霍尔实验数据采集系统的设计
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摘要
物理实验是培养学生的科学思维方法和科学研究能力的重要途径。将计算机技术引入物理实验教学中可促进教学质量的提高。本文以霍尔实验为试点进行了实验器材的改造，将计算机技术、智能仪表技术与物理实验教学相结合，设计了霍尔实验数据采集系统。
本文主要完成了以下工作：(1)系统方案选择。经过论证，我们采用了分散型数据采集方案。由一台上位机和多台下位机构成主从式数据采集系统。下位机作为数据采集单元完成实验信号的采集并将数据上传至主机，上位机完成实验数据的处理与存储等功能。上位机与下位机之间通过RS-232或RS-485总线进行通讯。(2)完成系统硬件设计。包括信号调理、A／D转换、串行通讯、显示存储等几部分。为简化硬件设计，我们采用了I~2C总线扩展技术进行了下位机的存储、显示和键盘几部分的设计。(3)完成系统软件设计。包括下位机和上位机两部分。在下位机部分还设计了I~2C总线软件模拟的通用软件包。上位机采用多线程技术实现通讯程序的设计。(4)在提高系统精度上进行了研究。对霍尔元件的误差进行分析并给出补偿方法；对仪表放大器和A／D转换器引起的误差进行了理论分析；采用了数字滤波技术和采用神经网络方法实现的非线性校正技术进行软件补偿。
本系统已成功应用于实验教学中，对于其他物理实验的改造具有一定的借鉴意义。
Physical experiments play an important role in training student's scientific thinking method and scientific research capability. We can improve the teaching quality by introducing computer techniques to physical experiments. In this paper, as an experimental unit we complete the betterment of experimental equipment of the Hall experiment and design the data acquisition system of Hall experiment by combining physical experiment with computer and intelligent instrument techniques.
This paper mainly complete four aspects of the work: (1) Selecting the system scheme. By argumentation, we select the scheme of distributed data acquisition system, which includes one upper computer and many lower computers. Lower computers acquire experiment datas and upload them to upper computer, the upper computer completes the handling and storage of experiment datas. They communicate each other by the RS-232 or the RS-485 bus. (2) Completing the design of systematic hardware, including signal processing, A/D convert, serial communication, display and storage etc. In order to simplify the hardware structure, we use the I2C bus in the design of storage, display and keyboard circuits. (3) Completing the design of system software, including lower computer software and upper computer software. We design the all-purpose simulant software wrap of the I2C bus in the lower computer software. Multi thread is used in the communication programme of upper computer. (4) We research the question of system accuracy. The error of Hall Element is analysed and the compensative method is provided; this paper makes the theoretical analysis of errors producing by the instrument amplifier and A/D converter. We adopt the technology of digital filter and linearization implementing by the Neural Network method.
This system has been applied in the experimental teaching successfully. Its success can provide directive meaning to the betterment of other physical experiments.
本文主要完成了以下工作：(1)系统方案选择。经过论证，我们采用了分散型数据采集方案。由一台上位机和多台下位机构成主从式数据采集系统。下位机作为数据采集单元完成实验信号的采集并将数据上传至主机，上位机完成实验数据的处理与存储等功能。上位机与下位机之间通过RS-232或RS-485总线进行通讯。(2)完成系统硬件设计。包括信号调理、A／D转换、串行通讯、显示存储等几部分。为简化硬件设计，我们采用了I~2C总线扩展技术进行了下位机的存储、显示和键盘几部分的设计。(3)完成系统软件设计。包括下位机和上位机两部分。在下位机部分还设计了I~2C总线软件模拟的通用软件包。上位机采用多线程技术实现通讯程序的设计。(4)在提高系统精度上进行了研究。对霍尔元件的误差进行分析并给出补偿方法；对仪表放大器和A／D转换器引起的误差进行了理论分析；采用了数字滤波技术和采用神经网络方法实现的非线性校正技术进行软件补偿。
本系统已成功应用于实验教学中，对于其他物理实验的改造具有一定的借鉴意义。
Physical experiments play an important role in training student's scientific thinking method and scientific research capability. We can improve the teaching quality by introducing computer techniques to physical experiments. In this paper, as an experimental unit we complete the betterment of experimental equipment of the Hall experiment and design the data acquisition system of Hall experiment by combining physical experiment with computer and intelligent instrument techniques.
