基于通用无线接口技术的数字化探究实验系统

摘要

基于通用无线接口的数字化探究实验系统，包括传感器单元，采集器部分，上位计算机，传感器单元、采集器，传感器单元与采集器间有三种连接形式，分别为：模拟传感器输出模拟信号直接连接、数字传感器通过串口连接和通过通用无线模块连接与采集器通信，采集器和上位计算机间通过USB接口连接或通过SD卡交换数据；数字传感器部分包含传感器、调理电路、ADC和MCU并依次连接，数字传感器的控制信号和数据都通过串口传输；模拟传感器直接连接时连接至调理电路，调理电路的输出接至采集器端的高精度ADC芯片，串口传输控制信号至采集器采样处理。本发明使用方便的通用无线接口模块，具有方便实用的USB连接方式。

说明书

技术领域

本发明涉及教育中的数字化实验仪器技术领域。

背景技术

数字化探究实验系统，是新一代的教学实验系统，是先进的数字技术应用到实验教学的产物，也是探究、创新的实验教学新理念注入传统实验教学后的必然结果。现有的应用微处理器、传感器等的数字化电路探究实验系统中，传感器与采集器的连接方式为有线方式，使用不方便，受距离限制，不能很好的完成探究的目的。然而现有技术并没有提供嵌入式微处理器的应用，也没有提供应用无线方式传输的传感器系统，这对于今天的数字电路的教育是一个不足。

如CN200710021886.8公开的数字电视课程实验系统涉及数字电视传输系统。又如CN200620048223.6公开的一种数字化实验系统，包括显示屏、计算机、总供电电源，分别与显示屏和计算机相连接的控制线路，置于控制线路上的总控制器，两个电源模块，连接于总控制器上的USB接口、存储器、I2C总线，通过多芯端子与I2C总线连接的智能传感器。总控制器从智能传感器上采集数据、处理数据，最后将相应的被测信号值通过显示屏显示出，并存入存储器内以及通过USB接口输出。

发明内容

本发明目的是：提供基于通用无线接口的数字化探究实验系统，尤其是提供嵌入式微处理器的应用，提供应用无线方式传输的传感器信息和信号处理系统，为数字电路的教育实验提供一种极有用的工具。解决现有的数字化探究实验系统中，传感器与采集器的连接方式为有线，使用不便，受距离限制，不能很好的完成探究的目的。

本发明的技术方案为：一种基于通用无线接口的数字化探究实验系统，其特征是包括传感器单元，采集器部分，上位计算机，传感器单元、采集器，传感器单元与采集器间有三种连接形式，分别为：模拟传感器输出模拟信号直接连接、数字传感器通过串口连接和通过通用无线模块连接与采集器通信，采集器是基于ARM芯片的采集器，采集器和上位计算机间通过USB接口连接或通过SD卡交换数据；数字传感器部分包含传感器、调理电路、ADC和MCU并依次连接，数字传感器的控制信号和数据都通过串口传输；模拟传感器直接连接时连接至调理电路，调理电路的输出接至采集器端的高精度ADC，ADC再串口连接采集器，串口传输控制信号至采集器采样处理。传感器将物理量转化为电学量，也包括将化学、生物量转化为电学量的传感器。采集器将数据收集，做处理、显示、存储或传输到计算机。计算机上的处理软件可以对数据进行复杂的分析。

基于通用无线接口技术的数字化探究实验方法，传感器单元、采集器，传感器单元与采集器间有三种连接形式，分别为：模拟传感器输出模拟信号直接连接、数字传感器通过串口连接和通过通用无线模块连接与采集器通信，采集器是基于ARM芯片的采集器，采集器和上位计算机间通过USB接口连接或通过SD卡交换数据。

数字传感器部分包含传感器、调理电路、ADC和MCU并依次连接，数字传感器的控制信号和数据都通过串口传输。

模拟传感器直接连接时连接至调理电路，调理电路的输出接至采集器端的高精度ADC，ADC再串口连接采集器，串口传输控制信号至采集器采样处理。通用无线模块基于802.15.4协议，将串口数据透传。

数字传感器的动作完全由采集器控制。传感器在初始化所有使用到的功能模块和I/O端口后，一直等待采集器的控制命令码。首先，采集会发送获取传感器ID的命令码，传感器正确接收到该命令后立即读取决定其ID号的I/O端口。然后将它的ID号作为第一个通信帧的内容，在帧头部加上标志此帧为ID帧的通信头传回给采集器。此时传感器并不动作打开定时器和AD进行采样，而是等待采集器的下一个控制命令码，如果采集器发送的下一个命令码确为采样命令码，这时传感器立刻开始定时采样，并通过串口按照通信协议给采集器发送数据；此通信过程一直持续到传感器接收到停止采样的命令，停止的传感器重新恢复初始化时的设置并等待下次通信的开始命令码。

