基于ＵＳＢ聲卡的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計與應(yīng)用

胡穎舒　吳先球　王珍寧

數(shù)據(jù)采集器是把實驗過程中的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出,實現(xiàn)了數(shù)模之間的轉(zhuǎn)換。而聲卡也是一個同樣具備數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的設(shè)備。利用聲卡在音頻范圍內(nèi)代替專用的數(shù)據(jù)采集器,大大降低了在實際教學(xué)中使用數(shù)據(jù)采集器的門檻。但是由于普通聲卡只能接受音頻范圍(20Hz～20kHz)內(nèi)的交流信號,不能對直流信號或緩變交流信號進(jìn)行采集。而中小學(xué)階段的科學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容里,直流信號占了很大一部分。這也是在教學(xué)中使用電腦聲卡代替專用的數(shù)據(jù)采集器局限所在。

針對實際教學(xué)情況,筆者自主研制了一套基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器,通過添加外圍電路解決普通聲卡無法測量直流信號的問題,為學(xué)校提供了符合教育信息化要求的低成本教學(xué)實驗設(shè)備。

一、硬件部分

USB外置聲卡的優(yōu)點有:(1)信噪比得到了較大的提高。(2)安裝簡單,可被系統(tǒng)自動識別、自動配置、自動安裝。(3)具有可熱插拔的特點,即插即用。(4)使用USB聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)置,能有效避免在實驗過程中因使用不當(dāng)而損害主板的聲卡,導(dǎo)致維修成本過高。(5)可方便添加外圍電路,增強采集功能。

筆者利用PCM2902芯片設(shè)計了基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器,同時通過添加外圍電路——壓控振蕩器,解決了聲卡無法測量直流信號的問題,并增強了聲卡的數(shù)據(jù)采集功能。PCM2902的USB聲卡模塊、壓控振蕩模塊再加上為傳感器配置的串行接口,就組成了基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)備,如圖1所示。

二、軟件部分

基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用程序主要利用LabVIEW來編寫,具有“直流采集”、“交流采集”、“數(shù)據(jù)處理”、“歷史回放”四大功能,可完成各種實驗的采集記錄任務(wù),并可根據(jù)教學(xué)和探究需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖線分析等。

“直流采集”選項卡中設(shè)有定時和手動記錄數(shù)據(jù)兩種模式,記錄下的實驗數(shù)據(jù)以表格與圖形兩種方式同步顯示?！敖涣鞑杉笨砂炎笥覂陕暤赖男盘枌崟r采集顯示,并設(shè)有自動保存和手動保存數(shù)據(jù)兩種模式可供選擇。用戶可通過移動游標(biāo)讀出波形上某一點的精確坐標(biāo)值,也可縮放圖形的顯示區(qū)域,實現(xiàn)波形的全景和局部觀察,如圖2。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢后,“數(shù)據(jù)處理”和“歷史回放”功能被自動觸發(fā)?！皵?shù)據(jù)處理”中設(shè)有線性擬合、指數(shù)擬合等多種擬合方式可供選擇,并自動顯示擬合后的數(shù)據(jù)和結(jié)果。在“歷史回放”選項卡中用戶則可選擇回放任何已保存的波形文件,用做進(jìn)一步的圖像觀察與分析。

三、基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器在教學(xué)中的應(yīng)用

演示晶體熔化時溫度的變化規(guī)律實驗中,傳統(tǒng)方法是使用煤油溫度計測量溫度。這種由人眼目測并手動記錄溫度的方法易造成誤差。如果固體升溫過快,保持溫度不變的時間很短,則可能來不及記錄數(shù)據(jù),使繪制的溫度變化曲線不能清晰地顯示水平段,導(dǎo)致無法得出此晶體的熔點。本實驗中,采用傳統(tǒng)實驗儀器(如圖3),但使用溫度傳感器代替煤油溫度計測量樟腦丸(C10H16O)熔化過程的溫度變化。溫度在某一時間內(nèi)是一個穩(wěn)定值,溫度傳感器把溫度值轉(zhuǎn)化為電信號,這個信號是緩變信號,直接用聲卡是無法采集的。因此,需要應(yīng)用基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器,運行其應(yīng)用程序,選用“直流采集”功能,設(shè)定系統(tǒng)定時記錄溫度數(shù)據(jù),就能自動采集數(shù)據(jù),顯示溫度變化曲線。實驗結(jié)果如圖4所示。

對于本實驗,傳統(tǒng)做法是在實驗完成后,還需要對實驗數(shù)據(jù)描點作圖。在課堂演示實驗中做這樣的數(shù)據(jù)處理工作既費時又精度不高。若利用程序中的功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,則可留下更多的課堂時間進(jìn)行圖線的分析或開展新實驗。又如,在探究晶體與非晶體的凝固溫度變化曲線時,可在熄滅酒精燈后,在程序中設(shè)定定時自動記錄。這樣,凝固時的溫度變化曲線就能在無需看守的情況下自動完成并顯示圖線,由此可大大提高課堂演示實驗的數(shù)量、質(zhì)量與效率。

更換使用各類傳感器,可完成力、熱、電、聲等多種實驗,現(xiàn)已開發(fā)并驗證了胡克定律實驗、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的演示、測量電源的電動勢和內(nèi)阻、RC、RL的移相實驗等實例,實現(xiàn)了現(xiàn)代教育技術(shù)與科學(xué)實驗教學(xué)的有效整合。

此數(shù)據(jù)采集器可應(yīng)用于教師演示實驗、學(xué)生探究實驗、研究性學(xué)習(xí)等。由于此數(shù)據(jù)采集器具有成本低、通用性強的特點,可更新和擴充教學(xué)的實驗儀器設(shè)備。將現(xiàn)代化測量技術(shù)引入科學(xué)實驗教學(xué),不僅可以改善實驗效果,還提升了實驗的科技含量。以此USB聲卡數(shù)據(jù)采集器作為硬件設(shè)備,還可設(shè)計一系列基于聲卡的虛擬儀器。在使用時,只需把用戶程序安裝在多臺計算機上,就可以作為實驗儀器供學(xué)生使用。

參考文獻(xiàn)

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(作者單位:廣東佛山市第二中學(xué)華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院)