مخطط نظام اقتناء DIS صممه ARM

“معمل نظم المعلومات الرقمية (DIS) هو جيل جديد من نظام التدريس التجريبي للمدارس الابتدائية والثانوية ، وهو نتاج تطبيق التكنولوجيا الرقمية المتقدمة للتدريس التجريبي. في عام 2006 ، قامت وزارة التربية والتعليم بتضمين المفرزة الأمنية المتكاملة في معيار المعدات التجريبية للمدارس الابتدائية والثانوية ، واقترحت على المدارس ذات الظروف تجهيزها.

“

معمل نظم المعلومات الرقمية (DIS) هو جيل جديد من نظام التدريس التجريبي للمدارس الابتدائية والثانوية ، وهو نتاج تطبيق التكنولوجيا الرقمية المتقدمة للتدريس التجريبي. في عام 2006 ، قامت وزارة التربية والتعليم بتضمين المفرزة الأمنية المتكاملة في معيار المعدات التجريبية للمدارس الابتدائية والثانوية ، واقترحت على المدارس ذات الظروف تجهيزها. في الوقت الحاضر ، تمتلك العديد من الشركات المحلية منتجات مقابلة ، لكن معظمها ليس ناضجًا بدرجة كافية. في حين أن المنتجات الأجنبية المماثلة أكثر نضجًا ، ولكن السعر مرتفع ، فمن الصعب الترويج لها. والأهم من ذلك ، أن المنتجات الأجنبية لا يمكنها التعاون بشكل جيد مع المواد التعليمية التجريبية في بلدي ، ومن الصعب القيام بالتدريس. تقترح هذه الورقة تصميمًا رخيصًا وقويًا لنظام اقتناء DIS يعتمد على تقنية ARM. إنها جزء مهم من DIS وقد تعاونت مع Jiangsu Educator Teaching Equipment Co.، Ltd. لتشكيل منتج.

1 تكوين DIS

من الهيكل المادي ، يمكن تقسيم DIS إلى ثلاثة أجزاء: طرف المستشعر وطرف المجمع وطرف الكمبيوتر. الأجزاء الثلاثة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ومستقلة نسبيًا. يتم تحديد الواجهة القياسية بين الأجزاء الثلاثة ، والتي توفر مرونة كبيرة للجمع بين أجهزة الاستشعار المختلفة ، واستخدام المجمعات وبرامج معالجة وتحليل الكمبيوتر ؛ ويمكن أن يوفر الجمع بين الثلاثة وظائف تجريبية قوية للمعلمين والطلاب للابتكار واستكشف. في الواقع ، تعد نماذج التحليل التجريبية المستخدمة لتحويل الكميات الفيزيائية لأجهزة الاستشعار ورقمنة المجمعات وتحليل بيانات الكمبيوتر أيضًا نماذج عامة للبحث العلمي التجريبي اليوم.

1.1 جانب الاستشعار

المستشعرات ، وتسمى أيضًا المحولات ، هي أجهزة تحول الكميات المادية إلى كميات كهربائية. يتطلب قياس الكميات الفيزيائية المختلفة أجهزة استشعار مختلفة. بالنسبة إلى DIS ، لا تكون نهاية المستشعر مستشعرًا واحدًا ، ولكنها مصطلح عام لأجهزة الاستشعار والأجهزة التجريبية. بالنسبة للتجارب المختلفة ، فإن كيفية دمج المستشعر مع الجهاز التجريبي جيدًا بحيث يمكن إكمال التجربة بسهولة وصدق ودقة يمثل صعوبة في تصميم نهاية مستشعر DIS.

1.2 جانب الجامع

تتمثل وظيفة المجمع بشكل أساسي في رقمنة الكمية التناظرية الكهربائية التي يوفرها طرف المستشعر من خلال جهاز التحويل التناظري / الرقمي للمعالجة اللاحقة. بالنسبة لـ DIS ، فإن جانب المجمع هو جسمه الرئيسي وهو نظام معقد. يحتاج إلى ضمان الوقت الحقيقي ودقة جمع البيانات ؛ يحتاج إلى التعامل مع التفاعل مع جانب المستشعر وجانب الكمبيوتر ؛ مع مراعاة سهولة الاستخدام ، غالبًا أيضًا للقيام ببعض العرض والتحليل الأولي للبيانات التي تم جمعها.

1.3 جانب الكمبيوتر

يشير جانب الكمبيوتر إلى مجموعة من البرامج ذات الصلة بـ DIS على أساس نظام أساسي للكمبيوتر العام ، وينعكس تطورها بشكل أساسي في البرامج. هذا الجزء مهم جدًا أيضًا ، فهو يوفر إمكانات قوية لتحليل البيانات والتصور.

