亞東技術學院教師產學研究計畫成果報告
單晶片乙級能力認證數位教材開發計畫
計畫編號：97-5-04-216
執行期限：98 年 3 月 1 日至 98 年 11 月 30 日
主持人：陳麗玲
單位名稱：電子系
共同主持人：余耀銘
單位名稱：電子系
參與學生：蘇郁盛、楊小寅、馬伯全、卓三龍、李博翔、陳品均
合作廠商：台灣嵌入式暨單晶片系統發展協會
摘要
單晶片廣泛應用於業界，因此許多國內技職院校之電子與電機等科系，都將其列為 核心課程。為精進學生之單晶片設計與應用開發能力，電通學群於 95 年成立「嵌入式 系統能力認證中心」，且與「台灣嵌入式暨單晶片系統發展協會(簡稱 TEMI)」合作， 推廣「單晶片能力認證」，期能經由通過認證，協助學生取得證照，提升學生之單晶片 設計能力。此計畫由 TEMI 與亞東電子系合作，完成「單晶片乙級能力認證」之數位教 材製作，協助國內此認證授課與研習，推廣「單晶片乙級能力認證」於技職之教育。此 計畫共計有 2 位教師及 6 位同學投入製作，完成三大部份之數位教材製作，含影音錄製 檔、程式操作錄製檔案及教材 PowerPoint 檔案等；於認證推廣成效上，於計畫執行期間， 本校共 50 位同學參與單晶片乙級能力認證，46 人通過學術科，取得證照，單晶片乙級 能力認證成果全國第一。一、 計畫目的
台灣眾多中小企業運用單晶片來開發家電設計等產品，因應產品個人化與機電整 合時代，國內技職院校之電子與電機等科系，均將單晶片列為核心課程[1]。亞東技術學 院電通學群為提昇學生相關技能，增進電子產業所需之技能與取得專業證照，於 95 年 成立「嵌入式系統能力認證中心」。電子系並與「台灣嵌入式暨單晶片系統發展協會(簡 稱 TEMI)」進行多年合作，共同推廣「單晶片能力認證」，協助技職院校之師生取得相 關乙丙級證照。 近三年來，「單晶片丙級能力認證」已廣於技職院校內推展；惟「單晶片乙級能 力認證」於 96 年開始進行，因其內容著重軟硬體整合設計與測試、軟體撰寫及系統設 計等，技職學生學習困難不易通過，至今推廣上仍有許多困難。亞東電子系因於單晶片 開發甚早，學生相關學習課程亦完備，故於乙級能力認證之成績兩年來皆為全國第一。 TEMI 因之與亞東電子系進行產學合作，開發單晶片乙級能力認證之數位教材，冀能以 此教材，協助協會推廣單晶片乙級能力認證，而亞東技術學院之師生除可經由參與此計 畫，更熟悉其認證內容，增進技術及數位教材製作之能力外，修課之同學亦可增進學習 之機會，提升認證相關能力。二、 認證內容概述
[2][3] 有關「單晶片乙級能力認證」之內容簡述如下，其來源主要參考「台灣嵌入式暨 單晶片系統發展協會」網站所提供之參考資料。單晶片乙級能力術科認證分二個階段， 第一階段應試者須於三小時內完成下列事項：單晶片系統電路設計、佈局規劃及焊接、 C 語言單晶片系統檢測程式撰寫設計、RS232 焊接與測試；第二階段則為運用上午完成 之單晶片系統板，結合自走車及相關週邊控制程式，整合設計程式完成下列功能：LCM 顯示、鍵盤控制、紅綠隊伍控制、7 段顯示號碼控制、直流馬達控制、光感測器控制、 類比轉數位電壓控制及記憶體讀寫控制等，於量測部分則以邏輯分析儀操作為主。 「單晶片乙級能力認證」術科評量第一階段主要分兩部份，一為控制板電路設計 製作，另一為控制板功能設計測試，其之內容分述如下[3]： （一） 控制板電路設計製作：8051 未焊接之主控板如圖 1 及圖 2，其製作分圓點板 區及己佈線區二部份，圓點板區部份應檢人員須自行設計製作電路，及完成 8051 微處理機之電源電路、重置電路、振盪電路、輸出入埠電路、8 個 LED 電路、8 Pins DIP-SW 電路等之焊接與測試。己佈線區部份則為 16Pins RS232 SOP IC、0603 SMD 等被動元件、蜂嗚器及按鈕開關等零件焊接。（二） 控制板功能設計測試：控制板功能的設計測試，需以 C 語言撰寫輸入輸出控 制程式及中斷控制程式，運用板上之 8Pins DIP-SW 輸入與 8 個 LED 輸出， 測試控制板輸入輸出功能，再使用 PB-SW 按鈕開關啟動中斷，進而運用時鐘 中斷功能完成蜂嗚器發聲之頻率控制。 圖1 8051主控板正面圖 圖2 完成之8051控制板 「單晶片乙級能力認證」第二階段之術科評量，主要分為自走車控制及邏輯分析儀 量測記錄兩部份；在此階段應試者須將控制板結合週邊板（自走車），進行多種週邊功 能測試。自走車週邊板上有4×4 點矩陣鍵盤輸入、LCM輸出及多種輸出入週邊等，鍵盤 定義包括0~9 的數字鍵之外、Mu（”Menu”）鍵、En（”Enter”）鍵等。認證時，系統提
