基于單片機(jī)和組態(tài)軟件的多路搶答器研究*

周文軍

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西　南寧　530008）

基于單片機(jī)和組態(tài)軟件的多路搶答器研究*

周文軍

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530008）

針對(duì)現(xiàn)有各類搶答器存在搶答不公平等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型的智能搶答器，其采用上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)調(diào)控制模式.一方面，下位機(jī)－單片機(jī)搶答控制器具有高分辨能力，能保證搶答結(jié)果的準(zhǔn)確性；另一方面，上位機(jī)－PC端軟件具有友好的人機(jī)操作界面.詳細(xì)闡述了上位機(jī)和下位機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)原理和制作全過(guò)程，重點(diǎn)分析了對(duì)搶答器的搶答公平性的影響因素，采用了有效的辦法控制搶答誤差，使系統(tǒng)的搶答分辨率提高到0.67 us.

搶答器；組態(tài)軟件；單片機(jī)；Modbus協(xié)議；串口通信

0　引言

搶答器發(fā)展到現(xiàn)在，概括起來(lái)可分為兩大類：一類是由純硬件電路實(shí)現(xiàn)，包含數(shù)字電路、MCU控制電路、PLC控制電路等多種；另一類是由純PC軟件或由PC軟件加硬件電路實(shí)現(xiàn)，包含局域網(wǎng)搶答器、無(wú)線搶答器.由純硬件電路實(shí)現(xiàn)的搶答器具有優(yōu)先搶答和聲音提示等功能，但存在兩點(diǎn)明顯的不足：第一，宣布答題和按下?lián)尨鸢粹o受主持人的主觀因素影響很大，主持人很難做到手口一致，由此易造成搶答違規(guī)或搶答不公平[1，4]；第二，搶答器無(wú)倒計(jì)時(shí)提醒，參賽選手不能超前分辨出何時(shí)搶答，也易導(dǎo)致?lián)尨鸩还絒2].而對(duì)于由純軟件實(shí)現(xiàn)的局域網(wǎng)搶答器，雖然可以避免上述兩個(gè)問(wèn)題，但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)傳輸不一致、電腦配置不一致等引起的搶答不公平問(wèn)題卻很難解決.對(duì)于無(wú)線搶答器也是因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)傳輸不一致問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生搶答不公平現(xiàn)象.

設(shè)計(jì)一種由單片機(jī)電路板作為下位機(jī)完成搶答控制，而用PC端軟件和大屏幕投影作為人機(jī)界面的新型搶答器，可解決目前市場(chǎng)上各類搶答器所存在的不足.

1　搶答器設(shè)計(jì)

1.1搶答器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1.1搶答器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于單片機(jī)和組態(tài)軟件的多路搶答器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：包括單片機(jī)搶答控制器、選手搶答按鍵、PC及組態(tài)軟件、投影儀、音箱、鍵盤(pán)鼠標(biāo)等[3].

1.1.2搶答器數(shù)據(jù)傳輸規(guī)劃

單片機(jī)搶答控制器與組態(tài)軟件間通過(guò)RS232串行通信完成數(shù)據(jù)傳送，它們之間只需要完成2個(gè)數(shù)據(jù)的交換.

第1個(gè)數(shù)據(jù)用以存儲(chǔ)搶答狀態(tài)，占1個(gè)字節(jié)，傳送方向是從組態(tài)軟件至單片機(jī)搶答控制器.當(dāng)該數(shù)據(jù)為“0”，表示處于非搶答時(shí)間，單片機(jī)搶答控制器將已鎖定的搶答數(shù)據(jù)清空，此時(shí)按鍵無(wú)效；當(dāng)該數(shù)據(jù)為“1”，表示處于預(yù)備搶答階段的3秒倒計(jì)時(shí)內(nèi)，單片機(jī)搶答控制器需要對(duì)搶答按鍵進(jìn)行掃描，若此時(shí)有按鍵按下即提示搶答違規(guī)；當(dāng)該數(shù)據(jù)為“2”，表示處于搶答階段，單片機(jī)搶答控制器也需要對(duì)搶答按鍵進(jìn)行掃描，若此時(shí)有按鍵按下則提示搶答成功；當(dāng)該數(shù)據(jù)為“3”，表示處于通信測(cè)試時(shí)間，單片機(jī)搶答控制器將實(shí)時(shí)掃描到的按鍵數(shù)據(jù)傳至PC，不進(jìn)行按鍵鎖存.