This paper mainly complete four aspects of the work: (1) Selecting the system scheme. By argumentation, we select the scheme of distributed data acquisition system, which includes one upper computer and many lower computers. Lower computers acquire experiment datas and upload them to upper computer, the upper computer completes the handling and storage of experiment datas. They communicate each other by the RS-232 or the RS-485 bus. (2) Completing the design of systematic hardware, including signal processing, A/D convert, serial communication, display and storage etc. In order to simplify the hardware structure, we use the I2C bus in the design of storage, display and keyboard circuits. (3) Completing the design of system software, including lower computer software and upper computer software. We design the all-purpose simulant software wrap of the I2C bus in the lower computer software. Multi thread is used in the communication programme of upper computer. (4) We research the question of system accuracy. The error of Hall Element is analysed and the compensative method is provided; this paper makes the theoretical analysis of errors producing by the instrument amplifier and A/D converter. We adopt the technology of digital filter and linearization implementing by the Neural Network method.
This system has been applied in the experimental teaching successfully. Its success can provide directive meaning to the betterment of other physical experiments.
引文
[1]苏福才．院士谈教育教学改革．教学与教材研究，1995．2
[2]曲华，邹进和，董三壮．霍尔效应实验及数据处理．大学物理实验，1998(12)：53～56
[3]沈兰荪，数据采集技术．中国科学技术大学出版社，1990．8
[4]王从民．数据采集系统的开发与应用．自动化仪表，94(1)：12～15
[5]王常力，罗安．集散型控制系统选型与应用．清华大学出版社，1996
[6]周宁等．集散结构在数据采集系统中的应用．北京理工大学学报，1997(6)：397～400
[7]鲍芳，刘明建，汪仁煌．一种高精度AT89C2051单片机数据采集器及其应用．现代电子技术，1997(2)：26～28
[8]张世箕，杨安禄等．自动测试系统．电子科技大学出版社，1990
[9]徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计．北京航空航天大学出版社，1995
[10]张洪润，董宝文．智能系统设计开发技术．成都科学技术大学出版社，1997．11
[11]何立民．I~2C总线应用系统设计．北京航空航天大学出版社，1995．2
[12]王存道等．大学物理实验．天津大学出版社，1999．1
[13]张毅刚，彭喜源，谭晓昀．单片机应用设计．哈尔滨工业大学出版社
[14]胡汉才．单片机原理及其接口技术．清华大学出版社，1995．6
[15]何立民．MCS-51单片机应用系统设计．北京航空航天大学出版社，1990．1
[16]马宏杰，张思东，张树增，贾卓生．微机通信原理与实用技术．清华大学出版社，1994
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[18]邱公伟．实时控制与智能仪表多微机系统的通信技术．清华大学出版社，1996
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[21]纪宗南．仪表放大器及其应用(一)．国外电子元器件，1998(3)：38～42
[22]纪宗南．仪表放大器及其应用(二)．国外电子元器件，1998(4)：35～39
[23]纪宗南．仪表放大器及其应用(三)．国外电子元器件，1998(6)：33～36
[24]纪宗南．仪表放大器及其应用(四)．国外电子元器件，1998(7)：32～37
[25]李培全．AD转换器ICL7135的原理与应用．昌潍师专学报，2000(2)：43～45
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[28]刘国勇．MAX232/MAX232A收发器及其应用．国外电子器件，97(1)：28～29
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[30]赵重明．几种RS485接口收发方向转换方法．微型机与应用，2000(10)：22
[31]余志勇等．分布式测控系统的多线程应用程序设计．计算机工程与应用，1999(5)：62～64
[32]滕永盛，王仁华，刘庆锋．Windows95下多线程中的同步机制．微型机与应用，1998(9)：10～13
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[39]Maxim. New releases data book. 1996
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