0 引言

　　數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Digital Information System，DIS)是新一代的中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的產(chǎn)物，也是探究、創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新理念注入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)后的必然結(jié)果。2006年，教育部將DIS納入了中小學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器裝備標(biāo)準(zhǔn)，建議有條件的學(xué)校配備。目前，國內(nèi)已有多家企業(yè)有相應(yīng)的產(chǎn)品，但大多不夠成熟。而國外的類似產(chǎn)品雖然較為成熟，但價(jià)格偏高，難以普及。更重要的是，國外的產(chǎn)品不能夠很好地與我國的實(shí)驗(yàn)教材配合，難以開展教學(xué)。在此提出一種廉價(jià)、功能強(qiáng)大、基于ARM技術(shù)的DIS采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它是DIS的一個(gè)重要組成部分，并已與江蘇教育家教學(xué)裝備有限公司合作形成了產(chǎn)品。

　　1 DIS的組成

　　從物理結(jié)構(gòu)上看DIS，可以分成三個(gè)部分：傳感器端、采集器端和計(jì)算機(jī)端。三個(gè)部分既緊密聯(lián)系，又相對(duì)獨(dú)立。三部分之間定義標(biāo)準(zhǔn)的接口，為不同的傳感器裝置、采集器的使用方式和計(jì)算機(jī)處理分析軟件的組合提供極大的靈活性；而三者結(jié)合可以提供強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)功能，供師生創(chuàng)新和探究。事實(shí)上，用于傳感器物理量轉(zhuǎn)換、采集器數(shù)字化、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析的實(shí)驗(yàn)分析模型，也都是當(dāng)今實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究的通用模型。

　　1．1 傳感器端

　　傳感器，又叫換能器，是將物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件。測(cè)量不同的物理量，需要不同的傳感器。對(duì)于DIS來說，傳感器端并非單指?jìng)鞲衅?，而是傳感器和?shí)驗(yàn)裝置的總稱。針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)，如何將傳感器與實(shí)驗(yàn)裝置很好的結(jié)合，以便容易、真實(shí)、準(zhǔn)確地完成實(shí)驗(yàn)，是DIS傳感器端設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

　　1．2 采集器端

　　采集器的功能主要是通過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器件，將傳感器端提供的電學(xué)模擬量數(shù)字化，以便作后續(xù)處理。對(duì)于DIS來說，采集器端是其主體，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它需要保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性；它需要處理與傳感器端和計(jì)算機(jī)端的交互；考慮到易用性，它往往還要對(duì)采集的數(shù)據(jù)作一些初步的顯示和分析。

　　1．3 計(jì)算機(jī)端

　　計(jì)算機(jī)端就是指基于通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的DIS相關(guān)軟件集合，其開發(fā)主要體現(xiàn)在軟件。這部分也非常重要，它提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能。

　　2 DIS采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 總體設(shè)計(jì)

　　該設(shè)計(jì)選用Atmel公司的AT91SAM7SE512微控制器為控制核心。AT91SAM7SE512微控制器內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核心，主頻48 MHz，提供豐富的外設(shè)及接口，而且系統(tǒng)并行總線全數(shù)引出，擴(kuò)展性強(qiáng)。AT91SAM7SE512性能優(yōu)越，配以320×240的TFT真彩屏和觸摸屏，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)作采集器端的簡(jiǎn)單處理和顯示，以豐富DIS系統(tǒng)的使用方式，提高便攜性和易用性。

　　模／數(shù)轉(zhuǎn)換器件(ADC)選用Analog Devices公司的AD7323。AD7323為4通道，雙極輸入，12位ADC，最高采樣率達(dá)500 KSPS。其精度高，性能強(qiáng)，對(duì)于音頻采樣亦是綽綽有余，完全滿足DIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，并有潛力完成將來可能出現(xiàn)的高采樣率需求的新實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)擴(kuò)展了大容量的SDRAM和DataFLASH，以滿足運(yùn)行較大規(guī)模程序和大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。E2PROMI通過TWI(基本與I2C兼容)總線連接，以存儲(chǔ)系統(tǒng)重要的非易失性信息。

