基于Android嵌入式系統(tǒng)的密立根油滴實(shí)驗(yàn)智能儀器

王梓康，孫遜，徐文濤

（南京航空航天大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京，211100）

基于Android嵌入式系統(tǒng)的密立根油滴實(shí)驗(yàn)智能儀器

王梓康，孫遜，徐文濤

（南京航空航天大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京，211100）

針對(duì)傳統(tǒng)密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀器儀計(jì)算不方便、輔助計(jì)算工具所占空間大等缺點(diǎn)，利用ARM9嵌入式開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合嵌入式Android的優(yōu)勢(shì)，研究并設(shè)計(jì)用于高校進(jìn)行密立根油滴實(shí)驗(yàn)的智能實(shí)驗(yàn)儀器。完成了智能儀器的硬件設(shè)計(jì)，并開發(fā)出基于嵌入式Android的實(shí)驗(yàn)軟件。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該智能實(shí)驗(yàn)儀器整體性能良好，觸摸屏為用戶提供友善的人機(jī)交互界面，輔助計(jì)算軟件使數(shù)據(jù)處理更加方便。本儀器具有高可拓展性和高集成性的特點(diǎn)，極大的減少了實(shí)驗(yàn)中冗余的外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)智能化。

Android系統(tǒng)；智能儀器；嵌入式系統(tǒng)

0 引言

密立根油滴測(cè)量元電荷是一個(gè)經(jīng)典的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀在實(shí)驗(yàn)過程中使用霧化器將油霧化噴灑在實(shí)驗(yàn)容器中，通過電荷耦合器件（CCD）相機(jī)將油滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示在顯示屏上，結(jié)合極板間的電壓值，分析油滴的各項(xiàng)參數(shù)，通過復(fù)雜的運(yùn)算過程計(jì)算出元電荷e的量值[1]。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器配備一個(gè)顯示設(shè)備，由于計(jì)算量大，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需要用專門的計(jì)算機(jī)和程序進(jìn)行輔助計(jì)算，以快速完成實(shí)驗(yàn)的測(cè)量任務(wù)。但是計(jì)算機(jī)成本相對(duì)較高，所占空間大，很難為學(xué)生創(chuàng)造一人一機(jī)的實(shí)驗(yàn)條件，這也制約著密立根油滴實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)課堂效率[2]。

近幾年，嵌入式技術(shù)在不斷的發(fā)展，嵌入式處理器性能的極大的提高與互聯(lián)網(wǎng)的普及，使嵌入式系統(tǒng)在生活中的運(yùn)用越來越廣泛。Android是一種基于Linux開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要使用于移動(dòng)設(shè)備，由Google公司和開放手機(jī)聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)及開發(fā)。由于Android是開源操作系統(tǒng)方便移植，且封裝完備，方便調(diào)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(jié)合在一起[3]。在本文中，使用基于Android的嵌入式系統(tǒng)以功能集成化和操作人性化顯示為目標(biāo)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行智能化改造。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)儀器在傳統(tǒng)密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀器上進(jìn)行改進(jìn)，使用CCD相機(jī)采集圖像并將采集到的圖像顯示在LCD觸摸屏上。同時(shí)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算頁面，替代計(jì)算機(jī)或手機(jī)進(jìn)行輔助計(jì)算，減少不必要的設(shè)備，使實(shí)驗(yàn)過程更為人性化。運(yùn)用Samsung公司的Exynos 4412四核 Android核心板作為系統(tǒng)控制的核心處理器。由于CCD相機(jī)技術(shù)較為成熟，相比較CMOS傳感器成像效果較好，因此本系統(tǒng)選擇CCD相機(jī)作為圖像采集硬件[4]。整個(gè)系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由油滴實(shí)驗(yàn)儀、CCD相機(jī)、嵌入式Android開發(fā)板三部分組成。其中硬件結(jié)構(gòu)分為實(shí)驗(yàn)控制箱，實(shí)驗(yàn)儀器，Android開發(fā)板三大部分。

