劉恒洋，施予人，劉 貞

（1.重慶理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶理工大學(xué) 工商管理學(xué)院，重慶 400054；3.清華大學(xué) 能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100084）

0 引言

實驗經(jīng)濟(jì)學(xué)課程體系中的實驗的教學(xué)方式一直是傳統(tǒng)教學(xué)中的一個難點。最近剛剛興起的一種實驗方式就是基于PC機上的應(yīng)用軟件或通過網(wǎng)站來實現(xiàn)[1,4]。這種基于PC機或網(wǎng)站的方式，在進(jìn)行多人實驗時，往往需要開啟多臺PC，這樣不僅耗能大、費用高，而且移動性能差，使用不方便。另外軟件操作的不便利，使得數(shù)字化教學(xué)僅僅停留在一些特定的場合與特定的人群，難以達(dá)到常態(tài)化與普及化。

本文利用單片機研究并設(shè)計出一個經(jīng)濟(jì)學(xué)實驗仿真無線終端，通過該終端實驗參與者可以直接融入實驗環(huán)境，從而獲取更真實的實驗數(shù)據(jù)?；趩纹瑱C設(shè)計的終端設(shè)備具有小巧、使用方便和節(jié)約能源等特點，而在此基礎(chǔ)上引入無線技術(shù)，更是使得實驗可以不受實驗場地的限制，在普通的教室就可以開展實驗。

1 實驗經(jīng)濟(jì)學(xué)仿真模型的總體框架

本經(jīng)濟(jì)學(xué)實驗仿真無線終端的總體目標(biāo)是實現(xiàn)按照事先約定的方式（協(xié)議）進(jìn)行通信，同時利用頻分復(fù)用技術(shù)和時分復(fù)用技術(shù)[2]排除信號之間的干擾，以達(dá)到大數(shù)據(jù)量的無障礙無線空中傳輸?shù)哪康?。本系統(tǒng)涉及到以下相關(guān)工作。

1）根據(jù)不同的單片機工作特點選擇一款合適的單片機作為本終端的中央處理器；

2）根據(jù)終端顯示內(nèi)容的要求選擇一款合適的液晶顯示屏作為本無線終端的顯示器；

3）根據(jù)本系統(tǒng)無線傳輸?shù)奶攸c選擇一款合適的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，作為本無線終端的通訊載體；

4）設(shè)計無線終端各個部件協(xié)同工作的電路原理圖；

圖1 無線終端總體結(jié)構(gòu)圖

5）設(shè)計本無線終端的軟件流程圖。

本無線終端的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 基于單片機的無線終端的設(shè)計

2.1 硬件選型

2.1.1 單片機的選擇

單片機STCl2C5A60S2是一款單時鐘/機器周期(IT)的單片機，這是一種高速、低功耗和超強抗干擾的新一代805l單片機，它的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度比8051快8～12倍。工作電壓為5.5～3.3 V，工作頻率范圍為0～35 MHz。單片機內(nèi)部集成有MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250 K/S)，除此之外，單片機上還集成有1280字節(jié)RAM，I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，無需通過專用的編程器和仿真器數(shù)，秒內(nèi)即可通過串口下載用戶程序，由于其帶有通用全雙工異步串行口(UART)兩個，因此可以用于高速無線通信傳輸。單片機STCl2C5A60S2各個引腳的定義如表1所示。

表1 單片機STCl2C5A60S2的引腳定義

2.1.2 液晶顯示器的選擇

由于應(yīng)用的場合的多樣性和需要顯示信息的不確定性，這就要求顯示屏能夠識別和顯示一定量可變化的漢字和英文、阿拉伯?dāng)?shù)字及標(biāo)點符號等信息。與市面上的無線表決器和評分表決器等無線設(shè)備相比，實驗仿真無線終端設(shè)備需要接收和顯示的信息都要大，但是無線終端沒有必要顯示彩色，因此液晶顯示器的選擇首要考慮的是顯示信息容量的問題，而一般的高分辨率的液晶屏價格較高。綜合以上因素，選擇使用128×64的液晶點陣顯示屏，且該液晶屏自帶中文GB2312字體庫，不必自建字體庫，使用方便。該液晶顯示屏的引腳定義如表2所示。

表212864 液晶顯示屏的引腳定義

2.1.3 無線通信模塊的選擇[3,8]

目前主要的無線通信方式有調(diào)頻技術(shù)、27MHz無線射頻技術(shù)、紅外線技術(shù)和2.4G技術(shù)等，它們的特點如下。

1）紅外線技術(shù)：有效接收距離短，且無法支持多方位傳輸；電力消耗大，抗干擾能力差。目前應(yīng)用的設(shè)備包括空調(diào)遙控板、電視遙控板等遙控設(shè)備；

2）27MHz射頻技術(shù)：接收距離短，傳輸速率較低，抗干擾能力一般，只能進(jìn)行單向信號傳遞，且容易出現(xiàn)信號中斷和無線頻段互相干擾的現(xiàn)象。目前應(yīng)用的設(shè)備包括無線鼠標(biāo)和無線鍵盤等；

3）2.4GHz技術(shù)：使用全雙工通信，傳輸速度很快，且在同類產(chǎn)品中不容易互相干擾。但在微處理器和協(xié)議使用許可方面的要求比較高，使得產(chǎn)品價格很高。藍(lán)牙通信技術(shù)就是使用的2.4GHz的頻段，并在此基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)。目前基于2.4GHz技術(shù)的設(shè)備包括無線路由器、無線鍵盤、無線鼠標(biāo)、無線收發(fā)模塊等；

