آزمایشگاه غیرحضوری درس ریزپردازنده
کد مقاله : 1063-NEXT
نویسندگان:
سیدامید فاطمی *1، حسین تن2
1رئیس مرکز فناوری های دیجیتالی دانشگاه تهران
2دانشجو
چکیده مقاله:
چکیده
با شروع همه‌گیری ویروس کرونا و تعطیلی دانشگاه‌ها در سراسر دنیا، بسیاری از آزمایشگاه‌ها تا مدتی فعالیت خود را متوقف کرده و منتظر بازگشایی مراکز آموزشی شدند. بعد از قطعی شدن تعطیلی دانشگاه‌ها، آزمایشگاه‌ها و بسیاری از دروس عملی فعالیت خود را به شیوه‌های گوناگونی آغاز کردند. در دانشکده برق و کامپیوتر دانشگاه تهران بیشتر آزمایشگاه‌ها به سمت شبیه‌سازی حرکت کردند. اما در آزمایشگاه ریزپردازنده این موضوع متفاوت بود. از نیمسال دوم سال تحصیلی ۹۹-۹۸ تا کنون این آزمایشگاه به صورت واقعی اما غیرحضوری آغاز به فعالیت کرده است که به دلیل عدم امکان حضور دانشجویان با چالش‌های زیادی رو به رو بوده است. نتایج این فعالیت بسیار رضایت‌بخش بوده و مزایای بسیاری نسبت به روش حضوری داشته است. حال با توجه به نزدیک شدن به ایام واکسیناسیون و بازگشایی دانشگاه‌ها آیا این روش حذف خواهد شد یا روش حضوری را دچار تغییر خواهد کرد؟
واژه‌های کلیدی: آزمایشگاه، ریزپردازنده، غیرحضوری، میکروکنترلر، کرونا

1. مقدمه
از آن‌جایی که همیشه می‌بایست تهدیدها را به فرصت تبدیل کرد، با به وجود آمدن تهدید همه‌گیری ویروس کرونا و در نتیجه تعطیلی دانشگاه‌ها، فرصتی ایجاد شد تا به صورت آزمایشی یکی از آزمایشگاه‌ها را به صورت واقعی و غیرحضوری اجرا کنیمشود. برای این کار آزمایشگاه ریزپردازنده را به علت اهمیت آن در حوزه‌های به‌روز فناوری همانند اینترنت اشیاء ، انتخاب کردیم. برای اجرای این روش مشکلات بسیاری وجود دارد و این تصور وجود دارد که بدون استاد این روش قابل اجرا نیست. در این گزارش ضمن بررسی کوتاه این تصور و مشکلات پیش‌رو، یک راه حل اجرایی برای آزمایشگاه غیر حضوری و مزایای آن را ارائه خواهیم داد.
۲. آزمایشگاه ریزپردازنده
در این آزمایشگاه قرار است دانشجویان مهارت‌های ابتدایی کار با میکروکنترلرها و ریزپردازنده‌ها را بیاموزند تا در آینده کاری خود بتوانند از آن‌ها در صنایع گوناگون به ویژه در حوزه اینترنت اشیاء که امروزه یکی از مهم‌ترین موضوعات فناوری است، استفاده کنند. در این آزمایشگاه برای دانشجویان آزمایش‌هایی مطرح می‌شود که می‌بایست ابتدا طراحی مدارهای آن را انجام داده و پس از آن بر روی ریزپردازنده برنامه خواسته شده را بنویسند و آن را اجرا کنند. در این آزمایش‌ها از قسمت‌های مختلف میکروکنترلر مانند ورودی و خروجی دیجیتال، ورودی و خروجی آنالوگ، شمارنده‌ها، وقفه‌ها،‌ ارتباطات سریال، نمایشگرها و... استفاده خواهد شد.
۳. مشکلات قابل تصور
برخی از مشکلاتی که در روند اجرای پروژه با آن مواجه هستیم را می توان بدین گونه فهرست کرد:
• استاد یا دستیار استاد می‌بایست در کنار دانشجو باشد و بر کار او نظارت کند.
• استاد یا دستیار استاد می‌بایست در کنار دانشجو باشد و مشکلات او را برطرف کند.
• دانشجو می‌بایست به همراه گروه خود در آزمایشگاه حاضر شود.
• دانشجو می‌بایست ابزار و سخت‌افزار مناسب را در اختیار داشته باشد.
• حضور دانشجو جهت کار با بسیاری از لوازم الکترونیکی (مانند سوییچ‌ها و سنسورها) لازم است.
