、中斷按鍵;濾波電路;紅外發射、接收電路;LED顯示;數碼管顯示;電壓調節;蜂鳴器;總線擴展;點陣屏;555頻率、阻容測量電路;以太網電路等。
“擴展板”硬件主要包括：高性能模擬技術相關電路模塊、各類無線通信模塊、各類傳感器模塊。
根據硬件電路模塊，相應的軟件由基礎實驗+提高實驗+綜合設計組成：
1.基礎實驗：IO操作、定時器、中斷、數碼管、LED、看門狗、FLASH 讀寫、A/D、D/A、UART、485通信、SPI、PWM、IIC、低功耗模式、實時時鐘、液晶顯示、按鍵、電機控制、溫度采集、總線擴展、SRAM讀寫、比較器、紅外通信等;
2.提高實驗：數字電子鐘、語音、點陣屏、RC參數測量、頻率、相位測量、函數信號發生器、2.4G無線數據通信、傳感器數據采集、超聲測距等;
3.綜合設計：以太網、文件系統、數碼相框、人機界面GUI、UCOS操作系統、USB、CAN總線、程控增益放大，寬帶壓控增益放大、GPRS/GSM數據通信、RFID讀寫、GPS/北斗定位、UCOS操作系統等。
本實驗教學設備可用于《單片機原理與應用》課程的隨課實驗、電子競賽培訓、電子系統綜合設計、學生開放性實驗項目、科技創新、畢業設計。還可用于模擬電路、傳感器技術、UCOS操作系統、物聯網技術等相關課程的實驗教學設備。
主要性能及特色 ：
(1)教學性(30 分) ：能夠貼近教學實際，應用于課堂演示、實驗教學等環節;能夠滿足本學科專業不同課程的教學要求，對改進教學方法起到促進作用;實驗設備有與之配套的實驗教材或指導書。
1. 滿足不同高校層次、不同專業、不同階段的教學實踐要求。作品采用與經典8051完全兼容的C8051F單片機，“核心板+底板+擴展板”的硬件設計方法，可開展基礎、提高、綜合三大教學實驗，從簡到難，實驗內容覆蓋面廣;
2.體小質輕、USB供電，滿足課堂演示，學生隨時隨地使用需求;
3.單片機技術、高性能模擬技術和物聯網相關技術相結合，已多年服務于《單片機原理與應用》隨課實驗、電子競賽培訓、電子系統設計、開放性實驗項目、科技創新、畢業設計，還可用于《模擬電路》、《傳感器技術》、《UCOS操作系統》、《物聯網技術》等相關課程的實驗教學;
4.省新世紀教改項目“電子系統設計課程群(電子系統設計、單片機原理及應用)實驗教學實效性研究”、“以電子設計競賽為載體，探索大學生創新與實踐能力培養新途徑”，以及“電子信息類大學生創新與實踐能力培養探索與實踐”浙江師范大學第六屆教學成果獎一等獎均以本設備為載體開展教學、實踐活動，對改進教學方法起到極大的促進作用;
5. 配備實驗指導書、應用筆記、教學視頻，代碼注釋詳細、原理講解清晰;依托省精品課程《單片機原理與應用》網站BBS論壇，開展在線學習交流。
(2)科學性(15 分) ：教學儀器設備所示實驗內容符合科學原理， 體現科學知識和科學過程相統一的原則;有利于學習科學知識，樹立科學意識，掌握科學方法和實驗操作技能。
實驗內容分為基礎、提高、綜合三部分，兼顧入門、提高和綜合創新開發，滿足不同階段、層次、專業的教學實踐要求?；A、提高部分充分根據單片機自身原理開展，突出基本知識和教學要點;綜合性設將模擬技術、無線、傳感、物聯網新技術相融合，將科研成果轉化為設計性實例，拓展相關知識在實際項目中的科學運用。
開放式硬件設計，方便二次開發，有利于發揮學生創新精神和實踐能力，發揮其實用性、靈活性、可擴展性。
(3)創新性(20 分) ：教學儀器設備設計新穎，構思巧妙，體現新的實驗活動方式、方法和內容;應用新技術、新材料、新工藝方面有創新和發展;在信息技術與傳統實驗的整合方面有所創意。國內無同類設備或比同類設備先進、通用性強。
1.采用“核心板+底板+擴展板”設計，核心板(單片機最小系統板)可根據需要靈活更換。用戶也可以自行設計其它廠家型號的單片機核心板插到此開發板上使用。
2.具備高性能模擬技術?？蓪崿F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訓項目;
3.具備物聯網相關技術?？蓪崿F多種無線通信、定位、各類信號傳感檢測，實現物聯網中的無線節點功能模塊;
4.硬件資源開放，方便二次開發。系統將地址總線、數據總線、控制總線、單片機所有IO口、模擬端口全部引出，底板各功能模塊資源全部開放，主機板留有擴展單元;
5. 體小質輕、便于攜帶，即方便教師在課堂上現場演示，也方便學生隨身攜帶使用;
6. 獨特LED數碼管倒置設計，巧妙實現電子鐘中間兩個點的秒閃動，溫度顯示時形成漂亮的“℃”;
7. 目前尚無同類設備的報道，僅有芯片廠商推出的簡易學習板，功能單一，只適合基礎實驗;
8.單片機核心板、各功能模塊均可單獨使用，可廣泛用于其它開發場合，降低研發成本，縮短產品開發周期。
(4)啟發性(15 分) ：可直觀地對某一理論或現象進行演示、驗證;引發學習興趣和思考，有利于學生主動參與、互動、合作交流。
1. 可將實驗數據通過液晶、數碼管顯示，也可發送到PC機進行觀察，達到形象的演示、驗證效果;
2. 具備在線調試功能，可在開發環境中觀察各類參數變量，方便程序調試、結果驗證;
3. 課堂現場演示，可提高學習興趣，利于師生互動和交流，開展啟發式教學;
4. 實驗項目多、覆蓋面廣、開放式硬件資源豐富，即滿足初學入門，也滿足提高訓練，促進學生創新設計;可啟發學生將模擬電路、單片機、物聯網、操作系統等知識融會貫通。
(5)實用性(20 分) ：易于操作、性能穩定，通用性好、安全可靠，價格低廉、便于推廣;滿足認識性、啟發性、綜合性等實驗教學環節及學生動手能力的訓練的要求，有利于推進素質教育，培養創新精神和實踐能力。
1. 支持多型號單片機;
2. 開放式、模塊化設計，方便用戶自行進行硬件擴展，單獨重復使用;分層次、漸進式實驗項目，滿足各實驗教學環節及學生動手能力的訓練要求，有利于推進素質教育，培養創新精神和實踐能力;
3. 單電源5V供電，多種單電源供電方式，保證設備安全和人身安全;
4. 具備短路保護功能，硬件連接緊湊，各接口模塊具備防止反插功能，保證系統可靠;
5. 體小質輕，使用方便，筆記本+USB調試器+實驗教學設備，即可開展課堂演示、隨時隨地學習實踐;
6. 適用高職高專、本科、研究生等不同群體;
7. 標準硬件配置成本低，便于推廣;
8. 曾獲“2011年度省大學生新苗科技成果推廣項目”，并成功推廣至多所高校和企業，并獲得好評。
作品名稱：C8051F高級單片機實驗教學系統
完成單位：浙江師范大學數理與信息工程學院