第2個(gè)數(shù)據(jù)用以存儲(chǔ)按鍵狀態(tài)，每8個(gè)按鍵占1個(gè)字節(jié)，當(dāng)設(shè)計(jì)為16路搶答器時(shí)占2個(gè)字節(jié)，當(dāng)設(shè)計(jì)為24路搶答器時(shí)則占3個(gè)字節(jié)，該數(shù)據(jù)的傳送方向?yàn)閱纹瑱C(jī)搶答控制器至組態(tài)軟件.

圖1　搶答器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　The responder system structure

1.2單片機(jī)搶答控制器設(shè)計(jì)

1.2.1單片機(jī)搶答控制器設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)搶答器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃，單片機(jī)搶答控制器主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為：第一，選用Modbus免費(fèi)通信協(xié)議，編制單片機(jī)端串口通信程序.第二，實(shí)時(shí)接收組態(tài)軟件發(fā)來(lái)的搶答狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)該狀態(tài)數(shù)據(jù)執(zhí)行前述

1.1.2數(shù)據(jù)傳輸規(guī)劃中相應(yīng)的操作.

1.2.2單片機(jī)搶答控制器硬件電路設(shè)計(jì)

如圖2所示是16路的單片機(jī)搶答控制器電路原理圖.

圖2　單片機(jī)搶答控制器電路原理圖Fig.2　MCU responder controller circuit principle diagram

在不外加芯片擴(kuò)展按鍵的情況下，該電路最多可擴(kuò)展為30路的搶答器，基本上能夠滿足正常場(chǎng)合使用.特殊情況下若需要更多路，可以增加擴(kuò)展按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn).為了使電路能穩(wěn)定工作、降低成本且易制作，該電路采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)，僅保留了電源及指示燈、RS232串口通信、搶答按鍵輸入、單片機(jī)主控四部分.

1.2.3單片機(jī)搶答控制器程序設(shè)計(jì)

1.2.3.1Modbus協(xié)議的程序?qū)崿F(xiàn)

Modbus是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，它是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議.通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信，現(xiàn)已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5].Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，用戶可以免費(fèi)使用，不需要交納許可證費(fèi)，也不會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán).Modbus協(xié)議幀格式簡(jiǎn)單緊湊，通俗易懂，單片機(jī)搶答控制器與組態(tài)軟件可用Modbus協(xié)議通過(guò)串口進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換.

一般的組態(tài)軟件中都集成了標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議，如力控Forcecontrol 6.1等.但目前所有的單片機(jī)均未集成Modbus專用通信模塊.因此，需要根據(jù)Modbus通信協(xié)議編寫(xiě)一個(gè)通信程序模塊，如下為模擬Modbus協(xié)議的主要程序段：

單片機(jī)搶答控制器與組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)交換量較少，只需用到Modbus協(xié)議中24個(gè)功能命令中的其中4個(gè)：“06”預(yù)制（寫(xiě)）單個(gè)寄存器、“01”讀線圈狀態(tài)、“05”強(qiáng)制（寫(xiě)）單個(gè)線圈、“03”讀保持寄存器.Modbus協(xié)議中功能碼“06”的幀格式為：下位機(jī)地址－功能碼－寄存器高8位－寄存器低8位－待寫(xiě)數(shù)據(jù)的高8位－待寫(xiě)數(shù)據(jù)的低8位－CRC校驗(yàn)碼，上述程序段的第一部分即是按照該幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了功能碼“06”的功能.程序段的后三部分與第一部分類似，分別實(shí)現(xiàn)功能碼“01”、“05”、“03”的功能.

1.2.3.2搶答控制的程序?qū)崿F(xiàn)

由前述1.1.2數(shù)據(jù)傳輸規(guī)劃：根據(jù)從組態(tài)軟件接收來(lái)的搶答狀態(tài)數(shù)據(jù)分析得出搶答分為四個(gè)階段.

第一階段：主持人未按預(yù)備搶答按鈕前，屬于通信測(cè)試時(shí)間段，實(shí)時(shí)掃描按鍵并上傳按鍵狀態(tài)數(shù)據(jù).

第二階段：主持人按下預(yù)備搶答按鈕后，共3秒，實(shí)時(shí)掃描按鍵，若有按鍵按下則視為犯規(guī)，鎖定按鍵數(shù)據(jù)并停止掃描，傳送按鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)至組態(tài)軟件，結(jié)束本輪搶答.

