心理学实验设备同步触发装置研发与仿真测试

刘阳

摘  要： 为了解决心理学研究中利用实验程序同时给不同接口的实验设备发送指令的问题，设计了一种基于USB与无线传输的心理学实验设备多端口同步触发装置。对当前心理学实验设备同步触发装置的研发现状进行分析，该装置可将433 MHz无线射频信号与USB信号转化为串口或并口信号，并可实现多路串口或并口信号的同步复制输出功能;最后，对心理学实验设备同步触发装置进行了仿真测试。经过测试，该设备数据传输稳定可靠，延迟较低，可满足进行多模态同步实验的要求，具有很高的实际应用价值。

关键词： 心理学实验设备; 同步触发装置; 多模态采集; 无线射频; 串口; 并口

中图分类号： TN710?34                         文献标识码： A                          文章编号： 1004?373X（2020）05?0159?04

Research and development and simulation test of synchronous trigger

device for psychological experimental equipment

LIU Yang

（School of Psychology and Cognitive Science， East China Normal University， Shanghai 200062）

Abstract： In order to simultaneously send instructions to experimental equipment with different interfaces by experimental program in psychological research， a multi?port synchronous trigger device for psychological experimental devices based on USB and wireless transmission is designed. Firstly， the current research and development status of synchronous trigger device for psychological experimental equipment is analyzed. Then the device can convert 433MHz radio frequency signal and USB signal into serial or parallel port signal， and realize the synchronous replication and output function of multi?serial port or parallel port signal. Finally， the synchronous trigger device for psychological experimental equipment is subject to simulation test. The test results verify that the data transmission of the device is stable and reliable with low delay， and the device can meet the requirements of multi?mode synchronous experiment， which are of very high practical value.

Keywords： psychological experimental equipment; synchronous trigger device; multi?mode acquisition; radio frequency; serial port; parallel port

0  引  言

心理学实验发展至今，除了行为实验与问卷等传统方法之外，越来越借助于实验设备采集被试者在实验过程中的生理及心理指标，以期达到通过生理表现推断心理变化的目的[1?3]。随着技术的发展，采集被试者皮肤电、心电数据的生理多导仪、检测大脑脑电活动的脑电记录仪、通过检测大脑血红蛋白含氧/脱氧变化的近红外光学成像仪等仪器设备被应用到心理学研究之中[4?6]。

然而各仪器设备由于生产厂家、品牌型号繁杂，系统相对封闭，拓展性较差，虽然可进行独立测试，但当涉及到较为复杂的实验设计，或需要多种实验设备同步工作时往往无法实现[7?9]。因此，心理学实验通常借助E?prime等实验软件编写实验程序，由于E?prime提供了WritePort，ReadPort等指令，可通过并口（DP25）或串口（DP9）与外部设备通信[10?12]，只要实验设备通过该端口进行通信，都可以实现同步触发，如表1所示。

但该种触发方式仍然存在部分缺陷，主要问题包括：

1） E?prime与实验设备的通信只能通过计算机的串行或并行端口，因此需要实验主机在主板上加装对应接口，而部分情景化较强的实验需要笔记本电脑完成，无法加装接口，实验难以进行[13?15]。

2） 计算机与实验设备的通信通过并口线或串口线连接，无法进行信号复制，不能同时触发两个以上的实验设备，无法进行多通道数据同时采集。

综合上述问题，本文设计了一种可复制并口与串口信号的装置，该设备可将并口或串口信号复制成3个通路，并可将USB信号转化为并口或串口信号，可以选择通过有线或无线的方式进行传输，使E?prime实验程序可以通过USB端口或无线的方式，同步触发多台实验设备，为多模态同步采集的心理学实验提供可能。

1  系统整体设计

多模态同步触发设备分为发射端与接收端两个部分，其中，发射端主要实现将并口、串口数据转换为无线433 MHz的射频信号;接收端功能则集成了无线射频433 MHz信号的接收与转化、有线USB信号转并口/串口功能以及并口与串口信号复制功能。

