低成本课堂个人应答系统的设计与开发.pdf

分类号：t p 3 学号：2 0 0 5 2 0 2 0 6 0 0 9 华南理工大学硕士学位论文 学校代号：1 0 5 6 1 低成本课堂个人应答系统的设计与开发 作者姓名：尹开华指导教师姓名、职称：陈虎副教授 雷堂彩高级工程师 申请学位级别：工程硕士学科专业名称：计算机技术 研究方向：计算机应用技术 论文提交日期：年月同论文答辩日期 学位授予单位：华南理工大学学位授予日期 答辩委员会成员： 主席 委员 年月日 年月日 摘要 个人应答系统( p e r s o n a lr e s p o n s es y s t e m ) ，简称为p r s ，是一种新兴的课堂教学 信息化手段。通过该系统，教师可以在课堂教学过程中及时地获取学生学习的实时反馈 信息，并做出快速、有效、科学的分析，为课堂教学提供实时的参考，有效提高课堂教 学的互动性和时效性。目前，个人应答系统在国外已经得到了广泛应用，但是目前在国 内还未普及，其主要原因是价格高昂、使用复杂。本课题的主要目标是设计开发一种简 单易用、价廉物美的课堂个人应答系统来满足国内的教学需求。 本课题的主要工作包括： 1 ) 以软件工程思想为指导，从一线教师课堂教学的实际需求出发，对本系统的应用 背景、功能要求、成本、功耗、使用限制等做了详细的需求分析，确定了课堂个人应答 系统应具有的功能要求和主要技术指标。 2 ) 根据需求分析的要求，确定了基于多个应答器、信息收集器和p c 端的系统总体 设计，确定了各个模块的组成结构和功能需求，着重评估了应答器和信息收集器之间各 种无线通讯机制，并最终选择红外作为无线通信的基本方法。 3 ) 根据需求分析的要求，本文介绍了系统中应答器和信息收集器的硬件结构设计方 案，从性能、功耗、成本等方面评估了三种典型m c u ，并着重介绍了与功耗控制相关的 硬件电路设计原理。 4 ) 红外通讯协议的设计是本课题的研究核心。本文首先研究了红外传输的特性和当 前典型的数据传输编码机制，然后结合一体化红外接收头的技术特性和需求分析的要 求，自主设计了一套红外编码机制和通讯协议，并在降低功耗、提高传输效率和可靠性 等方面进行了优化。 5 ) 本文还根据s t c 单片机硬件特性设计并开发了应答器和信息收集器的软件系统。 该软件采用中断驱动结构，包括红外载波、数据编解码、协议控制、键盘扫描、低功耗 控制等模块。 6 ) 本文还介绍了p c 端软件的功能和作用，包括与信息收集器的交互、数据的处理 与分析等。 7 ) 本文最后叙述了系统的测试情况，并对红外通信的可靠性、功耗等关键问题进行 了比较全面的测试。测试结果表明，此设计结构简单、功耗低、可靠性较高、价格低廉， 完全满足需求分析中提出的主要技术和成本指标。 本文所述的研究成果可以广泛应用于中小学课堂教学，能够有效地促进课堂教学中 学生反应信息处理的科学化和标准化，应用前景广阔。研究过程中设计和实现了一套基 于红外的数据编码和通讯协议，对遥控、安防、遥测等低速率数据通讯应用具有一定的 参考价值。 关键词：个人应答系统；红外通讯；单片机系统设计 i i a b s t r a c t p e r s o n a lr e s p o n s es y s t e m ( p r s ) ，i san e wi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y st e a c h i n gt o o l s t h r o u g ht h i ss y s t e m ，t e a c h e r sc a ng a i nt h er e a l - t i m ef e e d b a c ko ft h es m d e m si nc l a s s r o o m i n s t r u c t i o n ，a n dm a k ef a s t ，e f f e c t i v e ，s c i e n t i f i ca n a l y s i sw h i c hu s e df o rt e a c h i n gr e f e r e n c e ，t h a t m a k e st h ei n s t r u c t i o ni n t e r a c t i v ea n de f f e c t i v eg r e a t l y a tp r e s e n t ，p r sh a sb e e nw i d e l yu s e d i nf o r e i g nc o u n t r i e s ，b u tn o tp o p u l a ri no u rc o u n t r y , t h em a i nr e a s o nf o rt h i si st h eh i g hp r i c e o ft h ep r o d u c ta n dt h ec o m p l e xo fu s i n g t h em a i no b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hi st od e s i g na n d d e v e l o pas