基于Android嵌入式系統的密立根油滴實驗智能儀器

王梓康，孫遜，徐文濤

（南京航空航天大學理學院，江蘇南京，211100）

基于Android嵌入式系統的密立根油滴實驗智能儀器

王梓康，孫遜，徐文濤

（南京航空航天大學理學院，江蘇南京，211100）

針對傳統密立根油滴實驗儀器儀計算不方便、輔助計算工具所占空間大等缺點，利用ARM9嵌入式開發平臺，結合嵌入式Android的優勢，研究并設計用于高校進行密立根油滴實驗的智能實驗儀器。完成了智能儀器的硬件設計，并開發出基于嵌入式Android的實驗軟件。實際運行結果表明，該智能實驗儀器整體性能良好，觸摸屏為用戶提供友善的人機交互界面，輔助計算軟件使數據處理更加方便。本儀器具有高可拓展性和高集成性的特點，極大的減少了實驗中冗余的外部設備，實現實驗智能化。

Android系統；智能儀器；嵌入式系統

0 引言

密立根油滴測量元電荷是一個經典的大學物理實驗，傳統的密立根油滴實驗儀在實驗過程中使用霧化器將油霧化噴灑在實驗容器中，通過電荷耦合器件（CCD）相機將油滴的運動狀態顯示在顯示屏上，結合極板間的電壓值，分析油滴的各項參數，通過復雜的運算過程計算出元電荷e的量值[1]。這種傳統的實驗儀器配備一個顯示設備，由于計算量大，在實驗結束后需要用專門的計算機和程序進行輔助計算，以快速完成實驗的測量任務。但是計算機成本相對較高，所占空間大，很難為學生創造一人一機的實驗條件，這也制約著密立根油滴實驗的實驗課堂效率[2]。

近幾年，嵌入式技術在不斷的發展，嵌入式處理器性能的極大的提高與互聯網的普及，使嵌入式系統在生活中的運用越來越廣泛。Android是一種基于Linux開放源代碼的操作系統，主要使用于移動設備，由Google公司和開放手機聯盟領導及開發。由于Android是開源操作系統方便移植，且封裝完備，方便調用硬件，可提供人性化的用戶界面，因此迅速的與嵌入式緊密結合在一起[3]。在本文中，使用基于Android的嵌入式系統以功能集成化和操作人性化顯示為目標，對該實驗儀器進行智能化改造。

1 系統總體設計

本實驗儀器在傳統密立根油滴實驗儀器上進行改進，使用CCD相機采集圖像并將采集到的圖像顯示在LCD觸摸屏上。同時在同一界面顯示出所加電壓以及可觸控的秒表。在軟件中設計數據計算頁面，替代計算機或手機進行輔助計算，減少不必要的設備，使實驗過程更為人性化。運用Samsung公司的Exynos 4412四核 Android核心板作為系統控制的核心處理器。由于CCD相機技術較為成熟，相比較CMOS傳感器成像效果較好，因此本系統選擇CCD相機作為圖像采集硬件[4]。整個系統框架圖如圖1所示。

圖1 系統框架圖

2 硬件設計

本系統主要由油滴實驗儀、CCD相機、嵌入式Android開發板三部分組成。其中硬件結構分為實驗控制箱，實驗儀器，Android開發板三大部分。

實驗控制箱主要用于控制實驗儀器中平行板間的電壓，從而達到控制油滴運動狀態的目的。實驗儀器為留有小口的圓柱形容器，從小口噴灑進入的油被實驗儀器霧化后，成為極小的油滴，受平行板的電壓影響，進行不同的運動[5]，由CCD相機拍攝傳遞給Android開發板。Android開發板主要用于顯示CCD相機所拍攝到的圖像，在觀察油滴運動狀態的時候提供計時功能，以及進行輔助計算。Android開發板硬件結構如圖3所示。

圖2 Android開發板硬件結構圖

本系統使用Samsung公司的Exynos 4412 四核 Android核心板，其CPU為Samsung Exynos 4412，運行主頻1.5GHz。Exynos 4412又稱為Exynos 4 Quad，Exynos 4412采用了三星最新的32nm HKMG工藝，是三星的第一款四核處理器。該款處理器功耗低、性能好，因此選用其作為Android開發板的主要處理器[6]。 開發板帶有1GB DDR3 RAM、4GB eMMC FLASH儲存模塊、CCD相機輸入接口以及LCD觸摸屏。

