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基于ARM的DIS采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
北京飛旭科技有限公司
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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(guó)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(guó)外的類(lèi)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(guó)外的產(chǎn)品不能夠很好地與我國(guó)的實(shí)驗(yàn)教材配合,難以開(kāi)展教學(xué)。在此提出一種廉價(jià)、功能強(qiáng)大、基于北京ARM開(kāi)發(fā)板技術(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: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(lái)說(shuō),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(guò)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(lái)說(shuō),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(kāi)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(lái)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)的整體硬件結(jié)構(gòu)

  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(guò)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(guò)串口傳輸?shù)讲杉。?shù)字傳感器留有通用無(wú)線模塊的接口,可以加裝通用無(wú)線模塊,將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳輸。

傳感器端的設(shè)計(jì)

  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(wú)線方式。在有線方式下,傳感器通過(guò)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(guò)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(guò)加裝通用無(wú)線模塊而變?yōu)闊o(wú)線數(shù)字傳感器(即無(wú)線方式)。通用無(wú)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(wú)線方式解除了某些實(shí)驗(yàn)中由于連接電纜帶來(lái)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(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品中均沒(méi)有類(lèi)似的功能。

  2.4 與計(jì)算機(jī)端的連接

  采集系統(tǒng)通過(guò)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。


 

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