基于单片机的经济学实验仿真无线终端的研究与设计

刘恒洋，施予人，刘 贞

（1.重庆理工大学 计算机科学与工程学院，重庆 400054；2.重庆理工大学 工商管理学院，重庆 400054；3.清华大学 能源环境经济研究所，北京 100084）

0 引言

实验经济学课程体系中的实验的教学方式一直是传统教学中的一个难点。最近刚刚兴起的一种实验方式就是基于PC机上的应用软件或通过网站来实现[1,4]。这种基于PC机或网站的方式，在进行多人实验时，往往需要开启多台PC，这样不仅耗能大、费用高，而且移动性能差，使用不方便。另外软件操作的不便利，使得数字化教学仅仅停留在一些特定的场合与特定的人群，难以达到常态化与普及化。

本文利用单片机研究并设计出一个经济学实验仿真无线终端，通过该终端实验参与者可以直接融入实验环境，从而获取更真实的实验数据。基于单片机设计的终端设备具有小巧、使用方便和节约能源等特点，而在此基础上引入无线技术，更是使得实验可以不受实验场地的限制，在普通的教室就可以开展实验。

1 实验经济学仿真模型的总体框架

本经济学实验仿真无线终端的总体目标是实现按照事先约定的方式（协议）进行通信，同时利用频分复用技术和时分复用技术[2]排除信号之间的干扰，以达到大数据量的无障碍无线空中传输的目的。本系统涉及到以下相关工作。

1）根据不同的单片机工作特点选择一款合适的单片机作为本终端的中央处理器；

2）根据终端显示内容的要求选择一款合适的液晶显示屏作为本无线终端的显示器；

3）根据本系统无线传输的特点选择一款合适的无线数据收发模块，作为本无线终端的通讯载体；

4）设计无线终端各个部件协同工作的电路原理图；

图1 无线终端总体结构图

5）设计本无线终端的软件流程图。

本无线终端的总体结构图如图1所示。

2 基于单片机的无线终端的设计

2.1 硬件选型

2.1.1 单片机的选择

单片机STCl2C5A60S2是一款单时钟/机器周期(IT)的单片机，这是一种高速、低功耗和超强抗干扰的新一代805l单片机，它的指令代码完全兼容传统8051，但速度比8051快8～12倍。工作电压为5.5～3.3 V，工作频率范围为0～35 MHz。单片机内部集成有MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250 K/S)，除此之外，单片机上还集成有1280字节RAM，I/O口驱动能力均可达到20mA，无需通过专用的编程器和仿真器数，秒内即可通过串口下载用户程序，由于其带有通用全双工异步串行口(UART)两个，因此可以用于高速无线通信传输。单片机STCl2C5A60S2各个引脚的定义如表1所示。

表1 单片机STCl2C5A60S2的引脚定义

2.1.2 液晶显示器的选择

由于应用的场合的多样性和需要显示信息的不确定性，这就要求显示屏能够识别和显示一定量可变化的汉字和英文、阿拉伯数字及标点符号等信息。与市面上的无线表决器和评分表决器等无线设备相比，实验仿真无线终端设备需要接收和显示的信息都要大，但是无线终端没有必要显示彩色，因此液晶显示器的选择首要考虑的是显示信息容量的问题，而一般的高分辨率的液晶屏价格较高。综合以上因素，选择使用128×64的液晶点阵显示屏，且该液晶屏自带中文GB2312字体库，不必自建字体库，使用方便。该液晶显示屏的引脚定义如表2所示。

表212864 液晶显示屏的引脚定义

2.1.3 无线通信模块的选择[3,8]

目前主要的无线通信方式有调频技术、27MHz无线射频技术、红外线技术和2.4G技术等，它们的特点如下。

1）红外线技术：有效接收距离短，且无法支持多方位传输；电力消耗大，抗干扰能力差。目前应用的设备包括空调遥控板、电视遥控板等遥控设备；

2）27MHz射频技术：接收距离短，传输速率较低，抗干扰能力一般，只能进行单向信号传递，且容易出现信号中断和无线频段互相干扰的现象。目前应用的设备包括无线鼠标和无线键盘等；

