基于無線傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1、 基于無線傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì) 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(shí)的綜合應(yīng)用，綜合多門專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，設(shè)計(jì)了基于無線傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過DS18B20采集多點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算機(jī)，利用VB實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的多路采集、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有功能全面、操作簡(jiǎn)單、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了一個(gè)良好的實(shí)踐平臺(tái)。Key：分布式數(shù)據(jù)處

2、理;實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái);無線傳輸;電子信息類專業(yè)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ：2096-000X（2019）21-0067-04Abstract： 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 b

3、ased 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 modul

4、e 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 r

5、esults 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; e

6、xperimental 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(shí)驗(yàn)一般與某門理論課程相關(guān)聯(lián)，實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)驗(yàn)課程往往落后于技術(shù)的進(jìn)步，很難滿足實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備已不能滿足當(dāng)代學(xué)生綜合能力和主動(dòng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。針對(duì)電子信息類專業(yè)課程如傳感器技術(shù)、微機(jī)原理、計(jì)

7、算機(jī)原理、通信原理等實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多個(gè)分布式數(shù)據(jù)無法集中處理的難題，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)上開展多種電子信息類實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行集中處理，具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合全面、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足學(xué)生充分理解和掌握有關(guān)理論和實(shí)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(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)新的平臺(tái)。一、總體設(shè)計(jì)方案該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(gè)

8、節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，然后將采集到的多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上，并由VB所設(shè)計(jì)的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、處理、儲(chǔ)存等。該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)二、硬件設(shè)計(jì)（一）主控電路的設(shè)計(jì)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(jì)中的重要一部分，該模塊對(duì)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(bào)警電路設(shè)計(jì)平臺(tái)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(cè)溫后需要根據(jù)溫度值的高低進(jìn)行報(bào)警，溫度過高時(shí)或者過低時(shí)進(jìn)行報(bào)警。具體報(bào)警電路如圖4所示，采用模擬電路中的NPN

9、三極管作為開關(guān)來控制蜂鳴器的報(bào)警。圖3 溫度采集電路（三）穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)平臺(tái)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(duì)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(tái)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(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(gè)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，該模塊與單片機(jī)具體的接線圖如圖6所

10、示。（五）RS232串口電路設(shè)計(jì)該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要將主控模塊采集到的多路溫度信號(hào)傳送到PC機(jī)上，由上位機(jī)對(duì)相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)的處理、顯示與儲(chǔ)存。本平臺(tái)采用串口通信的方式將溫度數(shù)據(jù)上傳到計(jì)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(jì)所設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用C語言在KEIL編程環(huán)境下對(duì)單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。對(duì)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(duì)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(dòng)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

11、所示。四、上位機(jī)設(shè)計(jì)本綜合平臺(tái)的人機(jī)交互界面包括了數(shù)據(jù)顯示與報(bào)警界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢界面，實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單。該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用VB 6.0設(shè)計(jì)上位機(jī)。VB 6.0的最顯著的特點(diǎn)就是事件驅(qū)動(dòng)，它的模塊化非常明顯13-16。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)要求和可視化的界面建立后，就可以按照系統(tǒng)各個(gè)模塊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)各個(gè)電路板進(jìn)行測(cè)試。其中，穩(wěn)壓電路能正常穩(wěn)壓到3.3V給nRF24L01供電。經(jīng)測(cè)試該實(shí)

12、驗(yàn)平臺(tái)的硬件電路工作正常。圖10 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件測(cè)試（二）串口通信在無線接收模塊能夠正常接收到采集點(diǎn)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(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)接收。不同的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的溫度值，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，開始接收數(shù)據(jù)，三節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)顯示界面是平臺(tái)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(shí)時(shí)顯示、溫度報(bào)警指示、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。測(cè)試時(shí)先進(jìn)行串口的設(shè)置，然后在控制面板中點(diǎn)擊“開始采集”按鍵，開始接收經(jīng)串

13、口接收到的多路溫度數(shù)據(jù)，采集的實(shí)時(shí)曲線如圖12所示;當(dāng)溫度異常時(shí)，開始報(bào)警指示，采集點(diǎn)一和采集點(diǎn)三溫度過高，綠色的圓變?yōu)榧t色。經(jīng)測(cè)試，該界面的子模塊的各項(xiàng)功能均能達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)一個(gè)溫度數(shù)據(jù)庫。在該溫度數(shù)據(jù)庫中建立一個(gè)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(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)保存在對(duì)應(yīng)的溫度存儲(chǔ)表的字段中，并且實(shí)現(xiàn)每隔一秒刷新數(shù)據(jù)表。具體溫度數(shù)的存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)涉及多門電子信息類課程知識(shí)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果效果表明，

14、該平臺(tái)運(yùn)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(tái)能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的綜合實(shí)踐能力，為教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研創(chuàng)造出了良好的條件。Reference：1王連明，陳菊芳，黃繼鵬，等.電子信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系改革與實(shí)踐J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（03）：147-149.2惠鵬飛，方亞咪，石翠萍.基于ZigBee的無線指紋識(shí)別門禁實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（11）：149-152+244.3馬學(xué)條，程知群，鄭雪峰，等.電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（11）：130-133.4付興建，劉小河.信息與控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平

15、臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（04）：190-193.5劉辛，吳薇.電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2013，35（01）：61-63.6張萍，馬樹軍，史可福.基于51單片機(jī)的指紋電子密碼鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018（08）：134-138+161.7郭蕓俊.基于單片機(jī)的高校快遞柜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（11）：91-93.8何雅琴.基于LabVIEW和STC12C5A60S2的GPS實(shí)驗(yàn)裝置J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（01）：109-112+146.9王建勛，周青云.基于DS

16、18B20和LabVIEW的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（03）：47-50.10段莉，周福斌.小型飛行器飛行數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（06）：125-130.11李賀，程祥，曾令國.基于nRF24L01芯片的近程無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（15）：32-34.12王青.單片機(jī)與PC機(jī)通信的設(shè)計(jì)與仿真J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（12）：100-103.13張辰亞，陳曉楠，劉家成，等.基于FMCW測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（05）：106-110.14裴九芳，許德章，王海.測(cè)控專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)踐J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（12）：75-79.15林士偉.Visual Basic 6.0程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明教程M.北京：中國電力出版社，2015.16李林，陳璨，劉復(fù)玉，等.模塊化電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制J.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（12）：103-106.*基金項(xiàng)目：江西省教育規(guī)