• امکان تقلب و رونوشت در آزمایش‌ها به ویژه در گزارش آن در روش غیرحضوری افزایش پیدا می‌کند.
در روش پیشنهادی در این گزارش همه این موارد حل شده است و دانشجویان با اتصال به دستگاه مناسب و به روش مناسب آزمایش‌های خود را انجام داده و توسط سیستم و استاد کار آنها ارزیابی می‌شود.
۴. روش اجرای آزمایشگاه غیرحضوری
برای اجرای آزمایشگاه به روش واقعی و غیرحضوری می‌بایست ابتدا از یک بورد آزمایشگاهی کمک گرفت. این بورد در محل آزمایشگاه مستقر شده و توسط یک برنامه‌ریز به یک رایانه تحت عنوان رایانه سرور متصل می‌شود. همچنین برای مشاهده بورد یک دوربین نیز به این رایانه متصل می‌شود. نرم‌افزارهای موردنیاز برنامه‌نویسی بر روی رایانه سرور نصب خواهد شد. همچنین توسط یک سامانه جریان زنده تصویر بورد که از دوربین دریافت می‌شود به نمایش گذاشته خواهد شد. استاد یا مسئول آزمایشگاه به صورت هفتگی به آزمایشگاه مراجعه کرده و مطابق صورت آزمایش اتصالات لازم را بر روی بورد اعمال می‌کند. دانشجویان پس از گروه‌بندی و تخصیص دسترسی به رایانه سرور، مطابق زمان‌بندی که خود مشخص نموده‌اند، به آن متصل شده و آزمایش خود را انجام می‌دهند.
در این روش طراحی صورت آزمایش یکی از چالش‌های اساسی بوده و از اهمیت بالایی برخوردار است. چرا که دسترسی به قطعات بورد وجود ندارد و احتمال تقلب و رونوشت چند برابر روش حضوری می‌باشد. در ادامه به چند آزمایش طراحی شده که هیچ نیازی به حضور فیزیکی ندارند و امنیت لازم را تأمین می‌کنند، اشاره خواهد شد.
الف) خواندن مقدار هشت سوییچ و چاپ عدد متناظر آن در مبنای ۱۰ (به جای فشردن کلید)
ب) نوشتن نام افراد گروه به صورت متحرک بر روی نمایشگر مستقر بر روی بورد
ج) زمان‌بندی دو شمارشگر مختلف طبق فرمولی که از شماره گروه به دست می‌آید
د) ارتباط با یک سرور سریال و ارسال و دریافت اعداد سنسورها توسط پسورد یکتا
ه‍) ویراستار هوشمند متن (متون متفاوت برای هر گروه) توسط ارتباط سریال
و) هم‌روندسازی چند کار متنوع به سه روش مختلف
ز) خواندن نمرات آزمایش‌های قبلی گروه خود از روی کارت حافظه
ح) نمایش انیمیشن بر روی نمایشگر نقطه-ماتریس
ط) تنظیم سرعت موتور در حال چرخش مطابق با سرعت هدف تعیین شده
ی) نمایش ساعت آنالوگ و دیجیتال به صورت همزمان
ک) راه‌اندازی سیستم‌عامل FreeRTOS بر روی میکروکنترلر
ل) طراحی و اجرای بازی فرار از مانع
زمان اجرای آزمایش هر گروه از قبل توسط خود دانشجویان مشخص می‌شود. استاد یا دستیاران استاد در زمان انجام آزمایش در دسترس هستند تا پاسخگوی سؤالات دانشجویان باشند. همچنین پس از انجام آزمایش توسط دانشجویان،‌ با بررسی برنامه نوشته شده و تصاویر خروجی از بورد و همچنین بررسی تاریخچه حضور در سرور یا ارسال و دریافت داده از سرور کار دانشجویان مورد ارزیابی واقع خواهد شد.
۵. ابزار به کار گرفته شده
در آزمایشگاه از بورد آزمایشگاهی ایرانی مدل RN-ARM که در آن از میکروکنترلر LPC1768 از شرکت NXP و از خانواده ARM با هسته مرکزی Cortex-M3 استفاده شده است و در شکل ۱ مشاهده می‌شود بهره گرفته شده است. برای برنامه‌نویسی بر روی این بورد از برنامه Keil μVision متعلق به شرکت ARM و توسط زبان برنامه‌نویسی C و برنامه‌ریز J-Link استفاده شده است که بدون نیاز به لمس فیزیکی برنامه را بر روی بورد اجرا می‌کنند.
