0 引言
數字化信息系統實驗室(Digital Information System，DIS)是新一代的中小學實驗教學系統，是先進的數字技術應用到實驗教學的產物，也是探究、創新的實驗教學新理念注入傳統實驗教學后的必然結果。2006年，教育部將DIS納入了中小學實驗儀器裝備標準，建議有條件的學校配備。目前，國內已有多家企業有相應的產品，但大多不夠成熟。而國外的類似產品雖然較為成熟，但價格偏高，難以普及。更重要的是，國外的產品不能夠很好地與我國的實驗教材配合，難以開展教學。在此提出一種廉價、功能強大、基于北京ARM開發板 技術的DIS采集系統設計。它是DIS的一個重要組成部分，并已與江蘇教育家教學裝備有限公司合作形成了產品。
1 DIS的組成
從物理結構上看DIS，可以分成三個部分：
1．1 傳感器端
傳感器，又叫換能器，是將物理量轉換成電學量的器件。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合，以便容易、真實、準確地完成實驗，是DIS傳感器端設計的一個難點。
1．2 采集器端
采集器的功能主要是通過模／數轉換器件，將傳感器端提供的電學模擬量數字化，以便作后續處理。對于DIS來說，采集器端是其主體，是一個復雜的系統，它需要保證數據采集的實時性、準確性；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據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相關軟件集合，其開發主要體現在軟件。這部分也非常重要，它提供了強大的數據分析和可視化功能。
2 DIS采集系統硬件設計
2．1 總體設計
該設計選用Atmel公司的AT91SAM7SE512微控制器為控制核心。AT91SAM7SE512微控制器內嵌ARM7TDMI處理器核心，主頻48 MHz，提供豐富的外設及接口，而且系統并行總線全數引出，擴展性強。AT91SAM7SE512性能優越，配以320×240的TFT真彩屏和觸摸屏，可以對采集的數據作采集器端的簡單處理和顯示，以豐富DIS系統的使用方式，提高便攜性和易用性。
模／數轉換器件(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數據采集系統的要求，并有潛力完成將來可能出現的高采樣率需求的新實驗。系統的整體硬件結構如圖1所示。
系統擴展了大容量的SDRAM和DataFLASH，以滿足運行較大規模程序和大容量數據存儲的需求。E2PROMI通過TWI(基本與I2C兼容)總線連接，以存儲系統重要的非易失性信息。
2．2 傳感器端的設計
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／數轉換，串口只負責提供傳感器ID號等信息。對于數字傳感器，單片機負責控制本地A／D轉換，并將數據通過串口傳輸到采集器。數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，將數據通過無線方式傳輸。
2．3 與傳感器端的連接
傳感器分為模擬傳感器和數字傳感器。采集系統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。數字傳感器的控制信號和數據都通過串口傳輸。為了獲得較高的數據精度，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。數字傳感器可以通過加裝通用無線模塊而變為無線數字傳感器(即無線方式)。通用無線模塊基于ZigBee將串口數據透傳。
有線連接的接口加入了保護電路，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，并使得遠距離運動學實驗成為可能。目前，國內外同類產品中均沒有類似的功能。
2．4 與計算機端的連接
采集系統通過SD卡和USB電纜的方式與計算機端進行數據交換。SD卡體積小，容量大，價格便宜，既可以作為采集系統的擴展存儲，又可以作為采集系統與計算機端之間或者采集系統彼此之間交換數據的媒介。USB接口通用性強，數據傳輸率高，即插即用，是外設與計算機間通信的理想接口。