供此自走車之下列控制程式：LED顯示、矩陣鍵盤、直流馬達、光學感測器、串列A/D 轉換、記憶體讀寫及IIC串列資料讀取程式。於此認證階段每位考生須整合完成四種自走 車控制之功能，其中兩題為固定規格之基礎題，另外兩題再由四題進階題中隨機抽出， 此整合程式需燒錄工作於考生自行設計完成之主控板。以下分別就各單元檢測內容敘 述： （一）術科基礎單元之隊別設定功能（Team Set）：系統初始狀態下亮綠燈；當系 Number Set）：系統初始狀態下七段顯示器 OPS）：抽到 OPS 之考生，須在 LCM 主功能 ADC）：抽到 ADC 之考生，須在 LCM 主功 統於主功能 LCM 顯示時，按下數字’1’鍵，即進入隊別設定（Team Set） 功能，且於 LCM 第一行顯示”Team Set”，同時系統進行紅綠燈切換，即熄 滅綠燈改點紅燈。在 Team set 功能中，唯有 Mu 鍵及’1’鍵有功能，其他按 鍵則無作用；此時如按下 Mu 鍵，系統即返回主功能畫面，若按下’1’鍵， 則系統繼續進行紅綠燈切換。 （二）術科基礎單元之號碼設定功能（ 顯示”0”；當系統於主功能 LCM 顯示時，按下數字’2’鍵，即進入號碼設 定（Number Set）功能，且於 LCM 第一行顯示”Number Set”。此時系統等 待按鍵輸入，如輸入範圍為 0 到 9 之數字，則按鍵數字會顯示在七段顯示器 上，如按下 Mu 鍵，則返回主功能選項畫面，如按鍵值超過 10 則無作用。 （三）術科進階單元之直流馬達（DCM）：系統初始狀態下自走車為停止狀態；抽 到 DCM 之 考 生 ， 須 在 LCM 主 功 能 畫 面 第 二 行 顯 示 ”3.DCM” 或 ”4.DCM” ， 當 按 鍵 進 入 DCM 控 制 功 能 時 ， 於 LCM 第 一 行 顯 示”Walking”。系統進入 DCM 功能時，按下數字’1’、’2’、’3’或’4’ 等鍵時，須控制自走車分別為前進、後退、左轉、右轉等功能，且於 LCM 第 二行個別顯示 F、B、L、R 等字元，表示自走車行走方向。除按鍵按 1~4 有 所功能外，如按’Mu’鍵，則馬達停止轉動且系統返回主功能表畫面，按下 其餘按鍵則無作用。 （四）術科進階單元之光學感測器（ 畫面第二行顯示”3.OPS”或”4.OPS”，當按鍵進入 OPS 功能時，於 LCM 第一行顯示”FBLR”。此自走車週邊板下方方共有四個光學感測器，依照前 （F）、後（B）、左（L）、右（R）等四個位置排列，當任一光學感測器被 遮住時，對應位址顯示’1’代表此狀態’，如光學感測器未被遮住，則對應 顯示’0’。所有 FBLR 四個光學感測器之狀況，須隨時顯示於 LCM 第二行。 例如 F 及 B 光學感測器被遮住，而 L 及 R 光學感測器未被遮住，則 LCM 第 一行顯示”FBLR”，第二行則顯示”1100”。於此功能中，如按’Mu’鍵， 系統立即返回主功能表畫面。 （五）術科進階單元之類比數位轉換（ 能畫面第二行顯示”3.ADC”或”4.ADC”，當按鍵進入 ADC 功能時，於 LCM 第一行顯示”CH0 Volt”。乙級自走車週邊板上有一 ADC0832 串列式 IC，應試者須參考術科題本相關電路圖，撰寫程式將 CH0 電壓換算至小數點 第一位，再將此轉換後電壓值顯示在 LCM 第二行上。於此功能中，如按 下’Mu’鍵，系統立即返回主功能表畫面。
之考生，須在 LCM 主功 考生須修改系統所提供之
、 教材重點與規劃
