基于無線傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)處理實驗教學(xué)平臺設(shè)計

丁青鋒 鄧玉前 李宋

摘? 要：為了加強(qiáng)電子信息類專業(yè)知識的綜合應(yīng)用，綜合多門專業(yè)課程實驗教學(xué)需求，設(shè)計了基于無線傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)處理實驗教學(xué)平臺。通過DS18B20采集多點溫度數(shù)據(jù)將分布式溫度數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)無線發(fā)送模塊，多點溫度數(shù)據(jù)通過其配置的nRF24L01無線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)無線接收模塊，并將接收到的多路溫度數(shù)據(jù)通過RS232接口發(fā)送給計算機(jī)，利用VB實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的多路采集、實時動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。實驗結(jié)果表明，該綜合實驗平臺具有功能全面、操作簡單、交互性強(qiáng)等優(yōu)點，為學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了一個良好的實踐平臺。

關(guān)鍵詞：分布式數(shù)據(jù)處理;實驗教學(xué)平臺;無線傳輸;電子信息類專業(yè)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）21-0067-04

Abstract： In order to strengthen the comprehensive application of electronic information knowledge and meet the needs of many professional experimental educations， a distributed data-processing teaching platform for specialty experiments based on wireless transmission was designed. The DS18B20 collects multi-point temperature data and inputs the distributed temperature data into the wireless transmission module of the single-chip microcomputer. The multi-point temperature data is wirelessly transmitted to the wireless receiving module of the single-chip microcomputer through the configured nRF24L01， and the received multi-channel temperature data is sent to the computer through the RS232 interface. VB is used to realize multi-channel acquisition， real-time dynamic display and data storage of temperature data. The experimental results show that the comprehensive experimental platform has the advantages of comprehensive functions， simple operation and strong interactivity， which provides a good practice platform for the cultivation of students' practical ability and innovative ability.

Keywords： distributed data-processing; experimental teaching platform; wireless transmission; electronic information major

在如今絕大多數(shù)院校的電子信息類專業(yè)的課程體系中，課程實驗一般與某門理論課程相關(guān)聯(lián)，實驗課程的內(nèi)容通常僅限于與之相關(guān)聯(lián)的理論課程的內(nèi)容，具有很大的局限性[1-4]。同時，作為支柱產(chǎn)業(yè)的電子信息技術(shù)發(fā)展十分迅速，技術(shù)更新快，導(dǎo)致高校的課程特別是實驗課程往往落后于技術(shù)的進(jìn)步，很難滿足實驗教學(xué)的需要[4]。因此，傳統(tǒng)單一性、老舊式的電子信息類實驗設(shè)備已不能滿足當(dāng)代學(xué)生綜合能力和主動創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。

針對電子信息類專業(yè)課程如傳感器技術(shù)、微機(jī)原理、計算機(jī)原理、通信原理等實驗教學(xué)中多個分布式數(shù)據(jù)無法集中處理的難題，設(shè)計了一種基于無線傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)處理實驗教學(xué)創(chuàng)新平臺。該平臺可實現(xiàn)在同一平臺上開展多種電子信息類實驗，實現(xiàn)多個相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行集中處理，具有操作簡單、實驗內(nèi)容綜合全面、交互性強(qiáng)等優(yōu)點，能夠滿足學(xué)生充分理解和掌握有關(guān)理論和實踐課程，加強(qiáng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，為電子信息類教學(xué)實驗提供了一個新的平臺。

一、總體設(shè)計方案

該綜合實驗平臺由配有無線射頻的溫度數(shù)據(jù)采集、發(fā)射模塊和配有無線射頻的接收模塊組成，兩模塊主要通過無線射頻進(jìn)行通信。無線發(fā)射模塊主要用來負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)并將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行無線發(fā)送;無線接收模塊主要用于負(fù)責(zé)接收多個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，然后將采集到的多點溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上，并由VB所設(shè)計的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、處理、儲存等。該平臺的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計

二、硬件設(shè)計

（一）主控電路的設(shè)計

主控電路由STC單片機(jī)為核心和外設(shè)組成的最小系統(tǒng)[6-8]，主控電路模塊是電路設(shè)計中的重要一部分，該模塊對處理數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)等發(fā)揮著重要作用。

（二）溫度采集與報警電路設(shè)計

平臺采用生產(chǎn)生活中常用的溫度傳感器DS18B20，該傳感器是一種單總線的傳感器，具有唯一的地址編碼[9]。溫度采集電路如圖3所示。由于測溫后需要根據(jù)溫度值的高低進(jìn)行報警，溫度過高時或者過低時進(jìn)行報警。具體報警電路如圖4所示，采用模擬電路中的NPN三極管作為開關(guān)來控制蜂鳴器的報警。

圖3 溫度采集電路

（三）穩(wěn)壓電路設(shè)計

平臺利用電壓為5V的USB供電，而nRF24L01無線射頻模塊的供電電壓范圍為1.9V到3.6V，電壓過高容易損壞該射頻模塊[9]。根據(jù)nRF24L01射頻模塊對供電的要求，選用LM1117-3.3V作為穩(wěn)壓芯片，該芯片的輸出電流可達(dá)0.8A，具有限流和過熱保護(hù)的功能，以確保芯片的穩(wěn)定性，電路圖如圖5所示。

（四）無線射頻與主控電路的連接

平臺無線通信所選用的射頻芯片為nRF24L01，該芯片內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制[10-11]，低功耗為3.6V以下工作。該模塊共有六個控制和數(shù)據(jù)信號，該模塊與單片機(jī)具體的接線圖如圖6所示。

