数字化实验系统方法物理论文范文

摘要：数字化物理实验系统实现的关键是数据采集器的设计，它是整个系统实现的关键因素。分析数据采集器设计的重点问题，并配有实例说明。

关键词：物理实验系统；数据采集器；单片机应用

1引言

随着科技的发展各种传感器、集成电路、微机技术的出现，不断改变着我们的生活，同时也促进我们改变原有的教学方式——数字化教学。它采用多种传感器测量不同的物理量，测量到的数据通过数据采集器进行数据转换和数据上传，同时配套的计算机实验软件实现数据记录、数据图形显示和实验结果分析，它比传统的物理实验仪更生动、更形象，更科学。

2数字化实验系统的实现

2.1系统组成

数字化物理试验系统（DigitalExperimentSystem）将传感器技术和微机技术相结合而形成的实验系统。整个数字化试验系统采用模块化的设计，它由计算机、数据采集器、传感器、附件等4个部件组成，系统框图如图1。数字化试验系统通过数据采集器接收一个或者多个传感器配套组合成我们物理实验中所需要的实验验证环节，如牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律、机械能守恒定律、向心力实验、简谐振动、伏安特性、磁感应强度、磁通量变化等实验，几乎涵盖了整个基础物理的各个主要实验内容。数字化物理试验系统主要部件介绍如下所述。（1）计算机：计算机通过串口与数据采集器通讯，通过表格，曲线，仪表等形式表现出来，直观地让用户了解外部信号的大小，进而分析出其中的规律。软件提供实验过程的保存、重放、分析等功能。用户通过计算机来控制整个实验过程。（2）数据采集器：数据采集器采集传感器输出的电压信号或脉冲信号信号，将其转换成数字信号通过串口发送到计算机。实现系统的控制、传感器识别、数据信号采集并与PC机通信。（3）传感器：应用各类传感器例如压强传感器，力传感器，声传感器，磁传感器、温度传感器，红外发射和接收传感器，以及运放和比较电路来实现压强、力、声、温度、磁、位移收发、电压、电流、微电流、光电门等信号的采集，然后转换成电压或者脉冲信号的传输至数据采集器。并与数据采集器通信完成各个传感器的识别。（4）附件：在做实验时提供一些辅助工作，如支架、轨道、模型车、音叉等。

2.2关键设计

根据上述对各功能模块的描述，物理实验系统的关键是数据采集器，它在整个系统中类似于人的“大脑”，它需完成系统的控制、传感器通道的识别、各类数据信号采集（电压量信号，光电脉冲信号）和与计算机之间的通信，起到了承上启下的过渡作用，是个不可缺少的重要环节。它的系统组成框图如图2所示。如果说数据采集器是物理实验系统中的“大脑”，那单片机是数据采集器中的“大脑”。数据采集器需要AD转换器完成电压量信号的采样，Flash用于缓存采样的数据，定时器的捕获功能完成脉冲信号的采集，2路串口分别完成于传感器和计算机之间的通讯。因此需要选择一个功能强大的单片机（MCU）是关键。根据筛选单片机选用了TI公司的16位单片机MSP430F149。单片机MSP430F149片内集成了60kB程序Flash、256B信息Flash、2kBRAM；8通道12位AD转换器；1个模拟量比较器；3个16位定时器，看门狗定时器，两路串口（兼容UART、SPI）；48个双向I/O口。我们在设计数据传感器时就只需找出关键因素自上而下来解决，数据传感器就有接入传感器判别、数据采集、数据传送等主要问题，如图3所示。（1）通道的判别。数字试验系统中有许多传感器接入，如何正确判别传感器有没有接入数据采集器，以及传感器类型判别是关键。设计中最简单的方法就是直接应用MCU的P1口，通过电平的变化来确定传感器的接入。无传感器接入时上拉为高电平，传感器接入后电平被拉低。（2）电压量采集。数字化物理试验系统中压力传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器、压强传感器、磁传感器等最后输出至数据采集器都是以电压量的形式输出，所以电压量信号采集是一个比较重要的采集。它的准确性直接关系到很多物理试验的完成。数据采集器的电压量信号通过模拟光偶隔离后连接到单片机自带的AD转换器，模拟光偶由1片HCNR200和2片运放OP27共同组成。（3）光电脉冲信号采集。物理试验中的位移传感器，光电门传感器是一系列的脉冲信号。这就需要应用到单片机中定时器B的捕获功能。所谓捕获功能就是利用外部信号的上升沿、下降沿或者上升下降沿触发来测量外部或内部事件。数据采集器的通道1～4分别对应于单片机中的TB3～TB0，并同时设置捕获上升沿和下降沿。上升沿中断时保存一次捕获值，下降沿中断时保存捕获值。下降沿与上升沿的值相减，从而求得信号的脉宽。（5）数据传输。数字试验系统中各个传感器传送到数据各有不同，例如应用到位移传感器的实验需要一个连续的数据信号数据量大，力传感器进行牛顿第三定律时的数据也需要一个连续信号，因此根据实验不同，将传输的数据分为长帧、短帧a和短帧b共3种类型。根据实验类型，分为6种情况：长帧（位移）、长帧（光电门）、长帧（电压量）、短帧a（电压量）、短帧b（电压量）、混合型（向心力实验）长帧数据作为通用数据传输，短帧a和短帧b用于专用型实验传输设置，而它们区别在于短帧b是连续的采样数据；短帧a为非连续采样。数据采集器的基本功能：系统的控制、传感器通道的识别、各类数据信号采集（电压量信号，光电脉冲信号）和与计算机之间的通信都实现了。

