一种无线教学网络系统的设计与实现

“蓝牙”技术采用短距离无线电技术,在30英尺的范围内传输语音和数据。经由所谓的″个人局域网络″(personal-area network),蓝芽可使设备上互联网络以及连接移动电话、PC和其他设备。采用“蓝牙”技术设计实现的芯片内置了VCO、功率放大器、信号收发的切换开关、IF滤波器等电路,具有高集成度、低价格、低功耗的特点。本文介绍的无线网络教学系统采用了“蓝牙”技术设计的芯片TR3001,并通过嵌入式控制器对芯片TR3001的工作状态进行控制,系统采用时分多址工作方式,保证了各学生终端之间互不干扰,模块化设计使得系统具有很强的灵活性,增加学生终端,对系统不需要作任何改动,本系统可供64个学生终端同时使用。

    随着计算机技术、多媒体技术以及通讯技术的不断发展,各种教学网络系统相继涌现,但大多为有线组网方式,面向大专院校。小学教学要求教师与学生之间互动性很强,采用情景式、会话式教学。本文介绍的无线网络教学系统采用了无线组网方式,教师与学生的终端可随意移动,很适合小学教学的要求。

1 系统设计

    系统采用模块化设计方法,由学生终端、教师终端、一台多媒体PC机、一块PC机接口板、投影设备等几个模块组成,如图1所示。学生终端和教师终端均配有一块手写板,可在上面进行写字、画图等操作。教师终端为无线发射单工方式,工作频率为433.92MHz,可对PC机实现无线鼠标操作。教师书写的内容不需要进行存储处理,实时显示于PC机屏幕上。学生终端为无线发射/接收双工方式,工作频率为315MHz,学生书写的内容首先要进行存储处理,再进行调制发射。PC机接口板内有两块芯片,一块为无线接收单工方式,工作频率为433.92MHz,接收教师终端的数据。另一块为无线发射/接收双工方式,工作频率为315MHz,可与学生终端实现双向数据传送。系统无线发射功率小于1mW。

为克服单纯采用频分多址技术所带来的频点分配、管理困难、交调干扰严重的难题,系统结合了时分多址、频分多址两种技术。具体工作过程是:通过软件设计,在PC机上显示1、2、……63、64个学生的终端号,PC机接口板给每个学生终端分配一个唯一的地址,教师通过手写板点击学生终端号, PC机接口板对应地址进行编码、调制、发射;此时,所有学生终端均处于接收状态,将接收信号进行解调、解码处理,得到地址数据,并和终端内置地址进行比较,若相同,则该学生终端的工作状态转为发送,将存储数据发射;若不同,则终端仍保持为接收地址状态。PC机接口板一次只发一个地址,同一时间只有一个学生终端被选中,学生终端互不干扰。从而解决了单纯采用频分复用技术所带来的频点分配困难、交叉干扰严重的问题。

2 学生终端设计

    学生终端采用了模块化设计,由电源控制电路、地址编码/解码电路、无线收发电路等几大部分组成。学生终端功能模块划分如图2所示。其中,无线收发电路采用了基于“蓝牙”技术设计的无线收发一体芯片TR30013。

2.1 电源控制电路

    为防止学生课后忘记关电源,减少电源耗费,系统采用了电源控制技术,以实现自动关机功能。方法是:在单片机内部设计监控程序,程序内设定一时间常数,实时监测数据入口,若检测到在此时间常数内单片机一直没有有效数据输入,就认为是学生忘记了关机,此时,启动内部关机程序,关闭工作指示,切断电源,下次使用时须重新开关电源;若这段时间内至少接收到了一次对应地址信号,则重新设定此时间常数,实现自动关机保护功能。

2.2 地址编码/解码电路

    地址编码/解码电路选用编码器MC145026和与其对应的解码器MC145028来实现。其中,地址编码器MC145026在PC机接口板电路上,地址解码器MC145028在学生终端电路上。工作过程是:通过单片机控制,PC机接口板从PC机串口读取地址信号,经MC145026对地址信号进行编码,再进行调制发射。学生终端将接收的地址编码信号解调后再经MC145028解码,所得地址信号若与本终端的地址一致,则产生中断程序响应,使本终端工作状态转换为发射状态,发射本终端存储的数据。若不一致,则学生终端仍保持为接收状态。

