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摘要：數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)，它是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。分析數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問(wèn)題，并配有實(shí)例說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集器；單片機(jī)應(yīng)用

1引言

隨著科技的發(fā)展各種傳感器、集成電路、微機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，不斷改變著我們的生活，同時(shí)也促進(jìn)我們改變?cè)械慕虒W(xué)方式——數(shù)字化教學(xué)。它采用多種傳感器測(cè)量不同的物理量，測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)配套的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)圖形顯示和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，它比傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)儀更生動(dòng)、更形象，更科學(xué)。

2數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)組成

數(shù)字化物理試驗(yàn)系統(tǒng)（DigitalExperimentSystem）將傳感器技術(shù)和微機(jī)技術(shù)相結(jié)合而形成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。整個(gè)數(shù)字化試驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)，它由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、傳感器、附件等4個(gè)部件組成，系統(tǒng)框圖如圖1。數(shù)字化試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器接收一個(gè)或者多個(gè)傳感器配套組合成我們物理實(shí)驗(yàn)中所需要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，如牛頓第一定律、牛頓第二定律、牛頓第三定律、機(jī)械能守恒定律、向心力實(shí)驗(yàn)、簡(jiǎn)諧振動(dòng)、伏安特性、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通量變化等實(shí)驗(yàn)，幾乎涵蓋了整個(gè)基礎(chǔ)物理的各個(gè)主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。數(shù)字化物理試驗(yàn)系統(tǒng)主要部件介紹如下所述。（1）計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)通過(guò)串口與數(shù)據(jù)采集器通訊，通過(guò)表格，曲線，儀表等形式表現(xiàn)出來(lái)，直觀地讓用戶了解外部信號(hào)的大小，進(jìn)而分析出其中的規(guī)律。軟件提供實(shí)驗(yàn)過(guò)程的保存、重放、分析等功能。用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。（2）數(shù)據(jù)采集器：數(shù)據(jù)采集器采集傳感器輸出的電壓信號(hào)或脈沖信號(hào)信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制、傳感器識(shí)別、數(shù)據(jù)信號(hào)采集并與PC機(jī)通信。（3）傳感器：應(yīng)用各類(lèi)傳感器例如壓強(qiáng)傳感器，力傳感器，聲傳感器，磁傳感器、溫度傳感器，紅外發(fā)射和接收傳感器，以及運(yùn)放和比較電路來(lái)實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)、力、聲、溫度、磁、位移收發(fā)、電壓、電流、微電流、光電門(mén)等信號(hào)的采集，然后轉(zhuǎn)換成電壓或者脈沖信號(hào)的傳輸至數(shù)據(jù)采集器。并與數(shù)據(jù)采集器通信完成各個(gè)傳感器的識(shí)別。（4）附件：在做實(shí)驗(yàn)時(shí)提供一些輔助工作，如支架、軌道、模型車(chē)、音叉等。