2 تصميم أجهزة نظام اقتناء DIS

2.1 التصميم العام

هذا التصميم يختار متحكم AT91SAM7SE512 من شركة Atmel كنواة تحكم. تم تضمين المتحكم الدقيق AT91SAM7SE512 مع نواة معالج ARM7TDMI ، بتردد رئيسي يبلغ 48 ميجاهرتز ، مما يوفر ثروة من الأجهزة الطرفية والواجهات ، ويتم رسم جميع الحافلات المتوازية للنظام ، مع توسع قوي. يتمتع AT91SAM7SE512 بأداء فائق ، فهو مزود بشاشة ملونة حقيقية 320 × 240 TFT وشاشة تعمل باللمس ، والتي يمكنها ببساطة معالجة وعرض البيانات المجمعة على جانب المجمع ، وإثراء استخدام نظام DIS ، وتحسين قابلية النقل وسهولة استعمال.

جهاز التحويل التناظري / الرقمي (ADC) يختار AD7323 من شركة الأجهزة التناظرية. AD7323 عبارة عن مدخل رباعي القنوات ، ثنائي القطب ، 12 بت ADC مع أقصى معدل لأخذ العينات يبلغ 500 KSPS. تعد دقتها العالية وأدائها القوي أكثر من كافيين لأخذ العينات الصوتية ، وتفي تمامًا بمتطلبات نظام الحصول على بيانات DIS ، ولديها القدرة على إكمال تجارب جديدة بمتطلبات معدل أخذ العينات المرتفع التي قد تنشأ في المستقبل. يظهر الهيكل العام لأجهزة النظام في الشكل 1.

يقوم النظام بتوسيع SDRAM و DataFLASH ذات السعة الكبيرة لتلبية احتياجات تشغيل البرامج واسعة النطاق وتخزين البيانات ذات السعة الكبيرة. يتم توصيل E2PROMI من خلال ناقل TWI (متوافق بشكل أساسي مع I2C) لتخزين المعلومات الهامة غير المتطايرة للنظام.

2.2 تصميم نهاية المستشعر

كما هو مبين في الشكل 2 ، يتكون المستشعر بشكل أساسي من واجهة مستشعر أمامية ودائرة تضخيم الإشارة ودائرة تحويل A / D وحاسوب دقيق أحادي الرقاقة. بالنسبة لأجهزة الاستشعار التناظرية ، يتم توصيل خرج دائرة تضخيم الإشارة مباشرة بالمجمع ، ويقوم A / D عالي الدقة للمجمع بالتحويل التناظري / الرقمي ، ويكون المنفذ التسلسلي مسؤولاً فقط عن توفير معلومات مثل معرف المستشعر رقم. بالنسبة لأجهزة الاستشعار الرقمية ، يكون الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة مسؤولاً عن التحكم في تحويل A / D المحلي ، وينقل البيانات إلى المجمع عبر المنفذ التسلسلي. يحتوي المستشعر الرقمي على واجهة لوحدة لاسلكية عامة ، ويمكن تركيب وحدة لاسلكية عامة لنقل البيانات لاسلكيًا.

2.3 الاتصال بطرف المستشعر

تنقسم المستشعرات إلى مستشعرات تناظرية وأجهزة استشعار رقمية. ينقسم الاتصال بين نظام الاستحواذ ونهاية المستشعر إلى طرق سلكية ولاسلكية. في الوضع السلكي ، يتصل المستشعر بالمجمع من خلال المنفذ التسلسلي. يتم إرسال إشارات التحكم وبيانات المستشعر الرقمي عبر المنفذ التسلسلي. من أجل الحصول على دقة بيانات أعلى ، لا ينقل المنفذ التسلسلي للمستشعر التناظري إلا إشارات التحكم ، ويتم توصيل خرج دائرة تضخيم الإشارة مباشرة بـ ADC عالي الدقة في جانب المجمع ، والذي يتم أخذ عينات منه ومعالجته بواسطة المجمع . يمكن تحويل المستشعرات الرقمية إلى أجهزة استشعار رقمية لاسلكية (أي لاسلكية) عن طريق إضافة وحدة لاسلكية عامة. تنقل الوحدة اللاسلكية العالمية بشفافية البيانات التسلسلية بناءً على ZigBee.

أضافت واجهة التوصيل السلكي دائرة حماية وتدعم التبديل السريع لتلبية الاحتياجات العملية. تزيل الطريقة اللاسلكية القيود الناتجة عن توصيل الكابلات في بعض التجارب ، وتجعل التجارب الحركية لمسافات طويلة ممكنة. في الوقت الحاضر ، لا توجد وظيفة مماثلة في منتجات مماثلة في الداخل والخارج.

