摘要：在傳統(tǒng)實驗教學中，部分實驗測量數(shù)據(jù)量大，人工處理過程繁瑣，為提升實驗質(zhì)效，引入自動化數(shù)據(jù)采集和快速處理理念，以RC暫態(tài)電路為例，基于樹莓派和A/D轉(zhuǎn)換器搭建實驗硬件平臺，利用Python開發(fā)實驗數(shù)據(jù)傳輸與處理軟件，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)自動采集、快速處理，自動生成擬合曲線，輔助學生判讀實驗結(jié)果。實際應用表明，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)豐富了實驗教學，培養(yǎng)了學生的自主學習和實踐能力，有助于提升大學物理實驗的教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：樹莓派A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)自動采集數(shù)據(jù)自動處理

中圖分類號：TE933.3

ExperimentalDataAcquisitionandProcessingSystemBasedonRaspberryPi

—TakingRCTransientCircuitasanExample

SONGYanni

SchoolofMathematicalSciences，NanjingTechUniversity，Nanjing，JiangsuProvince，211816China

Abstract：Inthetraditionalexperimentteaching，someexperimentmeasurementdataarelargeandmanualprocessingistedious.Toimprovetheexperimentalqualityandefficiency，automaticdataacquisitionandrapidprocessingconceptareintroducedTakingRCtransientcircuitasanexample，experimentalhardwareplatformwasbuiltbasedonraspberrypieandA/Dconverter，andexperimentaldatatransmissionandprocessingsoftwarewasdevelopedwithPythontoachieveautomaticexperimentaldataacquisition，rapidprocessing，automaticgenerationfittingcurve，assiststudentsinterprettheexperimentalresults.Practicalapplicationshowsthattheplatformenrichestheexperimentalteaching，cultivatesthestudents'independentlearningandpracticalability，andhelpsimprovetheteachingqualityofcollegephysicsexperiments.

KeyWords：RaspberryPi;A/Dconversion;Automaticdataacquisition;Automaticdataprocessing

在物理學領域，實驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性對于理論推導和結(jié)論得出的影響是至關(guān)重要的。任何物理理論都需要經(jīng)過實驗的驗證，而實驗數(shù)據(jù)的采集與處理則是這一驗證過程中的核心環(huán)節(jié)。同時，數(shù)據(jù)的精度越高，其后續(xù)處理效率也會相應提升，從而使得實驗結(jié)果更為可靠。因此，如何優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)的采集與處理，一直是科研人員關(guān)注的焦點。

樹莓派（RaspberryPi）作為一種微型計算機，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，因此在科研領域得到了廣泛的應用。而模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCF8591則是一種高精度的數(shù)據(jù)采集設備，能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供準確的數(shù)據(jù)源?；诖?，本文將圍繞樹莓派這一數(shù)據(jù)處理工具，深入探討如何通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCF8591來優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)的采集，進而改進RC暫態(tài)電路的實驗過程和結(jié)果。下面將詳細介紹實驗數(shù)據(jù)的采集和處理過程，包括數(shù)據(jù)采集的精度、處理效率以及如何確保數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。

1硬件

樹莓派4B作為最新一代的產(chǎn)品，不僅繼承了前代的優(yōu)點，更是在性能和功能上有了顯著的提升。優(yōu)勢：（1）樹莓派4B的體積小巧精致，但卻擁有令人驚嘆的計算能力；（2）樹莓派4B的功耗非常低，這使得它成為長時間運行的穩(wěn)定選擇；（3）樹莓派4B擁有40個GPIO通用輸入/輸出口，這為開發(fā)者提供了豐富的接口選擇；（4）編程語言的多樣性也是樹莓派4B的一大優(yōu)勢。無論你是Python、C，樹莓派都能滿足你的需求。這種靈活性使得開發(fā)者可以根據(jù)項目需求選擇最適合的編程語言，從而提高開發(fā)效率和代碼質(zhì)量。

PCF8591是一個功能強大的8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，它使用I2C通信協(xié)議與其他設備進行數(shù)據(jù)交互。這種通信方式具有高可靠性和長距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，因此在許多應用中得到了廣泛的應用。在一個系統(tǒng)中，可以同時使用多個PCF8591，每個設備都有其獨特的地址，從而避免了地址沖突的問題。

為了實現(xiàn)樹莓派與PCF8591之間的通信，需要將樹莓派的SCL和SDA引腳分別連接到PCF8591的SCL和SDA引腳上。這樣，樹莓派就成為了這個I2C通信系統(tǒng)中的主設備，可以控制PCF8591的讀寫操作，并讀取它所采集的實驗數(shù)據(jù)。連接完成后，樹莓派就可以通過特定的代碼來配置PCF8591的參數(shù)；然后PCF8591進行數(shù)據(jù)采集工作，并將結(jié)果發(fā)送回樹莓派進行處理或分析[1-2]。

2軟件

本系統(tǒng)在樹莓派中利用Python開發(fā)實驗數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)。Python是一種具有動態(tài)語法意義的高層編輯語言，編寫程序時不需要考慮底層細節(jié)，提高開發(fā)效率；Python可拓展性高，除自身編寫外，還可以混合使用C語言、Java語言等；Python編寫的程序可以打包為獨立的exe文件，方便在任何環(huán)境下運行。綜上所述，Python在開發(fā)實驗數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)中優(yōu)勢更突出[3]。

