数字化信息系统实验室是新一代的中小学实验教育系统，是抢先的数字技术运用到实验教育的产品，也是根究、立异的实验教育新理念写入传统实验教育后的必然结果。2006年，教育部将DIS纳入了中小学实验仪器装备标准，主张有条件的学校装备。当时，国内已有多家公司有相应的产品，但大多不可老到。而国外的类似产品虽然较为老到，但报价偏高，难以广泛。更重要的是，国外的产品不可以极好地与中国的实验教材协作，难以打开教育。在此提出一种贱卖、功用健壮、根据arm技术的DIS收集系统计划。

1 DIS的组成

从物理计划上看  ，可以分红三个有些：传感器端、收集器端和计算机端。三个有些既紧密联络，又相对独立。三有些之间定义标准的接口，为不一样的传感器设备、收集器的运用办法和计算机处置分析软件的组合供应极大的灵活性；而三者联络可以供应健壮的实验功用，供师生立异和根究。事实上，用于传感器物理量改换、收集器数字化、计算机数据分析的实验分析模型，也都是当今实验科学研究的通用模型。

1．1 传感器端

传感器，又叫换能器，是将物理量改换成电学量的器件。测量不一样的物理量，需求不一样的传感器。关于DIS来说，传感器端并非单指传感器，而是传感器和实验设备的总称。关于不一样的实验，如何将传感器与实验设备极好的联络，以便简略、真实、精确地结束实验，是DIS传感器端计划的一个难点。

1．2 收集器端

收集器的功用首要是经过模／数改换器件，将传感器端供应的电学仿照量数字化，以便作后续处置。关于DIS来说，收集器端是其主体，是一个凌乱的系统，它需求保证数据收集的实时性、精确性；它需求处置与传感器端和计算机端的交互；考虑到易用性，它一般还要对收集的数据作一些开端的闪现和分析。

1．3 计算机端

计算机端就是指根据通用计算机途径的DIS有关软件集结，其开发首要体现在软件。这有些也非常重要，它供应了健壮的数据分析和可视化功用。

2 DIS收集系统硬件计划

2．1 整体计划

该计划选用Atmel公司的AT91SAM7SE512微控制器为控制中间。AT91SAM7SE512微控制器内嵌arm7TDMI处置器中间，主频48 MHz，供应丰盛的外设及接口，并且系统并行总线全数引出，拓宽性强。AT91SAM7SE512功用优胜，配以320×240的TFT真彩屏和触摸屏，可以对收集的数据作收集器端的简略处置和闪现，以丰盛DIS系统的运用办法，前进便携性和易用性。

模／数改换器件(ADC)选用Analog Devices公司的AD7323。AD7323为4通道，双极输入，12位ADC，最高采样率达500 KSPS。其精度高，功用强，关于音频采样亦是绰绰有余，完全满足DIS数据收集系统的需求，并有潜力结束将来可以出现的高采样率需求的新实验。系统的整体硬件计划如图1所示。

系统拓宽了大容量的SDRAM和DataFLASH，以满足工作较大计划程序和大容量数据存储的需求。E2PROMI经过TWI(底子与I2C兼容)总线联接，以存储系统重要的非易失性信息。

2．2 传感器端的计划

如图2所示，传感器首要由传感器前端、信号扩展电路、A／D改换电路和单片机组成。关于仿照传感器，信号扩展电路的输出直接接至收集器，由收集器的高精度A／D做模／数改换，串口只担任供应传感器ID号等信息。关于数字传感器，单片机担任控制本地A／D改换，并将数据经过串口传输到收集器。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，将数据经过无线办法传输。

2．3 与传感器端的联接

传感器分为仿照传感器和数字传感器。收集系统与传感器端的联接分为有线和无线办法。在有线办法下，传感器经过串口与收集器通讯。数字传感器的控制信号和数据都经过串口传输。为了获得较高的数据精度，仿照传感器的串口只传输控制信号，而将信号扩展电路的输出直接接至收集器端的高精度ADC，由收集器采样处置。数字传感器可以经过加装通用无线模块而变为无线数字传感器(即无线办法)。通用无线模块根据ZigBee将串口数据透传。

有线联接的接口加入了保护电路，支撑热插拔，以满足有用需求。无线办法解除了某些实验中由于联接电缆带来的制约，并使得远距离运动学实验变成可以。当时，国内外同类产品中均没有类似的功用。

