基于樹(shù)莓派的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

摘要：在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)量大，人工處理過(guò)程繁瑣，為提升實(shí)驗(yàn)質(zhì)效，引入自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和快速處理理念，以RC暫態(tài)電路為例，基于樹(shù)莓派和A/D轉(zhuǎn)換器搭建實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，利用Python開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸與處理軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、快速處理，自動(dòng)生成擬合曲線，輔助學(xué)生判讀實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用表明，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力，有助于提升大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：樹(shù)莓派A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)處理

中圖分類號(hào)：TE933.3

ExperimentalDataAcquisitionandProcessingSystemBasedonRaspberryPi

—TakingRCTransientCircuitasanExample

SONGYanni

SchoolofMathematicalSciences，NanjingTechUniversity，Nanjing，JiangsuProvince，211816China

Abstract：Inthetraditionalexperimentteaching，someexperimentmeasurementdataarelargeandmanualprocessingistedious.Toimprovetheexperimentalqualityandefficiency，automaticdataacquisitionandrapidprocessingconceptareintroducedTakingRCtransientcircuitasanexample，experimentalhardwareplatformwasbuiltbasedonraspberrypieandA/Dconverter，andexperimentaldatatransmissionandprocessingsoftwarewasdevelopedwithPythontoachieveautomaticexperimentaldataacquisition，rapidprocessing，automaticgenerationfittingcurve，assiststudentsinterprettheexperimentalresults.Practicalapplicationshowsthattheplatformenrichestheexperimentalteaching，cultivatesthestudents'independentlearningandpracticalability，andhelpsimprovetheteachingqualityofcollegephysicsexperiments.

KeyWords：RaspberryPi;A/Dconversion;Automaticdataacquisition;Automaticdataprocessing

在物理學(xué)領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)于理論推導(dǎo)和結(jié)論得出的影響是至關(guān)重要的。任何物理理論都需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理則是這一驗(yàn)證過(guò)程中的核心環(huán)節(jié)。同時(shí)，數(shù)據(jù)的精度越高，其后續(xù)處理效率也會(huì)相應(yīng)提升，從而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為可靠。因此，如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，一直是科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

樹(shù)莓派（RaspberryPi）作為一種微型計(jì)算機(jī)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，因此在科研領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCF8591則是一種高精度的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源?；诖耍疚膶@樹(shù)莓派這一數(shù)據(jù)處理工具，深入探討如何通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCF8591來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)而改進(jìn)RC暫態(tài)電路的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果。下面將詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理過(guò)程，包括數(shù)據(jù)采集的精度、處理效率以及如何確保數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

1硬件

樹(shù)莓派4B作為最新一代的產(chǎn)品，不僅繼承了前代的優(yōu)點(diǎn)，更是在性能和功能上有了顯著的提升。優(yōu)勢(shì)：（1）樹(shù)莓派4B的體積小巧精致，但卻擁有令人驚嘆的計(jì)算能力；（2）樹(shù)莓派4B的功耗非常低，這使得它成為長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定選擇；（3）樹(shù)莓派4B擁有40個(gè)GPIO通用輸入/輸出口，這為開(kāi)發(fā)者提供了豐富的接口選擇；（4）編程語(yǔ)言的多樣性也是樹(shù)莓派4B的一大優(yōu)勢(shì)。無(wú)論你是Python、C，樹(shù)莓派都能滿足你的需求。這種靈活性使得開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)項(xiàng)目需求選擇最適合的編程語(yǔ)言，從而提高開(kāi)發(fā)效率和代碼質(zhì)量。

PCF8591是一個(gè)功能強(qiáng)大的8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，它使用I2C通信協(xié)議與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。這種通信方式具有高可靠性和長(zhǎng)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，因此在許多應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。在一個(gè)系統(tǒng)中，可以同時(shí)使用多個(gè)PCF8591，每個(gè)設(shè)備都有其獨(dú)特的地址，從而避免了地址沖突的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)樹(shù)莓派與PCF8591之間的通信，需要將樹(shù)莓派的SCL和SDA引腳分別連接到PCF8591的SCL和SDA引腳上。這樣，樹(shù)莓派就成為了這個(gè)I2C通信系統(tǒng)中的主設(shè)備，可以控制PCF8591的讀寫操作，并讀取它所采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。連接完成后，樹(shù)莓派就可以通過(guò)特定的代碼來(lái)配置PCF8591的參數(shù)；然后PCF8591進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，并將結(jié)果發(fā)送回樹(shù)莓派進(jìn)行處理或分析[1-2]。

2軟件

本系統(tǒng)在樹(shù)莓派中利用Python開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)。Python是一種具有動(dòng)態(tài)語(yǔ)法意義的高層編輯語(yǔ)言，編寫程序時(shí)不需要考慮底層細(xì)節(jié)，提高開(kāi)發(fā)效率；Python可拓展性高，除自身編寫外，還可以混合使用C語(yǔ)言、Java語(yǔ)言等；Python編寫的程序可以打包為獨(dú)立的exe文件，方便在任何環(huán)境下運(yùn)行。綜上所述，Python在開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)更突出[3]。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)中，需要一個(gè)簡(jiǎn)潔清晰的界面來(lái)展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。Python中常用的GUI（GraphicsUsersInterface）庫(kù)有：Tkinter、PyQt和wxPython。本系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)選用Tkinter，其在界面設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)：（1）簡(jiǎn)單好用，操作簡(jiǎn)便；（2）適用領(lǐng)域廣，可用于windows/linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)本地窗口風(fēng)格；（3）界面直觀，方便使用，適用于開(kāi)發(fā)各種系統(tǒng)[4-5]。

