胡颖舒　吴先球　王珍宁

数据采集器是把实验过程中的电信号转变为数字信号输出,实现了数模之间的转换。而声卡也是一个同样具备数模转换功能的设备。利用声卡在音频范围内代替专用的数据采集器,大大降低了在实际教学中使用数据采集器的门槛。但是由于普通声卡只能接受音频范围(20Hz～20kHz)内的交流信号,不能对直流信号或缓变交流信号进行采集。而中小学阶段的科学实验教学内容里,直流信号占了很大一部分。这也是在教学中使用电脑声卡代替专用的数据采集器局限所在。

针对实际教学情况,笔者自主研制了一套基于USB声卡的数据采集器,通过添加外围电路解决普通声卡无法测量直流信号的问题,为学校提供了符合教育信息化要求的低成本教学实验设备。

一、硬件部分

USB外置声卡的优点有:(1)信噪比得到了较大的提高。(2)安装简单,可被系统自动识别、自动配置、自动安装。(3)具有可热插拔的特点,即插即用。(4)使用USB声卡作为数据采集设置,能有效避免在实验过程中因使用不当而损害主板的声卡,导致维修成本过高。(5)可方便添加外围电路,增强采集功能。

笔者利用PCM2902芯片设计了基于USB声卡的数据采集器,同时通过添加外围电路——压控振荡器,解决了声卡无法测量直流信号的问题,并增强了声卡的数据采集功能。PCM2902的USB声卡模块、压控振荡模块再加上为传感器配置的串行接口,就组成了基于USB声卡的数据采集器硬件设备,如图1所示。

二、软件部分

基于USB声卡的数据采集器应用程序主要利用LabVIEW来编写,具有“直流采集”、“交流采集”、“数据处理”、“历史回放”四大功能,可完成各种实验的采集记录任务,并可根据教学和探究需要进行数据处理、图线分析等。

“直流采集”选项卡中设有定时和手动记录数据两种模式,记录下的实验数据以表格与图形两种方式同步显示。“交流采集”可把左右两声道的信号实时采集显示,并设有自动保存和手动保存数据两种模式可供选择。用户可通过移动游标读出波形上某一点的精确坐标值,也可缩放图形的显示区域,实现波形的全景和局部观察,如图2。

当数据采集完毕后,“数据处理”和“历史回放”功能被自动触发。“数据处理”中设有线性拟合、指数拟合等多种拟合方式可供选择,并自动显示拟合后的数据和结果。在“历史回放”选项卡中用户则可选择回放任何已保存的波形文件,用做进一步的图像观察与分析。

三、基于USB声卡的数据采集器在教学中的应用

演示晶体熔化时温度的变化规律实验中,传统方法是使用煤油温度计测量温度。这种由人眼目测并手动记录温度的方法易造成误差。如果固体升温过快,保持温度不变的时间很短,则可能来不及记录数据,使绘制的温度变化曲线不能清晰地显示水平段,导致无法得出此晶体的熔点。本实验中,采用传统实验仪器(如图3),但使用温度传感器代替煤油温度计测量樟脑丸(C10H16O)熔化过程的温度变化。温度在某一时间内是一个稳定值,温度传感器把温度值转化为电信号,这个信号是缓变信号,直接用声卡是无法采集的。因此,需要应用基于USB声卡的数据采集器,运行其应用程序,选用“直流采集”功能,设定系统定时记录温度数据,就能自动采集数据,显示温度变化曲线。实验结果如图4所示。

对于本实验,传统做法是在实验完成后,还需要对实验数据描点作图。在课堂演示实验中做这样的数据处理工作既费时又精度不高。若利用程序中的功能进行数据处理,则可留下更多的课堂时间进行图线的分析或开展新实验。又如,在探究晶体与非晶体的凝固温度变化曲线时,可在熄灭酒精灯后,在程序中设定定时自动记录。这样,凝固时的温度变化曲线就能在无需看守的情况下自动完成并显示图线,由此可大大提高课堂演示实验的数量、质量与效率。

更换使用各类传感器,可完成力、热、电、声等多种实验,现已开发并验证了胡克定律实验、电磁感应现象的演示、测量电源的电动势和内阻、RC、RL的移相实验等实例,实现了现代教育技术与科学实验教学的有效整合。

此数据采集器可应用于教师演示实验、学生探究实验、研究性学习等。由于此数据采集器具有成本低、通用性强的特点,可更新和扩充教学的实验仪器设备。将现代化测量技术引入科学实验教学,不仅可以改善实验效果,还提升了实验的科技含量。以此USB声卡数据采集器作为硬件设备,还可设计一系列基于声卡的虚拟仪器。在使用时,只需把用户程序安装在多台计算机上,就可以作为实验仪器供学生使用。

参考文献

[1]王珍宁、吴先球、胡颖舒、陈俊芳.基于声卡的数据采集器及其在物理教学中的应用[J].中小学信息技术教育,2006(10).

[2]马 瞻.异军突起的USB声卡[J].电子世界,1999(11).

[3]侯国屏等.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4]课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验书物理八年级上册[M].北京:人民教育出版社,2005.

[5]吕红英、吴先球、刘朝辉、陈俊芳.LabVIEW环境下基于声卡的虚拟示波器软件设计[J].计算机应用与软件,2007,24(3).

(作者单位:广东佛山市第二中学华南师范大学物理与电信工程学院华南师范大学物理与电信工程学院)