　　2．2 傳感器端的設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，傳感器主要由傳感器前端、信號(hào)放大電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)組成。對(duì)于模擬傳感器，信號(hào)放大電路的輸出直接接至采集器，由采集器的高精度A／D做模／數(shù)轉(zhuǎn)換，串口只負(fù)責(zé)提供傳感器ID號(hào)等信息。對(duì)于數(shù)字傳感器，單片機(jī)負(fù)責(zé)控制本地A／D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)讲杉?。?shù)字傳感器留有通用無線模塊的接口，可以加裝通用無線模塊，將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸。

　　2．3 與傳感器端的連接

　　傳感器分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。采集系統(tǒng)與傳感器端的連接分為有線和無線方式。在有線方式下，傳感器通過串口與采集器通信。數(shù)字傳感器的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)都通過串口傳輸。為了獲得較高的數(shù)據(jù)精度，模擬傳感器的串口只傳輸控制信號(hào)，而將信號(hào)放大電路的輸出直接接至采集器端的高精度ADC，由采集器采樣處理。數(shù)字傳感器可以通過加裝通用無線模塊而變?yōu)闊o線數(shù)字傳感器(即無線方式)。通用無線模塊基于ZigBee將串口數(shù)據(jù)透?jìng)鳌?/P>

　　有線連接的接口加入了保護(hù)電路，支持熱插拔，以滿足實(shí)用需求。無線方式解除了某些實(shí)驗(yàn)中由于連接電纜帶來的制約，并使得遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)成為可能。目前，國內(nèi)外同類產(chǎn)品中均沒有類似的功能。

　　2．4 與計(jì)算機(jī)端的連接

　　采集系統(tǒng)通過SD卡和USB電纜的方式與計(jì)算機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。SD卡體積小，容量大，價(jià)格便宜，既可以作為采集系統(tǒng)的擴(kuò)展存儲(chǔ)，又可以作為采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)端之間或者采集系統(tǒng)彼此之間交換數(shù)據(jù)的媒介。USB接口通用性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸率高，即插即用，是外設(shè)與計(jì)算機(jī)間通信的理想接口。

　　3 DIS采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3．1 總體概述

　　DIS采集器端的軟件以固件的形式固化在芯片內(nèi)部FLASH之中。主要功能包括：硬件外設(shè)的驅(qū)動(dòng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理、人機(jī)交互以及與傳感器端和計(jì)算機(jī)端之間的通信。系統(tǒng)總體的軟件架構(gòu)如圖3所示。DIS采集系統(tǒng)作為一個(gè)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，首先要確保數(shù)據(jù)采樣的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性；其次，系統(tǒng)還需要對(duì)數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)奶幚聿@示；另外，系統(tǒng)還必須適時(shí)地對(duì)用戶的觸摸操作和計(jì)算機(jī)端的指令做出響應(yīng)。軟件既要保證實(shí)時(shí)性，又要完成多項(xiàng)復(fù)雜的功能。小型嵌入式系統(tǒng)中常用的簡(jiǎn)單的前后臺(tái)程序開發(fā)模型已不能滿足需要，于是引入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。它以多任務(wù)的模型管理程序功能，降低了程序開發(fā)的復(fù)雜度；搶占式的任務(wù)調(diào)度，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　軟件分為三個(gè)層次：設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層和用戶應(yīng)用層。

　　3．2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)層

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)層在實(shí)現(xiàn)總線驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外設(shè)驅(qū)動(dòng)。如圖2所示，總線驅(qū)動(dòng)包括SPI驅(qū)動(dòng)、USART驅(qū)動(dòng)等。外設(shè)驅(qū)動(dòng)包括zigBee無線模塊驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)、觸摸屏(Touch Screen，TS)驅(qū)動(dòng)等。

　　3．3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層

　　采用小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核μC／OS-Ⅱ，負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信、內(nèi)存管理、互斥訪問等。又移植了FAT文件系統(tǒng)和GUI圖形庫，共同形成實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念。

　　3．4 用戶應(yīng)用層

　　具體針對(duì)DIS采集系統(tǒng)的需要，劃分任務(wù)，完成各項(xiàng)功能。共劃分了五個(gè)任務(wù)，并根據(jù)緊迫性要求設(shè)置了不同的優(yōu)先級(jí)。

