任务名称
2022年_10月_E题：基于 CC3200 的无线监视系统
任务要求
难度
一、任务
设计一套基于 CC3200 的无线监视系统，系统包括两个无线监视终端 A 和 B，以及一部手机。无线监视终端 A与 B 能完成模拟音频信号或二进制数字信号的实时采集，并通过 WiFi 进行信息发送。手机能接收无线监视终端发送来的信息，并区分出音频信号和数字信号，如果是音频信号就实时显示信号波形，如果是数字信号就显示数字值。无线监视终端 A 与 B 之间能通过 WiFi 交换彼此采集的数字信号，并用 LED 顺序显示数字值。无线监视终端 A 与 B都采用单电源电池供电。系统的结构示意图如图 1 所示。
二、要求
- 任选一台无线监视终端，实时采集数字信号并通过 WiFi 发送。另一台无线监视终端实时接收并显示数字值。要求数字信号传输正确，无线传输距离不小于 2 米，传输时延不大于 2 秒。（20 分）
- 任选一台无线监视终端，实现实时采集模拟音频信号，通过 WiFi 发送给手机，手机接收音频信号后实时显示信号波形。要求接收的音频信号波形无失真，无线传输距离不小于 2 米，传输时延不大于 2 秒。（30分）
- 任选一台无线监视终端，实现同时采集模拟音频信号和数字信号，并通过 WiFi 实时发送给手机接收，并在手机上实时显示音频信号波形和数字值。要求显示的音频信号波形无失真，显示的数字值正确，且传输时延不大于 2 秒。（30 分）
- 无线监视终端采用单电源电池供电，并进行低功耗设计。要求在同时采集模拟音频信号和数字信号，并通过 WiFi 进行实时发送的状态下，无线监视终端的整体功耗越低越好。（15 分）
- 其他。（5 分）
- 设计报告。（20 分）
三、说明
- 本题目指定使用 TI 公司的 CC3200 芯片。CC3200 是内置 WiFi 模块的微控制器，是 TI 公司专为物联网开发与应用设计的集成芯片，芯片集成了高性能的 ARM Cortex-M4 处理器内核和 WiFi 网络处理器。
- 题目中所谓“任选一台无线监视终端”，是指在进行作品测试时由专家任意指定一台无线监视终端来进行测试操作。
- 题目中要求的手机，也可用有 WiFi 的平板等智能信息终端代替，完成作品制作后，手机（或者其他智能信息终端）必须同作品一并封装。
- 要采集的模拟音频信号可以使用信号源直接输入。数字信号通过一组由 8 个开关电路所构成的 8 位二进制数值来表示，要求可以手动拨动开关来随时改变数字信号对应的数字值。
- 为了便于无线监视终端的功耗测试，采用电池供电的无线监视终端应该留有电流、电压的测试端口。
- 考虑到在作品制作、调试和测试的现场，可能存在其他同类作品，或者存在其他正在使用的 WiFi，因此在作品设计中要注意合理设置 CC3200 内置 WiFi 模块，尽量减少或避免与其他 WiFi 突出所带来的影响。
参考答案
GPT-4o给出的设计方案：
一、设计方案概述
该设计包括两个无线监视终端A和B，以及一个手机。系统将基于CC3200单芯片无线MCU进行设计。终端A和B分别实时采集数据并通过WiFi传输至手机。手机根据接收到的数据进行信号显示与处理，并反馈给终端进行控制。终端上通过LED显示数字信号状态。
二、方案论证
-
实时数据采集与传输：
- 使用高精度ADC采集数据，并通过CC3200内置WiFi模块，将采集的数据无线发送至手机。
- 手机端应用程序通过WiFi接收数据，实时显示信号数据并控制。
-
信号显示与反馈：
- 手机接收数据后，通过应用程序显示数据，并根据状态情况下发信号反馈给终端，进一步显示信号或控制LED。
-
低功耗设计：
- CC3200芯片支持Deep Sleep模式，符合低功耗要求，延长电池使用寿命。
三、理论分析与计算
-
数据采集与发送速率：
- 根据题目要求，数据传输延迟不超过2K，确保实时性。WiFi传输延迟与信号处理时间需要综合考虑，每次传输的数据包需小于2K。
-
采集精度：
- 使用12位ADC采集信号，采样频率要求不小于2KHz，确保信号完整性。
-
功耗管理：
- 在数据空闲期间，CC3200进入休眠状态，降低功耗。
四、电路原理图设计要点
-
信号采集电路：
- 使用高分辨率ADC模块，接入传感器进行信号采集。
- 在CC3200的ADC引脚上串联电阻和滤波电容，确保信号稳定。
-
WiFi通信模块：