i m p l e - t o u s e ，l o w c o s tp r s t om e e tt h ed o m e s t i cd e m a n df o rt e a c h i n g t h em a i nw o r ko ft h i sr e s e a r c hh a dd o n ei n c l u d e s ： 1 ) u n d e rt h ei n s t r u c t i o no ft h es o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，b a s e do nt h ea c t u a ld e m a n d sf o r c l a s s r o o mi n s t r u c t i o n ，t h er e s e a r c hf i r s tc a r r i e so nt h eu s e rs u r v e y , t h e nad e t a i l e dr e q u i r e m e n t a n a l y s i si sm a d ef o rs y s t e m sa p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h ef u n c t i o n ，t h ec o s t ，t h ep o w e r c o n s u m p t i o n ，t h er e s t r i c t i o no nu s ea n ds oo n ，t h u st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dt e c h n i c a l t a r g e tf o rp r si sd e t e r m i n e d 2 ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，t h em o d u l e so ft h es y s t e ma r ec o m p o s e db y t h em u l t ir e s p o n s et e r m i n a l s ，t h ei n f o r m a t i o n g a t h e r i n gt e r m i n a la n dt h ep cs y s t e mi s i d e n t i f i e d ，t h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o nf o re a c hm o d u l ei sd e t e r m i n e d ，t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m sb e t w e e nt h em u l t i r e s p o n s e t e r m i n a la n dt h e i n f o r m a t i o n - g a t h e r i n g t e r m i n a li se v a l u a t e d e m p h a t i c a l l y , u l t i m a t e l y t h ei n f r a r e d c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m si sc h o s e n 3 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e q u i r e m e n t s ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h e r e s p o n s et e r m i n a la n dt h ei n f o r m a t i o n - g a t h e r i n gt e r m i n a li si n t r o d u c e d ，t h ee v a l u a t i o no f t h r e et y p i c a lm c ui sm a d ef r o mt h ea s p e c t so fp e r f o r m a n c e ，c o s t ，a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o n t h ep r i n c i p l e so ft h ec i r c u i tr e l a t e dt o p o w e rc o n s u m p t i o nc o n t r o l l i n gi s i n t r o d u c e d e m p h a t i c a l l y 4 ) t h ed e s i g no ft h es e l f - d e f i n e di n f r a r