3应用实例

通过几个简单的实验来说明一下数字试验系统的实现情况，同时也让大家了解它的有趣之处。

3.1实验1牛顿第三定律实验

以物理实验中最基本的牛顿第三定律为例。牛顿第三定律：两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一直线上[1]。即F＝-F。这是一个比较好理解的实验，我们应用了计算机，数据采集器和2个力传感器。通过两个力传感器的互拉，实现这个实验，如图4所示。（1）可靠的通道识别。在数据采集器简介中，通道识别通过看门狗定时器监测P1口状态，若相应管脚为低电平说明该通道有传感器接入。但是单纯的判别电平变化有时还会造成误判问题，如何做到可靠的通道识别。解决方法是采用软件去抖动的方法，先设置看门狗定时器的中断间隔为4ms，每4次中断（16ms）采样一次，采样到传感器通道状态改变后开始计数，若能计数到10则说明是稳定状态，判别出通道接入的传感器。（2）合理的传感器判断。主程序检测到传感器接入后，数据采集器通过与传感器串口通信，根据预先设计的通讯规约读取传感器类型，读取完毕后发送状态至计算机。（3）准确的数据交互。数据采集器根据实验类型选择发送从传感器采集到的电压量信号数据。然而完成准确的数据传输，需要准确的数据采集。数据采集：本实验中力传感器输入信号范围在-20～+20N对应输出电压量信号为0～2.5V。在不接任何东西的情况下，输出电压为1.25V。数据采集器不仅为传感器输入电源，而且需要处理数字量信号。如果模拟信号和数字信号混在一起，没进行隔离，那对于接收到的数据来说这个灾难。我们选用高线性模拟光电耦合器HCNR200，它有良好的稳定性和线性度可以帮助我们实现准确的数据传输。初级（模拟部分）包括一片运放OP27和光耦HCNR200中的LED、光敏管PD1；次级（数字部分）包括HCNR200中的光敏管PD2和另一片运放OP27（图5）。因此，经过运放驱动HCNR200的LED，LED产生光信号后同时驱动光敏管PD1、PD2产生电流。PD1构成初级运放的负反馈并自动调整其输出电压，使LED上的光强达到稳定平衡状态，从而使PD2上产生稳定的电流。PD2的电流经次级运放还原为电压信号，其输入输出关系为式（1）。Vout＝Vin×(R14＋RV1)/R11（1）通过调整电位器RV1可以得到希望的比例关系。这样既隔离数据采集器与传感器的收发信号，又将不同电压电平的进行转换，具体如表1所示。（4）形象的数据展示。最后计算机将数据采集器接收到的数据以图形的形式呈现处理，如图6所示，红线和蓝线分别表示作用力和反作用力之间的关系方向相反大小相同。同时也可以实现数据保存，数据截图，数据回放等功能。同时也对超量程警告提醒，有利于保护力传感器。

3.2实验2动能定理

动能定理：合外力对物体所做的功等于物体动能的增量。物体所做的功：W＝F×S。物体动能的增量：ΔE＝½×mv02－½×mv12。即W＝ΔEk。光电门传感器的原理：当挡光片没有经过光电门时，光电门信号时导通的，当挡光片经过光电门时，光电门信号是断开的。这样就形成这样一个波形，如图7波形所示，遮挡时间不同形成的波形。这样记录光被遮挡的时间间隔Δt。而我们已知挡光片的宽度ΔS，这样就可求出极短时间内的平均速度，也即测得瞬时速度Δt＝ΔS/Δt。其次需解决的问题：如何采集光电门的脉冲信号。在前面介绍数据采集器时介绍了用定时器的捕获功能，但是单片机的定时器A和B都是16位，输入时钟为主时钟8MHz，因此它能计量的脉冲信号宽度最大为：125ns×65535＝8.192ms，这对采集光电门传感器是远远不够的。为解决这一问题，在测量脉宽时，使用定时器A辅助计数：在定时器B的上升沿中断对定时器A清零并设立一个计数器计量定时器A的溢出，每溢出一次计数器加一。最后将定时器A的计数结果乘以65536后累加到定时器B的捕获值得到最终结果，从而解决了光电门信号脉冲采集的问题。在同一个轨道上，用不一样的挡光片，经过3次实验得到的数据，如表2所示。当解决了上述问题后，我们就可以构建实验了，实验中应用到计算机，数据采集器和光电门传感器和附件（轨道、小车、挡光片和摩擦块）。图8中推动小车（挡光片）沿轨道运动，当小车（挡光片）经过光电门传感器时，获得小车的速度，当小车与摩擦块相碰后推动摩擦块向前运动。测出摩擦块的位移s填入数据表格中，最后在计算机软件界面中出现的数据及图像如图9所示。

4结语

现代技术及科技的发展后续会持续带给我们不同的体验，各类数字传感器的出现、各种强大功能集成的单片机和嵌入式芯片的应用[2]，使我们能把各种不可量化的信号数字化，现在嵌入式的应用更能让我们把设备可以做的更简洁和小型化。数字物理实验系统是探索物理知识的工具，而文中介绍的数据采集器的实现也是本人在电子技术和自动控制应用的一次探索，通过自己的一次设计来实现教学中的一次进步，社会的一次发展，我想这就是我们研发人员的目的和意义，也是我们不断前行的动力所在。

参考文献

[1]束炳如,何润伟.高中物理[M].上海:上海科技教育出版社,2007.

[2]胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航空航天出版社,2003.

作者：郁贇 单位：上海埃威航空电子有限公司