- 内置于CC3200芯片，对WiFi模块进行配置。
- 天线设计需考虑信号强度，尽量采用高增益天线。
-
LED显示电路：
- LED显示电路上使用电阻限流。
- 通过CC3200的GPIO引脚进行控制。
五、核心器件设计要点
-
CC3200无线MCU：
- 集成了高性能ARM Cortex-M4内核和WiFi通信模块。
- 使用内部定时器和ADC模块进行实时数据采集与处理。
-
高精度ADC：
- 目标采样率不小于2KHz，12位以上分辨率。
-
LED显示模块：
- 使用低功耗LED和限流电阻保证显示效果和电流安全。
六、重要功能的C代码
假设使用CC3200进行数据采集、发送和显示的核心C代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "cc3200.h"
#include "gpio.h"
#include "adc.h"
#include "wifi.h"
// 初始化ADC
void ADC_Init(void) {
ADC_ConfigTypeDef adcConfig;
adcConfig.sampleRate = 2000; // 设置采样率 2KHz
adcConfig.resolution = 12; // 12位分辨率
ADC_Init(ADC1, &adcConfig);
}
// 初始化WiFi
void WiFi_Init(void) {
WiFi_ConfigTypeDef wifiConfig;
wifiConfig.ssid = "Your_SSID";
wifiConfig.password = "Your_password";
WiFi_Init(&wifiConfig);
}
// 数据采集并发送
void Data_Collect_And_Send(void) {
uint16_t adcValue = 0;
char buffer[16];
adcValue = ADC_Read(ADC1);
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "ADC:%04d", adcValue);
WiFi_SendData(buffer, sizeof(buffer));
}
// 主函数
int main(void) {
ADC_Init();
WiFi_Init();
while (1) {
Data_Collect_And_Send();
HAL_Delay(500); // 500ms 采集间隔
}
}七、重要功能的Verilog代码
假设使用FPGA进行一些辅助功能处理，提供核心Verilog代码：
module led_ctrl(
input clk,
input [3:0] data,
output reg [7:0] led
);
always @(posedge clk) begin
case(data)
4'b0000: led <= 8'b00000001;
4'b0001: led <= 8'b00000011;
4'b0010: led <= 8'b00000111;
4'b0011: led <= 8'b00001111;
4'b0100: led <= 8'b00011111;
4'b0101: led <= 8'b00111111;
4'b0110: led <= 8'b01111111;
4'b0111: led <= 8'b11111111;
default: led <= 8'b00000000;
endcase
end
endmodule该题目考察的知识点：
- WiFi通信：掌握CC3200无线MCU的WiFi模块配置和数据传输机制，实现无线数据传递和实时监控。
- 信号采集：熟悉ADC（模数转换器）的工作原理，包括采样率、分辨率和数据处理。
- 实时时钟控制：理解如何在嵌入式系统中实现精确的时钟控制，提高数据采集和发送的可靠性。
- 低功耗设计：掌握低功耗设计原则，优化设备休眠和唤醒策略，延长电池寿命。
- 硬件控制：掌握GPIO端口的使用，控制LED显示等外围设备。
- 数据处理：熟悉MCU的数据处理能力，确保数据的实时性和准确性。
- 系统调试：具备调试与优化系统性能的能力，包括硬件和软件调节。
- 嵌入式编程：掌握嵌入式系统编程和实时操作系统的使用，提高程序运行效率。