串口任务负责接收和处理传感器串口的数据。完成初始化后，串口任务打开串口中断接受数据，随后等待数据以作处理。串口中断收到某一通道有效的数据包后，将其发送给串口任务处理。数据处理程序判断是数据包还是命令包，是数据包则将数据填入数据缓冲区供采样任务使用。通用无线模块的数据也是按串口数据格式处理的。由计算机通过USB命令发起：采样任务首先检测在线的传感器类型，获取他们的ID号，然后设置采样率，装载采样中断并打开传感器，最后打开中断进入等待状态，相应指令，采样中断根据采样率定时采样，如果为模拟传感器则读取本地AD，进行模数转换；如果为数字传感器，则读取串口的数据缓冲区获得采样数据；当采样到足够多的数据，则将数据包发送给处理程序。是本地发起的采样任务，则发送给界面任务处理现显示；若是计算机通过USB发起的，则发送给USB任务将数据转发给计算机处理。

传感器可以通过数据线与采集器连接。数字传感器的控制信号和数据都通过串口传输。模拟传感器为了获得较高的数据精度，其串口只传输控制信号，而将调理电路的输出接至采集器端的高精度ADC，由采集器采样处理。数字传感器可以通过加装通用无线接口模块而变为无线数字传感器。通用无线模块基于802.15.4协议，将串口数据透传。为了保证对模拟传感器、数字传感器、无线传感器等之间的通用接口，本发明给出了传感器硬件接口的通用定义，并制定了相关协议，兼容有线和无线通信接口。

采集器包括4通道高精度ADC、嵌入式微控制器、LCD显示、触摸屏输入、SD卡存储、USB接口以及实时时钟。软件使用嵌入式实时操作系统和嵌入式图形用户界面。计算机软件基于Delphi和VC开发，包括USB驱动函数、USB接口函数、基本库、数据采集与传输、数据预处理、数据显示和后处理、人机交互界面设计、系统标定和采集器固件升级等内容。

本发明中的数字化探究实验系统具有以下效果：

1)、多传感器信号的采集、显示和本地存储：

本发明提供了通用的传感器接口。采集器对插入的多个传感器进行自动识别，即插即用。模拟传感器和数字传感器可以同时采集，采集的信号经处理后可以在LCD屏幕上以图形、表格、数字、指针四种方式之一显示。实验者还可以根据需要将采集的数据存储在本地的SD卡上，以作他用。

2)、使用方便的通用无线接口模块：

本发明提供了通用无线接口模块，数字传感器装上后即变为无线数字传感器，抛开了数据线的束缚，可以更好更准确的完成力学、运动学实验。无线传感器，采用通用无线接口模块的方式，而不是为每一个数字传感器都安装无线通讯模块，提高了使用的灵活性，也降低了成本。

3)、方便实用的USB连接方式：

本发明中采集器与计算机之间采用USB连接方式，即插即用，无需手动选择进入联机模式，使用简捷方便。

4)、计算机部分强大的数据处理能力：

本发明在联机模式下，采集的数据通过USB接口送至计算机部分处理。计算机可以对数据进行多种插值和校准操作；还可以同时将数据以多种方式显示，方便实验者分析比较，探究结论。

5)、传感器与采集器间稳定的通信机制

本发明数字传感器需要实时给采集器提供稳定准确的数据。为了在两者间建立可靠的通信，传感器与采集器间建立了简单实用的通信协议。以采集器作为控制端，通过命令码来控制传感器的定时采样和数据传送。传送的数据以帧为单位，由传感器端自动加通信协议头，接收端则按通信协议解码。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明传感器部分的原理框图。

