張弓

摘要：：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集器在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，難以開(kāi)展一些實(shí)際生活場(chǎng)景中的探究性實(shí)驗(yàn)，較少有在室外進(jìn)行實(shí)地探究的物理實(shí)驗(yàn)實(shí)例。結(jié)合STM32芯片、傳感器技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)，設(shè)計(jì)一套成本低、便攜的手持式數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)。手持式數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)將“傳感器-采集器-移動(dòng)客戶端”三級(jí)傳輸結(jié)構(gòu)集合在一起，擺脫空間的束縛，能獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和記錄，在室外探究性實(shí)驗(yàn)以及演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象短暫、信號(hào)微弱等實(shí)驗(yàn)方面具有較大優(yōu)勢(shì)，適合在中學(xué)物理教學(xué)中推廣使用。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：手持式數(shù)據(jù)采集器；傳感器；STM32；物理實(shí)驗(yàn)；信息技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.161262

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）007008902

0引言

數(shù)據(jù)采集器由采集器、傳感器、軟件3部分組成，一般與電腦連接，具備收集、儲(chǔ)存并分析數(shù)據(jù)的功能。其在信息獲取、實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和分析等方面顯示出巨大的優(yōu)越性，在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也十分廣泛。

目前，手持式數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)較為成熟＼[14＼]，不過(guò)大多是為工程技術(shù)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并沒(méi)有為實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，價(jià)格相對(duì)較高，在學(xué)校很難推廣使用。在新課標(biāo)“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)室，加快中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，諸如通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等”的理念指導(dǎo)下，利用數(shù)據(jù)采集器技術(shù)整合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)發(fā)展的方向，符合新課標(biāo)中注重過(guò)程與方法的提倡，并具有重要意義。

結(jié)合傳感器技術(shù)、手持示波器開(kāi)發(fā)技術(shù)、藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)，基于STM32芯片設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉且能便攜、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量物理量的手持式數(shù)據(jù)采集器，解決直流信號(hào)測(cè)量問(wèn)題，包括電壓測(cè)量、波形分析等功能供物理教學(xué)使用，保證了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不受限制。

1系統(tǒng)整體方案

整個(gè)系統(tǒng)主要由傳感器模塊、手持式數(shù)據(jù)采集器、Android手機(jī)顯示平臺(tái)模塊三部分組成，并應(yīng)用于相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)中。系統(tǒng)原理如圖1所示。

表1系統(tǒng)各組成模塊介紹模塊名稱(chēng)主要功能傳感器模塊主要采集各種物理量（電磁），以便將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)STM32模塊主要完成對(duì)信號(hào)的采集、分析、顯示、存儲(chǔ)、傳輸?shù)冗壿嬁刂魄爸秒娐纺K主要完成原始電信號(hào)的濾波，放大作用，使其符合STM32輸入信號(hào)要求TFT顯示模塊實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)波形以及相應(yīng)的提示信息按鍵控制模塊完成良好的人機(jī)交互獨(dú)立電源模塊設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的可充放電的電源電路，為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定不間斷運(yùn)行提供有力保障控制接口模塊主要包括常見(jiàn)的重要接口：Mini_USB接口、RS-232接口、JATG接口、藍(lán)牙串口等存儲(chǔ)模塊系統(tǒng)兩種存儲(chǔ)介質(zhì)，包含STM32內(nèi)置的flash芯片和2G的TF-SD卡，系統(tǒng)將配置數(shù)據(jù)、圖片等信息存儲(chǔ)在此介質(zhì)上Android手機(jī)手持?jǐn)?shù)據(jù)采集器通過(guò)藍(lán)牙串口將數(shù)據(jù)傳輸至Android界面進(jìn)行顯示和保存2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1手持式數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)

手持式數(shù)據(jù)采集器采用了意法半導(dǎo)體公司推出的新型32位ARM內(nèi)核處理機(jī)芯片STM32系列中的 STM32F103VCT6，STM32F103x增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為 72MHz。由于STM32采取與以往不同的設(shè)計(jì)方法，將各個(gè)外設(shè)封裝成標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，并提供STM32固件庫(kù)和USB開(kāi)發(fā)工具集，因而能夠更輕松地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

手持式數(shù)據(jù)采集器主要包括前置調(diào)制模塊、鍵盤(pán)控制模塊、TFT顯示模塊、獨(dú)立電源模塊、控制接口模塊、存儲(chǔ)模塊共六大模塊。