e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li st h ec o r eo fs t u d yi n t h i sr e s e a r c h t h ei n f r a r e dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec u r r e n tt y p i c a ld a t ae n c o d i n g m e c h a n i s mi ss t u d i e df i r s t l y , a n dt h e nc o m b i n e dw i t ht h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h o t o m o d u l e sf o rp c mr e m o t ec o n t r o ls y s t e ma n dt h er e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，t h es e l f - d e s i g n e d e n c o d i n gm e c h a n i s ma n di n f r a r e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sw o r k e do u t ，t h e nt h er e f i n e m e n t f o rr e d u c i n gp o w e rc o n s u m p t i o na n di m p r o v i n gt r a n s p o r te f f i c i e n c ya n dw o r k i n gr e l i a b i l i t yi s i i i m a d e 5 ) u t i l i z i n gt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs t cm c u ，t h es o f t w a r eo fr e s p o n s et e r m i n a l a n di n f o r m a t i o n g a t h e r i n gt e r m i n a li s d e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e st h es o f t ：w a r em o d u l e so f i n f r a r e dc a r r i e r , d a t ac o d i n ga n dd e c o d i n g ，p r o t o c o lc o n t r o l ，k e y b o a r ds c a n n i n g ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o nc o n t r o la n ds oo n 6 ) t h ef u n c t i o na n dr o l eo ft h ep cs o f t w a r ei sa l s oi n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gi t si n t e r a c t i v e w i t ht h e i n f o r m a t i o n g a t h e r i n gt e r m i n a l ，t h ep r o c e s s i n ga n d t h e a n a l y s i s f o rr e s p o n s e i n f o r m a t i o n 7 ) t h es y s t e m s t e s ts i t u a t i o ni sd e s c r i b e di nt h ee n d ，t h e r e l i a b i l i t yo fi n f r a r e d c o m m u n i c a t i o n ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，a n do t h e rk e yi s s u e si st e s t e d i nam o r e c o m p r e h e n s i v em e t h o d t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ed e s i g no ft h i sp r o d u c ti ss i m p l ei ns t r u c t u r e ， l o wi np o w e rc o n s u m p t i o n ，r e l i a b l ea n dl o w c o s t ，f u l l ym e e tt h em a i nt e c h n i c a la n dc o s t t a r g