基于FPGA和無線通信的密立根油滴測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

徐富新,張 娜,劉雁群，王 強(qiáng)

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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基于FPGA和無線通信的密立根油滴測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

徐富新,張 娜,劉雁群，王 強(qiáng)

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為了提高密立根油滴實(shí)驗(yàn)中儀器測(cè)量的精確性，改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)模式，提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和無線通信的密立根油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。利用FPGA高速地采集和存儲(chǔ)油滴運(yùn)動(dòng)的控制電壓和下落時(shí)間，并構(gòu)建了基于ZigBee的分布式網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。開發(fā)了基于C/S架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)實(shí)時(shí)獲取、處理、存儲(chǔ)并顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能，并利用SQL Server數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地保存和遠(yuǎn)程服務(wù)器的同步。實(shí)踐證明：該系統(tǒng)具有靈活高效的實(shí)時(shí)教學(xué)指導(dǎo)模式，且測(cè)量結(jié)果的平均相對(duì)誤差小于0.06 %，相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器有效地提高了測(cè)量精確度。

密立根油滴實(shí)驗(yàn)； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列； 無線分布式網(wǎng)絡(luò)； SQL Server； 實(shí)時(shí)

0 引 言

密立根油滴實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展過程中的一項(xiàng)著名實(shí)驗(yàn)，其主要是利用密立根獨(dú)創(chuàng)的油滴實(shí)驗(yàn)儀測(cè)定基本電量的大小。但現(xiàn)有的油滴儀在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在若干不足：一是只能依賴光學(xué)顯微鏡觀察油滴運(yùn)動(dòng)，不方便學(xué)生觀察和控制油滴，導(dǎo)致測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠精確；二是教師難以實(shí)時(shí)獲得學(xué)生的測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無法針對(duì)性地對(duì)學(xué)生進(jìn)行及時(shí)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[1]。

針對(duì)第一個(gè)問題，沙振舜[2]提出使用CCD圖像傳感器和顯示器來觀察油滴，極大方便了觀測(cè)油滴的運(yùn)動(dòng)，但由于采用的是光學(xué)分劃板，顯示的圖像不夠明亮清晰。梁一機(jī)[3]采用電子分劃板獲取的油滴運(yùn)動(dòng)圖像較為清晰，但其方案使用指針式電壓表測(cè)量電壓會(huì)帶來較大的讀數(shù)誤差。周海濤等人[4]提出采用單片機(jī)測(cè)量電壓，并進(jìn)行了數(shù)字式顯示，但是其只顯示油滴運(yùn)動(dòng)的單一畫面，無法提供實(shí)驗(yàn)相關(guān)的提示信息。對(duì)于第二個(gè)問題，有線傳輸模式[5]被提出，但是該模式的布線成本高昂，施工環(huán)節(jié)也比較復(fù)雜。

為了改善以上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足，本文對(duì)現(xiàn)有油滴儀進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和無線通信的密立根油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA作為主控芯片[6～8]，實(shí)現(xiàn)字符視頻疊加，使學(xué)生無需他人指導(dǎo)也能順利完成油滴實(shí)驗(yàn)。然后通過基于ZigBee的無線分布式傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、處理以及集中管理[9]。最后設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)操作軟件，方便教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行查詢、管理與指導(dǎo)。本系統(tǒng)發(fā)揮了FPGA和無線通信的優(yōu)越性，不僅有效地提高了油滴儀的測(cè)量精確度，而且開創(chuàng)了一種靈活高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)模式，解決了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的局限性，并且系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)已在部分高校的實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

密立根油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由處于空間不同位置的實(shí)驗(yàn)油滴儀、無線分布式數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)控制臺(tái)和遠(yuǎn)程中央數(shù)據(jù)庫組成。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能以及工作流程如下：1)上位機(jī)控制臺(tái)通過串口與協(xié)調(diào)器進(jìn)行命令與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸，協(xié)調(diào)器通過分布式數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將控制臺(tái)命令發(fā)送給各實(shí)驗(yàn)終端。2)實(shí)驗(yàn)終端接收到命令之后根據(jù)要求將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。3)協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，控制臺(tái)將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，然后把實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫，最后上傳給遠(yuǎn)程中央數(shù)據(jù)服務(wù)器。

