一種無線搶答控制系統(tǒng)的設(shè)計

廖長裕，陳春華，林舒萍

（莆田學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建莆田，351131）

搶答器又稱第一信號鑒別器, 廣泛地應(yīng)用于知識競賽和文娛活動等場合。目前市場上，價格較高的搶答系統(tǒng)，性價比低，不太適用于一些不頻繁使用的場合；而價格低的搶答系統(tǒng)多是有線連接、功能簡單和精度低，安裝準(zhǔn)備工作比較繁瑣。以單片機(jī)為控制芯片的無線搶答系統(tǒng)，有成本低、使用簡單的特點。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，由主控端、主持人端和選手端三個部分組成。各個終端都采用單片機(jī)作為控制芯片，均具備單片機(jī)最小系統(tǒng)和nRF24L01無線通訊模塊。在搶答比賽中，允許每位選手配備一個搶答選手端，選手端的個數(shù)可根據(jù)搶答人數(shù)來確定。終端之間通過nRF24L01模塊進(jìn)行聯(lián)系，達(dá)到無線通訊傳輸?shù)哪康摹?/p>

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

各終端的主要工作是：選手端的搶答按鈕被按下后，生成信號會發(fā)送給主控端。當(dāng)接收到控端送回的搶答成功信號，會有報警提示。這時選手可通過口頭或按所設(shè)置的選項鍵答題，之后選手端在收到答題對錯的信號后更新LCD顯示屏的分?jǐn)?shù)；主控端負(fù)責(zé)收發(fā)各種不同的指令，并對搶答信號排序，識別成功搶答的終端，回送允許答題的信號，完成與搶答有關(guān)分組等的配置，顯示相關(guān)內(nèi)容、播放語音提示信息；主持人端主要進(jìn)行搶答的基礎(chǔ)設(shè)置，發(fā)搶答開始信號，及加分和減分等等。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

各終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，都具備單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵、顯示以及nRF24L01無線通訊模塊等電路。虛線框中的語音電路屬于主控端的，聲光提示電路則屬于選手端。

主控端用于發(fā)送、接收和處理搶答過程所產(chǎn)生的信息，要求處理的數(shù)據(jù)較多、處理速度要快，任務(wù)相對較重，采用性能較好的STC12C5A60S2作為控制芯片。搶答所需的提示語音的內(nèi)容包括開始搶答、搶答成功、回答正確等，預(yù)先寫入到WT588D語音芯片。供搶答過程直接調(diào)用。語音芯片的接口電路如圖3所示，通過單片機(jī)P1.5引腳控制該芯片播放相應(yīng)語音，其中YSQ需接入一個揚(yáng)聲器；主控端上的顯示模塊主要用來顯示選手的分?jǐn)?shù)、搶答題號、設(shè)置過程和提供倒計時等信息；按鍵則用于一些基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置。

圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 語音接口電路

選手端與主持人端的控制單元需處理的數(shù)據(jù)相對較少，使用成本較低的STC89C52RC單片機(jī)芯片。搶答過程的必要的信息會在LCD上顯示。兩者按鍵設(shè)置不同：主持人端按鍵具備同步數(shù)據(jù)、排名顯示、開始搶答、加分和減分等功能；選手端有搶答鍵、以及為選擇題型所設(shè)的A、B、C、D四個按鍵。

搶答系統(tǒng)各終端之間所采用的nRF24L01無線通訊芯片是由NORDIC公司生產(chǎn)。應(yīng)用于單片機(jī)工作在頻段為2.4GHz～2.5GHz，芯片具有成本較低、傳輸距離遠(yuǎn)、功率可調(diào)的優(yōu)點，它能夠根據(jù)傳輸距離的大小取決于功率，達(dá)到節(jié)能的目的。NRF24L01模塊電路，共引出8個引腳，除VCC接入3.3V電源電壓和GND接地外，CE、CSN、SCK、MISQ、MOSI、IRQ引腳由單片機(jī)控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計，主要由無線通訊、按鍵處理，信息顯示，搶答，倒計時，基礎(chǔ)設(shè)置、語音和聲光報警等程序組成，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