3 軟件設計

3.1 軟件邏輯簡述

基于Android平臺下，配合密立根油滴實驗使用的軟件，主要分為圖像顯示、計時部分、輔助計算三大部分。軟件框架和邏輯關系如表1和圖3所示。

表1 油滴實驗安卓APP軟件框架

Activity1（實驗界面）：在實驗過程中顯示油滴的影像，并在顯示區域附加距離比較網格，輔助操作人員確認油滴下落距離，并結合計時部分，計算出油滴的下落速度。

Activity2（計算界面）：由于得知油滴下落速度后還需進行很大量的計算才能得出所求的量元電荷e。操作人員可將其在實驗界面所得到的速度值輸入進入該界面中的對應參數的空格中，使用程序以設計好的算法，進行快速的計算，得到結果[8]。

圖3 軟件界面結構圖

3.2 在Android中調用CCD傳感器

本系統使用的Android開發板底板上集成有CCD傳感器接口，在應用開發時可使用廠商提供的動態鏈接庫（.so）文件與方法（Method）對CCD相機進行調用。首先，在Android應用程序工程文件中的lib文件夾中新建文件夾并命名為armeabi，再將廠商提供的動態鏈接庫文件（.so）復制到該文件夾中，該動態鏈接庫中包含基于本Android開發板的硬件驅動[9]；再將廠商提供的包含調用方法的文件夾復制到/app/src/main/java/目錄下，這樣便可以在軟件開發編程時直接使用廠商在操作手冊中提供的方法（函數）調用CCD相機。

4 測評

在實驗室中，我們將實驗板，顯示器與密里根油滴實驗儀連接，打開應用程序，得到的如圖4所示。

圖4 Android軟件界面

5 結論

通過實驗中的測試，基于Android的實驗儀可以流暢的顯示實驗中油滴的動向，計算油滴e值速度快，極大的減少了因計算錯誤導致的重復實驗的情況。該實驗儀將Android技術與傳統物理實驗結合，得到了預期的效果，是值得借鑒的，而更深入的應用，項目組正在探討和研究當中。

[1]陳曉,唐定飄,陳乾,戴玉蓉.密立根油滴實驗的探究性數據處理方案[J].大學物理實驗. 2013(02).

[2]武繼文,徐紅梅.密立根油滴實驗中油滴選取原則與操作要領[J].成功(教育). 2013(20).

[3]MichaelDeLuca.對比工業成像中的CCD及CMOS技術[J].電子產品世界,2016, 23(4):26-27.

[4]朱國斌. 基于Android系統的Camera模塊設計和實現[D].西安電子科技大學,2011.

[5]李卓凡.密立根油滴實驗數據處理系統設計[J].大學物理實驗.2010(03).

[6]楊向榮.Exynos4412 MIPI攝像頭接口研究[J].電子技術與軟件工程, 2015(12):134-134.

[7]壽柏炎.林粵偉,宋丹.基于Android手持設備的智能家居遙控系統研制[J].電子產品世界,2015(6):37-39.

[8]解志君.在Android中使用HTML設計UI界面[J].信息通信,2013(4):138-139.

[9]梁宗希.Android下Linux攝像頭的HAL封裝設計[D].北方工業大學,2015.

[10]田勇,張煥德.密立根油滴實驗分析與改進[J].科協論壇(下半月).2012(08).

Intelligent Instrument for Millikan’s ‘oil-drop’ experiment Based on Android Embedded System

Wang Zikang,Sun Xun,Xu Wentao
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, College of Science,Nanjing Jiangsu,211100)

Aiming at the inconvenient calculation of the traditional Millikan’s ‘oil-drop’ experiment Instrument and the fact that auxiliary computing tools account for a large space, a new intelligent instrument is studied and designed in this paper It based on ARM9 embedded development platform, and take the advantage of embedded Android. The hardware design of the intelligent instrument and the software for the experiment based on Android embedded system is described Actual operating results showed the overall performance of the intelligent test instrument is great. The touch screen can provide users with a friendly interactive interface, auxiliary calculation software makes data processing more convenient. The instrument is highly scalable and highly integrated, greatly reduces the number of redundant external devices in the experiment, make the experiment more intelligent

Android system; Intelligent Instrument ; Embedded System

王梓康（1995—），男，新疆烏魯木齊人，本科在讀，研究方向：Android軟件開發，嵌入式系統。

16年國家級大學生創新訓練計劃項目資助，項目編號610287041；南京航空航天大學實驗技術研究開發項目，項目編號：2015050800027250。