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基于USB通信的多功能抢答系统设计

时间:2011-04-24  作者:秩名

论文导读:传统的抢答器一般利用数字逻辑电路做成,功能单一,已不适应社会发展需要。
关键词:抢答器,中央控制单元USB通信
传统的抢答器一般利用数字逻辑电路做成,功能单一,已不适应社会发展需要。随着科学技术的进步,单片机与串口通信的结合已广泛应用到各个电子系统。本文是基于单片机为核心的抢答系统设计,通过串口通信动态传输数据,使抢答系统具有电路简单、操作方便、功能强大等特点。特别是抢答系统与PC通信相联系,使整个抢答系统功能更完善。
1、系统总体方案设计
传统抢答器功能过于单一,因此,可将其功能进行扩展,设计出以单片机为核心的抢答器系统,总体框图如图1所示。
抢答系统由控制开关、抢答开关、加/减分电路、计时电路、显示电路、报警电路、PC通信等几部分构成,如图1所示。

图1、总体方案电路图
完成功能如下:
a、抢答开始时,在规定的时间内,最先按动抢答按钮的选手应具优先权,抢答系统应能准确迅速地判断出第一抢答者并将其信号锁存,同时将输入端关闭而使其它抢答信号无效。选手编号/得分情况能够在显示屏上显示。此功能由中央控制单元,译码、显示电路完成。
b、问题回答完毕,主持人应根据回答的准确性给予不同分值的加/减。此功能由加/减分电路完成。
c、在规定的时间内若有人抢答,抢答有效,终止定时,若无人抢答,此次无效。此功能由计时,中央控制单元完成。
d、每次问题回答结束,主持人应通过复位按钮进行复位,各种程序又回到初始状态。为进行下一轮的抢答工作做准备。
抢答开始之前,赋予选手一定的初始分,若选手违例抢答,报警电路工作,提醒有人违例抢答,同时编号牌显示违例选手号码,该违例选手会被自动扣分。抢答开始时,记分牌显示选手初始值,此时,主持人根据需要,选定不同分值的题目让选手回答。当主持人宣布抢答开始,同时按下开始键的时候,选手抢答,编号牌显示选手编号。这时只能有第一位选手优先抢答成功,其他抢答无效。与此同时,倒计时就开始计时,在剩下最后几秒的时候,报警电路工作,提醒选手。抢答时间结束,本题抢答无效。选手回答问题完毕,主持人应根据回答问题的情况,对选手成绩做出相应的处理。每一题抢答结束后,主持人进行电路复位功能,为下一题做准备。而每一题的抢答过程中,编号显示牌和各选手的得分情况会自动的送到PC机上进行动态显示。科技论文
1.1 硬件电路设计
1.1.1、中央控制单元
中央控制单元是控制系统的中枢,是系统的信息处理部分,键盘开关,控制开关等发出信号,中央控制单元收到信号后做出分析、响应,完成电路功能的执行。科技论文。
系统选用ISP-Flash系列单片机AT89S8252,它是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器,兼容标准MCS-51指令系统,功能强大,它可向输出单元输出控制信号。
1.1.2、键盘输入及加/减分电路
选手通过按键进行抢答,单片机识别到有按键按下时,转到相应的程序,控制译码显示器显示选手的编号或分数。而开始键,加/减分键也是通过键盘转到相应的程序实现功能。
键盘作为输入设备,结构简单,通过程序可实现很多功能。抢答器按如图2所示的矩阵结构连接,可有效减少单片机的I/O口。用单片机位处理指令来判断是否有键按下,若有键按下,则有电平输入。转到相应程序,显示有效选手的号码,而其他选手再按“抢答键”也无效。若无人抢答,报警电路工作,表示本次抢答无效。若选手违例提前抢答,报警电路提醒选手注意,显示牌显示违例选手号码,单片机通过程序指令让该违例选手减去一定分值。
加/减分电路与抢答键工作原理一样,当按下加/减分按键,单片机控制程序指令,给选手加/减相应的分值,每一题只能给与抢答选手一次的加减分机会,若有特殊情况,主持人可在控制台进行操作。
若抢答键太少,可通过增加I/O口数量或者在中央处理单元外再外扩一片可编程I/O接口芯片。

