0 引言

　　數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室(Digital Information System，DIS)是新一代的中小學實驗教學系統(tǒng)，是先進的數(shù)字技術應用到實驗教學的產物，也是探究、創(chuàng)新的實驗教學新理念注入傳統(tǒng)實驗教學后的必然結果。2006年，教育部將DIS納入了中小學實驗儀器裝備標準，建議有條件的學校配備。目前，國內已有多家企業(yè)有相應的產品，但大多不夠成熟。而國外的類似產品雖然較為成熟，但價格偏高，難以普及。更重要的是，國外的產品不能夠很好地與我國的實驗教材配合，難以開展教學。在此提出一種廉價、功能強大、基于ARM技術的DIS采集系統(tǒng)設計。它是DIS的一個重要組成部分，并已與江蘇教育家教學裝備有限公司合作形成了產品。

　　1 DIS的組成

　　從物理結構上看DIS，可以分成三個部分：傳感器端、采集器端和計算機端。三個部分既緊密聯(lián)系，又相對獨立。三部分之間定義標準的接口，為不同的傳感器裝置、采集器的使用方式和計算機處理分析軟件的組合提供極大的靈活性；而三者結合可以提供強大的實驗功能，供師生創(chuàng)新和探究。事實上，用于傳感器物理量轉換、采集器數(shù)字化、計算機數(shù)據(jù)分析的實驗分析模型，也都是當今實驗科學研究的通用模型。

　　1．1 傳感器端

　　傳感器，又叫換能器，是將物理量轉換成電學量的器件。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，而是傳感器和實驗裝置的總稱。針對不同的實驗，如何將傳感器與實驗裝置很好的結合，以便容易、真實、準確地完成實驗，是DIS傳感器端設計的一個難點。

　　1．2 采集器端

　　采集器的功能主要是通過模／數(shù)轉換器件，將傳感器端提供的電學模擬量數(shù)字化，以便作后續(xù)處理。對于DIS來說，采集器端是其主體，是一個復雜的系統(tǒng)，它需要保證數(shù)據(jù)采集的實時性、準確性；它需要處理與傳感器端和計算機端的交互；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 計算機端

　　計算機端就是指基于通用計算機平臺的DIS相關軟件集合，其開發(fā)主要體現(xiàn)在軟件。這部分也非常重要，它提供了強大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能。

　　2 DIS采集系統(tǒng)硬件設計

　　2．1 總體設計

　　該設計選用Atmel公司的AT91SAM7SE512微控制器為控制核心。AT91SAM7SE512微控制器內嵌ARM7TDMI處理器核心，主頻48 MHz，提供豐富的外設及接口，而且系統(tǒng)并行總線全數(shù)引出，擴展性強。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500 KSPS。其精度高，性能強，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驗。系統(tǒng)的整體硬件結構如圖1所示。

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

　　2．2 傳感器端的設計

　　如圖2所示，傳感器主要由傳感器前端、信號放大電路、A／D轉換電路和單片機組成。對于模擬傳感器，信號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)轉換，串口只負責提供傳感器ID號等信息。對于數(shù)字傳感器，單片機負責控制本地A／D轉換，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，而將信號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電路，支持熱插拔，以滿足實用需求。無線方式解除了某些實驗中由于連接電纜帶來的制約，并使得遠距離運動學實驗成為可能。目前，國內外同類產品中均沒有類似的功能。

　　2．4 與計算機端的連接

　　采集系統(tǒng)通過SD卡和USB電纜的方式與計算機端進行數(shù)據(jù)交換。SD卡體積小，容量大，價格便宜，既可以作為采集系統(tǒng)的擴展存儲，又可以作為采集系統(tǒng)與計算機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，數(shù)據(jù)傳輸率高，即插即用，是外設與計算機間通信的理想接口。

