心理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備同步觸發(fā)裝置研發(fā)與仿真測(cè)試

劉陽

摘? 要： 為了解決心理學(xué)研究中利用實(shí)驗(yàn)程序同時(shí)給不同接口的實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)送指令的問題，設(shè)計(jì)了一種基于USB與無線傳輸?shù)男睦韺W(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備多端口同步觸發(fā)裝置。對(duì)當(dāng)前心理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備同步觸發(fā)裝置的研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，該裝置可將433 MHz無線射頻信號(hào)與USB信號(hào)轉(zhuǎn)化為串口或并口信號(hào)，并可實(shí)現(xiàn)多路串口或并口信號(hào)的同步復(fù)制輸出功能;最后，對(duì)心理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備同步觸發(fā)裝置進(jìn)行了仿真測(cè)試。經(jīng)過測(cè)試，該設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，延遲較低，可滿足進(jìn)行多模態(tài)同步實(shí)驗(yàn)的要求，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 心理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備; 同步觸發(fā)裝置; 多模態(tài)采集; 無線射頻; 串口; 并口

中圖分類號(hào)： TN710?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 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

心理學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展至今，除了行為實(shí)驗(yàn)與問卷等傳統(tǒng)方法之外，越來越借助于實(shí)驗(yàn)設(shè)備采集被試者在實(shí)驗(yàn)過程中的生理及心理指標(biāo)，以期達(dá)到通過生理表現(xiàn)推斷心理變化的目的[1?3]。隨著技術(shù)的發(fā)展，采集被試者皮膚電、心電數(shù)據(jù)的生理多導(dǎo)儀、檢測(cè)大腦腦電活動(dòng)的腦電記錄儀、通過檢測(cè)大腦血紅蛋白含氧/脫氧變化的近紅外光學(xué)成像儀等儀器設(shè)備被應(yīng)用到心理學(xué)研究之中[4?6]。

然而各儀器設(shè)備由于生產(chǎn)廠家、品牌型號(hào)繁雜，系統(tǒng)相對(duì)封閉，拓展性較差，雖然可進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，但當(dāng)涉及到較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，或需要多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備同步工作時(shí)往往無法實(shí)現(xiàn)[7?9]。因此，心理學(xué)實(shí)驗(yàn)通常借助E?prime等實(shí)驗(yàn)軟件編寫實(shí)驗(yàn)程序，由于E?prime提供了WritePort，ReadPort等指令，可通過并口（DP25）或串口（DP9）與外部設(shè)備通信[10?12]，只要實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過該端口進(jìn)行通信，都可以實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)，如表1所示。

但該種觸發(fā)方式仍然存在部分缺陷，主要問題包括：

1） E?prime與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的通信只能通過計(jì)算機(jī)的串行或并行端口，因此需要實(shí)驗(yàn)主機(jī)在主板上加裝對(duì)應(yīng)接口，而部分情景化較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)需要筆記本電腦完成，無法加裝接口，實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行[13?15]。

2） 計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的通信通過并口線或串口線連接，無法進(jìn)行信號(hào)復(fù)制，不能同時(shí)觸發(fā)兩個(gè)以上的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，無法進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)同時(shí)采集。

綜合上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種可復(fù)制并口與串口信號(hào)的裝置，該設(shè)備可將并口或串口信號(hào)復(fù)制成3個(gè)通路，并可將USB信號(hào)轉(zhuǎn)化為并口或串口信號(hào)，可以選擇通過有線或無線的方式進(jìn)行傳輸，使E?prime實(shí)驗(yàn)程序可以通過USB端口或無線的方式，同步觸發(fā)多臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為多模態(tài)同步采集的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)提供可能。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

多模態(tài)同步觸發(fā)設(shè)備分為發(fā)射端與接收端兩個(gè)部分，其中，發(fā)射端主要實(shí)現(xiàn)將并口、串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無線433 MHz的射頻信號(hào);接收端功能則集成了無線射頻433 MHz信號(hào)的接收與轉(zhuǎn)化、有線USB信號(hào)轉(zhuǎn)并口/串口功能以及并口與串口信號(hào)復(fù)制功能。

發(fā)射端采用STM32F030C8T6芯片，此芯片支持兩路UART接口，分別控制電腦端串口數(shù)據(jù)的下發(fā)以及無線射頻輸出，發(fā)射端總覽圖如圖1所示。

接收端采用STM32F103RCT6芯片，此芯片支持五路UART接口：其中一路接口獲取USB轉(zhuǎn)串口下發(fā)的數(shù)據(jù);另一路控制無線射頻模塊接收數(shù)據(jù);其余三路連接MAX232芯片，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)串口的RS 232信號(hào)輸出。同時(shí)，接收板芯片還與USB轉(zhuǎn)并口芯片相連，當(dāng)USB口有數(shù)據(jù)下發(fā)時(shí)，主控芯片通過并口通信協(xié)議獲取下發(fā)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出到其他三路并口設(shè)備上，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備信號(hào)復(fù)制傳輸功能。接收端總覽圖如圖2所示。

2? 裝置設(shè)計(jì)