e t so fr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n tc a nb ew i d e l yu s e di nc l a s s r o o mi n s t r u c t i o ni np r i m a r ya n d s e c o n d a r ys c h o o l s ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l ym a k et h ep r o c e s s i n gs c i e n t i f i ca n ds t a n d a r d i z e df o r r e s p o n s ei n f o r m a t i o nf r o ms t u d e n t si nc l a s s r o o m ，t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti sb r o a d i nc o u r s e o ft h es t u d y , as e to fi n f r a r e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sb a s e do nl o w - r a t ed a t at r a n s m i s s i o ni s d e s i g n e d ，w h i c hi sv a l u e do nw i r e l e s sd e s i g nf o rr e m o t ec o n t r o l ，s e c u r i t y , t e l e m e t r ya n ds oo n k e y w o r d s：p e r s o n a lr e s p o n s es y s t e m ；i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ；s y s t e md e s i g no f m i c r o c o n t r o l l e r i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：二矽研埠日期：胛年j p 月 日 f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 酥保密。 学位论文全文电子版提交后： 自自意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名锄第日期：郴，m 夕 指导教师签塘： l 尸学乙 日期：沙啪，2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 个人应答系统( p r s ) 概述 1 1 1p r s 的发展背景与现状 在传统课堂教学模式中，教师为了获取学生的学习反应信息，一般采用个别提问、 集体应答、课堂练习以及观察学生表情等方法，这些传统方法因受到各种主客观因素制 约，使得授课教师不能够全面、及时、准确地掌握学生学习情况。教学过程是一个教师 的“教 与学生的“学”双向互动过程，如果教师能够在课堂教学中，实时、有效地获 取学生的学习反应信息，且能够对收集到的信息进行快速、科学的分析，则教与学的双 向互动才能成为可能。 随着信息技术的快速发展，多媒体课件、网络教室、虚拟学习、数字化教学资源等 迅速普及，促进教育信息化水平不断提高，同时，也为课堂学习反应信息的实时处理提 供了技术基础。随着教学传播理论的建立，特别是上个世纪6 0 年代末，日本国学者藤 田广一提出s p 表( 学生一问题分析表) 理论来处理分析课堂教学中学生的学习反应 信息以来，课堂教学中反应信息处理的理论、方法、技术及软硬件环境均已逐步成熟， 促使用于课堂教学的学习反应信息处理系统出现并不断发展。 早在上个世纪6 0 年代末，日本就开始了课堂反应信息处理技术的研究工作。日本电 子有限公司最早研制出一种学习反应信息分析器( r a ，r e s p o n s ea n a l y z e r ) ，用来收 集和积累一个班级学生对指定问题的反应数据，并根据这些数据形成一个反应曲线，为 教师提供有关教学的参考信息。随后把s p 表分析法与计算机为核心的学习反应分析 器结合起来，构成一种教学反应信息实时处理与分析系统。上个世纪8 0 年代末，美国 也出现了第一个课堂反应信息处理系统c l a s s t a l k 。此后，关于课堂教学中学习反应信 息处理的理论研究和系统开发获得快速发展，并将此类系统统一称之为个人应答系统 ( p e r s o n a lr e s p o n s es y s t e m ) ，简称为p r s 。 我国于上个世纪末开始重视此类产品的开发和教学应用的研究，早期有华南师范大 学教育技术研究所与广东智囊计算机网络系统有限公司合作研制的智囊学习反应信息 华南理 人学硕士学位论文 测试分析系统，该产品基于有线互联，产品需要固定安装，不能便携，价格高昂，难以 适应普及的需要。