　　3 DIS采集系統(tǒng)軟件設計

　　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部FLASH之中。主要功能包括：硬件外設的驅動、實驗數(shù)據(jù)的實時采集與處理、人機交互以及與傳感器端和計算機端之間的通信。系統(tǒng)總體的軟件架構如圖3所示。DIS采集系統(tǒng)作為一個數(shù)據(jù)采集的應用，首先要確保數(shù)據(jù)采樣的實時性和準確性；其次，系統(tǒng)還需要對數(shù)據(jù)做適當?shù)奶幚聿@示；另外，系統(tǒng)還必須適時地對用戶的觸摸操作和計算機端的指令做出響應。軟件既要保證實時性，又要完成多項復雜的功能。小型嵌入式系統(tǒng)中常用的簡單的前后臺程序開發(fā)模型已不能滿足需要，于是引入了實時操作系統(tǒng)(RTOS)。它以多任務的模型管理程序功能，降低了程序開發(fā)的復雜度；搶占式的任務調度，保證了系統(tǒng)的實時性。

　　軟件分為三個層次：設備驅動層、實時操作系統(tǒng)層和用戶應用層。

　　3．2 設備驅動層

　　設備驅動層在實現(xiàn)總線驅動的基礎上進而實現(xiàn)外設驅動。如圖2所示，總線驅動包括SPI驅動、USART驅動等。外設驅動包括zigBee無線模塊驅動、LCD驅動、觸摸屏(Touch Screen，TS)驅動等。

　　3．3 實時操作系統(tǒng)層

　　采用小型實時操作系統(tǒng)內核μC／OS-Ⅱ，負責任務調度、任務間通信、內存管理、互斥訪問等。又移植了FAT文件系統(tǒng)和GUI圖形庫，共同形成實時操作系統(tǒng)的概念。

　　3．4 用戶應用層

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

　　(1)采樣任務，負責與傳感器端的簡單通信及實時信號的采集。由于數(shù)據(jù)采樣的實時性和準確性是采集系統(tǒng)的第一重要任務，所以設置為最高優(yōu)先級。

　　采樣任務由點擊圖形用戶界面的響應功能發(fā)起，也可由計算機通過USB命令發(fā)起。采樣任務首先檢測在線的傳感器類型，獲取他們的ID號，然后設置采樣率，裝載采樣中斷，并打開傳感器，最后打開中斷進入等待狀態(tài)，響應指令。采樣中斷根據(jù)采樣率定時采樣，如果是模擬傳感器，則讀取本地A／D，進行模／數(shù)轉換；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)。對于特殊的傳感器還要做濾波等特殊處理。當采樣到足夠多的數(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，則發(fā)送給界面任務處理予以顯示；若是計算機通過USB發(fā)起的，則發(fā)送給USB任務將數(shù)據(jù)轉發(fā)給計算機處理。大致流程圖如圖4所示。

　　(2)觸摸屏輸入任務，負責實時探測用戶的觸摸操作，更新輸入坐標。

　　(3)USB通信任務，負責響應計算機端的指令，根據(jù)需要，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端。

　　在初始化完成后，任務運行一個狀態(tài)機，進入空閑狀態(tài)。當接到計算機的USB中斷請求后，轉換為不同的狀態(tài)，以完成任務。大致流程圖如圖5所示。

　　(4)圖形用戶界面任務，負責與用戶的交互，完成相應的操作，處理顯示數(shù)據(jù)等。

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

　　(5)系統(tǒng)空閑任務，負責收集系統(tǒng)信息，更新系統(tǒng)狀態(tài)，刷新屏幕內容等。顧名思義，設置為最低優(yōu)先級。

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

　　4 結語

　　經過測試，系統(tǒng)完成了設計功能，并且經過大批量，長時間的采集，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏和出錯情況，能夠穩(wěn)定的運行。

　　DIS是數(shù)字信息技術和嵌入式技術在教育領域的最新應用。分析了DIS系統(tǒng)的整體模型，給出了其主體的一個具體實現(xiàn)。由于硬件上定義了統(tǒng)一的接口，軟件上引入了實時操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的擴展性極強。創(chuàng)新性地提出了傳感器的無線連接方式，以方便實驗。系統(tǒng)硬件上基于ARM7平臺，體積小，重量輕，功耗低，價格便宜；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，可獨立使用，又可以方便地與計算機通信，性能優(yōu)越，穩(wěn)定性好。可以預見，該設計在中小學實驗教學領域將有廣泛的應用前景。