发射端采用STM32F030C8T6芯片，此芯片支持两路UART接口，分别控制电脑端串口数据的下发以及无线射频输出，发射端总览图如图1所示。

接收端采用STM32F103RCT6芯片，此芯片支持五路UART接口：其中一路接口获取USB转串口下发的数据;另一路控制无线射频模块接收数据;其余三路连接MAX232芯片，实现标准串口的RS 232信号输出。同时，接收板芯片还与USB转并口芯片相连，当USB口有数据下发时，主控芯片通过并口通信协议获取下发的数据，并将数据输出到其他三路并口设备上，以实现设备信号复制传输功能。接收端总览图如图2所示。

2  装置设计

2.1  USB信号转并口设计

2.1.1  硬件实现

方案中选用Cypress所生产的CY7C68013A芯片，该芯片有8 051位内核，内部继承了一个低功耗的USB 2.0微型控制器，通过该控制器可实现芯片与PC的无缝通信;同时，由于该芯片集成了可编程接口（GPIF），因此可模拟实现大多数数据接口。该芯片资源如图3所示。

设计中，将芯片信号线D-、D+引出，作为独立的USB接口;同时，将芯片PB0～PB7配置为EPP模式下的数据位;将PD1～PD7配置为EPP模式下的状态位;将CTL0～CTL2作为控制位。由于芯片程序存储在外部E2PROM，因此，实际应用中需要将编译后的镜像通过工具下载到外部E2PROM。

将单片机STM32F030C8T6对应管脚连接到CY7C68013A芯片，在USB下发数据时，可通过单片机获取对应的数据。芯片管脚连接如图4所示。

2.1.2  软件设置

通过官方编译平台实现USB转DP25PIN并口的软件编写。编译器生成最终firmware，下载固件到芯片，并在电脑端安装相应的驱动即可实现对设备直接操作，如图5所示。

2.2  无线射频功能

2.2.1  硬件功能

触发器的无线传输功能使用433 MHz无线频段实现。相比WiFi，ZigBee等实现方式，433 MHz最突出的优势就是无线信号穿透性强，传输距离更远。缺点是数据传输速率仅为0.3～19.2 Kb/s，相对WiFi，ZigBee的数据传输速率要小得多，所以433 MHz技术一般只适用于数据传输量较小的应用场所。由于心理学实验中的数据传输只需要传输数字，用于在采集设备的数据流上进行标记，所以433 MHz的性能完全满足。本设计中采用CC1101无线设备芯片，该芯片是一块微功率短距离无线通信模块，单片机通过SPI接口协议连接无线设备芯片CC1101，并通过配置相应的寄存器达到控制芯片收发数据的目的。芯片硬件连接电路图如图6所示。

2.2.2  軟件功能

在编译环境中，通过查看CC1101对应的寄存器含义，结合设备发射数据的具体流程实现操作的整个流程编码，并下载到芯片中进行调试验证，直到无误。

2.3  串口转接的实现

串口转接即实现计算机USB接口到通用串口之间的转换。为没有串口的计算机提供快速的通道，而且，使用USB转串口设备等于将传统的串口设备变成了即插即用的USB设备。

使用江苏沁恒股份有限公司研发的CH340作为转接芯片，CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口或者USB转打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线，其连接示意图如图7所示。

2.3.1  硬件实现

采用CH340芯片将USB信号转为串口信号，并连接到单片机。对于输出接口为DP9的设备来说，需要先用MAX232芯片将串口信号转换为标准RS 232信号，电路原理图如图8所示。

2.3.2  软件实现

系统主控单片机采用STM32F103RCT6，其封装为LQFP?64，含有48 KB RAW，256 KB FLASH及5路UART等众多资源。应用中单片机采用一路串口接收CH340下发的数据信号，当单片机接收下发数据完成后，会自动地将接收到的数据转发到其他三路串口上，由于其他三路串口分别通过MAX232芯片和设备相连，即实现了一路串口复制为三路串口的功能。

3  测试结果

设备研发完成后，在华东师范大学心理与认知科学学院公共实验平台进行了测试，确定设备满足功能如下：

1） 可实现并口与串口信号复制功能，可将一路串口或并口信号复制为三路。

2） 可实现电脑端利用USB端口同时向多台实验设备发送信号功能。

3） 可实现电脑端利用无线端口向多台实验设备发送信号功能。

4） 信号传输延迟为20～50 ms，可满足EEG、近红外等实验需求。

4  结  语