基于FPGA和无线通信的密立根油滴测试系统设计*

徐富新,张 娜,刘雁群，王 强

(中南大学 物理与电子学院,湖南 长沙 410083)



基于FPGA和无线通信的密立根油滴测试系统设计*

徐富新,张 娜,刘雁群，王 强

(中南大学 物理与电子学院,湖南 长沙 410083)

为了提高密立根油滴实验中仪器测量的精确性，改善传统实验教学指导模式，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)和无线通信的密立根油滴实验测试系统。利用FPGA高速地采集和存储油滴运动的控制电压和下落时间，并构建了基于ZigBee的分布式网络对数据进行无线传输。开发了基于C/S架构的实验数据管理系统，实现了上位机实时获取、处理、存储并显示实验数据的功能，并利用SQL Server数据库实现数据的本地保存和远程服务器的同步。实践证明：该系统具有灵活高效的实时教学指导模式，且测量结果的平均相对误差小于0.06 %，相较于传统实验仪器有效地提高了测量精确度。

密立根油滴实验； 现场可编程门阵列； 无线分布式网络； SQL Server； 实时

0 引 言

密立根油滴实验是物理学发展过程中的一项著名实验，其主要是利用密立根独创的油滴实验仪测定基本电量的大小。但现有的油滴仪在实验教学中存在若干不足：一是只能依赖光学显微镜观察油滴运动，不方便学生观察和控制油滴，导致测量得到的实验数据不够精确；二是教师难以实时获得学生的测量数据和实验结果，无法针对性地对学生进行及时的实验指导[1]。

针对第一个问题，沙振舜[2]提出使用CCD图像传感器和显示器来观察油滴，极大方便了观测油滴的运动，但由于采用的是光学分划板，显示的图像不够明亮清晰。梁一机[3]采用电子分划板获取的油滴运动图像较为清晰，但其方案使用指针式电压表测量电压会带来较大的读数误差。周海涛等人[4]提出采用单片机测量电压，并进行了数字式显示，但是其只显示油滴运动的单一画面，无法提供实验相关的提示信息。对于第二个问题，有线传输模式[5]被提出，但是该模式的布线成本高昂，施工环节也比较复杂。

为了改善以上实验系统的不足，本文对现有油滴仪进行改进，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)和无线通信的密立根油滴实验测试系统。该系统采用FPGA作为主控芯片[6～8]，实现字符视频叠加，使学生无需他人指导也能顺利完成油滴实验。然后通过基于ZigBee的无线分布式传输网络实现实验测试数据的实时传输、处理以及集中管理[9]。最后设计了实验控制台操作软件，方便教师对学生的实验情况进行查询、管理与指导。本系统发挥了FPGA和无线通信的优越性，不仅有效地提高了油滴仪的测量精确度，而且开创了一种灵活高效的实验教学指导模式，解决了现有实验教学中的局限性，并且系统的优势已在部分高校的实际应用中得到了验证。

1 系统总体设计

密立根油滴实验测试系统由处于空间不同位置的实验油滴仪、无线分布式数据传输网络、上位机控制台和远程中央数据库组成。该系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构框图Fig 1 Overall structure block diagram of system

整个系统各个模块的功能以及工作流程如下：1)上位机控制台通过串口与协调器进行命令与实验数据的传输，协调器通过分布式数据传输网络将控制台命令发送给各实验终端。2)实验终端接收到命令之后根据要求将相应的数据发送给协调器。3)协调器将数据转发给上位机，控制台将接收到数据进行处理并显示，然后把实验结果保存到本地数据库，最后上传给远程中央数据服务器。

2 油滴实验仪设计

2.1 硬件组成

由于油滴仪电量测试终端需要精确的控制视频时序以实现字符视频叠加、高速地采集电压和时间等信号、丰富的I/O口连接各外设模块以及足够容量的存储器存储字符和采集到的电压、时间值，所以本系统采用Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片作为主控芯片，该芯片具有容量大、高效率、低成本等特性，能够充分满足系统要求。本文利用静态平衡法，通过测得油滴的平衡电压和下落时间计算得到电子电量。该油滴实验仪主要由计时/停止模块，A/D电压转换模块，字符视频叠加模块和无线通信模块组成，其硬件框架图如图2所示。

