數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室(Digital Information System，DIS)是新一代的中小學(xué)實驗教學(xué)系統(tǒng)，是先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到實驗教學(xué)的產(chǎn)物，也是探究、創(chuàng)新的實驗教學(xué)新理念注入傳統(tǒng)實驗教學(xué)后的必然結(jié)果。2006年，教育部將DIS納入了中小學(xué)實驗儀器裝備標(biāo)準(zhǔn)，建議有條件的學(xué)校配備。目前，國內(nèi)已有多家企業(yè)有相應(yīng)的產(chǎn)品，但大多不夠成熟。而國外的類似產(chǎn)品雖然較為成熟，但價格偏高，難以普及。更重要的是，國外的產(chǎn)品不能夠很好地與我國的實驗教材配合，難以開展教學(xué)。在此提出一種廉價、功能強大、基于北京ARM開發(fā)板技術(shù)的DIS采集系統(tǒng)設(shè)計。它是DIS的一個重要組成部分，并已與江蘇教育家教學(xué)裝備有限公司合作形成了產(chǎn)品。

　　1 DIS的組成

　　從物理結(jié)構(gòu)上看DIS，可以分成三個部分：端、采集器端和計算機端。三個部分既緊密聯(lián)系，又相對獨立。三部分之間定義標(biāo)準(zhǔn)的接口，為不同的傳感器裝置、采集器的使用方式和計算機處理分析軟件的組合提供極大的靈活性；而三者結(jié)合可以提供強大的實驗功能，供師生創(chuàng)新和探究。事實上，用于傳感器物理量轉(zhuǎn)換、采集器數(shù)字化、計算機數(shù)據(jù)分析的實驗分析模型，也都是當(dāng)今實驗科學(xué)研究的通用模型。

　　1．1 傳感器端

　　傳感器，又叫換能器，是將物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件。測量不同的物理量，需要不同的傳感器。對于DIS來說，傳感器端并非單指傳感器，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(jié)合，以便容易、真實、準(zhǔn)確地完成實驗，是DIS傳感器端設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器件，將傳感器端提供的電學(xué)模擬量數(shù)字化，以便作后續(xù)處理。對于DIS來說，采集器端是其主體，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它需要保證數(shù)據(jù)采集的實時性、準(zhǔn)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(shù)據(jù)作一些初步的顯示和分析。

　　1．3 計算機端

　　計算機端就是指基于通用計算機平臺的DIS相關(guān)軟件集合，其開發(fā)主要體現(xiàn)在軟件。這部分也非常重要，它提供了強大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能。

　　2 DIS采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2．1 總體設(shè)計

　　該設(shè)計選用Atmel公司的AT91SAM7SE512微控制器為控制核心。AT91SAM7SE512微控制器內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核心，主頻48 MHz，提供豐富的外設(shè)及接口，而且系統(tǒng)并行總線全數(shù)引出，擴展性強。AT91SAM7SE512性能優(yōu)越，配以320×240的TFT真彩屏和觸摸屏，可以對采集的數(shù)據(jù)作采集器端的簡單處理和顯示，以豐富DIS系統(tǒng)的使用方式，提高便攜性和易用性。

　　模／數(shù)轉(zhuǎn)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(dá)500 KSPS。其精度高，性能強，對于音頻采樣亦是綽綽有余，完全滿足DIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，并有潛力完成將來可能出現(xiàn)的高采樣率需求的新實驗。系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)擴展了大容量的SDRAM和DataFLASH，以滿足運行較大規(guī)模程序和大容量數(shù)據(jù)存儲的需求。E2PROMI通過TWI(基本與I2C兼容)總線連接，以存儲系統(tǒng)重要的非易失性信息。

　　2．2 傳感器端的設(shè)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(zhuǎn)換電路和單片機組成。對于模擬傳感器，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(shù)轉(zhuǎn)換，串口只負(fù)責(zé)提供傳感器ID號等信息。對于數(shù)字傳感器，單片機負(fù)責(zé)控制本地A／D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)讲杉�器。�?shù)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(shù)據(jù)通過無線方式傳輸。

　　2．3 與傳感器端的連接

　　傳感器分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。采集系統(tǒng)與傳感器端的連接分為有線和無線方式。在有線方式下，傳感器通過串口與采集器通信。數(shù)字傳感器的控制信號和數(shù)據(jù)都通過串口傳輸。為了獲得較高的數(shù)據(jù)精度，模擬傳感器的串口只傳輸控制信號，而將信號放大電路的輸出直接接至采集器端的高精度ADC，由采集器采樣處理。數(shù)字傳感器可以通過加裝通用無線模塊而變?yōu)闊o線數(shù)字傳感器(即無線方式)。通用無線模塊基于ZigBee將串口數(shù)據(jù)透傳。

　　有線連接的接口加入了保護(hù)電路，支持熱插拔，以滿足實用需求。無線方式解除了某些實驗中由于連接電纜帶來的制約，并使得遠(yuǎn)距離運動學(xué)實驗成為可能。目前，國內(nèi)外同類產(chǎn)品中均沒有類似的功能。

　　2．4 與計算機端的連接

　　采集系統(tǒng)通過SD卡和USB電纜的方式與計算機端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。SD卡體積小，容量大，價格便宜，既可以作為采集系統(tǒng)的擴展存儲，又可以作為采集系統(tǒng)與計算機端之間或者采集系統(tǒng)彼此之間交換數(shù)據(jù)的媒介。USB接口通用性強，數(shù)據(jù)傳輸率高，即插即用，是外設(shè)與計算機間通信的理想接口。