专利名称：基于通用无线接口技术的数字化探究实验系统的制作方法
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、IXD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。
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。
具体实施例方式如图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Atme 1公司AT91SAM7SE512芯片的ARM7平台，包括IXD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ATMegaSS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ATMegaSS 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。
权利要求
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ADC芯片，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。
2.根据权利要求1所述的基于通用无线接口的数字化探究实验系统，其特征是对于模 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,无线模块具有标准串口，并持802. 15. 4协议，将数据经串口转为无线方式传输。
3.基于通用无线接口的数字化探究实验方法，其特征是传感器单元、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。
4.根据权利要求3所述的基于通用无线接口技术的数字化探究实验方法，其特征是数 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。
5.根据权利要求3所述的基于通用无线接口技术的数字化探究实验方法，其特征是串 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。
全文摘要
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。
文档编号G09B23/18GK101833887SQ201010140239
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者何爱军, 夏操煜 申请人:江苏教育家教学装备有限公司