当前的主流产品是基于无线技术方案，如：南京奥雷光电有限公司 ( a o l e ip h o t o e l e c t r o n i cl t d ) 与美国e d u c a t i o ni n n o v a t i v el t d 联合开发的 ( v o t i n gm a c h i n e ) 系统，其是一个双向应答系统；广州飞瑞敖电子科技有限公司的开 心指点系统，其包含应答信息分析处理系统、备课系统、题库系统等。 现今，p r s 在国外获得了广泛应用，在大、中、小学中极为常见，在某些学校，甚 至是每个学生人手一只p r s 终端。同时，在一些会议、讲座、讨论会中也广为运用，通 过p r s 即时收集与会者的反馈信息。 在国内，p r s 的运用却并不如国外广泛，在普通中小学中，还极为少见。根据笔者 在珠江三角洲地区中学的工作经历和对多所中小学的调查访谈，得知导致p r s 不能够在 国内中小学中广泛运用的最根本原因是产品的价格。目前，一套含有6 0 个终端的p r s 销价至少2 万元人民币以上，如果一个学校有4 2 班级，全部配备需要人民币近百万元， 即使地处经济发达的珠江三角洲地区中小学也难以承受，我国其它地区的普通中小学更 是无法企及。p r s 的高成本已经成为阻碍其进一步发展的制约因素，要促进其在国内中 小学中普及运用，降低p r s 的成本是关键。 1 1 2p r s 基本构成及其教育特性 目前，大多数的p r s 采用红外( i r ) 或射频( r f ) 技术来传送信息，包括硬件和软 件两部分。其中硬件部分主要包括一组遥控器、一个反应信息接收器以及计算机和液晶 投影仪等，实现信息的发送、接收以及结果的显示功能；软件部分则可提供教师事先编 制问题，通过投影仪展示问题，引导学生在无线遥控器上按选答案，系统自动及时收集 所有学生答案，进行统计处理，以图表的方式给学生呈现应答结果。p r s 的一般应用模 式如图1 一i 所示。 2 第一章绪论 白 自 教师终端( 接收器) p c 端( 数据处理分析) 显示终端 ( 数据显示) 图1 一lp r s 的一般组成结构 p r s 通常具有即问即答、抢答、抢权、挑人作答以及淘汰赛等功能，在课堂教学中 使用，可以达到互动教学，寓教于乐，活跃课堂氛围的目的，同时让每一个学生均参与 到学习活动中，并为师生提供及时、准确的学习反应信息处理结果，从而促进教室成员 的互动与沟通。 对学生而言，可以让每个学生针对教师的提问积极应答，使所有学生拥有平等的应 答机会，减少教学过程中的教育不公平现象，促使每一个学生深度参与教学过程，提高 教学效率。知识要得到理解和巩固，只有经过学生亲身参与的质疑、判断、比较，选择 等活动才能达到，而不仅仅限于“听一听”和“看一看”。教学是一个教与学双向参与 的过程，通过p r s ，将全班每一个学生与老师的教学过程紧密联系起来。 对教师而言，p r s 收集学生反应信息并呈现学生应答结果。教师可以从全面、准确、 客观的电子数据中提取相关信息，对学生的学习和自己的教学进行精确的诊断，获得决 策参考，找出学习和教学中存在的问题，调整教学策略，改善师生互动，及时调整和优 化教学过程。如正确率高的问题，教师可适当减少教学时间，而不至于为简单的内容耗 费宝贵的时间，对于错答率高的问题，教师可以深入分析问题的自身设计和进一步探寻 学生错答的原因，引导进一步思考和讨论，对诊断出的问题采用相应的补救措施，寻求 适当的教学路径达成教学目标，形成并巩固对知识点的正确理解。此外，系统记录下的 学生课堂应答信息，可以作为进一步全面了解学生的依据，成为电子学档和协同教育的 重要数据源。 目前，随着现代教育技术理论的进一步发展，p r s 有着与计算机教学资源库迸一步 整合的趋势，其表现在如下方面： 3 器答应端终 牲自白 华南理工人学硕士学位论文 l 、每节课的学生反应信息不是独立存在，而是将一个单元，一个学期，甚至是多个 学年的课堂学习反应信息综合起来分析，从而能够得到一个学生在一段时期内累 积信息，它为教师更全面地用发展的观点来观察、分析学生提供了技术基础。 2 、p r s 与计算机备课系统逐步融合，p r s 使用时所基于的问题库直接通过网络从计 算机题库系统、多媒体教学资源库等数据库系统中调用，从而使得数字化教学资 源的巨大教学能量得到进一步释放。 3 、p r s 向教学智能化、自动化方向发展，p r s 的实时分析数据，作为一种分析结果 提供给计算机辅助教学策略控制中心，根据智能化的教学策略分析，从教学资源 库中调用相应的学习资料或测试题目，提供给相应的学生作进一步学习和测试之 用。图1 2 简要图示了智能化p r s 的应用模式。 回 唾d 阳 图1 2 智能化p r s 应用模式 综上所述，p r s 将给课堂反应信息处理方式带来了巨大变革，课堂反应信息的收集、 处理和呈现由系统自动完成，不再是手工经验式的处理方法。教师在该系统的使用中， 工作的重点应该转移到对教学问题的设计、应答结果中诊断信息的提取、教学策略( 过 4 第一章绪论 程、方法、形式、程序等) 的调整以及系统与课程的整合上，从而达到优化教学过程， 提高教学效能的目标。 