2 油滴實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

由于油滴儀電量測(cè)試終端需要精確的控制視頻時(shí)序以實(shí)現(xiàn)字符視頻疊加、高速地采集電壓和時(shí)間等信號(hào)、豐富的I/O口連接各外設(shè)模塊以及足夠容量的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)字符和采集到的電壓、時(shí)間值，所以本系統(tǒng)采用Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片作為主控芯片，該芯片具有容量大、高效率、低成本等特性，能夠充分滿足系統(tǒng)要求。本文利用靜態(tài)平衡法，通過測(cè)得油滴的平衡電壓和下落時(shí)間計(jì)算得到電子電量。該油滴實(shí)驗(yàn)儀主要由計(jì)時(shí)/停止模塊，A/D電壓轉(zhuǎn)換模塊，字符視頻疊加模塊和無線通信模塊組成，其硬件框架圖如圖2所示。

圖2 油滴實(shí)驗(yàn)儀硬件框圖Fig 2 Hardware block diagram of oil drop instrument

2.2 計(jì)時(shí)與電壓轉(zhuǎn)換模塊

由于計(jì)數(shù)的時(shí)鐘頻率越高，計(jì)時(shí)測(cè)量越準(zhǔn)確穩(wěn)定，誤差也越小，因此計(jì)時(shí)/停止模塊采用了穩(wěn)定度高的晶體振蕩源替代現(xiàn)有儀器的陶瓷振蕩源，并且利用FPGA的鎖相環(huán)將系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)50 MHz倍頻到250 MHz來產(chǎn)生和測(cè)量數(shù)字時(shí)間信號(hào)。該模塊含有計(jì)時(shí)和停止按鍵，按下兩個(gè)按鍵分別代表開始計(jì)數(shù)和停止計(jì)數(shù)，同時(shí)將累計(jì)的時(shí)間輸出至顯示屏。

考慮到測(cè)試系統(tǒng)的功耗與精度要求，電壓轉(zhuǎn)換模塊選用A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC1543采集油滴運(yùn)動(dòng)的平衡電壓，電壓值輸出分辨率為10位。FPGA控制該芯片的時(shí)鐘信號(hào)以及片選信號(hào)，使芯片工作在快速方式2進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)按下計(jì)時(shí)/停止模塊的停止鍵時(shí)，F(xiàn)PGA以50 MHz的頻率對(duì)電壓進(jìn)行采樣以及均值濾波，得到較精確的平衡電壓。同時(shí)為了節(jié)約了電路板的面積和成本，系統(tǒng)直接使用IP核生成的64Words RAM存儲(chǔ)采集得到的電壓和時(shí)間數(shù)據(jù)，無需使用外部存儲(chǔ)芯片。

2.3 字符視頻疊加模塊

字符視頻疊加模塊采用 LM1881芯片從CCD攝像頭發(fā)出的視頻信號(hào)中分離出行、場(chǎng)同步信號(hào)，并作為FPGA的輸入信號(hào)。采集的視頻圖像是PAL制黑白電視信號(hào)，每場(chǎng)視頻圖像有312.5行，場(chǎng)頻為50 Hz，其中行同步脈沖寬度為4.7 μs，周期為64 μs，場(chǎng)同步信號(hào)脈沖寬度為2.5個(gè)行周期，掃描正程的時(shí)間約為18.4 ms，總共有287.5行傳送圖像。行、場(chǎng)同步脈沖的時(shí)序圖如圖3所示。通過對(duì)行、場(chǎng)同步脈沖計(jì)數(shù)得到掃描點(diǎn)坐標(biāo)，從而確定字符顯示的位置。