图2 油滴实验仪硬件框图Fig 2 Hardware block diagram of oil drop instrument

2.2 计时与电压转换模块

由于计数的时钟频率越高，计时测量越准确稳定，误差也越小，因此计时/停止模块采用了稳定度高的晶体振荡源替代现有仪器的陶瓷振荡源，并且利用FPGA的锁相环将系统时钟信号50 MHz倍频到250 MHz来产生和测量数字时间信号。该模块含有计时和停止按键，按下两个按键分别代表开始计数和停止计数，同时将累计的时间输出至显示屏。

考虑到测试系统的功耗与精度要求，电压转换模块选用A/D转换芯片TLC1543采集油滴运动的平衡电压，电压值输出分辨率为10位。FPGA控制该芯片的时钟信号以及片选信号，使芯片工作在快速方式2进行A/D转换。当按下计时/停止模块的停止键时，FPGA以50 MHz的频率对电压进行采样以及均值滤波，得到较精确的平衡电压。同时为了节约了电路板的面积和成本，系统直接使用IP核生成的64Words RAM存储采集得到的电压和时间数据，无需使用外部存储芯片。

2.3 字符视频叠加模块

字符视频叠加模块采用 LM1881芯片从CCD摄像头发出的视频信号中分离出行、场同步信号，并作为FPGA的输入信号。采集的视频图像是PAL制黑白电视信号，每场视频图像有312.5行，场频为50 Hz，其中行同步脉冲宽度为4.7 μs，周期为64 μs，场同步信号脉冲宽度为2.5个行周期，扫描正程的时间约为18.4 ms，总共有287.5行传送图像。行、场同步脉冲的时序图如图3所示。通过对行、场同步脉冲计数得到扫描点坐标，从而确定字符显示的位置。

字符显示除了要确定显示位置，还需将字符信息发送到显示器，为了减少错误与方便地修改字符，采用汉字字模提取工具生成显示的字符信息，构成一个字符库，并使用 FPGA内部ROM进行存储。在字符指定的显示位置，将提取的字符信息与原始视频信号进行叠加，输出到BNC接口实现字符的显示。

图3 行、场信号时序图Fig 3 Timing sequence diagram of line/field signal

2.4 无线通信模块

该系统采用CC2530芯片实现无线通信，该芯片具有抗干扰性强、网络容量大、低功耗等性能[10～12]，可靠的通讯距离可达200 m，且外围电路比较简单，能够提高系统的稳定性。本设计中FPGA通过 SPI 接口与CC2530通信，通过控制寄存器TXFIFO和RXFIFO来实现数据的无线收发。CC2530无线通信模块硬件电路如图4所示。

图4 CC2530通信模块硬件图Fig 4 Hardware diagram of CC2530 communication module

3 无线分布式数据传输网络的设计

3.1 无线网络结构设计

为了避免有线传输中的布线成本和施工问题，以及降低某网络节点产生故障时对整个系统的影响，本系统采用无线分布式网络进行数据传输。考虑到实现的是小规模网络，实验室中环境较为简单，因此采用星型结构网络，由上位机端及各实验终端的ZigBee设备组成，具体网络构架如图5所示。

将上位机端的无线通信模块设定为协调器，作为无线网络的路由节点，负责上位机控制台与各实验终端的通信，并维护网络的通信路径。各终端的无线通信模块是该网络的终端节点，负责协调器与实验油滴仪之间的通信。

图5 无线分布式网络架构图Fig 5 Architecture of wireless distributed networks

图6 协调器软件流程图Fig 6 Software flow chart of coordinator

3.2 无线网络软件设计

考虑到多个终端节点同时并发向协调器传送数据而引起的数据通道阻塞的情况，协调器对各实验终端节点采取顺序点播方式进行数据传输。协调器初始化后接收并判别上位机的命令的任务，然后发送相对应的命令。之后协调器将设置成接收模式，等待接收数据，根据收到的数据包的地址判断是哪个终端节点的实验数据，然后转发给上位机，再开始与下一终端节点进行通信。协调器软件设计流程具体如图6所示。实验终端节点软件较为简单，只负责接收判别命令和传送实验数据。