2.2關(guān)鍵設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)各功能模塊的描述，物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)采集器，它在整個(gè)系統(tǒng)中類(lèi)似于人的“大腦”，它需完成系統(tǒng)的控制、傳感器通道的識(shí)別、各類(lèi)數(shù)據(jù)信號(hào)采集（電壓量信號(hào)，光電脈沖信號(hào)）和與計(jì)算機(jī)之間的通信，起到了承上啟下的過(guò)渡作用，是個(gè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。它的系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。如果說(shuō)數(shù)據(jù)采集器是物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的“大腦”，那單片機(jī)是數(shù)據(jù)采集器中的“大腦”。數(shù)據(jù)采集器需要AD轉(zhuǎn)換器完成電壓量信號(hào)的采樣，F(xiàn)lash用于緩存采樣的數(shù)據(jù)，定時(shí)器的捕獲功能完成脈沖信號(hào)的采集，2路串口分別完成于傳感器和計(jì)算機(jī)之間的通訊。因此需要選擇一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)（MCU）是關(guān)鍵。根據(jù)篩選單片機(jī)選用了TI公司的16位單片機(jī)MSP430F149。單片機(jī)MSP430F149片內(nèi)集成了60kB程序Flash、256B信息Flash、2kBRAM；8通道12位AD轉(zhuǎn)換器；1個(gè)模擬量比較器；3個(gè)16位定時(shí)器，看門(mén)狗定時(shí)器，兩路串口（兼容UART、SPI）；48個(gè)雙向I/O口。我們?cè)谠O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳感器時(shí)就只需找出關(guān)鍵因素自上而下來(lái)解決，數(shù)據(jù)傳感器就有接入傳感器判別、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送等主要問(wèn)題，如圖3所示。（1）通道的判別。數(shù)字試驗(yàn)系統(tǒng)中有許多傳感器接入，如何正確判別傳感器有沒(méi)有接入數(shù)據(jù)采集器，以及傳感器類(lèi)型判別是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)中最簡(jiǎn)單的方法就是直接應(yīng)用MCU的P1口，通過(guò)電平的變化來(lái)確定傳感器的接入。無(wú)傳感器接入時(shí)上拉為高電平，傳感器接入后電平被拉低。（2）電壓量采集。數(shù)字化物理試驗(yàn)系統(tǒng)中壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、壓強(qiáng)傳感器、磁傳感器等最后輸出至數(shù)據(jù)采集器都是以電壓量的形式輸出，所以電壓量信號(hào)采集是一個(gè)比較重要的采集。它的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到很多物理試驗(yàn)的完成。數(shù)據(jù)采集器的電壓量信號(hào)通過(guò)模擬光偶隔離后連接到單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換器，模擬光偶由1片HCNR200和2片運(yùn)放OP27共同組成。（3）光電脈沖信號(hào)采集。物理試驗(yàn)中的位移傳感器，光電門(mén)傳感器是一系列的脈沖信號(hào)。這就需要應(yīng)用到單片機(jī)中定時(shí)器B的捕獲功能。所謂捕獲功能就是利用外部信號(hào)的上升沿、下降沿或者上升下降沿觸發(fā)來(lái)測(cè)量外部或內(nèi)部事件。數(shù)據(jù)采集器的通道1～4分別對(duì)應(yīng)于單片機(jī)中的TB3～TB0，并同時(shí)設(shè)置捕獲上升沿和下降沿。上升沿中斷時(shí)保存一次捕獲值，下降沿中斷時(shí)保存捕獲值。下降沿與上升沿的值相減，從而求得信號(hào)的脈寬。（5）數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)字試驗(yàn)系統(tǒng)中各個(gè)傳感器傳送到數(shù)據(jù)各有不同，例如應(yīng)用到位移傳感器的實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)量大，力傳感器進(jìn)行牛頓第三定律時(shí)的數(shù)據(jù)也需要一個(gè)連續(xù)信號(hào)，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)不同，將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為長(zhǎng)幀、短幀a和短幀b共3種類(lèi)型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型，分為6種情況：長(zhǎng)幀（位移）、長(zhǎng)幀（光電門(mén)）、長(zhǎng)幀（電壓量）、短幀a（電壓量）、短幀b（電壓量）、混合型（向心力實(shí)驗(yàn)）長(zhǎng)幀數(shù)據(jù)作為通用數(shù)據(jù)傳輸，短幀a和短幀b用于專(zhuān)用型實(shí)驗(yàn)傳輸設(shè)置，而它們區(qū)別在于短幀b是連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)；短幀a為非連續(xù)采樣。數(shù)據(jù)采集器的基本功能：系統(tǒng)的控制、傳感器通道的識(shí)別、各類(lèi)數(shù)據(jù)信號(hào)采集（電壓量信號(hào)，光電脈沖信號(hào)）和與計(jì)算機(jī)之間的通信都實(shí)現(xiàn)了。