字符顯示除了要確定顯示位置，還需將字符信息發(fā)送到顯示器，為了減少錯(cuò)誤與方便地修改字符，采用漢字字模提取工具生成顯示的字符信息，構(gòu)成一個(gè)字符庫，并使用 FPGA內(nèi)部ROM進(jìn)行存儲(chǔ)。在字符指定的顯示位置，將提取的字符信息與原始視頻信號(hào)進(jìn)行疊加，輸出到BNC接口實(shí)現(xiàn)字符的顯示。

圖3 行、場(chǎng)信號(hào)時(shí)序圖Fig 3 Timing sequence diagram of line/field signal

2.4 無線通信模塊

該系統(tǒng)采用CC2530芯片實(shí)現(xiàn)無線通信，該芯片具有抗干擾性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、低功耗等性能[10～12]，可靠的通訊距離可達(dá)200 m，且外圍電路比較簡(jiǎn)單，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中FPGA通過 SPI 接口與CC2530通信，通過控制寄存器TXFIFO和RXFIFO來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。CC2530無線通信模塊硬件電路如圖4所示。

圖4 CC2530通信模塊硬件圖Fig 4 Hardware diagram of CC2530 communication module

3 無線分布式數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了避免有線傳輸中的布線成本和施工問題，以及降低某網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生故障時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，本系統(tǒng)采用無線分布式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。考慮到實(shí)現(xiàn)的是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)室中環(huán)境較為簡(jiǎn)單，因此采用星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，由上位機(jī)端及各實(shí)驗(yàn)終端的ZigBee設(shè)備組成，具體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖5所示。

將上位機(jī)端的無線通信模塊設(shè)定為協(xié)調(diào)器，作為無線網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)上位機(jī)控制臺(tái)與各實(shí)驗(yàn)終端的通信，并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的通信路徑。各終端的無線通信模塊是該網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器與實(shí)驗(yàn)油滴儀之間的通信。

圖5 無線分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig 5 Architecture of wireless distributed networks

圖6 協(xié)調(diào)器軟件流程圖Fig 6 Software flow chart of coordinator

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

考慮到多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)并發(fā)向協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)而引起的數(shù)據(jù)通道阻塞的情況，協(xié)調(diào)器對(duì)各實(shí)驗(yàn)終端節(jié)點(diǎn)采取順序點(diǎn)播方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)器初始化后接收并判別上位機(jī)的命令的任務(wù)，然后發(fā)送相對(duì)應(yīng)的命令。之后協(xié)調(diào)器將設(shè)置成接收模式，等待接收數(shù)據(jù)，根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包的地址判斷是哪個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，再開始與下一終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)流程具體如圖6所示。實(shí)驗(yàn)終端節(jié)點(diǎn)軟件較為簡(jiǎn)單，只負(fù)責(zé)接收判別命令和傳送實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 上位機(jī)控制臺(tái)和中央數(shù)據(jù)庫

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，上位機(jī)控制臺(tái)主要有學(xué)生點(diǎn)名、單個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢、全部學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的查詢以及數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)等功能。學(xué)生點(diǎn)名模塊負(fù)責(zé)顯示每臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器的使用狀態(tài)以及使用人的學(xué)號(hào)信息，用顏色區(qū)分使用狀態(tài)，紅色表示正在使用，灰色為未使用；單個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢模塊負(fù)責(zé)顯示該學(xué)生的每個(gè)油滴五次測(cè)試的結(jié)果以及計(jì)算出來的油滴電量、元電荷數(shù)、電子電量的值；全部學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的查詢模塊負(fù)責(zé)顯示所有實(shí)驗(yàn)終端已測(cè)試的油滴個(gè)數(shù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)保存到本地并上傳到遠(yuǎn)程中央服務(wù)器。通過上位機(jī)控制臺(tái)教師可以對(duì)全部實(shí)驗(yàn)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，并能夠?qū)?shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的相應(yīng)情況做出及時(shí)的指導(dǎo)。上位機(jī)軟件界面如圖7所示。