3）2.4GHz技术：使用全双工通信，传输速度很快，且在同类产品中不容易互相干扰。但在微处理器和协议使用许可方面的要求比较高，使得产品价格很高。蓝牙通信技术就是使用的2.4GHz的频段，并在此基础上增加了自适应调频技术。目前基于2.4GHz技术的设备包括无线路由器、无线键盘、无线鼠标、无线收发模块等；

4）433MHZ：433MHz的显著优势是无线信号的穿透性强、传播距离远。同时433MHZ在我国是免许可证使用的。目前应用的设备主要包括无线对讲机和无线报价器等。

由于无线仿真终端使用环境的不确定性，如可能在教室或者会议厅甚至空旷的广场和室外使用。这就要求该实验仿真终端必须具有相对较远的传输距离和穿透能力，同时考虑设备的成本不能太高。无线仿真终端采用433MHz的通信技术作为无线通信的载体，无线通信模块的型号为XD-RF4-13-S，该模块的主要技术指标和引脚定义如表3所示。

表3 XD-RF4-13-S 无线通信模块引脚定义

2.2 硬件设计

根据上面的硬件选型，可以总结出本无线仿真终端共包括以下模块：供电模块、按键模块、无线发送模块、显示模块和下载模块。其中按键模块是为了给仿真终端提供定制的按键输入；下载模块是为了后期的维护方便，使得仿真终端可以直接从PC机上下载定制好的软件程序，减少后期维护的工作量。整个硬件的连接电路图如图2所示。

2.3 软件设计

2.3.1 通信协议设计[5]

通信协议是指为使通信双方能相互理解而制定的通信规则。由于无线收发模块的特性, 通信可能在发射端与接收端之间受到外界的干扰而使数据发生错误, 因此需要定制协议来保证接收端能正确接收到来自发射端的数据, 并确定所接收数据是否为实际数据。通信协议以数据帧格式的方式来定义，每一个字节的含义如表4所示。

图2 仿真终端硬件连接电路图

表4 协议帧格式

说明：

1）ID号划分：用两个字节表示，服务器端固定为0x0000，每个无线仿真终端的ID范围为0x0001～0xfde8(65000-252 个 )。

2）0xff为帧开始标记,在接收到的数据中，其他任何一个字节都不能为0xff。

3）有效数据和说明数据的长度是变化的，但是它们的长度分别可以通过第7个字节和第8个字节来确定。

4）信息流中的汉字信息用GB2312汉字编码表示，英文字母及数字则用ASCLL码表示。

5）数据包类型分为广播包和非广播包，当接收端ID为0XFFFF时表示该数据包为广播包；当接收端ID为其他数据时表示该数据包只针对该无线终端有效。

2.3.2 软件系统仿真流程设计[6]

无线仿真终端是一种被动服务，即只有在服务端发出指令后，终端才会根据协议做出相应的响应，同时只有注册成功的终端才能与服务器正常通信，并完成后续的操作。无线仿真终端和服务器之间的通信必须遵循如下规则。

1）每个终端机都拥有唯一的ID，无线仿真终端根据服务端发送过来的广播包进行登录，同时告知服务端自己的ID；

2）服务端可以有选择性的给某一个仿真终端发送私有信息，此时其他的终端无法识别这些信息；

3）只有得到允许输入指令时，无线仿真终端用户才能通过键盘输入信息；

4）只有在完成一次仿真实验（即无线仿真终端接收到了服务端发送过来的本次仿真结束的指令）后，才能进行另下一轮仿真；

5）如果无线仿真终端的用户一直不输入数据，服务端将按弃权处理，该无线仿真终端将退出本轮仿真，服务器不再接收其数据。

2.3.3 无线仿真终端产品展示

在经过了上述的硬件选型、硬件电路图设计和软件设计后，就进入了印刷PCB电路板阶段[7]，在将需要的电子元器件和工具准备好之后，最后就可以将元器件按照设计方案安装焊接成产品了。本文描述的无线仿真终端最后的产品图如图3所示。

图3 无线仿真终端实物图

3 结论

文本研究与设计了一个基于无线技术的实验经济学仿真终端设备。介绍了该无线仿真设备的主要组成结构，分析了在设计该无线仿真设备过程中的单片机选择、液晶显示器的选择和无线通信模块的选择；同时设计出了无线仿真终端的硬件电路图和软件流程图。并经过实物测试，能够达到仿真经济学实验过程的功能，大大提升了经济学实验教学中的效率，改进了实验效果。

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