基于嵌入式平臺的一種動物學習能力測量儀器

劉淵博

（榆林市一中，陜西 榆林 719000）

基于嵌入式平臺的一種動物學習能力測量儀器

劉淵博

（榆林市一中，陜西 榆林 719000）

針對動物學習能力測量儀器不精確、不夠智能化的問題，本文基于AR M9和WINCE，研制了一種基于嵌入式平臺的動物學習能力測量儀器，其集高精度計時、主控智能化、可存儲化與分控無線化于一體。實驗測試表明，該嵌入式平臺性能穩定、攜帶方便，數據測試精度達4ppm。

動物學習能力；測量儀器；嵌入式平臺

1 引言

目前針對動物反映時間的測量大多采用秒表計時，人為因素導致的誤差較大，無法準確客觀地對人體的反應和移動能力進行評估量化。本文基于對動物學習能力測量目前存在的問題和動物學習能力測量的重要意義，設計并開發了一種基于ARM9和WINCE系統的嵌入式平臺。

2 系統的基本組成原理

圖1 系統總體結構

如圖1所示，系統主要由A、B、C、D四個分端、一個下位機分控（下稱“分控”）和手持總控端（下稱“手持端”）三部分組成，A、B、C、D四個分端之間用圍墻相連，且分控和每個分端均有一個觸摸屏。四個分端上只有一個分端上掛有真正的食物，為保證變量一致性，其他分端掛有相同的食物模型。在分控的觸摸屏位置有一個測試動物箱（下稱測試箱），測試開始前，將測試動物放于測試箱中，箱子開口面向觸摸屏，一旦打開箱子，動物從箱子中出來就會碰到分控的觸摸屏。測試開始時，四個分端的食物全部為食物模型，當動物第一次觸摸分控面板時，分控將產生一個A/B/C/D的方向信號，接收到方向信號的分端會被隨機信號所觸發，并發出燈光報警信號，測試員隨即將該分端的食物模型換作真正的食物，同時當前時間被記錄到分控；動物在搜索到正確的食物所在的面板時，觸碰面板，該分端產生警報解除信號并傳送到分控，分控記錄當前時間，當動物將食物吃掉，離開面板后，報警信號解除；當動物觸碰到食物模型所在面板的時候，該面板不會做出任何響應。這樣，動物搜索一次食物花費的時間都將使用分控記錄下來，并通過無線方式發送到手持端。在這樣的一個測試中，測試者可以自定義測量次數，最后所有的測試時間（單次和總的時間）都會存儲到手持總控的SD卡上，以方便后期的數據分析，當然，分端的數量、分控與分端的距離等可以根據實際情況進行調整，因為它們之間都是通過無線方式進行通信的，在天氣良好的情況下，手持終端與分控間的通信距離可達500米，分控和分端的有效通信距離可達50米。考慮到實際使用可能在戶內，也可能在戶

外，所有的設備都使用電池和外接電源兩種供電方案。

使用該系統，系統中有兩種東西可以幫助用戶做出正確的判斷，分別為食物的味道和被觸發的分端發出的燈光信號，即動物學習對于環境常常使用的嗅覺和視覺感知，饑餓的動物在得到食物的刺激下，會逐漸對這兩種信號進行感知。當然不同學習能力的動物發生感應所需的時間不同，學習能力越強的動物將能夠越快地感知到這兩種信號，從而在較少次數的刺激之后便能夠比較迅速的找到食物，相應地，學習能力較弱的動物將需要較多的次數才能認識到這兩種信號與食物之間的關系。上述一次測量時間，只是一次刺激花費的時間，對動物學習能力的測量需要大量的測試次數，即大量刺激才能夠得到實驗結果。

3 系統的軟硬件模塊設計

3.1 硬件和功能模塊

如圖1所示該系統主要包括手持總控端、下位機分控和分端三部分，三者全部采用無線進行通信，其中手持端和分控之間采用NRF-905無線數傳模塊通信、分控和分端之間采用PT2262/2272通信。本節將詳述三部分的硬件模塊設計。

3.1.1 手持總控端部分

該部分主要負責系統的整體控制，包括測試數據的存儲、測試數據的處理、測試者信息管理和測試者反應和移動能力評估等。總控部分主要由ARM9 S3C2440A、SD卡、LCD觸摸屏三部分組成，其中ARM9作為總處理器，當手持端通過NRF-905數傳模塊接收到來自分控的信號時，通過SPI總線傳送給ARM9進行處理，ARM9將處理后的信息放到SD卡中存儲并顯示到LCD觸摸屏。此外，ARM9也可接收來自LCD觸摸屏的信號，比如查看某個動物某次搜索食物所花費的時間等，ARM9讀取SD卡的數據并顯示到LCD觸摸屏上，從而完成信號的交互。其組成框圖如圖2所示。

