0 引言
數字化信息係統實驗室(Digital Information System，DIS)是新一代的中小學實驗教學係統，是先進的數字技術應用到實驗教學的產物，也是探究、創新的實驗教學新理念注入傳統實驗教學後的必然結果。2006年，教育部將DISnarulezhongxiaoxueshiyanyiqizhuangbeibiaozhun，jianyiyoutiaojiandexuexiaopeibei。muqian，guoneiyiyouduojiaqiyeyouxiangyingdechanpin，dandaduobugouchengshu。erguowaideleisichanpinsuiranjiaoweichengshu，danjiagepiangao，nanyipuji。gengzhongyaodeshi，guowaidechanpinbunenggouhenhaodiyuwoguodeshiyanjiaocaipeihe，nanyikaizhanjiaoxue。zaicitichuyizhonglianjia、功能強大、基於北京ARM開發板 技術的DIS采集係統設計。它是DIS的一個重要組成部分，並已與江蘇教育家教學裝備有限公司合作形成了產品。
1 DIS的組成
從物理結構上看DIS，可以分成三個部分：
1．1 傳感器端
傳感器，又叫換能器，是將物理量轉換成電學量的器件。測量不同的物理量，需要不同的傳感器。對於DIS來說，傳感器端並非單指傳感器，而是傳感器和實驗裝置的總稱。針對不同的實驗，如何將傳感器與實驗裝置很好的結合，以便容易、真實、準確地完成實驗，是DIS傳感器端設計的一個難點。
1．2 采集器端
采集器的功能主要是通過模／數轉換器件，將傳感器端提供的電學模擬量數字化，以便作後續處理。對於DIS來說，采集器端是其主體，是一個複雜的係統，它需要保證數據采集的實時性、準確性；它需要處理與傳感器端和計算機端的交互；考慮到易用性，它往往還要對采集的數據作一些初步的顯示和分析。
1．3 計算機端
計算機端就是指基於通用計算機平台的DIS相關軟件集合，其開發主要體現在軟件。這部分也非常重要，它提供了強大的數據分析和可視化功能。
2 DIS采集係統硬件設計
2．1 總體設計
該設計選用Atmel公司的AT91SAM7SE512微控製器為控製核心。AT91SAM7SE512微控製器內嵌ARM7TDMI處理器核心，主頻48 MHz，提供豐富的外設及接口，而且係統並行總線全數引出，擴展性強。AT91SAM7SE512性能優越，配以320×240的TFT真彩屏和觸摸屏，可以對采集的數據作采集器端的簡單處理和顯示，以豐富DIS係統的使用方式，提高便攜性和易用性。
模／數轉換器件(ADC)選用Analog Devices公司的AD7323。AD7323為4通道，雙極輸入，12位ADC，最高采樣率達500 KSPS。其精度高，性能強，對於音頻采樣亦是綽綽有餘，完全滿足DIS數據采集係統的要求，並有潛力完成將來可能出現的高采樣率需求的新實驗。係統的整體硬件結構如圖1所示。
係統擴展了大容量的SDRAM和DataFLASH，以滿足運行較大規模程序和大容量數據存儲的需求。E2PROMI通過TWI(基本與I2C兼容)總線連接，以存儲係統重要的非易失性信息。
2．2 傳感器端的設計
如圖2所示，傳感器主要由傳感器前端、信號放大電路、A／D轉換電路和單片機組成。對於模擬傳感器，信號放大電路的輸出直接接至采集器，由采集器的高精度A／D做模／數轉換，串口隻負責提供傳感器ID號等信息。對於數字傳感器，單片機負責控製本地A／D轉換，並將數據通過串口傳輸到采集器。數字傳感器留有通用無線模塊的接口，可以加裝通用無線模塊，將數據通過無線方式傳輸。
2．3 與傳感器端的連接
傳(chuan)感(gan)器(qi)分(fen)為(wei)模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)數(shu)字(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)與(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)端(duan)的(de)連(lian)接(jie)分(fen)為(wei)有(you)線(xian)和(he)無(wu)線(xian)方(fang)式(shi)。在(zai)有(you)線(xian)方(fang)式(shi)下(xia)，傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)過(guo)串(chuan)口(kou)與(yu)采(cai)集(ji)器(qi)通(tong)信(xin)。數(shu)字(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)和(he)數(shu)據(ju)都(dou)通(tong)過(guo)串(chuan)口(kou)傳(chuan)輸(shu)。為(wei)了(le)獲(huo)得(de)較(jiao)高(gao)的(de)數(shu)據(ju)精(jing)度(du)，模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)串(chuan)口(kou)隻(zhi)傳(chuan)輸(shu)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)，而(er)將(jiang)信(xin)號(hao)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)的(de)輸(shu)出(chu)直(zhi)接(jie)接(jie)至(zhi)采(cai)集(ji)器(qi)端(duan)的(de)高(gao)精(jing)度(du)ADC，由采集器采樣處理。數字傳感器可以通過加裝通用無線模塊而變為無線數字傳感器(即無線方式)。通用無線模塊基於ZigBee將串口數據透傳。
有(you)線(xian)連(lian)接(jie)的(de)接(jie)口(kou)加(jia)入(ru)了(le)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)，支(zhi)持(chi)熱(re)插(cha)拔(ba)，以(yi)滿(man)足(zu)實(shi)用(yong)需(xu)求(qiu)。無(wu)線(xian)方(fang)式(shi)解(jie)除(chu)了(le)某(mou)些(xie)實(shi)驗(yan)中(zhong)由(you)於(yu)連(lian)接(jie)電(dian)纜(lan)帶(dai)來(lai)的(de)製(zhi)約(yue)，並(bing)使(shi)得(de)遠(yuan)距(ju)離(li)運(yun)動(dong)學(xue)實(shi)驗(yan)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。目(mu)前(qian)，國(guo)內(nei)外(wai)同(tong)類(lei)產(chan)品(pin)中(zhong)均(jun)沒(mei)有(you)類(lei)似(si)的(de)功(gong)能(neng)。
2．4 與計算機端的連接
采集係統通過SD卡和USB電纜的方式與計算機端進行數據交換。SD卡ka體ti積ji小xiao，容rong量liang大da，價jia格ge便bian宜yi，既ji可ke以yi作zuo為wei采cai集ji係xi統tong的de擴kuo展zhan存cun儲chu，又you可ke以yi作zuo為wei采cai集ji係xi統tong與yu計ji算suan機ji端duan之zhi間jian或huo者zhe采cai集ji係xi統tong彼bi此ci之zhi間jian交jiao換huan數shu據ju的de媒mei介jie。USB接口通用性強，數據傳輸率高，即插即用，是外設與計算機間通信的理想接口。