2．4 与计算机端的联接

收集系统经过SD卡和USB电缆的办法与计算机端进行数据沟通。SD卡体积小，容量大，报价廉价，既可以作为收集系统的拓宽存储，又可以作为收集系统与计算机端之间或许收集系统彼此之间沟通数据的前语。USB接口通用性强，数据传输率高，即插即用，是外设与计算机间通讯的志向接口。

3 DIS收集系统软件计划

3．1 整体概述

DIS收集器端的软件以固件的办法固化在芯片内部FLASH之中。首要功用包括：硬件外设的驱动、实验数据的实时收集与处置、人机交互以及与传感器端和计算机端之间的通讯。系统整体的软件架构如图3所示。DIS收集系统作为一个数据收集的运用，首要要保证数据采样的实时性和精确性；其次，系统还需求对数据做恰当的处置并闪现；另外，系统还必须适时地对用户的触摸操作和计算机端的指令做出照应。软件既要保证实时性，又要结束多项凌乱的功用。小型嵌入式系统中常用的简略的前后台程序开发模型已不能满足需求，所以引入了实时操作系统(RTOS)。它以多任务的模型处理程序功用，降低了程序开发的凌乱度；抢占式的任务调度，保证了系统的实时性。

软件分为三个层次：设备驱动层、实时操作系统层和用户运用层。

3．2 设备驱动层

设备驱动层在结束总线驱动的基础上进而结束外设驱动。如图2所示，总线驱动包括SPI驱动、USART驱动等。外设驱动包括ZigBee无线模块驱动、LCD驱动、触摸屏(Touch Screen，TS)驱动等。

3．3 实时操作系统层

选用小型实时操作系统内核μC／OS-Ⅱ，担任任务调度、任务间通讯、内存处理、互斥访问等。又移植了FAT文件系统和GUI图形库，一同构成实时操作系统的概念。

3．4 用户运用层

具体关于DIS收集系统的需求，区别任务，结束各项功用。共区别了五个任务，并根据急切性需求设置了不一样的优先级。

(1)采样任务，担任与传感器端的简略通讯及实时信号的收集。由于数据采样的实时性和精确性是收集系统的第一重要任务，所以设置为最高优先级。

采样任务由点击图形用户界面的照应功用主张，也可由计算机经过USB指令主张。采样任务首要检测在线的传感器类型，获取他们的ID号，然后设置采样率，装载采样间断，并翻开传感器，结尾翻开间断进入等待情况，照应指令。采样间断根据采样率守时采样，假如是仿照传感器，则读取本地A／D，进行模／数改换；假如是数字传感器，则读取串口的数据缓冲区，获得采样数据。关于特另外传感器还要做滤波等格外处置。当采样到足够多的数据，则将数据包发送给处置程序。假如本地主张的采样任务，则发送给界面任务处置予以闪现；假如计算机经过USB主张的，则发送给USB任务将数据转发给计算机处置。大致流程图如图4所示。

(2)触摸屏输入任务，担任实时勘探用户的触摸操作，更新输入坐标。

(3)USB通讯任务，担任照应计算机端的指令，根据需求，将收集数据传输到计算机端。

在初始化结束后，任务工作一个情况机，进入空闲情况。当接到计算机的USB间断恳求后，改换为不一样的情况，以结束任务。大致流程图如图5所示。

(4)图形用户界面任务，担任与用户的交互，结束相应的操作，处置闪现数据等。

在初始化完桌面、菜单等一些窗口后，界面任务进入等待情况，等待采样数据，并守时改写界面。若有闪现的需求，界面任务在接收到数据后，根据不一样的闪现办法作相应的闪现。

(5)系统空闲任务，担任收集系统信息，更新系统情况，改写屏幕内容等。断章取义，设置为最低优先级。

正如上面提及的次第，各任务优先级从高到低排列为：采样任务，触摸屏输入任务，USB通讯任务，图形用户界面任务，系统空闲任务。

4 结语

经过检验，系统结束了计划功用，并且经过大批量，长时间的收集，系统没有出现数据遗失和犯错情况，可以安稳的工作。

DIS是数字信息技术和嵌入式技术在教育领域的最新运用。分析了DIS系统的整体模型，给出了其主体的一个具体结束。由于硬件上定义了共同的接口，软件上引入了实时操作系统，系统的拓宽性极强。立异性地提出了传感器的无线联接办法，以便当实验。系统硬件上根据arm7途径，体积小，重量轻，功耗低，报价廉价；软件上供应了图形用户界面，支撑触摸操作，运用便当，界面和睦。系统集数据收集与分析闪现于一体，可独立运用，又可以便当地与计算机通讯，功用优胜，安稳性好。可以预见，该计划在中小学实验教育领域将有广泛的运用前景。

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