　　(1)采樣任務(wù)，負(fù)責(zé)與傳感器端的簡(jiǎn)單通信及實(shí)時(shí)信號(hào)的采集。由于數(shù)據(jù)采樣的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性是采集系統(tǒng)的第一重要任務(wù)，所以設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)。

　　采樣任務(wù)由點(diǎn)擊圖形用戶界面的響應(yīng)功能發(fā)起，也可由計(jì)算機(jī)通過USB命令發(fā)起。采樣任務(wù)首先檢測(cè)在線的傳感器類型，獲取他們的ID號(hào)，然后設(shè)置采樣率，裝載采樣中斷，并打開傳感器，最后打開中斷進(jìn)入等待狀態(tài)，響應(yīng)指令。采樣中斷根據(jù)采樣率定時(shí)采樣，如果是模擬傳感器，則讀取本地A／D，進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換；如果是數(shù)字傳感器，則讀取串口的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，獲得采樣數(shù)據(jù)。對(duì)于特殊的傳感器還要做濾波等特殊處理。當(dāng)采樣到足夠多的數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送給處理程序。若是本地發(fā)起的采樣任務(wù)，則發(fā)送給界面任務(wù)處理予以顯示；若是計(jì)算機(jī)通過USB發(fā)起的，則發(fā)送給USB任務(wù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)處理。大致流程圖如圖4所示。

　　(2)觸摸屏輸入任務(wù)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)探測(cè)用戶的觸摸操作，更新輸入坐標(biāo)。

　　(3)USB通信任務(wù)，負(fù)責(zé)響應(yīng)計(jì)算機(jī)端的指令，根據(jù)需要，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端。

　　在初始化完成后，任務(wù)運(yùn)行一個(gè)狀態(tài)機(jī)，進(jìn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)接到計(jì)算機(jī)的USB中斷請(qǐng)求后，轉(zhuǎn)換為不同的狀態(tài)，以完成任務(wù)。大致流程圖如圖5所示。

　　(4)圖形用戶界面任務(wù)，負(fù)責(zé)與用戶的交互，完成相應(yīng)的操作，處理顯示數(shù)據(jù)等。

　　在初始化完桌面、菜單等一些窗口后，界面任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待采樣數(shù)據(jù)，并定時(shí)刷新界面。若有顯示的需求，界面任務(wù)在接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同的顯示方式作相應(yīng)的顯示。

　　(5)系統(tǒng)空閑任務(wù)，負(fù)責(zé)收集系統(tǒng)信息，更新系統(tǒng)狀態(tài)，刷新屏幕內(nèi)容等。顧名思義，設(shè)置為最低優(yōu)先級(jí)。

　　正如上面提及的順序，各任務(wù)優(yōu)先級(jí)從高到低排列為：采樣任務(wù)，觸摸屏輸入任務(wù)，USB通信任務(wù)，圖形用戶界面任務(wù)，系統(tǒng)空閑任務(wù)。

　　4 結(jié)語

　　經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)完成了設(shè)計(jì)功能，并且經(jīng)過大批量，長(zhǎng)時(shí)間的采集，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏和出錯(cuò)情況，能夠穩(wěn)定的運(yùn)行。

　　DIS是數(shù)字信息技術(shù)和嵌入式技術(shù)在教育領(lǐng)域的最新應(yīng)用。分析了DIS系統(tǒng)的整體模型，給出了其主體的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。由于硬件上定義了統(tǒng)一的接口，軟件上引入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的擴(kuò)展性極強(qiáng)。創(chuàng)新性地提出了傳感器的無線連接方式，以方便實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)硬件上基于ARM7平臺(tái)，體積小，重量輕，功耗低，價(jià)格便宜；軟件上提供了圖形用戶界面，支持觸摸操作，使用方便，界面友好。系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集與分析顯示于一體，可獨(dú)立使用，又可以方便地與計(jì)算機(jī)通信，性能優(yōu)越，穩(wěn)定性好?？梢灶A(yù)見，該設(shè)計(jì)在中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。