（五）RS232串口電路設(shè)計

該綜合實驗平臺需要將主控模塊采集到的多路溫度信號傳送到PC機(jī)上，由上位機(jī)對相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)的處理、顯示與儲存。本平臺采用串口通信的方式將溫度數(shù)據(jù)上傳到計算機(jī)上[12]。串口通信RS232的電路圖如圖7所示。

三、軟件設(shè)計

所設(shè)計的綜合實驗平臺利用C語言在KEIL編程環(huán)境下對單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。對于配有無線射頻的溫度數(shù)據(jù)采集、發(fā)射模塊而言，首先對nRF24L01進(jìn)行初始化配置，將射頻模塊的工作模式設(shè)定為發(fā)送模式，再啟動DS18B20進(jìn)行溫度采集，并準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后調(diào)用無線通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢等待到數(shù)據(jù)接收方的應(yīng)答后再次返回進(jìn)行溫度采集。其主要工作流程如圖8所示。

四、上位機(jī)設(shè)計

本綜合平臺的人機(jī)交互界面包括了數(shù)據(jù)顯示與報警界面、數(shù)據(jù)存儲與查詢界面，實用性強(qiáng)，操作簡單。

該綜合實驗平臺采用VB 6.0設(shè)計上位機(jī)。VB 6.0的最顯著的特點就是事件驅(qū)動，它的模塊化非常明顯[13-16]。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計要求和可視化的界面建立后，就可以按照系統(tǒng)各個模塊的特點，設(shè)計出相應(yīng)的子模塊。該多通道溫度采集的程序執(zhí)行步驟如圖9所示。

圖9 上位機(jī)溫度采集軟件結(jié)構(gòu)圖

五、實驗調(diào)試及結(jié)果

（一）硬件電路

如圖10，硬件電路制作采用雙面PCB電路板，為了節(jié)約電路板面積，部分元件采用貼片封裝。通電后對各個電路板進(jìn)行測試。其中，穩(wěn)壓電路能正常穩(wěn)壓到3.3V給nRF24L01供電。經(jīng)測試該實驗平臺的硬件電路工作正常。

圖10 綜合實驗平臺硬件測試

（二）串口通信

在無線接收模塊能夠正常接收到采集點發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)的情況下，將無線接收模塊與PC機(jī)用串口線進(jìn)行連接，進(jìn)行三節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)接收。不同的節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)加上標(biāo)志位，通過串口發(fā)送到上位機(jī)上，上位機(jī)根據(jù)不同的標(biāo)志位來判斷不同的節(jié)點的溫度值，當(dāng)按鍵被按下時，開始接收數(shù)據(jù)，三節(jié)點溫度接收與顯示如圖11所示，數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定。

（三）數(shù)據(jù)實時顯示與存儲

數(shù)據(jù)顯示界面是平臺的主要顯示界面，界面由眾多的子模塊組成，其中包括了串口設(shè)置、數(shù)據(jù)的實時顯示、溫度報警指示、數(shù)據(jù)處理與存儲。測試時先進(jìn)行串口的設(shè)置，然后在控制面板中點擊“開始采集”按鍵，開始接收經(jīng)串口接收到的多路溫度數(shù)據(jù)，采集的實時曲線如圖12所示;當(dāng)溫度異常時，開始報警指示，采集點一和采集點三溫度過高，綠色的圓變?yōu)榧t色。經(jīng)測試，該界面的子模塊的各項功能均能達(dá)到設(shè)計要求。

在能接收、顯示多路溫度數(shù)據(jù)的情況基礎(chǔ)上，設(shè)計一個溫度數(shù)據(jù)庫。在該溫度數(shù)據(jù)庫中建立一個數(shù)據(jù)表和相關(guān)數(shù)據(jù)表的字段設(shè)置，用來保存上位機(jī)串口接收到的溫度數(shù)據(jù)，將不同節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)保存在對應(yīng)的溫度存儲表的字段中，并且實現(xiàn)每隔一秒刷新數(shù)據(jù)表。具體溫度數(shù)的存儲查詢?nèi)鐖D13所示。

六、結(jié)束語

本文提出的基于多任務(wù)綜合教學(xué)實驗創(chuàng)新平臺涉及多門電子信息類課程知識，可以完成傳感器技術(shù)、單片機(jī)原理、通信原理等多門專業(yè)課程實驗教學(xué)。實驗結(jié)果效果表明，該平臺運行狀態(tài)良好，上位機(jī)與下位機(jī)通信穩(wěn)定可靠。利用該平臺能加強(qiáng)學(xué)生對課程知識的綜合實踐能力，為教學(xué)、實驗和科研創(chuàng)造出了良好的條件。

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*基金項目：江西省教育規(guī)劃項目“‘新工科’背景下大學(xué)創(chuàng)新教學(xué)建設(shè)調(diào)查與比較研究”（編號：19YB068）;江西省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項目“基于聯(lián)通主義學(xué)習(xí)的研究生‘現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)’課程教學(xué)模式改革與創(chuàng)新”（編號：JXYJG-2017-078）;江西省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項目（重點）“基于CIPP模型的專業(yè)學(xué)位研究生工程實踐能力培養(yǎng)的研究與實踐”（編號：JXYJG-2017-075）;2018年度華東交通大學(xué)課堂教學(xué)改革項目“基于MOOC的混合學(xué)習(xí)模式課堂教學(xué)改革與實踐（教學(xué)范式改革類）”（編號：2018KTJG04）

作者簡介：丁青鋒（1980-），男，漢族，安徽安慶人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：電子信息類教學(xué)、軌道無線通信系統(tǒng)理論與設(shè)計等。