第三階段：3秒倒計(jì)時(shí)后，屬于正式搶答時(shí)間段，最長(zhǎng)為20秒，實(shí)時(shí)掃描按鍵，若有按鍵按下則視為搶答成功，同樣鎖定按鍵數(shù)據(jù)并停止掃描，傳送按鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)至組態(tài)軟件，同樣結(jié)束本輪搶答.

第四階段：超過(guò)20秒仍未有人搶答，屬于搶答失效時(shí)間段，清空先前鎖定的按鍵數(shù)據(jù)，結(jié)束本輪搶答.

如圖3所示是單片機(jī)搶答控制器主程序流程圖.在程序開(kāi)始時(shí)需對(duì)串口進(jìn)行初始化并打開(kāi)串口中斷，之后中斷子程序?qū)?shí)時(shí)自動(dòng)接收PC端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)串，并且，只要啟動(dòng)第一個(gè)字符的發(fā)送，中斷子程序也將自動(dòng)發(fā)送完整個(gè)字符串.初始化中斷之后，運(yùn)行一個(gè)無(wú)限循環(huán)程序，一輪搶答完成后即開(kāi)始新一輪搶答控制.即：不斷接收從PC發(fā)送過(guò)來(lái)的搶答狀態(tài)數(shù)據(jù)，在收到一幀完整的數(shù)據(jù)后根據(jù)Modbus協(xié)議傳回相應(yīng)數(shù)據(jù)幀給組態(tài)軟件，并且根據(jù)不同的搶答狀態(tài)進(jìn)行搶答控制.狀態(tài)為“00”、“01”、“02”、“03”說(shuō)明分別處于：通信測(cè)試時(shí)間段、預(yù)備搶答時(shí)間段、正式搶答時(shí)間段、搶答失效時(shí)間段.

圖3　單片機(jī)搶答控制器主程序流程圖Fig.3　MCU responder controller main program flow chart

如下為程序中搶答控制的主要程序段：

1.3搶答器PC端界面及程序設(shè)計(jì)

1.3.1PC端組態(tài)軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)搶答器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃，PC端組態(tài)軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)為：發(fā)送搶答狀態(tài)數(shù)據(jù)至單片機(jī)、接收并處理?yè)尨鸢存I數(shù)據(jù)、搶答計(jì)時(shí)、3秒倒計(jì)時(shí)、自動(dòng)計(jì)分管理、搶答違規(guī)/成功/超時(shí)提示、語(yǔ)音播報(bào)、通信測(cè)試.

1.3.2搶答界面及功能設(shè)計(jì)

如圖4所示是PC智能搶答器界面，該界面采用力控組態(tài)軟件Forcecontrol 6.1編寫(xiě).以8路搶答器為例，在搶答隊(duì)伍較少情況下，可將歡迎界面、計(jì)分管理界面、搶答器主界面、各類提示界面集成，采用單一界面.而“XX隊(duì)搶答成功”、“XX隊(duì)搶答違規(guī)”、“搶答超時(shí)”等搶答時(shí)的提醒則以彈出框的形式出現(xiàn)，如圖5所示.

圖4　PC智能搶答器界面Fig.4　The PC intelligent responder interface

圖5　搶答違規(guī)提醒彈出框Fig.5　The illegal responder pop－up box

在單擊“準(zhǔn)備搶答”按鈕后，開(kāi)始3秒倒計(jì)時(shí).在3秒倒計(jì)時(shí)內(nèi)若有選手按下按鈕，則會(huì)出現(xiàn)圖5的違規(guī)彈出框，同時(shí)違規(guī)隊(duì)伍的燈以紅色閃爍，在燈的右邊有紅色提示字“違規(guī)”，并且在計(jì)分一欄中，會(huì)自動(dòng)選中違規(guī)隊(duì)伍減分.當(dāng)出現(xiàn)綠色的“開(kāi)始”提示時(shí)，選手可以正式搶答，搶答成功的隊(duì)伍同樣有彈出框提示，同時(shí)搶答成功隊(duì)伍的燈以綠色閃爍，在燈的右邊有綠色提示字“搶答成功”，并且在計(jì)分一欄中，會(huì)自動(dòng)選中搶答成功隊(duì)伍，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可手動(dòng)對(duì)該隊(duì)加分.每個(gè)隊(duì)所得累加分能實(shí)時(shí)顯示，也可按“計(jì)分清零”按鈕清零，還可手動(dòng)對(duì)任意一個(gè)隊(duì)減分.搶答耗時(shí)（毫秒）也能實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，以記錄搶答所耗時(shí)間.當(dāng)超出設(shè)定的最長(zhǎng)允許搶答時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)以彈出框“搶答超時(shí)，該題失效”提示.系統(tǒng)具備通信測(cè)試功能，勾選該項(xiàng)后，選手按下按鍵則對(duì)應(yīng)參賽隊(duì)的燈會(huì)亮綠色，這樣可以在搶答開(kāi)始前排除硬件問(wèn)題，以確保搶答時(shí)每一參賽隊(duì)的按鈕都是可用的.