在實驗數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)中，需要一個簡潔清晰的界面來展示實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。Python中常用的GUI（GraphicsUsersInterface）庫有：Tkinter、PyQt和wxPython。本系統(tǒng)的界面設計選用Tkinter，其在界面設計上的優(yōu)勢：（1）簡單好用，操作簡便；（2）適用領域廣，可用于windows/linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)本地窗口風格；（3）界面直觀，方便使用，適用于開發(fā)各種系統(tǒng)[4-5]。

3RC暫態(tài)電路實驗的數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)

3.1RC暫態(tài)電路

RC電路，又稱電阻-電容電路，由一個電阻器和一個電容器組成，廣泛應用于模擬電路和脈沖數(shù)字電路中。RC電路的時間常數(shù)用表示，其大小決定了充放電時間的快慢。對充電而言，時間常數(shù)是電容電壓從0增長到所需要的時間；對于放電而言，是電容電壓從下降到所需要的時間[6]。

3.2設備連接

本系統(tǒng)的設備連接：一方面模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCF8591與RC暫態(tài)電路連接，PCF8591的AIN01和GND引腳分別接至電容器的正極和負極，用來實時采集電容器兩端的電壓；另一方面PCF8591與樹莓派連接，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至樹莓派，通過I2C總線方式實現(xiàn)，PCF8591的串行時鐘SCL和數(shù)據(jù)地址SDA分別連接至樹莓派的串行時鐘SCL.1和數(shù)據(jù)地址SDA.1。樹莓派給PCF8591供電，PCF8591的VCC端和GND端分別連接至樹莓派的VCC端和GND端。

3.3軟件設計

軟件設計部分基于樹莓派系統(tǒng)，使用python語言，主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。

樹莓派操作系統(tǒng)初始化；建立樹莓派與PCF8591的I2C通信；創(chuàng)建新的excel文件，準備采集并收集實驗數(shù)據(jù)；創(chuàng)建便捷控制實驗數(shù)據(jù)采集啟停的界面，方便控制數(shù)據(jù)采集的啟停；按照預先設計的頻率采集實驗數(shù)據(jù)；將時間與實驗數(shù)據(jù)對應填入Excel表格，保存，等待后續(xù)處理。

初始化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，定義擬合函數(shù)；創(chuàng)建直觀的數(shù)據(jù)處理操作界面，從Excel中選擇指定實驗數(shù)據(jù)進行處理，方便快捷地操縱實驗數(shù)據(jù)處理進程；實驗數(shù)據(jù)經(jīng)NumPy計算后，調(diào)用Matplotlib庫中的Pyplot擬合得到對應的曲線，可以將同一條件下的擬合曲線展示于同一個坐標系中，通過對比獲得實驗結(jié)論。

4結(jié)果與討論

RC暫態(tài)電路通過改變電阻阻值R、電容容量C來改變暫態(tài)電路的時間常數(shù)，研究時間常數(shù)與暫態(tài)電路的充放電之間的關(guān)系，電容器兩端電壓值與暫態(tài)電路的充放電電壓最值之間的關(guān)系?；跇漭珊蚉CF8591搭建實驗硬件平臺，利用Python開發(fā)實驗數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)自動采集、快速處理，自動生成擬合曲線，根據(jù)擬合曲線輔助學生分析RC暫態(tài)電路各個變量之間的變化關(guān)系。

固定電容容量C=470μf，電阻阻值R分別取100kΩ、50kΩ、10kΩ，采集實驗數(shù)據(jù)后，擬合RC暫態(tài)電路充放電過程中電容器兩端電壓隨時間t的曲線圖。隨著電阻的變化，擬合曲線的變化趨勢明顯。其中圖1表示各參數(shù)下的充電曲線，圖2為各參數(shù)下的放電曲線。隨著電阻阻值R的變化，時間常數(shù)發(fā)生有規(guī)律的變化，顯然時間常數(shù)與電阻阻值呈線性變化。

同樣，可以測試固定電阻阻值R=100kΩ，，改變電容容量C為940μf、470μf、235μf，采集實驗數(shù)據(jù)后，擬合RC暫態(tài)電路充放電過程中電容器兩端電壓隨時間的曲線，隨著電容容量的變化，擬合曲線的變化趨勢也很明顯。也可以測試電阻阻值和電容容量都可變的情況，采集實驗數(shù)據(jù)后，擬合RC暫態(tài)電路充放電過程中的曲線，觀察擬合曲線的變化趨勢。

5結(jié)語

樹莓派的可開發(fā)性高，不僅能夠外接多種傳輸設備，還能運行python和C編程語言。通過編寫代碼，輕松實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)等功能，同時能夠提高學生的硬件設計和軟件編程能力。本文以RC暫態(tài)電路實驗為例，展示了樹莓派在大學物理實驗中的實際應用?；跇漭傻膶嶒灁?shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的自動采集和處理，對于提高實驗效率和準確度，具有十分重要的意義。

參考文獻

[1] 李明.基于樹莓派的PCF8591數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2023（10）：18-20.

[2] 張濤.I2C通信協(xié)議及其在數(shù)據(jù)采集中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2021：12-15.

[3] 陳金立，周镕，陳宣，等.一種基于樹莓派的氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測教學實驗設計[J].實驗技術(shù)與管理，2021，38（6）：189-192，198.

[4] 孔欣茹.基于樹莓派的溫度巡檢機器人設計與實現(xiàn)[D].太原：山西大學，2023.

[5] 徐元聰.基于樹莓派的吸煙手勢檢測研究[D].荊州：長江大學，2023.

[6] 劉雪琳，章鈺琪，董愛國.基于Python的物理實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理，2021，38（3）：74-78.