圖2 總控的硬件組成框圖

為便于使用，對WINCE系統進行剪裁和移植，從而形成良好的人機交互界面，系統開機后，直接進入測量控制界面，這部分將在軟件設計部分詳細說明。

3.1.2 下位機分控部分

下位機分控部分主要負責產生隨機信號、計時等，其主要包括主控制器MCU和基于陣列微動開關的觸控信號板兩部分。當動物觸摸觸控信號板時，觸發中斷，產生計時開始/結束信號，并將其傳輸給MCU處理。當MCU接收到開始信號時，產生A/B/C/D等隨機信號，并通過PT2262/2272將信號傳送給分端，并使用內部的計時器開始計時；當MCU接收到結束信號時，停止計時，并將測量數據通過NRF-905無線通信模塊傳送給手持總控端。其系統構造和連接圖如圖3所示。

圖3 下位機分控硬件組成框圖

3.1.3 分端部分

分端部分主要負責接收來自分控的隨機報警觸發信號、產生燈光報警信號、產生并處理解除報警信號等，其主要由微控器MCU基于陣列微動開關的觸控信號板、燈光聲音報警電路組成，如圖4所示。當MCU通過PT2262/2272接收到分控的隨機信號后，觸發中斷，產生燈光報警信號；當動物觸摸信號板時，觸發中斷，產生警報解除信號，通過PT2262/ 2272發送到分控，分控記錄當前時間；當動物離開觸摸面板后，通過MCU解除燈光報警信號。

圖4 分端硬件組成框圖

3.2 軟件功能模塊

3.2.1 WINCE系統的裁剪定制和WINCE軟件開發

相對于LINUX平臺，WINCE系統平臺的支持特性要簡單一些，開發周期短，可以根據自己的需求開發功能和模塊并進行相應的注冊和編譯，從而完成WINCE系統的裁剪和定制。

3.2.2 NRF-905無線模塊SPI總線流驅動程序的實現

上述所有軟件和NRF-905無線模塊的SPI總線流驅動是在EVC 4.0環境下進行編寫的。驅動程序將外設抽象為一個文件，應用程序使用操作系統提供的文件對外設進行訪問。在具體實現時，流驅動程序使用固定模式的流驅動接口函數：XXX_Init、XXX_Deinit、XXX_PreDeinit、XXX_Open、XXX_Close、XXX_PreClose、XXX_Read、XXX_Write、XXX_Seek、XXX_IOControl、XXX_PowerUp、XXX_Power-Down，其中XXX代表該設備在注冊表中的名字。通過這些接口函數，實現操作系統對外設的控制。NRF-905無線模塊的SPI總線流驅動程序部分實現如下：

（1）打開設備

打開上下文的句柄保存在中hOpenFile中。

（2）讀取Flash的ID號

&OP_READID,4,&id,sizeof(id),&dwNumOfRead,NULL);其中OP_READID是讀取ID命令字，返回的ID號保存在變量id中。

（3）擦除設備

EraseData包含了擦除設備命令字和擦除地址。

（4）寫入待測數據

TransArray中包括寫Flash的命令字、寫入地址和準備好待測數據。

（5）讀取待測數據

其中ReceBuffer是應用程序準備的緩沖，用于存放先前寫入到Flash中的數據。

3.2.3 下位機分控的高精度計時軟件

下位機采用ST公司的32位MCU，外接貼片石英晶振。考慮到夏天和冬天的溫差和環境的變化，所選晶振滿足老化率最大為：±3ppm/year，頻率偏差為±10ppm。

利用MCU計時器計時，精度可達到us級，完全滿足測試要求。

通過基本分析，可以保證測試精度在200s內的誤差不超過2ms，可以滿足實際應用中的高精度計時要求。

3.2.4 分端軟件

分端軟件的編寫比較簡單，在此不做贅述。

4 總結

該基于嵌入式平臺的動物能力測試儀器安裝方便，全部采用電池和外接電源兩種供電方案，攜帶方便，手持總控端、下位機分控端和分端全部采用無線通信方式從而可以自由調整距離，良好的人機交互界面使得操作簡單，智能化程度較高。

測量的全過程，數據全部由系統統計與記錄，可以為組織者免去繁重的體力勞動且測量結果更加精確客觀。此外，該系統可以根據每種動物定制測試，測試系統不需要做太大改進就可以應用于多種動物學習能力的測量，可擴展性較強。

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Animal StudyAbility Measuring Instrument Based on Embedded Platform

Liu Yuanbo
(Yulin No.1 High School in Shaanxi Province,Yulin 719000,Shaanxi)

tract】 Aiming at the problems of animal study ability measuring instrument,such as inaccurate and intelligent testing,this paper develops a measuring instrument based on ARM9 and WINCE,which has the advantages of high precision timing,intelligence controlling,storable and wireless.Experimental tests show that the embedded platform performs stable.The test data accuracy is up to 4ppm.

words】 animal study ability;measuring instruments;embedded platform

TP274.4

A

1008-6609(2016)09-0047-03

劉淵博,男,榆林人，研究方向：計算機信息。