教学实验室实时实验数据无线收发系统的设计

发布时间：2017-05-14 16:21

  本文关键词：教学实验室实时实验数据无线收发系统的设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：摘要：实验教学是高校教学的一个重要组成部分,本文建立在对传统课堂实验教学研究的基础上,总结其弊端,并结合现今成熟的科学技术,在教学实验室里设计出一套实时实验数据无线收发的系统方案,旨在通过提高课堂内实验教师与学生间的实时互动性,均衡实验教师对每位学生的实验指导,取得更好的教学效果。 系统的设计包括以下部分：研究课堂实验教学流程,组建系统功能和硬件结构,设计数据在系统上位机或下位机内的传递,设计数据在系统上位机和下位机之间的传输,定制无线通信协议,处理实验数据的格式,设计PC机端控制界面。其中数据的实时收发和控制界面的设计是系统得以实现其功能的核心。 系统利用RF4432无线射频模块实现数据的无线收发,选用AVRMega16作为数据无线收发的微控制器。上位机是系统的控制部分,由主机AVR、射频模块和控制界面构成,在课堂实验教学流程的各个阶段,实现与下位机的数据无线交换；下位机可供学生实验,辅助学生录入学号、获取并保存实验数据以及将这些数据返回给上位机,由从机AVR、射频模块、PS/2键盘和相关实验设备组成。系统重点设计了数据在级内和级间的传输：建立统一的接口和电平转换电路,实现PC机与主机AVR的数据传递；用SPI总线实现AVR单片机与RF4432射频模块问的数据交换,实现对射频模块的控制；结合课堂实验教学,将十进制的实验数据转化成十六进制,并定制 套简单、稳定和高效的无线通信协议,实现上位机和下位机点对点的数据无线通信；设计时分通信,让上位机轮流与对应的下位机建立通信连接,实现点对多的数据无线通信。结合课堂实验教学的实际情况,系统对控制界面进行了简单化和直观化的设计,以满足实验教师在课堂实验教学流程中的基本需求。 将系统运用于密立根油滴实验,模拟多个学生同时做实验的真实实验课堂,对系统进行整体调试,并在调试过程中发现问题、解决问题,不断改进系统的设计。 最终的运行结果表明,系统节省了实验教师的有限精力,大大提高了其教学效率和课堂内的师生互动,取得很好的教学效果。
【关键词】：教学实验室 无线通信 控制界面 AVR单片机 RF4432射频模块 时分通信
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：G647;TN92
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 1 绪论10-14
• 1.1 教学实验室数据无线收发系统的研究背景10-11
• 1.2 教学实验室数据无线收发系统的研究意义11
• 1.3 教学实验室数据无线收发系统的研究内容11-12
• 1.4 教学实验室数据无线收发系统的研究方法12-14
• 2 系统的各部分组成14-32
• 2.1 系统组成各部分简述14
• 2.2 系统无线部分所选的微控制器14-18
• 2.2.1 内部存储器15
• 2.2.2 端口及其应用15-16
• 2.2.3 串行外围接口SPI16-17
• 2.2.4 USART及其相关的中断17-18
• 2.3 RF4432无线收发模块18-21
• 2.3.1 无线收发模块的介绍18-19
• 2.3.2 FIFOs工作模式及相关的寄存器19-20
• 2.3.3 FIFOs模式下数据包的处理20-21
• 2.4 系统上位机的设计21-28
• 2.4.1 PC机和Mega16的数据通信21-25
• 2.4.2 主机AVR与无线收发模块的数据通信25-28
• 2.5 系统下位机的设计28-31
• 2.5.1 密立根油滴实验仪28-29
• 2.5.2 学号录入与保存29-31
• 2.5.3 实验数据获取与保存31
• 2.5.4 LCD提示界面31
• 2.6 本章小结31-32
• 3 系统的实验对象、实验流程和控制界面32-39
• 3.1 密立根油滴实验内容32-34
• 3.1.1 实验目的32
• 3.1.2 实验原理32-34
• 3.1.3 实验内容34
• 3.1.4 实验数据处理34
• 3.2 实验教学流程34-36
• 3.3 PC机控制界面36-38
• 3.3.1 实验教师登陆页面36-37
• 3.3.2 主控页面37-38
• 3.3.3 实验详细情况页面38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 系统的数据处理和无线通信设计39-55
• 4.1 学号和实验数据的进制转化处理39-40
• 4.2 系统无线通信数据帧结构的设计40-42
• 4.2.1 半双工通信和数据方向40-41
• 4.2.2 操作命令41
• 4.2.3 系统下位机的编号41
• 4.2.4 数据在无线传输中的处理41-42
• 4.2.5 结束符42
• 4.3 主要的点对点无线通信42-44
• 4.3.1 一对一点名42-44
• 4.3.2 一对一获取实时实验数据44
• 4.4 系统的点对多时分通信44-49
• 4.4.1 星形结构45
• 4.4.2 时分通信45-49
• 4.5 实验流程中控制界面及主机/从机AVR的数据处理49-54
• 4.5.1 点名过程49-50
• 4.5.2 实时进度监测过程50-52
• 4.5.3 获取某一下位机实时实验数据过程52
• 4.5.4 换机和获取最终实验数据过程52-53
• 4.5.5 无线通信中主机和从机AVR的工作流程53-54
• 4.6 本章小结54-55
• 5 系统调试与运行结果55-63
• 5.1 系统下位机工作调试55-57
• 5.1.1 学号录入调试55
• 5.1.2 获取实验数据调试55-57
• 5.2 系统数据通信调试57-62
• 5.2.1 PC机与主机AVR的串口调试57
• 5.2.2 控制界面应用于实验教学课堂的调试57-62
• 5.3 本章小结62-63
• 6 总结与展望63-65
• 6.1 总结63
• 6.2 展望63-65
• 参考文献65-69
• 附录A69-73
• 攻读学位期间主要的研究成果73-74
• 致谢74

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