實(shí)驗(yàn)控制箱主要用于控制實(shí)驗(yàn)儀器中平行板間的電壓，從而達(dá)到控制油滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。實(shí)驗(yàn)儀器為留有小口的圓柱形容器，從小口噴灑進(jìn)入的油被實(shí)驗(yàn)儀器霧化后，成為極小的油滴，受平行板的電壓影響，進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng)[5]，由CCD相機(jī)拍攝傳遞給Android開發(fā)板。Android開發(fā)板主要用于顯示CCD相機(jī)所拍攝到的圖像，在觀察油滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候提供計(jì)時(shí)功能，以及進(jìn)行輔助計(jì)算。Android開發(fā)板硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 Android開發(fā)板硬件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)使用Samsung公司的Exynos 4412 四核 Android核心板，其CPU為Samsung Exynos 4412，運(yùn)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(fā)板的主要處理器[6]。 開發(fā)板帶有1GB DDR3 RAM、4GB eMMC FLASH儲(chǔ)存模塊、CCD相機(jī)輸入接口以及LCD觸摸屏。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件邏輯簡(jiǎn)述

基于Android平臺(tái)下，配合密立根油滴實(shí)驗(yàn)使用的軟件，主要分為圖像顯示、計(jì)時(shí)部分、輔助計(jì)算三大部分。軟件框架和邏輯關(guān)系如表1和圖3所示。

表1 油滴實(shí)驗(yàn)安卓APP軟件框架

Activity1（實(shí)驗(yàn)界面）：在實(shí)驗(yàn)過程中顯示油滴的影像，并在顯示區(qū)域附加距離比較網(wǎng)格，輔助操作人員確認(rèn)油滴下落距離，并結(jié)合計(jì)時(shí)部分，計(jì)算出油滴的下落速度。

Activity2（計(jì)算界面）：由于得知油滴下落速度后還需進(jìn)行很大量的計(jì)算才能得出所求的量元電荷e。操作人員可將其在實(shí)驗(yàn)界面所得到的速度值輸入進(jìn)入該界面中的對(duì)應(yīng)參數(shù)的空格中，使用程序以設(shè)計(jì)好的算法，進(jìn)行快速的計(jì)算，得到結(jié)果[8]。

圖3 軟件界面結(jié)構(gòu)圖

3.2 在Android中調(diào)用CCD傳感器

本系統(tǒng)使用的Android開發(fā)板底板上集成有CCD傳感器接口，在應(yīng)用開發(fā)時(shí)可使用廠商提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫（.so）文件與方法（Method）對(duì)CCD相機(jī)進(jìn)行調(diào)用。首先，在Android應(yīng)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(dòng)態(tài)鏈接庫文件（.so）復(fù)制到該文件夾中，該動(dòng)態(tài)鏈接庫中包含基于本Android開發(fā)板的硬件驅(qū)動(dòng)[9]；再將廠商提供的包含調(diào)用方法的文件夾復(fù)制到/app/src/main/java/目錄下，這樣便可以在軟件開發(fā)編程時(shí)直接使用廠商在操作手冊(cè)中提供的方法（函數(shù)）調(diào)用CCD相機(jī)。

4 測(cè)評(píng)

在實(shí)驗(yàn)室中，我們將實(shí)驗(yàn)板，顯示器與密里根油滴實(shí)驗(yàn)儀連接，打開應(yīng)用程序，得到的如圖4所示。

圖4 Android軟件界面

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試，基于Android的實(shí)驗(yàn)儀可以流暢的顯示實(shí)驗(yàn)中油滴的動(dòng)向，計(jì)算油滴e值速度快，極大的減少了因計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致的重復(fù)實(shí)驗(yàn)的情況。該實(shí)驗(yàn)儀將Android技術(shù)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合，得到了預(yù)期的效果，是值得借鑒的，而更深入的應(yīng)用，項(xiàng)目組正在探討和研究當(dāng)中。

[1]陳曉,唐定飄,陳乾,戴玉蓉.密立根油滴實(shí)驗(yàn)的探究性數(shù)據(jù)處理方案[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn). 2013(02).

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

[3]MichaelDeLuca.對(duì)比工業(yè)成像中的CCD及CMOS技術(shù)[J].電子產(chǎn)品世界,2016, 23(4):26-27.

[4]朱國(guó)斌. 基于Android系統(tǒng)的Camera模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué),2011.

[5]李卓凡.密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).2010(03).

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

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

[8]解志君.在Android中使用HTML設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)[D].北方工業(yè)大學(xué),2015.

[10]田勇,張煥德.密立根油滴實(shí)驗(yàn)分析與改進(jìn)[J].科協(xié)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(fā)，嵌入式系統(tǒng)。

16年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)610287041；南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究開發(fā)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2015050800027250。