一種無線教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

“藍牙”技術(shù)采用短距離無線電技術(shù),在30英尺的范圍內(nèi)傳輸語音和數(shù)據(jù)。經(jīng)由所謂的″個人局域網(wǎng)絡(luò)″(personal-area network),藍芽可使設(shè)備上互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及連接移動電話、PC和其他設(shè)備。采用“藍牙”技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)的芯片內(nèi)置了VCO、功率放大器、信號收發(fā)的切換開關(guān)、IF濾波器等電路,具有高集成度、低價格、低功耗的特點。本文介紹的無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)采用了“藍牙”技術(shù)設(shè)計的芯片TR3001,并通過嵌入式控制器對芯片TR3001的工作狀態(tài)進行控制,系統(tǒng)采用時分多址工作方式,保證了各學(xué)生終端之間互不干擾,模塊化設(shè)計使得系統(tǒng)具有很強的靈活性,增加學(xué)生終端,對系統(tǒng)不需要作任何改動,本系統(tǒng)可供64個學(xué)生終端同時使用。

    隨著計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)以及通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,各種教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相繼涌現(xiàn),但大多為有線組網(wǎng)方式,面向大專院校。小學(xué)教學(xué)要求教師與學(xué)生之間互動性很強,采用情景式、會話式教學(xué)。本文介紹的無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)采用了無線組網(wǎng)方式,教師與學(xué)生的終端可隨意移動,很適合小學(xué)教學(xué)的要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

    系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法,由學(xué)生終端、教師終端、一臺多媒體PC機、一塊PC機接口板、投影設(shè)備等幾個模塊組成,如圖1所示。學(xué)生終端和教師終端均配有一塊手寫板,可在上面進行寫字、畫圖等操作。教師終端為無線發(fā)射單工方式,工作頻率為433.92MHz,可對PC機實現(xiàn)無線鼠標(biāo)操作。教師書寫的內(nèi)容不需要進行存儲處理,實時顯示于PC機屏幕上。學(xué)生終端為無線發(fā)射/接收雙工方式,工作頻率為315MHz,學(xué)生書寫的內(nèi)容首先要進行存儲處理,再進行調(diào)制發(fā)射。PC機接口板內(nèi)有兩塊芯片,一塊為無線接收單工方式,工作頻率為433.92MHz,接收教師終端的數(shù)據(jù)。另一塊為無線發(fā)射/接收雙工方式,工作頻率為315MHz,可與學(xué)生終端實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送。系統(tǒng)無線發(fā)射功率小于1mW。

為克服單純采用頻分多址技術(shù)所帶來的頻點分配、管理困難、交調(diào)干擾嚴重的難題,系統(tǒng)結(jié)合了時分多址、頻分多址兩種技術(shù)。具體工作過程是:通過軟件設(shè)計,在PC機上顯示1、2、……63、64個學(xué)生的終端號,PC機接口板給每個學(xué)生終端分配一個唯一的地址,教師通過手寫板點擊學(xué)生終端號, PC機接口板對應(yīng)地址進行編碼、調(diào)制、發(fā)射;此時,所有學(xué)生終端均處于接收狀態(tài),將接收信號進行解調(diào)、解碼處理,得到地址數(shù)據(jù),并和終端內(nèi)置地址進行比較,若相同,則該學(xué)生終端的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)送,將存儲數(shù)據(jù)發(fā)射;若不同,則終端仍保持為接收地址狀態(tài)。PC機接口板一次只發(fā)一個地址,同一時間只有一個學(xué)生終端被選中,學(xué)生終端互不干擾。從而解決了單純采用頻分復(fù)用技術(shù)所帶來的頻點分配困難、交叉干擾嚴重的問題。

2 學(xué)生終端設(shè)計

    學(xué)生終端采用了模塊化設(shè)計,由電源控制電路、地址編碼/解碼電路、無線收發(fā)電路等幾大部分組成。學(xué)生終端功能模塊劃分如圖2所示。其中,無線收發(fā)電路采用了基于“藍牙”技術(shù)設(shè)計的無線收發(fā)一體芯片TR30013。

2.1 電源控制電路

    為防止學(xué)生課后忘記關(guān)電源,減少電源耗費,系統(tǒng)采用了電源控制技術(shù),以實現(xiàn)自動關(guān)機功能。方法是:在單片機內(nèi)部設(shè)計監(jiān)控程序,程序內(nèi)設(shè)定一時間常數(shù),實時監(jiān)測數(shù)據(jù)入口,若檢測到在此時間常數(shù)內(nèi)單片機一直沒有有效數(shù)據(jù)輸入,就認為是學(xué)生忘記了關(guān)機,此時,啟動內(nèi)部關(guān)機程序,關(guān)閉工作指示,切斷電源,下次使用時須重新開關(guān)電源;若這段時間內(nèi)至少接收到了一次對應(yīng)地址信號,則重新設(shè)定此時間常數(shù),實現(xiàn)自動關(guān)機保護功能。

2.2 地址編碼/解碼電路

    地址編碼/解碼電路選用編碼器MC145026和與其對應(yīng)的解碼器MC145028來實現(xiàn)。其中,地址編碼器MC145026在PC機接口板電路上,地址解碼器MC145028在學(xué)生終端電路上。工作過程是:通過單片機控制,PC機接口板從PC機串口讀取地址信號,經(jīng)MC145026對地址信號進行編碼,再進行調(diào)制發(fā)射。學(xué)生終端將接收的地址編碼信號解調(diào)后再經(jīng)MC145028解碼,所得地址信號若與本終端的地址一致,則產(chǎn)生中斷程序響應(yīng),使本終端工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)射狀態(tài),發(fā)射本終端存儲的數(shù)據(jù)。若不一致,則學(xué)生終端仍保持為接收狀態(tài)。