1.3.3組態(tài)軟件程序設(shè)計(jì)

構(gòu)建圖4的界面后，還需要構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，定義用標(biāo)準(zhǔn)“Modbus”通信的單片機(jī)設(shè)備，并進(jìn)行數(shù)據(jù)連接.系統(tǒng)共用到了2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)變量：“Key＿Data”和“Status”，分別存儲(chǔ)按鍵數(shù)據(jù)和搶答狀態(tài)數(shù)據(jù).其余的變量均設(shè)為中間變量，包括每一隊(duì)的得分變量、LED燈亮與滅控制變量、LED是否閃爍控制變量、得分是否閃爍控制變量、違規(guī)搶答標(biāo)志、成功搶答標(biāo)志等.然后，對(duì)這些中間變量與LED的顏色、LED亮與滅、得分顯示、得分閃爍、倒計(jì)時(shí)提醒字、各個(gè)按鈕等進(jìn)行數(shù)據(jù)連接及編寫(xiě)簡(jiǎn)單動(dòng)作腳本.

設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)連接及動(dòng)作腳本后，組態(tài)軟件還要與單片機(jī)搶答控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，以及控制搶答器整體運(yùn)行，這需要用到一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的主程序腳本，其流程圖如圖6所示：先根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間變量“＃RunTime”的值分析得出搶答狀態(tài)標(biāo)識(shí)，并將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至單片機(jī)搶答控制器，然后根據(jù)不同的搶答狀態(tài)“0”、“1”、“2”、“3”分情況處理單片機(jī)搶答控制器發(fā)來(lái)的按鍵數(shù)據(jù).搶答完成后若有計(jì)分變化則進(jìn)行計(jì)分管理，然后開(kāi)始新一輪循環(huán).

圖6　組態(tài)軟件的主循環(huán)程序流程圖Fig.6　The flow chart of the main program of configuration software

2　搶答公平性分析

對(duì)于傳統(tǒng)的靠主持人用嘴說(shuō)開(kāi)始或語(yǔ)音播報(bào)，搶答誤差依個(gè)人情況不同最多可達(dá)0.8秒.而對(duì)于采用倒計(jì)時(shí)方式的搶答器來(lái)說(shuō)，誤差來(lái)源于兩方面：PC端組態(tài)軟件和單片機(jī)搶答控制器.

第一方面：PC端組態(tài)軟件，采用的是串口通信.計(jì)算機(jī)軟件和硬件對(duì)串口的延遲都具有一定的影響，當(dāng)輸入脈沖頻率20Hz以內(nèi)，串口延遲基本在2ms以內(nèi)，延遲量隨外部輸入脈沖頻率的提高而增大[6].由此可以看出，串口傳輸延遲對(duì)于系統(tǒng)的搶答公平性可能造成一定的影響，而目前市場(chǎng)上出售的PC多媒體搶答器少有考慮該因素.但在該系統(tǒng)中，PC端組態(tài)軟件只負(fù)責(zé)發(fā)送搶答開(kāi)始指令，而不參與搶答分辨，加之有3000毫秒倒計(jì)時(shí)，所以串口傳輸延遲可歸并于倒計(jì)時(shí)中去，對(duì)于該系統(tǒng)無(wú)任何影響.

第二方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)搶答控制器，假如要區(qū)分接在P2口上的8個(gè)按鈕的按鍵先后順序，只需要1個(gè)C語(yǔ)言指令便能區(qū)分出按鍵數(shù)據(jù)：

上面指令的意思是：若有按鍵按下，“if”條件則成立，就將按鍵數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)組成員變量Reg＿03＿06＿buf[]里面.若此時(shí)停止掃描，則將鎖定按鍵數(shù)據(jù).相反，若無(wú)按鍵按下，則“if”條件不成立，重新掃描按鍵.