3應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明一下數(shù)字試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)情況，同時(shí)也讓大家了解它的有趣之處。

3.1實(shí)驗(yàn)1牛頓第三定律實(shí)驗(yàn)

以物理實(shí)驗(yàn)中最基本的牛頓第三定律為例。牛頓第三定律：兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一直線上[1]。即F＝-F。這是一個(gè)比較好理解的實(shí)驗(yàn)，我們應(yīng)用了計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器和2個(gè)力傳感器。通過(guò)兩個(gè)力傳感器的互拉，實(shí)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。（1）可靠的通道識(shí)別。在數(shù)據(jù)采集器簡(jiǎn)介中，通道識(shí)別通過(guò)看門(mén)狗定時(shí)器監(jiān)測(cè)P1口狀態(tài)，若相應(yīng)管腳為低電平說(shuō)明該通道有傳感器接入。但是單純的判別電平變化有時(shí)還會(huì)造成誤判問(wèn)題，如何做到可靠的通道識(shí)別。解決方法是采用軟件去抖動(dòng)的方法，先設(shè)置看門(mén)狗定時(shí)器的中斷間隔為4ms，每4次中斷（16ms）采樣一次，采樣到傳感器通道狀態(tài)改變后開(kāi)始計(jì)數(shù)，若能計(jì)數(shù)到10則說(shuō)明是穩(wěn)定狀態(tài)，判別出通道接入的傳感器。（2）合理的傳感器判斷。主程序檢測(cè)到傳感器接入后，數(shù)據(jù)采集器通過(guò)與傳感器串口通信，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的通訊規(guī)約讀取傳感器類(lèi)型，讀取完畢后發(fā)送狀態(tài)至計(jì)算機(jī)。（3）準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)采集器根據(jù)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型選擇發(fā)送從傳感器采集到的電壓量信號(hào)數(shù)據(jù)。然而完成準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸，需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集：本實(shí)驗(yàn)中力傳感器輸入信號(hào)范圍在-20～+20N對(duì)應(yīng)輸出電壓量信號(hào)為0～2.5V。在不接任何東西的情況下，輸出電壓為1.25V。數(shù)據(jù)采集器不僅為傳感器輸入電源，而且需要處理數(shù)字量信號(hào)。如果模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混在一起，沒(méi)進(jìn)行隔離，那對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)這個(gè)災(zāi)難。我們選用高線性模擬光電耦合器HCNR200，它有良好的穩(wěn)定性和線性度可以幫助我們實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸。初級(jí)（模擬部分）包括一片運(yùn)放OP27和光耦HCNR200中的LED、光敏管PD1；次級(jí)（數(shù)字部分）包括HCNR200中的光敏管PD2和另一片運(yùn)放OP27（圖5）。因此，經(jīng)過(guò)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)HCNR200的LED，LED產(chǎn)生光信號(hào)后同時(shí)驅(qū)動(dòng)光敏管PD1、PD2產(chǎn)生電流。PD1構(gòu)成初級(jí)運(yùn)放的負(fù)反饋并自動(dòng)調(diào)整其輸出電壓，使LED上的光強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，從而使PD2上產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。PD2的電流經(jīng)次級(jí)運(yùn)放還原為電壓信號(hào)，其輸入輸出關(guān)系為式（1）。Vout＝Vin×(R14＋RV1)/R11（1）通過(guò)調(diào)整電位器RV1可以得到希望的比例關(guān)系。這樣既隔離數(shù)據(jù)采集器與傳感器的收發(fā)信號(hào)，又將不同電壓電平的進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體如表1所示。（4）形象的數(shù)據(jù)展示。最后計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)采集器接收到的數(shù)據(jù)以圖形的形式呈現(xiàn)處理，如圖6所示，紅線和藍(lán)線分別表示作用力和反作用力之間的關(guān)系方向相反大小相同。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)截圖，數(shù)據(jù)回放等功能。同時(shí)也對(duì)超量程警告提醒，有利于保護(hù)力傳感器。

