基于ARM的DIS采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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。測量不同的物理量，需要不同的傳感器。對于DIS來說，傳感器端并非單指傳感器，而是傳感器和實(shí)驗(yàn)裝置的總稱。針對不同的實(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，可以對采集的數(shù)據(jù)作采集器端的簡單處理和顯示，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)透傳。
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。
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