1 2 本课题的研究目标和意义 如前文所述，在课堂教学中应用p r s 将会及时获取学生学习反应信息，促进教学互 动，有效地提高课堂教学效能，因此，普及应用p r s 应是大势所趋。当前，市场上已经 有多种应用于课堂教学的、成熟的p r s ，但其共同点是结构复杂、价格高昂，难以企及， 这是导致目前国内中小学难以普及应用的根本原因。 因此，本课题的研究目标是如何采用新的技术方案，优化设计，降低成本，从而开 发出简单易用的p r s ，最终促使其在课堂教学中得到普及运用。 本研究课题最终成果是一个具有广阔应用前景的产品，具有较高社会经济价值，它 的广泛运用能够有效地促进课堂教学中学习反应信息处理的科学化和标准化。同时，通 过本课题研究，将设计出一套基于低速率数据通讯的红外通讯协议，并给出硬件、软件 的参考设计与实现方案，为低速率数据通讯的无线设计者提供一套颇有价值的参考方 案。 1 3 本文安排 本文各章内容安排如下： 第一章绪论，主要介绍了p r s 的发展背景与现状、基本构成，并简要讨论了p r s 的 教育特性，最后阐明本课题的研究目标和意义。 第二章需求分析，讨论了本课题的应用背景，根据应用背景进行需求分析，并以需 求表格的方式简明表述了p r s 各个组成部分的规格说明。 第三章系统总体设计，讨论了无线通信方案的选择，主要对当前主流无线通信( 网 络) 标准、通用无线遥控技术方案和红外通讯方案进行评估对比，并最终选择红外通讯 方案，在此基础上，对p r s 的各个组成部分进行了总体设计。 第四章硬件结构设计，讨论了本系统硬件设计方案，对应答器硬件设计中有关低功 耗处理和抗干扰措施等方面内容进行了详细论述，并对电路实现细节进行了讨论。 第五章红外通讯协议设计，本章内容是本文的重点，也是本课题研究的核心内容。 在本章开始，首先简要介绍了国际红外数据协会制定的相关红外通讯标准协议；然后研 5 华南理工大学硕士学位论文 究了常用遥控芯片的编码格式，并对其用于p r s 的可行性进行评估；接着，详细研究了 本系统红外通讯协议实现的硬件基础红外一体化接收头的技术特性；最后，着重论 述了本系统红外通讯协议的设计。 第六章单片机软件设计，单片机软件设计是系统实现的关键。本章首先讨论了应答 器软件的总体架构，然后对软件系统的中断驱动结构进行了重点论述，最后详细介绍了 红外信号编码模块和红外信号检测与解码模块的实现细节。 第七章p c 端软件设计，讨论了p c 端软件的功能和作用，简要介绍了p c 端软件结构。 第八章系统测试，介绍了系统的测试环境，对测试数据进行了详细地分析讨论，最 后分析总结了系统的功耗和成本。 第九章课题总结，对本课题研究进行了综述，阐述了本课题的研究成果，并指出了 待改进之处。 6 第二章需求分析 第二章需求分析 帚一早斋冰万个丌 需求分析主要是确定待开发系统的功能、性能、成本、功耗、界面、使用限制等要 求，并给出系统的规格说明，因此，需要分析就是要确定：“系统必须达到什么要求 。 2 1 应用背景 p r s 主要面向课堂教学，因此课堂教学中学生学习反应信息的即时处理需求是项目 需求分析的重点所在。 p r s 主要是对学生的集团应答进行分析，因此应收集教学过程中每位学生对给定问 题的应答数据，而各种应答分析、应答特性是基于对这些数据有效处理而得到的，因此， p r s 是一种用于对学生的应答数据进行实时地收集、处理和分析的信息系统。p r s 在一 般情况下，由应答、收集信息、数据处理和呈现处理结果几部分构成。p r s 的构成如图 2 1 所示。 学生终端 图2 一lp r s 的一般构成 1 、应答器。这里的应答器包括每名学生使用的应答器，学生对指定问题的应答是通 过每位学生使用的应答器给出的，系统的控制程序对各个应答器进行控制，它包括对应 答时间的控制、应答模式的控制、应答指示的控制、数据传输的控制和应答器清零的控 制等。 当教师给出了题目后，可以通过显示端( 如投影幕) 显示出来，他将规定学生对问 题做出应答的时间，所以要对应答时间加以控制；不同类型的题目有不同的应答方式， 7 华南理t 大学硕十学位论文 所以要对应答模式加以控制；通过应答系统，可以在学生与教师之间提供简单的信息交 流，如请求重答，错误提示，多次尝试，举手功能等等。 2 、收集信息。对于每一个应答器给出的应答数据，系统通过巡回搜索的方式，也可 通过指定搜索( 对某一小组或某几名学生) 的方式收集数据。数据的收集以定时和不定 时的方式进行。根据对应答器各个按钮的定义，对收集到的数据进行解码。应答器的按 钮功能由系统进行定义，在不同的教学情景，不同的教学阶段，应答器按钮的功能可以 有不同的定义。比如，在正误判断型题目测试中，a 、b 按钮可以分别定义成“对 、“错”； 而在“四选一”类型的单项选择题中，a 、b 、c 、d 按钮又分别被定义成a 、b 、c 、d 四 项选择；而在一些调查、民意测验中，a 、b 、c 、d 按钮可能又被定义成不同等级。同时， 应答器应当支持多项选择题的应答。 应答器应设置多个指示灯( 如l e d ) ，以其亮、灭、闪烁等不同状态指示当前应答器 所处于的状态，l t , 女n ，通过某些灯亮指示已经选择了a 、b 、c 、d 中相应的答案，灯闪 烁表示正在发送应答信息，以及发送超时，发送失败，未收到教师端指令等状态，这些 状态的指示对引导学生正确操作非常重要。 