张弓

摘要：：随着信息技术的发展，数据采集器在物理实验中的应用越来越广泛。然而调查研究发现，在数据采集器应用于物理实验教学中，难以开展一些实际生活场景中的探究性实验，较少有在室外进行实地探究的物理实验实例。结合STM32芯片、传感器技术、蓝牙技术，设计一套成本低、便携的手持式数据采集器系统。手持式数据采集器系统将“传感器-采集器-移动客户端”三级传输结构集合在一起，摆脱空间的束缚，能独立完成数据的采集、处理、显示和记录，在室外探究性实验以及演示实验现象短暂、信号微弱等实验方面具有较大优势，适合在中学物理教学中推广使用。

关键词关键词：手持式数据采集器；传感器；STM32；物理实验；信息技术

DOIDOI：10.11907/rjdk.161262

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）007008902

0引言

数据采集器由采集器、传感器、软件3部分组成，一般与电脑连接，具备收集、储存并分析数据的功能。其在信息获取、实验过程监控、数据采集和分析等方面显示出巨大的优越性，在生产生活中的应用也十分广泛。

目前，手持式数据采集器的设计及开发较为成熟＼[14＼]，不过大多是为工程技术而设计开发，并没有为实验教学开发设计，价格相对较高，在学校很难推广使用。在新课标“重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等”的理念指导下，利用数据采集器技术整合物理实验教学是物理教学发展的方向，符合新课标中注重过程与方法的提倡，并具有重要意义。

结合传感器技术、手持示波器开发技术、蓝牙无线传输技术，基于STM32芯片设计一种价格低廉且能便携、实时、准确测量物理量的手持式数据采集器，解决直流信号测量问题，包括电压测量、波形分析等功能供物理教学使用，保证了实验场地不受限制。

1系统整体方案

整个系统主要由传感器模块、手持式数据采集器、Android手机显示平台模块三部分组成，并应用于相应的物理实验中。系统原理如图1所示。

表1系统各组成模块介绍模块名称主要功能传感器模块主要采集各种物理量（电磁），以便将其转化为电信号STM32模块主要完成对信号的采集、分析、显示、存储、传输等逻辑控制前置电路模块主要完成原始电信号的滤波，放大作用，使其符合STM32输入信号要求TFT显示模块实时显示系统波形以及相应的提示信息按键控制模块完成良好的人机交互独立电源模块设计稳定可靠的可充放电的电源电路，为整个系统的稳定不间断运行提供有力保障控制接口模块主要包括常见的重要接口：Mini_USB接口、RS-232接口、JATG接口、蓝牙串口等存储模块系统两种存储介质，包含STM32内置的flash芯片和2G的TF-SD卡，系统将配置数据、图片等信息存储在此介质上Android手机手持数据采集器通过蓝牙串口将数据传输至Android界面进行显示和保存2系统硬件设计

2.1手持式数据采集器硬件设计

手持式数据采集器采用了意法半导体公司推出的新型32位ARM内核处理机芯片STM32系列中的 STM32F103VCT6，STM32F103x增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为 72MHz。由于STM32采取与以往不同的设计方法，将各个外设封装成标准库函数，并提供STM32固件库和USB开发工具集，因而能够更轻松地进行开发。

手持式数据采集器主要包括前置调制模块、键盘控制模块、TFT显示模块、独立电源模块、控制接口模块、存储模块共六大模块。

2.2前置调制模块

输入信号通过74HC4051模拟开关芯片选择适当的量程（共6个量程），则电路将自动控制TL082的放大倍数，将信号控制在主控芯片所能承接的范围内（0～3.3V），以实现更精确的测量。前置调制模块使得系统的输入信号范围扩大至0～80V。

2.3控制接口模块

手持式数据采集器系统有3种接口（ISP、JTAG、蓝牙）可供STM32与外界交互数据，程序可通过ISP接口和JTAG接口下载，JTAG口还可在线调试程序，BLUT接口是蓝牙串口，STM32的串口2系统通过此串口与Android手机进行数据交互。

2.4显示模块

其中，显示模块为2.8寸TFT液晶，其控制IC为ST7781R。

2.5传感器模块

以声音传感器为例，声音信号一般较为微弱，因此利用声音传感器模块对周围环境的声音信号进行采集并转换为放大的电信号。实验中采用的此款声音传感器采用原装音频处理芯片，能对信号进行200倍放大，且输出音频信号幅值可调。

2.6存储模块

主控芯片STM32内置的Flash不能满足本系统的存储需求，因此存储模块中设计了通用的大容量TF-SD接口将图像数据存储于MiniSD卡中，便于存储和拷贝模块。

3系统软件设计与实现

3.1系统软件设计整体流程

数据采集器整体功能设计中，示波功能的软件设计既是重点也是难点。因此本节重点讲解示波功能的设计与实现过程，其整体设计流程如图2所示。

3.2数据采集器软件设计与实现

3.2.1数据采集程序设计与实现

通过定时器1来控制STM32内置的ADC定时采集数据，采集完一组数据后触发DMA传输到特定的数组中。具体思路：首先初始化系统，然后配置ADC1、DMA、定时器TIM1，配置完成后启动定时器TIM1触发ADC采集，当采集完一组（1 024个）数据后，触发DMA，将AD缓冲区的数据通过DMA传输至Scan_Buffer数组。其详细设计流程如图3所示。

从流程图中可以看出，定时器1是一直不断地触发AD采集，这样可最大程度防止数据遗漏，当用户需要暂停观察波形便通过控制DMA的开关来达到目的。同时，当用户需要调整示波器时基便通过调整定时器1的分频系数及自动重载值来控制采样率，以达到调整时基的目的。

3.2.2系统参数保存

系统可以保存用户设置的各种参数，包括触发模式、垂直、水平灵敏度、当前菜单索引等，这些参数通过一个Item_Index数组进行保存。用户通过选择可以将参数保存到SD卡或内置Flash中。系统参数保存设计流程如图4所示。

3.3.1Android技术简介

Android基于Linux技术，由操作系统、用户界面和应用程序组成，允许开发人员自由获取、修改源代码，也就是说，这是一套具有开源性质的手机终端解决方案。

3.3.2关键模块设计与实现——Android自定义与STM32通信协议将Android的蓝牙作为主机，寻找STM32的蓝牙模块，连接成功后，双方只需自定义好协议：开始标识、结束标识、数据传输时点。本系统采用自定义标识：MAX_SAMPLES表示最大采样数，MAX_LEVEL表示最大电压对应的屏幕Y值，DATA_START表示波形数据开始传输标识；DATA_END表示波形数据传输结束标识；REQ_DATA表示请求STM32传输标识。Android接收到STM32传输过来的一组数据时，判断是否为开始或者