基于單片機(jī)的經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真無線終端的研究與設(shè)計(jì)

劉恒洋，施予人，劉 貞

（1.重慶理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)課程體系中的實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式一直是傳統(tǒng)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。最近剛剛興起的一種實(shí)驗(yàn)方式就是基于PC機(jī)上的應(yīng)用軟件或通過網(wǎng)站來實(shí)現(xiàn)[1,4]。這種基于PC機(jī)或網(wǎng)站的方式，在進(jìn)行多人實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往需要開啟多臺(tái)PC，這樣不僅耗能大、費(fèi)用高，而且移動(dòng)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(jī)研究并設(shè)計(jì)出一個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真無線終端，通過該終端實(shí)驗(yàn)參與者可以直接融入實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而獲取更真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的終端設(shè)備具有小巧、使用方便和節(jié)約能源等特點(diǎn)，而在此基礎(chǔ)上引入無線技術(shù)，更是使得實(shí)驗(yàn)可以不受實(shí)驗(yàn)場地的限制，在普通的教室就可以開展實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)仿真模型的總體框架

本經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真無線終端的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)按照事先約定的方式（協(xié)議）進(jìn)行通信，同時(shí)利用頻分復(fù)用技術(shù)和時(shí)分復(fù)用技術(shù)[2]排除信號(hào)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(jī)工作特點(diǎn)選擇一款合適的單片機(jī)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(diǎn)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(jì)無線終端各個(gè)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(jì)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(jī)的無線終端的設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

2.1.1 單片機(jī)的選擇

單片機(jī)STCl2C5A60S2是一款單時(shí)鐘/機(jī)器周期(IT)的單片機(jī)，這是一種高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾的新一代805l單片機(jī)，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(jī)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(jī)上還集成有1280字節(jié)RAM，I/O口驅(qū)動(dòng)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(gè)，因此可以用于高速無線通信傳輸。單片機(jī)STCl2C5A60S2各個(gè)引腳的定義如表1所示。

表1 單片機(jī)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(shí)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(diǎn)符號(hào)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(shí)驗(yàn)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(jià)格較高。綜合以上因素，選擇使用128×64的液晶點(diǎn)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(diǎn)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(hào)傳遞，且容易出現(xiàn)信號(hào)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(jià)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(hào)的穿透性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)。同時(shí)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(jī)和無線報(bào)價(jià)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(huì)議廳甚至空曠的廣場和室外使用。這就要求該實(shí)驗(yàn)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(shí)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(hào)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(jì)

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(jī)上下載定制好的軟件程序，減少后期維護(hù)的工作量。整個(gè)硬件的連接電路圖如圖2所示。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)[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(cuò)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(shí)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(gè)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(hào)劃分：用兩個(gè)字節(jié)表示，服務(wù)器端固定為0x0000，每個(gè)無線仿真終端的ID范圍為0x0001～0xfde8(65000-252 個(gè) )。

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(gè)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(gè)字節(jié)和第8個(gè)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(shí)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(shí)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(jì)[6]

無線仿真終端是一種被動(dòng)服務(wù)，即只有在服務(wù)端發(fā)出指令后，終端才會(huì)根據(jù)協(xié)議做出相應(yīng)的響應(yīng)，同時(shí)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(gè)終端機(jī)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(shí)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(gè)仿真終端發(fā)送私有信息，此時(shí)其他的終端無法識(shí)別這些信息；

3）只有得到允許輸入指令時(shí)，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(shí)驗(yàn)（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(jì)和軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)物圖

3 結(jié)論

文本研究與設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無線技術(shù)的實(shí)驗(yàn)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(jì)該無線仿真設(shè)備過程中的單片機(jī)選擇、液晶顯示器的選擇和無線通信模塊的選擇；同時(shí)設(shè)計(jì)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(shí)物測試，能夠達(dá)到仿真經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的功能，大大提升了經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的效率，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)效果。

[1] 饒育蕾, 何清泉.基于公平的博弈學(xué)習(xí)模型及其實(shí)驗(yàn)研究[J].系統(tǒng)工程, 2010(28)5.

[2] 楊童.基于遺傳算法的SOFDM信道資源動(dòng)態(tài)分配策略[J].中國空間科學(xué)技術(shù), 2010, 8(4).

[3] 余勇生.淺談當(dāng)前無線熱點(diǎn)技術(shù)和無線通信發(fā)展趨勢[J].中國水運(yùn), 2010, 10(10).

[4] 姚濤, 劉倩倩.實(shí)驗(yàn)教學(xué)法在“經(jīng)濟(jì)博弈論”中的應(yīng)用研究[J].經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊, 2010(96).

[5] 張繼焰, 紀(jì)金水.基于nRF401的無線表決器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件, 2008, 31(3).

[6] 孫燕蓮, 韓巍, 文福安.構(gòu)建仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2005, 22(7): 68－71

[7] 王成耀, 等.80x86匯編語言程序設(shè)計(jì)[M].人民郵電出版社, 2002.

[8] 蔡型, 張思全.短距離無線通信技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2004, 10(03A): 163-166.

[9] 孫超.實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)關(guān)注人類行為[J].中國經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào),2002-10-21

[10] 張耀輝.實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)教程[M].經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社, 2006.