[4][5] 戰， 了對 8051 系統電路非常熟悉，能於短時間內完成電源、 重置 走 車整 制指 二階段基礎單元中，應試者須先進入 LCM 主畫面，再由此選擇 1、2、3 或 4 能畫面第二行顯示”3.MEM”或”4.MEM”，當按鍵進入 MEM 功能時，於 LCM 第一行顯示”Number？”。此自走車上有一串列記憶體 93C46，應試者 須設計一個程式可將 4 位數字之密碼燒錄並儲存到此記憶體。當系統進入 MEM 功能時，系統可藉由按鍵選擇密碼儲存、讀取及返回主功能畫面等三種 次功能。如按鍵輸入範圍為 0 到 9 之數字，則系統進入密碼輸入及儲存功能， 如依序鍵入四個 0 到 9 的數字，此數字必須同時顯示在 LCM 畫面的第二列 上，當連續輸入四個數字後，該組數字即被存入記憶體裡。當按鍵輸入’EN’ 時，系統進入密碼讀取功能，LCM 的第二列顯示先前所儲存之四位密碼。當 按鍵輸入’Mu’時，系統立即返回主功能畫面。 （七）波形量測記錄：依據監評當天設定之記憶體位置， IIC 串列記憶體 HT24LC08 資料讀取程式，經編譯及燒錄下載後，再利用邏輯 分析儀量測週邊板上之 SCL 及 SDA 相關訊號，將量測結果記錄於波形量測 記錄表中。三
基於亞東電子系學生四次認證之經驗，歸納出此認證對於考生最為關鍵的三項挑 一是 8051 主控板之電路設計、佈局規劃及焊接，二為程式設計與撰寫，最後則是 8051 系統軟硬體整合與測試。 在第一項挑戰中，應試者除 、振盪、下載及基本輸出入電路之設計與焊接，且須具備優良的焊接技巧，能妥善 處理 SMD、SOP IC 及 OK 線焊接。於完成系統電路後，考生須自行撰寫一 C 語言程式， 此隨機選到的測試程式須能檢測 8051 輸出入功能、按鍵中斷功能及時間中斷功能。考 生必須先完成此部份之功能，確定 8051 主控板正確工作，於第二階段才能進行。 經研究學生於術科認證未能通過之原因，主要是其製作之 8051 主控板無法與自 合控制，因此第二階段即無分數。此部份除了培養學生之設計與焊接能力外，軟硬 體整合測試亦是重點；但整合偵錯之能力多仰賴經驗之累積，無法一蹴即成，因此製作 此數位教材重點，先是完成各個術科單元之程式設計，進而整理為教材 PowerPoint 檔 案，再針對 8051 主控板設計焊接部份完整錄製為影音檔，提供認證考生學習參考。 於 C 語言之系統檢測程式撰寫部份，教材的重點如下：輸出入程式撰寫、C 語言控 令、副程式設計與呼叫、8051 中斷原理解說、中斷優先權及其設定、中斷程式之設 計，及如何利用時間中斷起讓喇叭發出固定頻率之聲音。此部份雖然程式簡短，但所涵 蓋單晶片設計內容甚多，須讓學生循序漸進，每一小階段都能於教師講解後即實作驗 證，如此重複練習，確認學生能全然了解此測試程式之意涵，並能真正應用於 8051 之 系統測試。 在術科第 之週邊功能選項，此流程控制部份需修改整合 LCM 顯示程式及按鍵控制程式，並 讓學生熟練以組合語言實現流程控制之程式撰寫。Team Set 功能設計部分，教材重點在讓同學了解如何運用旗標之設計，完成紅綠燈切換控制。Number Set 功能設計部分，教 材重點則在於如何讀取陣列資料及程式流程控制。 術科第二階段進階單元共有 4 個不同題目，直流馬達（DCM）控制部分，教材的重 點在
四、 數位教材製作成果
，及對於認證內容之分析，此次數位教材開發計劃執行部 份， 案 與圖 4 erPoint 檔案 檔案 於讓同學了解，如何控制左右兩輪之順逆時鐘轉向，進而控制車子之前進、後退、 左轉或右轉。光學感測器（OPS）控制部分，則須熟悉硬體電路及軟體控制程式，進而 檢測其前後左右光學感測器掃瞄結果，隨時將感測器遮蔽與否狀態顯示於 LCD 上。類 比數位電壓轉換（ADC）部份，學生須先了解自走車週邊板上 ADC0832 串列 IC 之電路 圖，進而應用所附控制程式，完成電壓值轉換程式撰寫，因其精確度須達小數點第一位， 即應試人員必需處理浮點運算之程式。串列記憶體（MEM）之讀寫控制為此認證較為 困難之部份，其單元流程控制部份須含四種檢測：密碼儲存、密碼讀取、返回主功能及 無效按鍵等。