2.3 无线收发电路

    不管是教师终端、学生终端,还是PC机接口板,都包括无线收发电路部分。如能设计一通用模块,修改少量参数或更换元器件,各终端都能使用则最为理想,我们采用基于“蓝牙”技术设计的无线收发一体芯片TR3001实现了这种设计。

    TR3001是RFM公司最新推出的基于“蓝牙”技术设计的单片无线收发一体芯片,在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、ASK/OOK调制、ASK/OOK解调等电路,是目前集成度很高的无线数据传输产品。芯片工作频率为315MHz,工作电压范围为2.7V～3.5V,电压漂移要求小于10mV,芯片发射功率典型值为1mW,数据调制方式有OOK和ASK两种,芯片提供了与控制器的接口,用以控制芯片的工作状态。无线收发电路设计原理图如图3所示,从图中可以看出,整个电路设计简单,外围元器件少,无调试元器件,电路参数设定如下:引脚5和6脚电容CBBO为基带耦合电容,以设置接收机基带带宽,设计公式为CBBO=70×SPMAX,SPMAX为数据流的最大脉冲宽度,此电容值可适当调节,以便获得最佳性能;引脚7为调制数据输入脚或解调数据输出脚,工作状态为发射时,为数据输入脚,工作状态为接收时,为数据输出脚;三极管N1和电阻SR1用于实现电平匹配;8脚为调制数据输入引脚,芯片发射功率与8脚输入电流成正比,一般RTXM可取值8.2kΩ;9脚电阻RLPF为3dB带宽调整电阻,单位为kΩ;电阻RTH1、RTH2设定芯片内部比较器比较门限,典型设定值RTH1=27kΩ,RTH2=100kΩ;14、15脚电阻RPR,RPW对数据率进行设定,电阻RPR、RPW单位均为kΩ;根据教学要求,数据调制率设为19.2kbps,根据经验公式设定电阻值RPR=330kΩ,RPW=270kΩ;引脚20为射频输入/输出引脚,接ESD保护线圈和匹配电感,以实现与天线阻抗的匹配;TR3001芯片有ASK和OOK两种调制方式,17、18脚组合控制芯片的工作状态,具体见表1。其余各外围参数的设定方法见参考文献3。

3 系统设计关键问题及其解决方法

3.1学生终端电源的控制

    为使终端具有自动关机功能,采用了双电源供电方案。由两块TPS7350组成,控制电路如图4所示。当单片机内关机程序启动时,TPS7350(2)2脚EN为高电平,5和6脚无电压输出,从而实现自动关机的功能。

3.2 TR3001芯片工作方式的切换

    TR3001芯片的工作电压为2.7V～3.5V,工作方式为半双工,17、18引脚组合控制芯片的工作状态。控制电平应满足芯片电平要求,而单片机工作电压为5V,可见,应有电压转换电路。由于TR3001芯片电压漂移要求小于10mV,故应采用高性能电压转换芯片,以满足电平要求。选用的电压转换芯片为美国美信公司的Mas9124,它同时具有电压转换和稳压的功能,电压输入为5V时,电压输出为3V,输出电压漂移小于10mV。

3.3 天线和TR3001芯片之间的匹配

    TR3001芯片工作频率高达315MHz,发射功率小,典型值只有1mW,功率的有效辐射非常重要。天线是功率能否有效辐射的关键。选择好天线的类型很重要,这决定了天线在这个频段是否能有效辐射;其次是天线的具体尺寸,应反复调节,不要拘泥于理论;调试时,可利用高频毫伏表等仪器进行测量。实践表明,在使用此款芯片时,使用一种形状类似电视外用接收天线的小天线,效果很好。

4 实验结果

    本文介绍的无线教学网络系统由于采用了基于蓝牙技术设计的单片无线收发一体芯片,将时分多址与频分多址技术进行了有机结合,系统具有很强的鲁棒性和可伸缩性。整个系统采用4节2号电池单电源供电,工作电流小于45mA,发射功率为0.8mW,教室内距离可达到10m以上,可同时供64个学生使用。系统测试达到性能指标要求,使用效果良好。