上面語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的匯編：

從上面可以看出：若無(wú)按鍵按下，則運(yùn)行前3個(gè)匯編指令，共4個(gè)指令周期；若有按鍵按下則運(yùn)行全部6個(gè)指令，共7個(gè)指令周期.

當(dāng)采用12M晶振時(shí)，上述指令無(wú)按鍵按下時(shí)耗時(shí)8us，也就是該搶答器的分辨率為8us，只要兩個(gè)選手的按鍵時(shí)間相差大于8us，就可區(qū)分出按鍵順序，若相差小于等于8us則判為同時(shí)按下.

若采用24M的晶振，則其分辨率提高2倍，可達(dá)4us.若采用STC單時(shí)鐘周期指令的單片機(jī)，則分辨率可提高12倍，可達(dá)0.67us.

從上述分析可知：該系統(tǒng)的上位機(jī)引起的搶答誤差為0；采用STC單時(shí)鐘周期指令的單片機(jī)，且晶振為12M時(shí)，下位機(jī)引起的誤差為0.67us.因此該系統(tǒng)的分辨率最高可達(dá)0.67us.

3　結(jié)語(yǔ)

基于單片機(jī)和組態(tài)軟件設(shè)計(jì)出來(lái)的多路智能搶答器采用上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)調(diào)控制模式：下位機(jī)的實(shí)時(shí)控制保證了搶答的公平性、準(zhǔn)確性；而上位機(jī)又使搶答器具有非常友好的人機(jī)界面.經(jīng)過(guò)多所高校的學(xué)生社團(tuán)實(shí)際使用，其使用效果證明該搶答器系統(tǒng)效果良好.該多路智能搶答器具有可靠性高、成本低廉、使用方便、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).最大限度地解決了現(xiàn)有其他各類搶答器所存在的搶答不公平、人機(jī)界面不友好兩大問(wèn)題，具有很高的推廣價(jià)值.

[1]薛頂柱，張洪陽(yáng).一種新型無(wú)線智能搶答器的研究和設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（10）：38－42.

[2]王冬梅，張建秋.基于單片機(jī)的八路搶答器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27（3）：350－352.

[3]李志強(qiáng)，譚岳衡，李忠偉，等.新型多媒體語(yǔ)音協(xié)調(diào)搶答器設(shè)計(jì)[J].衡陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（6）：44－47.

[4]沈曉波，王留留，廖曉緯，等.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線智能搶答器設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，32：31－34.

[5]百度百科.Modbus通訊協(xié)議[EB/OL].2014[2014－12－21].http://baike.baidu.com/link？url＝7512AzumYt0afuYGSzGI17p6 xjPdh7zZGZAzpmfd7BaWpzQCW7WbWvxNTFW＿byaf-pClm2hdh VKiZDr7YzZ2a＿.

[6]何峰，鄭勇，駱亞波，等.計(jì)算機(jī)串口記時(shí)延遲的測(cè)量與分析[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，34（3）：41－43.

[責(zé)任編輯 蘇 琴]

[責(zé)任校對(duì) 黃招揚(yáng)]

Research of a Multiplex Responder Based on SCM and PC Configuration Software

ZHOU Wen-jun
（Nanning College for Vocational Technology，Nanning530008，China）

In order to solve the problem that the answer of the responder is not fair in various responders，we can design a new type of intelligent responder.Upper and lower machine use coordination control mode.On one hand，the MCU controller of responder has high resolution to give very accurate results.On the other hand，there is a friendly man-machine interface of responder by PC configuration software.The hardware and software design principle of the upper and lower machine and the whole process of production are describes in detail in this paper，focus on the analysis of the factors affecting the unfairness responder，using the effective way to control the deviation of responder，and make the system precision improved to 0.67 us.

Responder；Configuration software；Single chip microcomputer；Modbus-protocol；Serial communication

TP368.12

A

1673－8462（2015）01－0077－06

2014-09-11.

2013年度廣西高等教育教學(xué)改革工程重點(diǎn)項(xiàng)（2013JGZ181）.

周文軍（1981-），男，湖南衡陽(yáng)人，碩士，南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)講師，研究方向：智能化焊接、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用.