2.3 無線收發(fā)電路

    不管是教師終端、學(xué)生終端,還是PC機接口板,都包括無線收發(fā)電路部分。如能設(shè)計一通用模塊,修改少量參數(shù)或更換元器件,各終端都能使用則最為理想,我們采用基于“藍牙”技術(shù)設(shè)計的無線收發(fā)一體芯片TR3001實現(xiàn)了這種設(shè)計。

    TR3001是RFM公司最新推出的基于“藍牙”技術(shù)設(shè)計的單片無線收發(fā)一體芯片,在一個20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、ASK/OOK調(diào)制、ASK/OOK解調(diào)等電路,是目前集成度很高的無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品。芯片工作頻率為315MHz,工作電壓范圍為2.7V～3.5V,電壓漂移要求小于10mV,芯片發(fā)射功率典型值為1mW,數(shù)據(jù)調(diào)制方式有OOK和ASK兩種,芯片提供了與控制器的接口,用以控制芯片的工作狀態(tài)。無線收發(fā)電路設(shè)計原理圖如圖3所示,從圖中可以看出,整個電路設(shè)計簡單,外圍元器件少,無調(diào)試元器件,電路參數(shù)設(shè)定如下:引腳5和6腳電容CBBO為基帶耦合電容,以設(shè)置接收機基帶帶寬,設(shè)計公式為CBBO=70×SPMAX,SPMAX為數(shù)據(jù)流的最大脈沖寬度,此電容值可適當(dāng)調(diào)節(jié),以便獲得最佳性能;引腳7為調(diào)制數(shù)據(jù)輸入腳或解調(diào)數(shù)據(jù)輸出腳,工作狀態(tài)為發(fā)射時,為數(shù)據(jù)輸入腳,工作狀態(tài)為接收時,為數(shù)據(jù)輸出腳;三極管N1和電阻SR1用于實現(xiàn)電平匹配;8腳為調(diào)制數(shù)據(jù)輸入引腳,芯片發(fā)射功率與8腳輸入電流成正比,一般RTXM可取值8.2kΩ;9腳電阻RLPF為3dB帶寬調(diào)整電阻,單位為kΩ;電阻RTH1、RTH2設(shè)定芯片內(nèi)部比較器比較門限,典型設(shè)定值RTH1=27kΩ,RTH2=100kΩ;14、15腳電阻RPR,RPW對數(shù)據(jù)率進行設(shè)定,電阻RPR、RPW單位均為kΩ;根據(jù)教學(xué)要求,數(shù)據(jù)調(diào)制率設(shè)為19.2kbps,根據(jù)經(jīng)驗公式設(shè)定電阻值RPR=330kΩ,RPW=270kΩ;引腳20為射頻輸入/輸出引腳,接ESD保護線圈和匹配電感,以實現(xiàn)與天線阻抗的匹配;TR3001芯片有ASK和OOK兩種調(diào)制方式,17、18腳組合控制芯片的工作狀態(tài),具體見表1。其余各外圍參數(shù)的設(shè)定方法見參考文獻3。

3 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵問題及其解決方法

3.1學(xué)生終端電源的控制

    為使終端具有自動關(guān)機功能,采用了雙電源供電方案。由兩塊TPS7350組成,控制電路如圖4所示。當(dāng)單片機內(nèi)關(guān)機程序啟動時,TPS7350(2)2腳EN為高電平,5和6腳無電壓輸出,從而實現(xiàn)自動關(guān)機的功能。

3.2 TR3001芯片工作方式的切換

    TR3001芯片的工作電壓為2.7V～3.5V,工作方式為半雙工,17、18引腳組合控制芯片的工作狀態(tài)?？刂齐娖綉?yīng)滿足芯片電平要求,而單片機工作電壓為5V,可見,應(yīng)有電壓轉(zhuǎn)換電路。由于TR3001芯片電壓漂移要求小于10mV,故應(yīng)采用高性能電壓轉(zhuǎn)換芯片,以滿足電平要求。選用的電壓轉(zhuǎn)換芯片為美國美信公司的Mas9124,它同時具有電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓的功能,電壓輸入為5V時,電壓輸出為3V,輸出電壓漂移小于10mV。

3.3 天線和TR3001芯片之間的匹配

    TR3001芯片工作頻率高達315MHz,發(fā)射功率小,典型值只有1mW,功率的有效輻射非常重要。天線是功率能否有效輻射的關(guān)鍵。選擇好天線的類型很重要,這決定了天線在這個頻段是否能有效輻射;其次是天線的具體尺寸,應(yīng)反復(fù)調(diào)節(jié),不要拘泥于理論;調(diào)試時,可利用高頻毫伏表等儀器進行測量。實踐表明,在使用此款芯片時,使用一種形狀類似電視外用接收天線的小天線,效果很好。

4 實驗結(jié)果

    本文介紹的無線教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于采用了基于藍牙技術(shù)設(shè)計的單片無線收發(fā)一體芯片,將時分多址與頻分多址技術(shù)進行了有機結(jié)合,系統(tǒng)具有很強的魯棒性和可伸縮性。整個系統(tǒng)采用4節(jié)2號電池單電源供電,工作電流小于45mA,發(fā)射功率為0.8mW,教室內(nèi)距離可達到10m以上,可同時供64個學(xué)生使用。系統(tǒng)測試達到性能指標(biāo)要求,使用效果良好。