3.2實(shí)驗(yàn)2動(dòng)能定理

動(dòng)能定理：合外力對(duì)物體所做的功等于物體動(dòng)能的增量。物體所做的功：W＝F×S。物體動(dòng)能的增量：ΔE＝½×mv02－½×mv12。即W＝ΔEk。光電門(mén)傳感器的原理：當(dāng)擋光片沒(méi)有經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)，光電門(mén)信號(hào)時(shí)導(dǎo)通的，當(dāng)擋光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)，光電門(mén)信號(hào)是斷開(kāi)的。這樣就形成這樣一個(gè)波形，如圖7波形所示，遮擋時(shí)間不同形成的波形。這樣記錄光被遮擋的時(shí)間間隔Δt。而我們已知擋光片的寬度ΔS，這樣就可求出極短時(shí)間內(nèi)的平均速度，也即測(cè)得瞬時(shí)速度Δt＝ΔS/Δt。其次需解決的問(wèn)題：如何采集光電門(mén)的脈沖信號(hào)。在前面介紹數(shù)據(jù)采集器時(shí)介紹了用定時(shí)器的捕獲功能，但是單片機(jī)的定時(shí)器A和B都是16位，輸入時(shí)鐘為主時(shí)鐘8MHz，因此它能計(jì)量的脈沖信號(hào)寬度最大為：125ns×65535＝8.192ms，這對(duì)采集光電門(mén)傳感器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為解決這一問(wèn)題，在測(cè)量脈寬時(shí)，使用定時(shí)器A輔助計(jì)數(shù)：在定時(shí)器B的上升沿中斷對(duì)定時(shí)器A清零并設(shè)立一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)量定時(shí)器A的溢出，每溢出一次計(jì)數(shù)器加一。最后將定時(shí)器A的計(jì)數(shù)結(jié)果乘以65536后累加到定時(shí)器B的捕獲值得到最終結(jié)果，從而解決了光電門(mén)信號(hào)脈沖采集的問(wèn)題。在同一個(gè)軌道上，用不一樣的擋光片，經(jīng)過(guò)3次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，如表2所示。當(dāng)解決了上述問(wèn)題后，我們就可以構(gòu)建實(shí)驗(yàn)了，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器和光電門(mén)傳感器和附件（軌道、小車(chē)、擋光片和摩擦塊）。圖8中推動(dòng)小車(chē)（擋光片）沿軌道運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車(chē)（擋光片）經(jīng)過(guò)光電門(mén)傳感器時(shí)，獲得小車(chē)的速度，當(dāng)小車(chē)與摩擦塊相碰后推動(dòng)摩擦塊向前運(yùn)動(dòng)。測(cè)出摩擦塊的位移s填入數(shù)據(jù)表格中，最后在計(jì)算機(jī)軟件界面中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)及圖像如圖9所示。

4結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代技術(shù)及科技的發(fā)展后續(xù)會(huì)持續(xù)帶給我們不同的體驗(yàn)，各類(lèi)數(shù)字傳感器的出現(xiàn)、各種強(qiáng)大功能集成的單片機(jī)和嵌入式芯片的應(yīng)用[2]，使我們能把各種不可量化的信號(hào)數(shù)字化，現(xiàn)在嵌入式的應(yīng)用更能讓我們把設(shè)備可以做的更簡(jiǎn)潔和小型化。數(shù)字物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是探索物理知識(shí)的工具，而文中介紹的數(shù)據(jù)采集器的實(shí)現(xiàn)也是本人在電子技術(shù)和自動(dòng)控制應(yīng)用的一次探索，通過(guò)自己的一次設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)中的一次進(jìn)步，社會(huì)的一次發(fā)展，我想這就是我們研發(fā)人員的目的和意義，也是我們不斷前行的動(dòng)力所在。

參考文獻(xiàn)

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作者：郁贇 單位：上海埃威航空電子有限公司