2.2前置調(diào)制模塊

輸入信號(hào)通過(guò)74HC4051模擬開(kāi)關(guān)芯片選擇適當(dāng)?shù)牧砍蹋ü?個(gè)量程），則電路將自動(dòng)控制TL082的放大倍數(shù)，將信號(hào)控制在主控芯片所能承接的范圍內(nèi)（0～3.3V），以實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量。前置調(diào)制模塊使得系統(tǒng)的輸入信號(hào)范圍擴(kuò)大至0～80V。

2.3控制接口模塊

手持式數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)有3種接口（ISP、JTAG、藍(lán)牙）可供STM32與外界交互數(shù)據(jù)，程序可通過(guò)ISP接口和JTAG接口下載，JTAG口還可在線調(diào)試程序，BLUT接口是藍(lán)牙串口，STM32的串口2系統(tǒng)通過(guò)此串口與Android手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.4顯示模塊

其中，顯示模塊為2.8寸TFT液晶，其控制IC為ST7781R。

2.5傳感器模塊

以聲音傳感器為例，聲音信號(hào)一般較為微弱，因此利用聲音傳感器模塊對(duì)周?chē)h(huán)境的聲音信號(hào)進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為放大的電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中采用的此款聲音傳感器采用原裝音頻處理芯片，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行200倍放大，且輸出音頻信號(hào)幅值可調(diào)。

2.6存儲(chǔ)模塊

主控芯片STM32內(nèi)置的Flash不能滿足本系統(tǒng)的存儲(chǔ)需求，因此存儲(chǔ)模塊中設(shè)計(jì)了通用的大容量TF-SD接口將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于MiniSD卡中，便于存儲(chǔ)和拷貝模塊。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體流程

數(shù)據(jù)采集器整體功能設(shè)計(jì)中，示波功能的軟件設(shè)計(jì)既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。因此本節(jié)重點(diǎn)講解示波功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，其整體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3.2數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)定時(shí)器1來(lái)控制STM32內(nèi)置的ADC定時(shí)采集數(shù)據(jù)，采集完一組數(shù)據(jù)后觸發(fā)DMA傳輸?shù)教囟ǖ臄?shù)組中。具體思路：首先初始化系統(tǒng)，然后配置ADC1、DMA、定時(shí)器TIM1，配置完成后啟動(dòng)定時(shí)器TIM1觸發(fā)ADC采集，當(dāng)采集完一組（1 024個(gè)）數(shù)據(jù)后，觸發(fā)DMA，將AD緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA傳輸至Scan_Buffer數(shù)組。其詳細(xì)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

從流程圖中可以看出，定時(shí)器1是一直不斷地觸發(fā)AD采集，這樣可最大程度防止數(shù)據(jù)遺漏，當(dāng)用戶需要暫停觀察波形便通過(guò)控制DMA的開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到目的。同時(shí)，當(dāng)用戶需要調(diào)整示波器時(shí)基便通過(guò)調(diào)整定時(shí)器1的分頻系數(shù)及自動(dòng)重載值來(lái)控制采樣率，以達(dá)到調(diào)整時(shí)基的目的。

3.2.2系統(tǒng)參數(shù)保存

系統(tǒng)可以保存用戶設(shè)置的各種參數(shù)，包括觸發(fā)模式、垂直、水平靈敏度、當(dāng)前菜單索引等，這些參數(shù)通過(guò)一個(gè)Item_Index數(shù)組進(jìn)行保存。用戶通過(guò)選擇可以將參數(shù)保存到SD卡或內(nèi)置Flash中。系統(tǒng)參數(shù)保存設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3.3.1Android技術(shù)簡(jiǎn)介

Android基于Linux技術(shù)，由操作系統(tǒng)、用戶界面和應(yīng)用程序組成，允許開(kāi)發(fā)人員自由獲取、修改源代碼，也就是說(shuō)，這是一套具有開(kāi)源性質(zhì)的手機(jī)終端解決方案。

3.3.2關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——Android自定義與STM32通信協(xié)議將Android的藍(lán)牙作為主機(jī)，尋找STM32的藍(lán)牙模塊，連接成功后，雙方只需自定義好協(xié)議：開(kāi)始標(biāo)識(shí)、結(jié)束標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用自定義標(biāo)識(shí)：MAX_SAMPLES表示最大采樣數(shù)，MAX_LEVEL表示最大電壓對(duì)應(yīng)的屏幕Y值，DATA_START表示波形數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸標(biāo)識(shí)；DATA_END表示波形數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標(biāo)識(shí)；REQ_DATA表示請(qǐng)求STM32傳輸標(biāo)識(shí)。Android接收到STM32傳輸過(guò)來(lái)的一組數(shù)據(jù)時(shí)，判斷是否為開(kāi)始或者