中央數(shù)據(jù)庫信息資源比較集中，為了能夠有效降低維護(hù)成本，選擇在SQL Server環(huán)境下開發(fā)[13，14]。中央數(shù)據(jù)庫開啟了遠(yuǎn)程登錄功能，將每位學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與個(gè)人信息一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了與本地?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享以及分權(quán)管理。

圖7 上位機(jī)點(diǎn)名和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度界面Fig 7 Interface of upper PC call the roll and experimental progress

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于中南大學(xué)等高校密立根油滴實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的電子電量值的精確性，從每個(gè)終端上隨機(jī)抽取200個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為測(cè)試集進(jìn)行分析。采用元電荷反證法對(duì)單個(gè)終端的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，每個(gè)實(shí)驗(yàn)終端測(cè)量的平均電子電量值與電子電量理論值的關(guān)系如圖8所示。進(jìn)一步分析測(cè)試集總體的平均電子電量值、不確定度以及平均相對(duì)誤差值，具體如表1所示。

由圖8以及表1可知，測(cè)試集的電子電量值與理論值的不確定度小于0.002×10-19C，總體平均相對(duì)誤差δ均小于0.06 %，遠(yuǎn)小于市場(chǎng)上密立根油滴儀的平均相對(duì)誤差3 %，證明該測(cè)試系統(tǒng)具有良好的有效性和可靠性。

圖8 單個(gè)終端測(cè)的平均電子電量值與理論值的關(guān)系圖Fig 8 Relationship between average elementary charge and theoretical value of single terminal

參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果總體平均電子電量值1.6011×10-19C總體不確定度0.0017×10-19C總體平均相對(duì)誤差0.054%

6 結(jié) 論

本文將FPGA應(yīng)用到精密儀器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高速率采集和處理，以及字符視頻的疊加，提高了油滴測(cè)量?jī)x的精確度。并與ZigBee無線通信相結(jié)合設(shè)計(jì)了分布式實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)基于C/S模式上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多臺(tái)實(shí)驗(yàn)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及實(shí)驗(yàn)終端與中央服務(wù)器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式無法實(shí)時(shí)獲取學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的弊端。實(shí)踐結(jié)果證明:該系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)油滴測(cè)試系統(tǒng)更高的實(shí)時(shí)性、靈活性和穩(wěn)定性，并且可以應(yīng)用到溫度采集等相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)以及其他電力、污染監(jiān)控等系統(tǒng)中，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

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張 娜，通訊作者，E—mail:1198129470@qq.com。

Design of Millikan oil drop test system based on FPGA and wireless communications*

XU Fu-xin,ZHANG Na,LIU Yan-qun,WANG Qiang

(School of Physics and Electronics,Central South University,Changsha 410083,China)

In order to improve measuring accuracy of existing Millikan oil drop experimental instrument and traditional teaching guidance mode,testing system of Millikan oil drop experiment based on field programmable gate array(FPGA)and wireless communications is designed.This system uses FPGA to collect and store controlled voltage and falling time of oil droplet with high speed,and construct the distributed network based on ZigBee for the test data wireless transmission.The experimental data management system based on client/server(C/S)structure is developed,the upper PC can obtain,process,store,and display the experimental data in real time,and SQL Server database is used for data storage,and the data in the local server is synchronized to remote server.The practice proves that this system not only creates a flexible and efficient experimental teaching mode,but also average relative error of test results is less than 0.06 %,compared with traditional oil drop instrument,the measurement accuracy is improved effectively.

Millikan oil drop experiment;field programmable gate array(FPGA);wireless distributed network;SQL server;real time

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0103—04

2016—01—19

湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(11JJ22039)

TP 391.9

A

1000—9787(2016)11—0103—04

徐富新(1965-),男,湖南邵陽人，教授，碩士生導(dǎo)師,從事為虛擬儀器技術(shù)和機(jī)器視覺研究工作。