其中基礎(chǔ)設(shè)置程序，主要由主控端完成對各選手端的組隊、和基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置。選手端可每人配備一個，成員兩位以上的隊伍搶答時，則需將該隊伍的幾個選手端分成同一組。具體方法是選手端預(yù)先設(shè)置好號數(shù)，并按順序發(fā)放給每位選手。通過主控制端根據(jù)設(shè)定的搶答組數(shù)與組內(nèi)搶答人員的人數(shù)后，按順序自動對選手端分組。主持人端通過無線通知主控端進(jìn)行題目題型、分值和參數(shù)等的設(shè)置。例如：基礎(chǔ)分?jǐn)?shù)、搶答倒計時、答題倒計時、回答正確加分大小和回答錯誤扣分大小等。設(shè)置完成后，自動使各終端同步數(shù)據(jù)。

搶答程序要求在三種終端間按通訊協(xié)議協(xié)調(diào)進(jìn)行。主持人按下準(zhǔn)備搶答鍵后開始公布題目，這時若有選手按搶答，會判選手違規(guī)，題目作廢。當(dāng)題目公布完按下允許搶答鍵后，開啟搶答倒計時。倒計時結(jié)束前，主控端若未收到搶答信號，題目也作廢；若接收到搶答信號后，立即發(fā)信息禁止其他選手端發(fā)送信號，同時對收到信號進(jìn)行身份識別，通過語音公布成功搶答的選手隊伍，并發(fā)送信號提示對應(yīng)的選手端。之后開啟答題倒計時。如果是選擇題，選手只需通過選手端的按鍵進(jìn)行回答，系統(tǒng)自動判斷正誤；如果是簡答題，由選手口頭回答，主持人端通過加分鍵和減分鍵判斷答案的正誤。

圖5 顯示屏幕界面

每搶答完一題，系統(tǒng)便進(jìn)行統(tǒng)計分?jǐn)?shù)。在答題時間內(nèi)，回答正確，加分。違規(guī)搶答、回答錯誤和未在答題時間內(nèi)答題，則扣分。系統(tǒng)統(tǒng)計好分?jǐn)?shù)后在LCD屏顯示，并把數(shù)據(jù)在各個終端之間進(jìn)行同步。圖5為搶答過程的顯示界面。

■3.2 搶答通訊協(xié)議

系統(tǒng)各終端使用nRF24L01進(jìn)行無線通訊，要對數(shù)據(jù)通道、發(fā)送到的目標(biāo)地址、接收到的地址、是否自動應(yīng)答、頻率、功率等進(jìn)行配置。由于各個終端使用nRF24L01無線通訊，用的是相同的地址，不用掃描方式接收數(shù)據(jù)，這樣排除由多個選手端同時發(fā)送搶答信號，因硬件因素造成搶答結(jié)果的不公平。但也形成一個終端發(fā)送數(shù)據(jù)時，其他處于接收模式的終端都可接收到數(shù)據(jù)局面。為保障無線通訊的正常進(jìn)行，要識別通訊終端身份。需設(shè)定相應(yīng)的無線通訊協(xié)議，

系統(tǒng)工作時，所有的終端默認(rèn)處于接收模式，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，則轉(zhuǎn)換為發(fā)送模式，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，又恢復(fù)到接收模式。通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)包主要有兩大類，一類是主控端發(fā)出的數(shù)據(jù)包，另一類是主控端接收到的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的第一字節(jié)數(shù)據(jù)類型檢驗碼，用來判斷接受到的數(shù)據(jù)包類型。當(dāng)終端檢測到nRF12L01的中斷引腳IRQ電平發(fā)生變化時，表明已接收到數(shù)據(jù)包。接著對數(shù)據(jù)包解析，根據(jù)第一字節(jié)，判斷數(shù)據(jù)類型，是否為所需的數(shù)據(jù)包。當(dāng)終端接收到自己所需的數(shù)據(jù)包類型的時候，才進(jìn)一步對接下來的字節(jié)進(jìn)行判斷做出相應(yīng)的處理。如果不是自己所需要的數(shù)據(jù)包，終端不做出任何應(yīng)答，繼續(xù)維持接收模式。

4 結(jié)論

實測表明，無線搶答系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期的分組、語音提示和搶答等各項功能，可適用于小型的競賽場合。采用單片機(jī)芯片和nRF24L01無線通信模塊，處理速度快，通訊精確、操作簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)；在增減搶答人數(shù)時，相比于有線連接，只需加減搶答器選手端個數(shù)即可，簡化了搶答布置的難度。