3 、数据处理。对于收集到的应答数据，系统可进行各种处理，包括学生群体应答结 果的分析，比如：平均分、最高分、最低分、分数段统计等信息；也包括应答的用时分 析。综合学生应答的正确率和应答用时，可以对学生整体水平加以评价。除对学生群体 应答情况进行分析外，还可用于对指定学生的应答情况和结果进行分析。不论是群体的 应答分析，还是学生个体的应答分析，都应在一定理论的指导下完成，当前s p 表分 析法是这类分析中最常用的方法。 4 、呈现结果。根据需要，处理的结果可以通过打印机、显示器给出，也可以通过大 屏幕投影给出，结果的显示可以是文本、表格、图形等多种形式。处理的结果还应当能 够存储到文件中，以备永久保存。根据需要，这些历史数据可以重新利用。 上述四项内容构成了p r s 的四个组成部分，是在“抽象层次”上给出的系统需求， 它大致描述了系统应当做到什么，但还不能直接用于指导开发人员进行系统设计与开 发，其中许多模糊的概念还需要进一步澄清。 2 2 功能需求 需求分析的结果应是一个完整的、清晰的、一致的规格说明，这个规格说明是面向 8 第二章需求分析 系统开发者而不是客户的，因此，规格说明将采用规范的专业术语表达，规格说明通常 包含两部分内容，功能性需求与非功能性需求，本文以简明的需求表格方式来表达p r s 的规格说明。 9 华南理上大学硕士学位论文 2 2 1 应答器 表2 1 应答器( 学生终端) 需求表格 名称应答器 目的接收用户的答题信息或控制指令，并发送剑应答信息接收器 面 数据类型：数字信号 向 数据特性：非周期性数据，用户输入 用 户 设备类型：机械输入( 按钮) 输入面 向数据类型：数字信号 教 数据特性：周期性数据( 同步信号和控制指令) ，信息已编码 师 设备类型：有线信道，或射频接收装置、红外线接收装置 端 面数据类型：数字信号 向 数据特性：周期性数据( 显示设备周期性更新数据) ，包含按键信息和当前应答 用 器上作状态提示信息 户 设备类型：l e d 灯，或液晶数码管、l e d 数码管 输出 面 数据类型：数字信号 向 教 数据特性：非周期性数据( 按需输出) ，包含答题信息和用户控制信息，信息已 师 编码 设备类型：有线信道，或射频发射装置、红外线发射装置 端 在系统( 教师端) 统一控制下工作，接收用户的答题信息或控制指令，将其编码后发送 功能 到教师端。 响应时间：小于1 秒( 无线通讯线路处于理想状态下，应答器确认用户按键信息后，至 信息收集器收到相应信息并完成解码等相关数据处理工作之间的时间间隔) 响应距离：不小于1 2 米( 射频，或使用红外通讯时，室内日光灯开启情况下) 发射角度：指向接收器，小于3 0 0 偏离角( 使用红外通讯时) ，使用射频时无角度限制 性能灵敏度：满足上述三项条件时，无线通路无干扰情况下，理论上发射一次信息数据包即 成功，若受到干扰，在系统设定的发射尝试次数均失败后，应答器停止发射， 并给出发射失败提示信息。 易用性：即拿即用，无电源开关，系统自动控制电源功耗。四个按钮对应a 、b 、c 、d 四个选项，多个指示灯指示当前丁作状态( 具体数量系统设计时确定) 生产成本 硬件成本控制在1 5 元人民币以内 直流4 5 v 供电电压，3 节7 号碱性电池 功耗 t 作状态下，峰值电流小于1 5 0 m h ，平均电流小于2 0 m h 待机状态下，电流小于l m h 物理尺寸体积不人于l o o m mx6 0 n u n 1 5 r a m ( 越小越好) 重量重量不大于5 0 9 ( 此重帚不包含电池，越轻越好) l o 第二章需求分析 2 2 2 信息收集器 表2 2 信息收集器( 教师端) 需求表格 名称信息收集器 收集所有应答器的答题信息或控制指令，解码后发送到数据处理中心( p c 端) ，同时， 目的在p c 端控制下，向所有席答器发送同步信号和控制指令。从本质说，信息收集器是一 个介于应答器与p c 端之间的信息收发中转站。 面 向数据类型：数字信号 应数据特性：非周期性数据，信息已经编码 答 设备类型：无线信道( i 江或i r ) 接收装置 输入 器 面 数据类型：数字信号 向 数据特性：非周期性数据( 控制指令) ，信息已编码 p c 设备类型：有线信道接收装置 端 面 向数据类型：数字信号 应数据特性：周期性数据( _ t 作周期同步信号和控制指令) ，信息已编码 答 设备类型：无线信道( r f 或瓜) 发射装置 器 输出 面 数据类型：数字信号 向 数据特性：非周期性数据( 按需输出) ，包含答题信息和用户控制信息，信息已 教 编码 师 设备类型：有线信道发送装置 端 在系统( p c 端) 统一控制下工作，接收用户的答题信息或控制指令，将其编码后发送 功能 到p c 端。 