4）433MHZ：433MHz的顯著優(yōu)勢是無線信號的穿透性強、傳播距離遠(yuǎn)。同時433MHZ在我國是免許可證使用的。目前應(yīng)用的設(shè)備主要包括無線對講機和無線報價器等。

由于無線仿真終端使用環(huán)境的不確定性，如可能在教室或者會議廳甚至空曠的廣場和室外使用。這就要求該實驗仿真終端必須具有相對較遠(yuǎn)的傳輸距離和穿透能力，同時考慮設(shè)備的成本不能太高。無線仿真終端采用433MHz的通信技術(shù)作為無線通信的載體，無線通信模塊的型號為XD-RF4-13-S，該模塊的主要技術(shù)指標(biāo)和引腳定義如表3所示。

表3 XD-RF4-13-S 無線通信模塊引腳定義

2.2 硬件設(shè)計

根據(jù)上面的硬件選型，可以總結(jié)出本無線仿真終端共包括以下模塊：供電模塊、按鍵模塊、無線發(fā)送模塊、顯示模塊和下載模塊。其中按鍵模塊是為了給仿真終端提供定制的按鍵輸入；下載模塊是為了后期的維護(hù)方便，使得仿真終端可以直接從PC機上下載定制好的軟件程序，減少后期維護(hù)的工作量。整個硬件的連接電路圖如圖2所示。

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 通信協(xié)議設(shè)計[5]

通信協(xié)議是指為使通信雙方能相互理解而制定的通信規(guī)則。由于無線收發(fā)模塊的特性, 通信可能在發(fā)射端與接收端之間受到外界的干擾而使數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤, 因此需要定制協(xié)議來保證接收端能正確接收到來自發(fā)射端的數(shù)據(jù), 并確定所接收數(shù)據(jù)是否為實際數(shù)據(jù)。通信協(xié)議以數(shù)據(jù)幀格式的方式來定義，每一個字節(jié)的含義如表4所示。

圖2 仿真終端硬件連接電路圖

表4 協(xié)議幀格式

說明：

1）ID號劃分：用兩個字節(jié)表示，服務(wù)器端固定為0x0000，每個無線仿真終端的ID范圍為0x0001～0xfde8(65000-252 個 )。

2）0xff為幀開始標(biāo)記,在接收到的數(shù)據(jù)中，其他任何一個字節(jié)都不能為0xff。

3）有效數(shù)據(jù)和說明數(shù)據(jù)的長度是變化的，但是它們的長度分別可以通過第7個字節(jié)和第8個字節(jié)來確定。

4）信息流中的漢字信息用GB2312漢字編碼表示，英文字母及數(shù)字則用ASCLL碼表示。

5）數(shù)據(jù)包類型分為廣播包和非廣播包，當(dāng)接收端ID為0XFFFF時表示該數(shù)據(jù)包為廣播包；當(dāng)接收端ID為其他數(shù)據(jù)時表示該數(shù)據(jù)包只針對該無線終端有效。

2.3.2 軟件系統(tǒng)仿真流程設(shè)計[6]

無線仿真終端是一種被動服務(wù)，即只有在服務(wù)端發(fā)出指令后，終端才會根據(jù)協(xié)議做出相應(yīng)的響應(yīng)，同時只有注冊成功的終端才能與服務(wù)器正常通信，并完成后續(xù)的操作。無線仿真終端和服務(wù)器之間的通信必須遵循如下規(guī)則。

1）每個終端機都擁有唯一的ID，無線仿真終端根據(jù)服務(wù)端發(fā)送過來的廣播包進(jìn)行登錄，同時告知服務(wù)端自己的ID；

2）服務(wù)端可以有選擇性的給某一個仿真終端發(fā)送私有信息，此時其他的終端無法識別這些信息；

3）只有得到允許輸入指令時，無線仿真終端用戶才能通過鍵盤輸入信息；

4）只有在完成一次仿真實驗（即無線仿真終端接收到了服務(wù)端發(fā)送過來的本次仿真結(jié)束的指令）后，才能進(jìn)行另下一輪仿真；

5）如果無線仿真終端的用戶一直不輸入數(shù)據(jù)，服務(wù)端將按棄權(quán)處理，該無線仿真終端將退出本輪仿真，服務(wù)器不再接收其數(shù)據(jù)。

2.3.3 無線仿真終端產(chǎn)品展示

在經(jīng)過了上述的硬件選型、硬件電路圖設(shè)計和軟件設(shè)計后，就進(jìn)入了印刷PCB電路板階段[7]，在將需要的電子元器件和工具準(zhǔn)備好之后，最后就可以將元器件按照設(shè)計方案安裝焊接成產(chǎn)品了。本文描述的無線仿真終端最后的產(chǎn)品圖如圖3所示。

圖3 無線仿真終端實物圖

3 結(jié)論

文本研究與設(shè)計了一個基于無線技術(shù)的實驗經(jīng)濟(jì)學(xué)仿真終端設(shè)備。介紹了該無線仿真設(shè)備的主要組成結(jié)構(gòu)，分析了在設(shè)計該無線仿真設(shè)備過程中的單片機選擇、液晶顯示器的選擇和無線通信模塊的選擇；同時設(shè)計出了無線仿真終端的硬件電路圖和軟件流程圖。并經(jīng)過實物測試，能夠達(dá)到仿真經(jīng)濟(jì)學(xué)實驗過程的功能，大大提升了經(jīng)濟(jì)學(xué)實驗教學(xué)中的效率，改進(jìn)了實驗效果。

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