3RC暫態(tài)電路實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)

3.1RC暫態(tài)電路

RC電路，又稱電阻-電容電路，由一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器組成，廣泛應(yīng)用于模擬電路和脈沖數(shù)字電路中。RC電路的時(shí)間常數(shù)用表示，其大小決定了充放電時(shí)間的快慢。對(duì)充電而言，時(shí)間常數(shù)是電容電壓從0增長(zhǎng)到所需要的時(shí)間；對(duì)于放電而言，是電容電壓從下降到所需要的時(shí)間[6]。

3.2設(shè)備連接

本系統(tǒng)的設(shè)備連接：一方面模數(shù)轉(zhuǎn)換器PCF8591與RC暫態(tài)電路連接，PCF8591的AIN01和GND引腳分別接至電容器的正極和負(fù)極，用來(lái)實(shí)時(shí)采集電容器兩端的電壓；另一方面PCF8591與樹(shù)莓派連接，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至樹(shù)莓派，通過(guò)I2C總線方式實(shí)現(xiàn)，PCF8591的串行時(shí)鐘SCL和數(shù)據(jù)地址SDA分別連接至樹(shù)莓派的串行時(shí)鐘SCL.1和數(shù)據(jù)地址SDA.1。樹(shù)莓派給PCF8591供電，PCF8591的VCC端和GND端分別連接至樹(shù)莓派的VCC端和GND端。

3.3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分基于樹(shù)莓派系統(tǒng)，使用python語(yǔ)言，主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。

樹(shù)莓派操作系統(tǒng)初始化；建立樹(shù)莓派與PCF8591的I2C通信；創(chuàng)建新的excel文件，準(zhǔn)備采集并收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；創(chuàng)建便捷控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集啟停的界面，方便控制數(shù)據(jù)采集的啟停；按照預(yù)先設(shè)計(jì)的頻率采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；將時(shí)間與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)填入Excel表格，保存，等待后續(xù)處理。

初始化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，定義擬合函數(shù)；創(chuàng)建直觀的數(shù)據(jù)處理操作界面，從Excel中選擇指定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，方便快捷地操縱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理進(jìn)程；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)NumPy計(jì)算后，調(diào)用Matplotlib庫(kù)中的Pyplot擬合得到對(duì)應(yīng)的曲線，可以將同一條件下的擬合曲線展示于同一個(gè)坐標(biāo)系中，通過(guò)對(duì)比獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4結(jié)果與討論

RC暫態(tài)電路通過(guò)改變電阻阻值R、電容容量C來(lái)改變暫態(tài)電路的時(shí)間常數(shù)，研究時(shí)間常數(shù)與暫態(tài)電路的充放電之間的關(guān)系，電容器兩端電壓值與暫態(tài)電路的充放電電壓最值之間的關(guān)系?；跇?shù)莓派和PCF8591搭建實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)，利用Python開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、快速處理，自動(dòng)生成擬合曲線，根據(jù)擬合曲線輔助學(xué)生分析RC暫態(tài)電路各個(gè)變量之間的變化關(guān)系。

固定電容容量C=470μf，電阻阻值R分別取100kΩ、50kΩ、10kΩ，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，擬合RC暫態(tài)電路充放電過(guò)程中電容器兩端電壓隨時(shí)間t的曲線圖。隨著電阻的變化，擬合曲線的變化趨勢(shì)明顯。其中圖1表示各參數(shù)下的充電曲線，圖2為各參數(shù)下的放電曲線。隨著電阻阻值R的變化，時(shí)間常數(shù)發(fā)生有規(guī)律的變化，顯然時(shí)間常數(shù)與電阻阻值呈線性變化。

同樣，可以測(cè)試固定電阻阻值R=100kΩ，，改變電容容量C為940μf、470μf、235μf，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，擬合RC暫態(tài)電路充放電過(guò)程中電容器兩端電壓隨時(shí)間的曲線，隨著電容容量的變化，擬合曲線的變化趨勢(shì)也很明顯。也可以測(cè)試電阻阻值和電容容量都可變的情況，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，擬合RC暫態(tài)電路充放電過(guò)程中的曲線，觀察擬合曲線的變化趨勢(shì)。

5結(jié)語(yǔ)

樹(shù)莓派的可開(kāi)發(fā)性高，不僅能夠外接多種傳輸設(shè)備，還能運(yùn)行python和C編程語(yǔ)言。通過(guò)編寫代碼，輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等功能，同時(shí)能夠提高學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程能力。本文以RC暫態(tài)電路實(shí)驗(yàn)為例，展示了樹(shù)莓派在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際應(yīng)用?；跇?shù)莓派的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和處理，對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)效率和準(zhǔn)確度，具有十分重要的意義。

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