响应时间：小于1 秒( 是指信息收集器收到一个完整的用户应答信息后，对其进行解码 并发送至p c 端所需时间) 性能 响应距离：与应答器不小于1 2 米( 无线信道) ；与p c 端不小于1 0 米( 有线信道) 易用性：无需直接操控，由p c 端软件控制 生产成本硬件成本控制在1 0 0 元人民币以内 直流4 5 v 一5 v 供电电压，直流稳压电源( 也可使用碱性电池) 功耗上作状态下，峰值电流小于5 0 0 m a ，平均电流小于l o o m a 待机状态下，电流小于5 m a 物理尺寸体积不大丁2 0 0 m m x1 5 0 m m x 5 0 r a m ( 越小越好) 重量重量不大于5 0 0 9 ( 此重量不包含电池，越轻越好) 华南理丁大学硕士学位论文 2 2 3p c 端软件 表2 3 数据处理软件( p c 端) 需求表格 名称 数据处理软件( p c 端) 目的收集所有应答器的应答信息，并对其进行统计分析 面向信数据类型：数字信号 息收集 数据特性：非周期性数据，信息已经编码 器 设备类型：有线信道接收装置 输入 面向教 数据类型：数字信号 数据特性：非周期性数据( 控制指令) ，信息已编码 师 设备类型：p c 机输入装置，如键盘、鼠标等 面向信数据类型：数字信号 息收集数据特性：周期性数据( 工作周期同步信号和控制指令) ，信息已编码 器设备类型：有线信道发送装置 输出 数据类型：数字信号 面向教 数据特性：非周期性数据，包括学生答题统计分析数据和学生请求信息。可 师视化界面，文本、表格、图形等多种媒体显示输出 设备类型：p c 显示装置 收集所有应答器的答题信息或控制指令，对答题信息进行相关统计分析，并将结果送显 功能示终端，同时并保存到p c 文件系统中。在教师的操控f ，或按设定规则统一调度系统 各组成部件协调运行。 响应时间：小于0 1 秒( 是指p c 端收到一个完整的用户应答信息后，对其进行解码并 完成相关的统计分析，更新显示界面所需时间) 性能 响应距离：与信息收集器不小于1 0 米( 有线信道) 易用性：p c 机软件，w i n d o w s 可视化操作界面 生产成本软件开发费用，无硬什成本 功耗 物理尺寸通用p c 机软硬件平台 重量 1 2 第二章需求分析 2 2 4 显示终端 表2 4 呈现数据端( 显示端) 需求表格 名称呈现数据端( 显示端) 目的显示系统相关输出信息，如：学生答题信息，答题统计分析数据，系统工作状态信息等 设备特征通用大屏幕投影装置 2 3 本章小结 本章讨论了本课题的应用背景，逐一分析了p r s 四个组成部分，应答器、信息收集 器、p c 端以及显示端的功能需求，并以需求表格的方式简明表述了p r s 各个组成部分的 规格说明。 1 3 华南理t 大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 3 1 系统总体设计概况 上一章讨论了p r s 的需求分析，最终给出了系统的规格说明。规格说明只是详细地 描述了系统应该做什么，但没有说明如何做。系统总体设计，又称为体系结构设计，就 是描述系统如何实现相应功能。由前文叙述可知，p r s 在整体上由四大模块组成，其总 体设计需求如图3 1 所示。 图3 1p r s 总体设计需求 其中： 显示端采用的是通用设备，且与p c 机连接也是预置的，无需设计。 p c 端采用的是通用p c 机，无需硬件设计。p c 端软件主要完成两个功能，( 1 ) 按指 定的教育分析理论和方法，对信息收集器送来的学习反应数据进行处理分析，( 2 ) 在用户 的操作下，完成对整个p r s 操控与管理，并协调各个部件之间的工作秩序。 信息收集器是应答器与p c 端的数据收发转接中心，其对系统稳定运行有着重要影 响，也是系统性能瓶颈所在，其设计包括硬件设计和软件设计。 应答器的设计需要考虑的因素，特别是非功能性需求因素较多，如：体积要小， 功耗要低，成本极度敏感，操控简单，易于使用等等。因此，其对元器件选择、硬件设 1 4 第三章系统总统设计 计、软件设计有着相当高的要求，是系统实现的关键。 无线通信编码格式与协议设计是本课题研究的核心内容，如何基于低成本器件， 设计并实现一个稳定可靠，并满足p r s 通信指标需求的通信协议是问题的关键所在。 嵌入式系统设计需要软件、硬件协同设计，在本系统设计中，应答器与信息收集器 之间的无线通信方式，对系统硬件设计、软件设计具有深远影响，基本决定了系统的性 能、价格、使用场合、工作条件等诸多方面，这成为系统总体设计中首先需要考虑的问 题。 3 2 无线通信方案的选择 无线方案的选择主要集中在：当前主流无线互联( 网络) 标准，通用无线射频 遥控技术方案，红外通讯方案，下面将对各方案进行评估比较。 3 2 1 当前主流无线互联标准评估 随着无线通讯技术的迅速发展，不但无线技术逐渐取代有线技术，而且仅支持静态 固定拓扑结构的无线网络也逐渐被支持动态变化拓扑结构的无线网络取代。在短距离的 无线控制、监测、数据传输领域，目前通用的技术主要有w l a n ( i e e e8 0 2 1 1 ) 、蓝牙、 h o m e r f 、z i g b e e 等，它们在功耗、价格、传输速率、抗干扰、技术复杂度、组网能力等 方面各有优劣。 其中w l a n 主要应用于p c 和笔记本电脑的以太网无线接入，其需要配备无线网络接 口卡( n i c ) 和无线接入点( a c c e s sp o i n t ，简称a p ) ，无线网络接口卡是p c 机、笔记 本电脑或其它设备与无线网络连接的桥梁，接入点就像是无线网络的一个无线基站，将 多个无线接入站聚合到有线的网络上。采用w l a n 技术，需要配备w l a n