基于虚拟技术的嵌入式无线教学互动系统

基于虚拟技术的嵌入式无线教学互动系统O引言在当今教学环节中，高效实用的教学互动模式显得很重要，师生的共同参与才是良好教学的最佳体现。虚拟技术结合通信技术以及无线组网技术对实现局域范围内的无线通信给予了技术支撑⋯，近年来，基于IEEE802．11标准¨3系列的无线局域网技术迅猛发展，对于小范围而言，2．4GHz无线技术工作于世界通用的ISM(IndustrialScientificMedical)频段，在组建无线网络中有着广泛应用。如何更好地进行互动，让更多的学生参与其中是教学互动的关键旧J。笔者组建了一个小范围的无线局域网，实现主控端与多个子终端的无线组网HJ，系统终端采用STM32，基本符合系统各方面的要求，不仅处理速度快，而且便于开发者进一步深入研发。现在的智能终端无疑朝着触控忙1方向不断发展，笔者采用触摸屏为控制部件，省去了各种按键的繁琐，更加智能、便捷。20世纪80年代首先在美国兴起和蓬勃发展起来的虚拟仪器(VI：VirtualInstruments)是虚拟技术领域中的重要组成部分，已成为国际研究开发的热点技术之一。基于LabVIEW的外挂型虚拟仪器采用USB进行数据传输J，具有明显的速度优势。LabVIEW采用图形化编程方式以及自身的优点，减少了科研与技术工作人员的工作量，在信号处理等方面的强大功能是其他组态软件不可比的，同时可以设置漂亮的人机界面哺。目前教学系统大多为有线连接，移动性不强且缺少老师与学生间的互动。笔者针对这些问题，利用无线传输并结合触摸屏控制，实现无线教学活动。经试验证明，互动环节快速高效，达到了令人满意的效果。1互动系统设计‘笔者采用STM32系列处理器作为系统MCU(MicroprogrammedControlUnit)(见图1)。硬件由NRF24L01无线收发模块和触摸屏显示控制模块组成。系统分为上位机、下位机两部分。上位机是整个系统的最上层，负责对下位机的控制和管理，并对收集的各节点的数据用LabVIEW进行提取、处理及显示。下位机各终端与主控端通过无线方式传输数据包，主控端负责与上位机进行通信，在LabVIEW编写的界面上显示终端或主控端的信息。1．1无线传输部分设计无线收发模块的数据传输‘91主要包括一下内容。1)数据包内容采用“x+坐标+y+坐标”。如，触摸屏上一点坐标为[x=100，Y=100]，则传输的内容为“XIOOYl00”。这样不仅可以减少数据的混淆，而且而且LabVIEW处理接收的数据时，非常便于处理，只需一个“matchpattern”既可提取x，y坐标值，便于以后进一步数据处理。2)无线通信¨叫速度可以达到2Mbit／s，由于空中传输时间较短，大大地降低了无线传输¨u中的碰撞现象。实验中，由软件设置lMbit／s或2Mbit／s的空中传输速率。3)CRCO(CallRecordingCollector)为校验位，设置成CRC(CyclicRedundancyCheck)mode，当终端数较少时，可以设置为0—8位CRC校验。4)在IEEE802．11MAC层中，当目的节点收到发送节点的数据时，向发送节点回复一个ACK帧，以确认收到数据包。如图2所示，RC(RequestCode)和SR(SendResponse)若在规定的时间内，发送节点未收到来自目的节点的ACK帧，将会重新传送该数据帧，直到次数达到最大限制为止。除此之外，802．11又引入了RTS(RequestToSend)／CTS(ClearToSend)机制”，以避免在网络拥塞时，数据包的不断碰撞”。1．2显示部件设计1)下位机——触摸屏控制端。电阻式触摸屏为终端的控制部件，当触笔(或手指)触摸屏幕时，产生x与l，方向的两组模拟信号。TSC2301对这两组信号进行A／D转换，输出对应的数字信号，而后从SPI接口传送给主控CPU，从而实现触控功能。经过测试，笔者设计的触摸屏界面，运行稳定快速。主要通过编程实现其智能化。2)上位机显示界面——IabVIEw。主控终端采集到无线数据，经USB送至Pc机。上位机界面采用LabVIEW编写，VISA读取USB传送来的“控制命令”或“x+坐标+y+坐标”，如图3所示。将数据进行采集、运算、编辑，实现触控命令或触摸屏上坐标采集。同时，Pc机可通过串口随时向主终端发送控制命令。USB具有速度快、成本低、功耗低、支持即插即用和使用维护方便等优点，对于低成本的虚拟仪器来说，具有更大的优势。LabVIEW的相关设置如下。1)配置VISA串El：波特率设置为9600，无奇偶校验位。2)当有数据接收时，进入程序。3)当有控制命令传人时，进入相应的执行语句。当有数据传人时，提取“x+坐标+Y+坐标”，利用“matchpattern”将XY坐标提取出来，然后进行需要的数据处理和图形显示。采用LabVIEW的图形化编程语言，开发人员基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图，简化成用简单或图标提示的方法选择功能(图形)，并用线条把各种图形连接起来，“画”出仪器面板，从而大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员的工作量。因此，LabVIEW是世界上最优秀的虚拟仪器软件开发平台，其程序的执行速度非常快，同时在信号处理等方面具有强大功能。Lab—VIEW运用多线程技术改善系统的运行及可靠性。笔者所设计的互动教学系统采用了LabVIEW作为虚拟仪器的开发工具。图3为LabVIEW串口数据接收流程，图4为数据处理部分。2实验调试调试主要分两部分进行测试：1)TeacherMode(教师授课模式)；2)InteractiveMode(互动交流模式)。首先将各个模块连接好后，测试TeacherMode，主控端在触摸屏上书：面上，实验效果如图5所示。其次，测试InteractiveMode。先进行一对一的收发调试：让终端1控制无线模块发送请求应答命令，如果主控端允许应答，主控端发送一个允许应答命令。终端接收到允许应答命令后，随即发送一个数据包，格式为：“x+坐标+l，+坐标”，LabVIEW接收数据，进行数据包提取与分析，并将终端触摸屏上的内容显示在Pc界面上。当无线连接一对一稳定成功后，测试6路终端都可以与主控端进行稳定的一对一请求应答与数据收发。然后6个终端都与上位机通信进行请求应答，进行l对6的收发调试，终端接收6路请求，选通任意一路进行数据交流，也可以开启所有通道，接收6路数据包，LabVIEW显示并测试6路数据包的传输情况。主控端不定时地进行接收扫描，在程序中主控端大约每100Ins进行一次接收扫描，一旦接收到数据，就会发送一个通道是否空余的信息，同时在主控端会显示出请求信息。若主控端选通一个请求应答，则配置接收地址，进行通信。此时，若是子中端收到主控端的允许指令，则子终端被设置为允许状态，即可在触摸屏上进行操作。当子终端结束操作时，发送一个结束控制命令，主控端收到该命令时，可以关闭其通道。这样主控端与子终端就完成了一次请求应答操作，程序流程如图6所示。3结语笔者基于LabVIEW强大的数据处理和丰富多彩的图形界面，与无线嵌入式技术结合，成功组建了一个全触控式无线教学互动系统。通过实验测试，TeacherMode和InteractiveMode有效衔接，触控屏的命令传输高效可靠，书写的数据传输速度和质量令人满意，并且误码率低，工作稳定，达到了智能化标准。