基于單片機的經濟學實驗仿真無線終端的研究與設計

劉恒洋，施予人，劉 貞

（1.重慶理工大學 計算機科學與工程學院，重慶 400054；2.重慶理工大學 工商管理學院，重慶 400054；3.清華大學 能源環境經濟研究所，北京 100084）

0 引言

實驗經濟學課程體系中的實驗的教學方式一直是傳統教學中的一個難點。最近剛剛興起的一種實驗方式就是基于PC機上的應用軟件或通過網站來實現[1,4]。這種基于PC機或網站的方式，在進行多人實驗時，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，使得數字化教學僅僅停留在一些特定的場合與特定的人群，難以達到常態化與普及化。

本文利用單片機研究并設計出一個經濟學實驗仿真無線終端，通過該終端實驗參與者可以直接融入實驗環境，從而獲取更真實的實驗數據?；趩纹瑱C設計的終端設備具有小巧、使用方便和節約能源等特點，而在此基礎上引入無線技術，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 實驗經濟學仿真模型的總體框架

本經濟學實驗仿真無線終端的總體目標是實現按照事先約定的方式（協議）進行通信，同時利用頻分復用技術和時分復用技術[2]排除信號之間的干擾，以達到大數據量的無障礙無線空中傳輸的目的。本系統涉及到以下相關工作。

1）根據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）根據終端顯示內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）根據本系統無線傳輸的特點選擇一款合適的無線數據收發模塊，作為本無線終端的通訊載體；

4）設計無線終端各個部件協同工作的電路原理圖；

圖1 無線終端總體結構圖

5）設計本無線終端的軟件流程圖。

本無線終端的總體結構圖如圖1所示。

2 基于單片機的無線終端的設計

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。單片機內部集成有MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換(250 K/S)，除此之外，單片機上還集成有1280字節RAM，I/O口驅動能力均可達到20mA，無需通過專用的編程器和仿真器數，秒內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、阿拉伯數字及標點符號等信息。與市面上的無線表決器和評分表決器等無線設備相比，實驗仿真無線終端設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頻技術、27MHz無線射頻技術、紅外線技術和2.4G技術等，它們的特點如下。

1）紅外線技術：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。目前應用的設備包括空調遙控板、電視遙控板等遙控設備；

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

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

4）433MHZ：433MHz的顯著優勢是無線信號的穿透性強、傳播距離遠。同時433MHZ在我國是免許可證使用的。目前應用的設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的傳輸距離和穿透能力，同時考慮設備的成本不能太高。無線仿真終端采用433MHz的通信技術作為無線通信的載體，無線通信模塊的型號為XD-RF4-13-S，該模塊的主要技術指標和引腳定義如表3所示。

表3 XD-RF4-13-S 無線通信模塊引腳定義

2.2 硬件設計

根據上面的硬件選型，可以總結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，減少后期維護的工作量。整個硬件的連接電路圖如圖2所示。

2.3 軟件設計

2.3.1 通信協議設計[5]

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

圖2 仿真終端硬件連接電路圖

表4 協議幀格式

說明：

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

2）0xff為幀開始標記,在接收到的數據中，其他任何一個字節都不能為0xff。

3）有效數據和說明數據的長度是變化的，但是它們的長度分別可以通過第7個字節和第8個字節來確定。

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

5）數據包類型分為廣播包和非廣播包，當接收端ID為0XFFFF時表示該數據包為廣播包；當接收端ID為其他數據時表示該數據包只針對該無線終端有效。

2.3.2 軟件系統仿真流程設計[6]

無線仿真終端是一種被動服務，即只有在服務端發出指令后，終端才會根據協議做出相應的響應，同時只有注冊成功的終端才能與服務器正常通信，并完成后續的操作。無線仿真終端和服務器之間的通信必須遵循如下規則。

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

2）服務端可以有選擇性的給某一個仿真終端發送私有信息，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端發送過來的本次仿真結束的指令）后，才能進行另下一輪仿真；

5）如果無線仿真終端的用戶一直不輸入數據，服務端將按棄權處理，該無線仿真終端將退出本輪仿真，服務器不再接收其數據。

2.3.3 無線仿真終端產品展示

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

圖3 無線仿真終端實物圖

3 結論

文本研究與設計了一個基于無線技術的實驗經濟學仿真終端設備。介紹了該無線仿真設備的主要組成結構，分析了在設計該無線仿真設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；同時設計出了無線仿真終端的硬件電路圖和軟件流程圖。并經過實物測試，能夠達到仿真經濟學實驗過程的功能，大大提升了經濟學實驗教學中的效率，改進了實驗效果。

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