2.4 الاتصال بالكمبيوتر

يقوم نظام الاستحواذ بتبادل البيانات مع الكمبيوتر من خلال بطاقة SD وكابل USB. بطاقة SD صغيرة الحجم وكبيرة السعة ورخيصة الثمن.يمكن استخدامها ليس فقط كمخزن ممتد لنظام الاستحواذ ، ولكن أيضًا كوسيلة لتبادل البيانات بين نظام الاستحواذ والكمبيوتر أو بين أنظمة الاستحواذ. تتميز واجهة USB بتعدد استخدامات قوي ، ومعدل نقل بيانات مرتفع ، وقابس وتشغيل ، وهي واجهة مثالية للاتصال بين الأجهزة الطرفية وأجهزة الكمبيوتر.

3 تصميم برنامج نظام اقتناء DIS

3.1 نظرة عامة

يتم ترسيخ برنامج جامع DIS في FLASH الداخلي للرقاقة في شكل برنامج ثابت. تشمل الوظائف الرئيسية: قيادة الأجهزة الطرفية ، والحصول على البيانات التجريبية ومعالجتها في الوقت الفعلي ، والتفاعل بين الإنسان والحاسوب ، والتواصل مع أجهزة الاستشعار وأجهزة الكمبيوتر. يظهر الشكل العام لبرامج النظام في الشكل 3. كتطبيق للحصول على البيانات ، يجب أن يضمن نظام الحصول على DIS أولاً أخذ عينات البيانات في الوقت الفعلي والدقة ؛ ثانيًا ، يحتاج النظام أيضًا إلى معالجة البيانات وعرضها بشكل صحيح ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يستجيب النظام في الوقت المناسب لمسة المستخدم التشغيل والكمبيوتر يستجيبان للأمر الصادر عن الجهاز. يجب ألا يضمن البرنامج الأداء في الوقت الفعلي فحسب ، بل يجب أن يكمل أيضًا عددًا من الوظائف المعقدة. لم يعد نموذج تطوير البرامج للواجهة الأمامية والخلفية البسيط المستخدم بشكل شائع في الأنظمة المدمجة الصغيرة قادرًا على تلبية الاحتياجات ، لذلك تم تقديم نظام تشغيل في الوقت الفعلي (RTOS). يدير وظائف البرنامج باستخدام نموذج متعدد المهام ، مما يقلل من تعقيد تطوير البرنامج ؛ وتضمن جدولة المهام الوقائية طبيعة الوقت الفعلي للنظام.

ينقسم البرنامج إلى ثلاث طبقات: طبقة برنامج تشغيل الجهاز وطبقة نظام التشغيل في الوقت الفعلي وطبقة تطبيق المستخدم.

3.2 طبقة برنامج تشغيل الجهاز

تدرك طبقة محرك الجهاز المحرك المحيطي بناءً على إدراك سائق الحافلة. كما هو مبين في الشكل 2 ، يتضمن سائق الحافلة سائق SPI وسائق USART وما إلى ذلك. تتضمن برامج التشغيل الطرفية برامج تشغيل الوحدة النمطية اللاسلكية zigBee وبرامج تشغيل LCD وبرامج تشغيل الشاشة التي تعمل باللمس (TS).

3.3 طبقة نظام التشغيل في الوقت الحقيقي

يتم استخدام نواة نظام تشغيل صغيرة في الوقت الحقيقي μC / OS-، وهي مسؤولة عن جدولة المهام ، والاتصال بين المهام ، وإدارة الذاكرة ، والوصول إلى الاستبعاد المتبادل. يتم زرع نظام ملفات FAT ومكتبة رسومات GUI لتشكيل مفهوم نظام التشغيل في الوقت الفعلي.

3.4 طبقة تطبيق المستخدم

على وجه التحديد لتلبية احتياجات نظام اكتساب DIS ، قسّم المهام واستكمل الوظائف المختلفة. إجمالي خمس مهام مقسمة وتحديد أولويات مختلفة وفقًا لمتطلبات الاستعجال.

(1) مهمة أخذ العينات ، وهي مسؤولة عن الاتصال البسيط مع طرف المستشعر والحصول على إشارة في الوقت الفعلي. نظرًا لأن الوقت الفعلي ودقة أخذ عينات البيانات هي المهمة الأولى المهمة لنظام الاستحواذ ، فقد تم تعيينها كأولوية قصوى.