图2、键盘结构图
1.1.3、选手编号/分数显示电路
译码显示:利用单片机串行口加外围芯片74LS164,构成多个并行输出口,用于串-并转换,驱动CD4511锁存-译码器进行LED数码管显示。科技论文。数据从单片机输出经74LS04反相器进入74LS164的输入端,而时钟脉冲经74LS04反相器连接到74LS164的CLK脉冲信号端,在LED显示相应的十进制数字,从而完成选手编号的显示。
选手得分显示电路与编号显示电路原理一样,可将多片74LS164芯片相连,增加其显示位数。
1.1.4计时、报警等电路
倒计时器电路中,选用四位十进制减法定时/计数专用集成电路EC9410和7448TTLBCD--7段译码器组成可预置数的十进制减法器。在时钟脉冲的作用下,倒计时开始。若某组抢答有效,计时停止并显示倒计时时刻。若一直无人抢答.则倒计时到“00”自然停止。
报警输出单元如图3所示,数据输入端与单片机相连,电路由三极管外加扬声器等外围电路构成,当中央控制单元通过分析确定存在违例抢答或是倒计时停止,便通过指令给报警电路数据输入端一个高电平,三极管就导通,产生信号驱动扬声器发出警报,从而形成一个报警电路,可通过调节报警声长短来判断是倒计时停止报警还是违例抢答报警。

图3、报警电路
1.2单片机与PC机的通信
抢答过程中,显示数据需要传入PC机内。单片机与PC机间的通信选用USB串口通
信,将单片机采集的信息传送到PC机中,由PC机进行处理。该系统使用Phillps公司的PDIUSBD12芯片作为USB接口芯片。PDIUSBD12通常用于微控制器系统并与微控制器通过高速通用接口进行通信,也支持本地DMA传输。该器件采用模块化的方法实现一个USB接口,允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器,性能较好。
USB接口芯片PDIUSD12的八位I/O口线DATA0至DATA7具有可控的三态门电路,故而PDIUSBD12芯片可以直接与AT89S8252的数据总线相连,挂在系统总线上。当系统将采样得到的信息通过USB总线上传给PC时,AT89S8252选通PDIUSBD12芯片,将单片机内的采样信息通过系统总线传给USB接口芯片,继而传给上位机,完成数据的传输。
USB串口通信可采用控制传输模式,块传输模式,同步传输模式,中断传输模式等4种传输模式,根据本设计电路特点,采用中断传输模式。其传输模式图如图4、图5所示。


图4、中断输入事务


图5、中断输出事务
中断服务子程序处理由PDIUSBD12产生,在中断服务子程序中把数据从PDIUSBD12芯片的缓冲区中转移到单片机环形缓冲区中,并清除该芯片内部缓冲区的使能,以便PDIUSBD12芯片接受新的数据包。而后建立正确的时间标志,通知主程序进行正确的处理。
2、结束语
文章创新点在于(1)以ISP-Flash系列单片机AT89S8252为核心的抢答器功能强大,(2)采用USB串口通信,使功能进一步得以完善。整个方案较好地完成了抢答器系统的设计,此外,还需考虑需报警,增加语音报警等情况,功能强大的AT89S8252中央控制单元配合USB串口通信,使整个抢答器反映快,功能齐全,使用性强,可靠运行。
参 考 文 献
[1] 杨文显,现代微型计算机原理与接口技术教程.清华大学出版社[M],2006。
[2] 尹罗生;吉吟东;孙新亚等, 一种USB外设的实现方法[J],计算机工程,2002,7-28:207-209。
[3] 刘开绪,数字式抢答器的设计与实现. 电子工程师[J],2005,9-31:69-71。
 

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