برای اتصال دانشجویان به رایانه سرور و نوشتن برنامه از Windows Server و برنامه Remote Desktop Connection استفاده شده است و هر گروه یک حساب کاربری منحصر به فرد دارد که هم تحت نظارت استاد باشد و هم فایل‌های آن‌ها مصون و محفوظ بماند. همچنین برای دسترسی به رایانه سرور لازم است از سرویس UT-VPN برای ورود به شبکه داخلی دانشگاه استفاده شود. برای پخش زنده تصویر بورد از دو سامانه متفاوت مرکز فناوری دانشگاه تهران یعنی وبینار و بیان استفاده شد که تجربه وبینار موفقیت‌آمیز بود.


شکل 1- بورد آزمایشی RN-ARM
۶. تجربه اجرای آزمایشگاه
این شیوه آزمایشگاه در سه نیم‌سال اجرا شده است. در پایان هر نیم‌سال از دانشجویان نظرسنجی به عمل آمده که رضایت‌مندی آن‌ها نسبت به سایر آزمایشگاه‌ها (که به صورت شبیه‌سازی اجرا شده‌اند) بالای ۹۰ درصد بوده است. دانشجویان مخیرند که در هر ساعت از شبانه روز (در ایام مشخص) به رایانه سرور مراجعه کرده و آزمایش خود را انجام دهند که این موضوع در مقابل روش حضوری که بعد از خستگی چند جلسه کلاس و در مدت زمان بسیار محدود مجبور به انجام آزمایش بودند، مزیت بسیار مهمی محسوب می‌شود. در تمامی آزمایش‌ها عدد شماره گروه استفاده شده که موجب جلوگیری از تقلب و رونویسی شده است. همچنین از آزمایشات به‌روز و جالبی استفاده شده که خستگی دانشجویان را کاسته و انگیزه ایشان را برای انجام آزمایش‌ها بیشتر کند. در این آزمایش‌ها دانشجویان مهارت‌های گوناگونی می‌آموزند که به شرح ذیل می‌باشد:
• GPIO
• ADC
• Timer
• Interrupt
• PWM
• SPI
• UART
• Free-RTOS
• DIP-Switch
• LED
• 7-Segment
• Alphanumerical LCD
• Graphical LCD
• Dot-Matrix
• SD-Card
• Stepper-Motor
• DC-Motor
• Light Sensor
• Temperature Sensor
• Humidity Sensor
• Potentiometer
۷. دوران پساکرونا
واکسیناسیون در بسیاری از کشورهای دنیا از جمله جمهوری اسلامی ایران آغاز شده است و به زودی شاهد بازگشایی دانشگاه‌ها خواهیم بود. اما آیا این بازگشایی به معنی بازگشت به روش‌های قبلی است؟ همان‌طور که بسیاری از شرکت‌های تخصصی نتیجه مثبتی در اجرای روش دورکاری اجباری داشتند، چشم‌انداز این پروژه نیز این مطلب را نشان خواهد داد که این روش در دوران پساکرونا نیز قابل اجرا خواهد بود و زمان قبلی حضور در آزمایشگاه را می‌توان به زمانی برای تحویل آزمایش قبلی، رفع اشکال و دریافت آموزش‌های لازم برای آزمایش جدید قرار داد. یعنی به جای این که دانشجویان در هفته سه ساعت آزمایش کنند و شش روز گزارش بنویسند، شش روز هفته را به آزمایش پرداخته و یک روزکار خود را تحویل خواهند داد.
۸. نتیجه گیری
تمام مشکلاتی که برای آزمایشگاه غیرحضوری قابل تصور بود با این طرح حل شده است و دانشجویان به خوبی به صورت عملی آزمایش‌های مورد نیاز خود را انجام می‌دهند. این روش نه تنها همانند حضور در آزمایشگاه می‌باشد بلکه به خاطر امکان استفاده شبانه روزی دانشجویان از امکانات آزمایشگاه باعث بهره‌وری بیشتر دانشجویان شده است. همچنین با تلفیق این روش با روش حضوری تهدید کرونا به فرصتی برای بهبود روند آزمایشگاه بدل می‌شود.
کلیدواژه ها:
آزمایشگاه، ریزپردازنده، غیرحضوری، میکروکنترلر، کرونا، یادگیری الکترونیکی، آزمایشگاه از دور
وضعیت : چکیده برای ارائه شفاهی پذیرفته شده است