تبدأ مهام أخذ العينات بالنقر فوق وظيفة الاستجابة لواجهة المستخدم الرسومية ، أو عن طريق الكمبيوتر عبر أوامر USB. تكتشف مهمة أخذ العينات أولاً أنواع المستشعرات عبر الإنترنت ، وتحصل على أرقام المعرفات الخاصة بها ، ثم تحدد معدل أخذ العينات ، وتحمل مقاطعة أخذ العينات ، وتقوم بتشغيل المستشعر ، وأخيراً تقوم بتشغيل المقاطعة للدخول في حالة الانتظار والاستجابة للأمر. مقاطعة أخذ العينات هي أخذ عينات موقوتًا وفقًا لمعدل أخذ العينات. إذا كان مستشعرًا تناظريًا ، فسيقوم بقراءة A / D المحلي وإجراء تحويل تناظري / رقمي ؛ إذا كان مستشعرًا رقميًا ، فسوف يقرأ المخزن المؤقت للبيانات في المسلسل منفذ للحصول على بيانات أخذ العينات. بالنسبة لأجهزة الاستشعار الخاصة ، يلزم إجراء معالجة خاصة مثل التصفية. عندما يتم أخذ عينات بيانات كافية ، يتم إرسال الحزمة إلى المعالج. إذا تم بدء مهمة أخذ العينات محليًا ، فسيتم إرسالها إلى مهمة الواجهة للمعالجة والعرض ؛ إذا بدأها الكمبيوتر عبر USB ، فسيتم إرسالها إلى مهمة USB لإعادة توجيه البيانات إلى الكمبيوتر للمعالجة. يظهر مخطط التدفق العام في الشكل 4.

(2) مهمة إدخال شاشة اللمس هي المسؤولة عن اكتشاف عملية اللمس للمستخدم في الوقت الفعلي وتحديث إحداثيات الإدخال.

(3) مهمة اتصال USB ، مسؤولة عن الاستجابة لتعليمات جانب الكمبيوتر ، ونقل البيانات المجمعة إلى جانب الكمبيوتر حسب الحاجة.

بعد التهيئة ، تقوم المهمة بتشغيل آلة الحالة وتدخل في حالة الخمول. بعد تلقي طلب مقاطعة USB من الكمبيوتر ، سيتحول إلى حالات مختلفة لإكمال المهمة. يظهر مخطط التدفق العام في الشكل 5.

(4) مهام واجهة المستخدم الرسومية ، والمسؤولة عن التفاعل مع المستخدمين ، وإكمال العمليات المقابلة ، ومعالجة بيانات العرض ، وما إلى ذلك.

بعد تهيئة بعض النوافذ مثل سطح المكتب والقائمة ، تدخل مهمة الواجهة في حالة الانتظار ، وتنتظر عينات البيانات ، وتقوم بتحديث الواجهة بشكل دوري. إذا كانت هناك حاجة للعرض ، فستعرض مهمة الواجهة البيانات وفقًا لطرق العرض المختلفة بعد تلقي البيانات.

(5) مهمة خمول النظام ، مسؤولة عن جمع معلومات النظام ، وتحديث حالة النظام ، وتحديث محتوى الشاشة ، وما إلى ذلك. كما يوحي الاسم ، اضبط على أقل أولوية.

كما هو مذكور أعلاه ، يتم ترتيب أولوية كل مهمة من الأعلى إلى الأدنى: مهمة أخذ العينات ، ومهمة إدخال الشاشة التي تعمل باللمس ، ومهمة اتصال USB ، ومهمة واجهة المستخدم الرسومية ، ومهمة النظام الخاملة.

4. الخلاصة

بعد الاختبار ، أكمل النظام وظيفة التصميم ، وبعد الجمع على نطاق واسع وطويل الأجل ، لا يوجد لدى النظام أي حذف أو خطأ في البيانات ، ويمكن أن يعمل بثبات.

DIS هو أحدث تطبيق لتكنولوجيا المعلومات الرقمية والتكنولوجيا المدمجة في التعليم. يتم تحليل النموذج العام لنظام DIS ، ويتم تقديم إدراك ملموس لجسمه الرئيسي. نظرًا للواجهة الموحدة المحددة على الأجهزة وإدخال نظام تشغيل في الوقت الفعلي على البرنامج ، يتمتع النظام بإمكانية توسعة قوية. تم اقتراح طريقة الاتصال اللاسلكي للمستشعر بشكل مبتكر لتسهيل التجربة. تعتمد أجهزة النظام على منصة ARM7 ، وهي صغيرة الحجم وخفيفة الوزن ومنخفضة في استهلاك الطاقة ورخيصة الثمن ؛ يوفر البرنامج واجهة مستخدم رسومية ويدعم التشغيل باللمس وسهل الاستخدام وله واجهة سهلة . يدمج النظام الحصول على البيانات وتحليلها وعرضها ، ويمكن استخدامه بشكل مستقل ، ويمكنه التواصل بسهولة مع الكمبيوتر ، بأداء فائق واستقرار جيد. من المتوقع أن يكون للتصميم آفاق تطبيق واسعة في مجال التدريس التجريبي في المدارس الابتدائية والثانوية.