而其記憶體寫入，亦即密碼儲存功能，需包涵 0 到 9 之數字範圍檢測、返 回主功能檢測及無效按鍵處理等；因其儲存動作須待 4 個按鍵皆完成才執行，故於程式 設計上須考慮因素較多，學生須於組合語言撰寫、流程控制及控制功能皆很熟捻，才能 順利完成此題之要求。 基於學生多次認證之經驗 分為三大項目，一為術科基礎單元程式設計與教材製作，此部份完成多個程式檔案、 操作影音檔及教材 PowerPoint 檔案，內容含概術科認證 45%。二為術科進階單元程式設 計與教材製作檔案，內容含概術科認證 40%。三則為術科量測單元教材，含邏輯分析儀 之使用練習實作影片檔，內容含概術科認證 15%。此次數位教材製作計劃為第一年執 行，於此有限之時間內，製作團隊將重點先放在認證成敗關鍵部份，即 8051 主控板焊 接之影音檔錄製，此部份前後共製作三次才完成。程式設計及邏輯分析儀之使用部份是 基礎部份，只要觀念正確，學會基本操作即可完成，製作操作影片是讓同學得以反覆學 習至熟練。其餘單元，先完成 PowerPoint 之教材檔案，提供其他教師教學之參考，待未 來有所機會再逐步錄製。以下分別就所完成之各單元數位教材整理如下： （一） 術科基礎單元程式設計與教材製作，含影片檔及 PowerPoint 檔 1. 8051 主控板硬體架構教材 PowerPoint 檔案 2. 8051 主控板焊接之影音檔，完成成品如圖 3 3. C 語言設計之程式檔案 8 個及操作影音檔 4. 主控板硬體架構檢測教材檔案5. Team Set：紅綠燈控制教材 Pow
6. Number Set：7 段顯示器控制教材 PowerPoint （二） 術科進階單元程式設計與教材製作之 PowerPoint 檔案
1. 直流馬達（DCM）前進、後退、左轉及右轉控制 2. 光學感測器（OPS）偵測顯示控制
4. 串列記憶體（MEM）讀寫控制 （三） 術科量測單元：邏輯分析儀之使用練習與測驗，含實作影片檔及教材 PowerPoint 檔案 圖3 焊接完成之8051主控板正面圖 圖4 焊接完成之8051主控板背面圖
五、 成果貢獻
開始於98年初，於是年底完成，共約一年時間，其成果已交由「台 灣嵌 位同學通過 術科 姓名 術科 此教材製作計畫 入式暨單晶片系統發展協會」做課程推廣之用；於此期間，本校修課學生陸續使用， 共計有97學年第3學期及98學年第1學期學生50位，其認證成果分別如下： 97學年第3學期，共27位同學參加北台灣技術學院之乙級專班認證，26 測驗，24位同學通過學科測驗，共24位同學取得乙級證照，如表1。 表 1 98 年 9 月 12 日單晶片乙級能力認證通過名單 學科 術科 姓名 學科 陳建峰 通過 通過 李瑄 通過 通過 黃子寅 通過 通過 林政嘉 通過 通過 陳展 通過 通過 康和真 通過 通過 陳柏帆 通過 通過 余柏葦 通過 通過 楊乃瑾 通過 通過 高瑞霖 通過 通過 謝佳霖 通過 通過 胡志俊 通過 通過 莊銘原 通過 通過 馬柏全 通過 通過 邱品慈 通過 通過 許書銘 通過 通過 陽朝旭 通過 通過 楊小寅 通過 通過 林義庭 通過 通過 洪振哲 通過 通過 鄭明豐 通過 通過 羅得榮 通過 通過 蘇郁盛 通過 通過 楊茲如 通過 通過98 23位同 北台 院之 班認證 同學 通過 表 2 99 年 1 月 20 日單晶片乙級能力認證通過名單 姓名 術科 學年第1學期，本校共 學參加 灣技術學 乙級專 ，22位 術科測驗，22位同學通過學科測驗，共22位同學取得乙級證照，如表2。 學科 術科 姓名 學科 吳毓軒 通過 通過 張世憲 通過 通過 謝承霖 通過 通過 陳柏丞 通過 通過 鄭文彥 通過 通過 賴冠熏 通過 通過 陳佳暉 通過 通過 何育賢 通過 通過 林春嘉 通過 通過 陳昌倫 通過 通過 趙文嘉 通過 通過 林嗣鈞 通過 通過 吳岱芬 通過 通過 蘇亮哲 通過 通過 高駿嘉 通過 通過 吳坤裕 通過 通過 洪明智 通過 通過 林杰民 通過 通過 周奉毅 通過 通過 陳冠宏 通過 通過 鄭楷騰 通過 通過 梁文闊 通過 通過