4 上位机控制台和中央数据库

根据实验教学需求，上位机控制台主要有学生点名、单个学生实验数据查询、全部学生实验进度的查询以及数据同步存储等功能。学生点名模块负责显示每台实验仪器的使用状态以及使用人的学号信息，用颜色区分使用状态，红色表示正在使用，灰色为未使用；单个学生实验数据查询模块负责显示该学生的每个油滴五次测试的结果以及计算出来的油滴电量、元电荷数、电子电量的值；全部学生实验进度的查询模块负责显示所有实验终端已测试的油滴个数；数据存储模块负责将接收到的数据保存到本地并上传到远程中央服务器。通过上位机控制台教师可以对全部实验终端进行实时监测，掌握每个学生的实验情况，并能够对实验过程中出现的相应情况做出及时的指导。上位机软件界面如图7所示。

中央数据库信息资源比较集中，为了能够有效降低维护成本，选择在SQL Server环境下开发[13，14]。中央数据库开启了远程登录功能，将每位学生实验数据与个人信息一一对应，实现了与本地数据的实时共享以及分权管理。

图7 上位机点名和实验进度界面Fig 7 Interface of upper PC call the roll and experimental progress

5 实验结果与分析

本系统已经成功应用于中南大学等高校密立根油滴实验教学中，为了验证系统测量的电子电量值的精确性，从每个终端上随机抽取200个学生的实验数据作为测试集进行分析。采用元电荷反证法对单个终端的实验数据进行计算处理，每个实验终端测量的平均电子电量值与电子电量理论值的关系如图8所示。进一步分析测试集总体的平均电子电量值、不确定度以及平均相对误差值，具体如表1所示。

由图8以及表1可知，测试集的电子电量值与理论值的不确定度小于0.002×10-19C，总体平均相对误差δ均小于0.06 %，远小于市场上密立根油滴仪的平均相对误差3 %，证明该测试系统具有良好的有效性和可靠性。

图8 单个终端测的平均电子电量值与理论值的关系图Fig 8 Relationship between average elementary charge and theoretical value of single terminal

参数数据结果总体平均电子电量值1.6011×10-19C总体不确定度0.0017×10-19C总体平均相对误差0.054%

6 结 论

本文将FPGA应用到精密仪器设计，实现了实验数据的高速率采集和处理，以及字符视频的叠加，提高了油滴测量仪的精确度。并与ZigBee无线通信相结合设计了分布式实验测试系统，同时基于C/S模式上位机实现了对多台实验终端实时监测，以及实验终端与中央服务器数据的实时共享，解决了传统教学模式无法实时获取学生实验数据的弊端。实践结果证明:该系统具有比传统油滴测试系统更高的实时性、灵活性和稳定性，并且可以应用到温度采集等相关实验测试系统以及其他电力、污染监控等系统中，具有广阔的应用前景和实用价值。

[1] Yang Juanli,He Rensheng.The application of “3 + 1” teaching mode in college physics experiment teaching[C]∥International Conference on Multimedia Technology,2011:797-800.

[2] 沙振舜,彭志平.电视显微密立根油滴仪[J].物理实验,1993(5):221.

[3] 梁一机,王德明.用CCD技术改造老式密立根油滴仪[J].实验室研究与探索,2012(8):240-242.

[4] 周海涛，董有尔，杨保东.智能密立根油滴实验系统的设计与开发[J].实验技术与管理,2007,24(12):51-56.

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[7] 张少华,李锦明,苏树清.基于FPGA的双光幕测速系统设计与实现[J].传感器与微系统,2015,34(2):92-94,98.

[8] 胡佳文,余晓芬,王 标.基于FPGA和TDC-GP1的TDOA测距系统设计[J].传感器与微系统,2013,32(10):93-95,105.

[9] 徐富新，申文武，刘雁群，等．基于无线通信的开放式实验测试系统设计[J].计算机工程,2012,38(15)：84-86,89．

[10] 颜 波，石 平.基于物联网的水产养殖智能化监控系统[J].农业机械学报,2014(1):259-265.

[11] 杨 柳，毛志怀，蒋志杰，等．基于无线传输的粮仓温湿度远程监测系统[J]．农业工程学报,2012,28(4)：155-159．

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[14] 李战怀，王国仁，周傲英．从数据库视角解读大数据的研究进展与趋势[J]．计算机工程与科学,2013,35(10)：1-11．

张 娜，通讯作者，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

湖南省自然科学基金重点资助项目(11JJ22039)

TP 391.9

A

1000—9787(2016)11—0103—04

徐富新(1965-),男,湖南邵阳人，教授，硕士生导师,从事为虚拟仪器技术和机器视觉研究工作。