图3为本发明传感器工作流程图。

图4为本发明采集器部分串口任务流程图。

图5为本发明采集器部分采样任务流程图。

图6为本发明采集器部分界面任务流程图。

图7为本发明采集器部分USB任务流程图。

具体实施方式

如图1，本数字化探究实验系统由三部分组成，左边为传感器，中间为采集器，右边为计算机。采集器基于Atmel公司AT91SAM7SE512芯片的ARM7平台，包括LCD彩屏、触摸屏、实时时钟、SDRAM、DataFlash、EEPROM等模块。传感器与采集器间有三种连接形式(因传感器类型而有所不同)，分别为：模拟信号直接连接、串口连接和通过通用无线模块连接。采集器和计算机间通过USB接口连接，也可以通过SD卡交换数据。采集器和上位计算机间通过USB接口连接或通过SD卡交换数据；数字传感器部分包含传感器、调理电路、ADC和MCU并依次连接，数字传感器的控制信号和数据都通过串口传输；模拟传感器直接连接时连接至调理电路，调理电路的输出接至采集器端的高精度ADC芯片AD7323，ADC再串口连接采集器，串口传输控制信号至采集器采样处理。对模拟传感器，信号调理放大电路的输出直接接至采集器，由采集器的高精度AD做模数转换，串口只负责提供传感器ID号等信息；对于数字传感器，单片机负责控制本地AD转换，并将数据也通过串口传输到采集器。数字传感器留有通用无线模块的接口，连接通用无线模块XBee，该模块具有标准串口，并持802.15.4协议，将数据经串口转为无线方式传输，也可以采用其它协议的无线模块(如WIFI)。

如图2，传感器主要由传感器前端，信号放大电路，AD转换电路和ATMega88单片机组成。对于模拟传感器，信号放大电路的输出直接接至采集器，由采集器的高精度AD做模数转换，串口只负责提供传感器ID号等信息。对于数字传感器，单片机负责控制ATMega88片内的AD转换，并将数据也通过串口传输到采集器。数字传感器留有通用无线模块的接口，可以加装通用无线模块，该模块基于XBee技术，可将数据通过无线方式传输。

如图3，传感器的工作流程图。数字传感器的动作完全由采集器控制。传感器在初始化所有使用到的功能模块和I/O端口后，一直等待采集器的控制命令码。首先，采集器会周期性的发送获取传感器ID的命令码，传感器正确接收到该命令后立即读取决定其ID号的I/O端口。然后将它的ID号作为第一个通信帧的内容，在帧头部加上标志此帧为ID帧的通信头传回给采集器。采集器依据收到的ID帧判定传感器的类型及存在与否，实现即插即用。发送传感器ID帧后，传感器并不动作打开定时器和AD进行采样，而是等待采集器的下一个控制命令码，如果采集器发送的下一个命令码确为采样命令码，这时传感器立刻开始定时采样，并通过串口按照通信协议给采集器发送数据。此通信过程一直持续到传感器接收到停止采样的命令，停止的传感器重新恢复初始化时的设置并等待下次通信的开始命令码。

本发明采集器部分的软件基于嵌入式实时操作系统，有串口任务、采样任务、界面任务和USB任务四个主要任务，其流程图分别如图4，5，6，7。

串口任务负责接收和处理传感器串口的数据。完成初始化后，串口任务打开串口中断接受数据，随后等待数据以作处理。串口中断收到某一通道有效的数据包后，将其发送给串口任务处理。数据处理程序判断是数据包还是命令包，是数据包则将数据填入数

据缓冲区供采样任务使用。通用无线模块的数据也是按串口数据格式处理的。

采样任务由点击图形用户界面的相应功能发起，也可由计算机通过USB命令发起。采样任务首先检测在线的传感器类型，获取他们的ID号，然后设置采样率，装载采样中断并打开传感器，最后打开中断进入等待状态，相应指令。采样中断根据采样率定时采样，如果为模拟传感器则读取本地AD，进行模数转换；如果为数字传感器，则读取串口的数据缓冲区获得采样数据。对于特殊的传感器还要作如滤波等特殊处理。当采样到足够多的数据，则将数据包发送给处理程序。是本地发起的采样任务，则发送给界面任务处理现显示；若是计算机通过USB发起的，则发送给USB任务将数据转发给计算机处理。

界面任务用于相应用户操作，并对数据作显示。在初始化完桌面，菜单等一些窗口后，界面任务进入等待状态，等待采样数据，并定时刷新界面。若有显示的需求，界面任务在接收到数据后，根据不同的显示方式作相应的显示。

USB任务用于相应计算机的请求，将数据上传。在初始化完成后，运行一个状态机，进入空闲状态。当接到计算机的USB中断请求后，转换为不同的状态以完成任务。数字传感器留有通用无线模块的接口，可以加装通用无线模块，将数据通过无线方式传输。通用无线模块采用基于802.15.4协议的，将串口数据透传。为了保证对模拟传感器、数字传感器、无线传感器等之间的通用接口。也可以采用无线传输芯片，如BroadCOM的BCM4329等。