2.1? USB信號(hào)轉(zhuǎn)并口設(shè)計(jì)

2.1.1? 硬件實(shí)現(xiàn)

方案中選用Cypress所生產(chǎn)的CY7C68013A芯片，該芯片有8 051位內(nèi)核，內(nèi)部繼承了一個(gè)低功耗的USB 2.0微型控制器，通過該控制器可實(shí)現(xiàn)芯片與PC的無縫通信;同時(shí)，由于該芯片集成了可編程接口（GPIF），因此可模擬實(shí)現(xiàn)大多數(shù)數(shù)據(jù)接口。該芯片資源如圖3所示。

設(shè)計(jì)中，將芯片信號(hào)線D-、D+引出，作為獨(dú)立的USB接口;同時(shí)，將芯片PB0～PB7配置為EPP模式下的數(shù)據(jù)位;將PD1～PD7配置為EPP模式下的狀態(tài)位;將CTL0～CTL2作為控制位。由于芯片程序存儲(chǔ)在外部E2PROM，因此，實(shí)際應(yīng)用中需要將編譯后的鏡像通過工具下載到外部E2PROM。

將單片機(jī)STM32F030C8T6對(duì)應(yīng)管腳連接到CY7C68013A芯片，在USB下發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，可通過單片機(jī)獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。芯片管腳連接如圖4所示。

2.1.2? 軟件設(shè)置

通過官方編譯平臺(tái)實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)DP25PIN并口的軟件編寫。編譯器生成最終firmware，下載固件到芯片，并在電腦端安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備直接操作，如圖5所示。

2.2? 無線射頻功能

2.2.1? 硬件功能

觸發(fā)器的無線傳輸功能使用433 MHz無線頻段實(shí)現(xiàn)。相比WiFi，ZigBee等實(shí)現(xiàn)方式，433 MHz最突出的優(yōu)勢(shì)就是無線信號(hào)穿透性強(qiáng)，傳輸距離更遠(yuǎn)。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率僅為0.3～19.2 Kb/s，相對(duì)WiFi，ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸速率要小得多，所以433 MHz技術(shù)一般只適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小的應(yīng)用場(chǎng)所。由于心理學(xué)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)傳輸只需要傳輸數(shù)字，用于在采集設(shè)備的數(shù)據(jù)流上進(jìn)行標(biāo)記，所以433 MHz的性能完全滿足。本設(shè)計(jì)中采用CC1101無線設(shè)備芯片，該芯片是一塊微功率短距離無線通信模塊，單片機(jī)通過SPI接口協(xié)議連接無線設(shè)備芯片CC1101，并通過配置相應(yīng)的寄存器達(dá)到控制芯片收發(fā)數(shù)據(jù)的目的。芯片硬件連接電路圖如圖6所示。

2.2.2? 軟件功能

在編譯環(huán)境中，通過查看CC1101對(duì)應(yīng)的寄存器含義，結(jié)合設(shè)備發(fā)射數(shù)據(jù)的具體流程實(shí)現(xiàn)操作的整個(gè)流程編碼，并下載到芯片中進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，直到無誤。

2.3? 串口轉(zhuǎn)接的實(shí)現(xiàn)

串口轉(zhuǎn)接即實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)USB接口到通用串口之間的轉(zhuǎn)換。為沒有串口的計(jì)算機(jī)提供快速的通道，而且，使用USB轉(zhuǎn)串口設(shè)備等于將傳統(tǒng)的串口設(shè)備變成了即插即用的USB設(shè)備。

使用江蘇沁恒股份有限公司研發(fā)的CH340作為轉(zhuǎn)接芯片，CH340是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口或者USB轉(zhuǎn)打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào)，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級(jí)到USB總線，其連接示意圖如圖7所示。

2.3.1? 硬件實(shí)現(xiàn)

采用CH340芯片將USB信號(hào)轉(zhuǎn)為串口信號(hào)，并連接到單片機(jī)。對(duì)于輸出接口為DP9的設(shè)備來說，需要先用MAX232芯片將串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RS 232信號(hào)，電路原理圖如圖8所示。

2.3.2? 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主控單片機(jī)采用STM32F103RCT6，其封裝為LQFP?64，含有48 KB RAW，256 KB FLASH及5路UART等眾多資源。應(yīng)用中單片機(jī)采用一路串口接收CH340下發(fā)的數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)接收下發(fā)數(shù)據(jù)完成后，會(huì)自動(dòng)地將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他三路串口上，由于其他三路串口分別通過MAX232芯片和設(shè)備相連，即實(shí)現(xiàn)了一路串口復(fù)制為三路串口的功能。

3? 測(cè)試結(jié)果

設(shè)備研發(fā)完成后，在華東師范大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試，確定設(shè)備滿足功能如下：

1） 可實(shí)現(xiàn)并口與串口信號(hào)復(fù)制功能，可將一路串口或并口信號(hào)復(fù)制為三路。

2） 可實(shí)現(xiàn)電腦端利用USB端口同時(shí)向多臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)送信號(hào)功能。

3） 可實(shí)現(xiàn)電腦端利用無線端口向多臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)送信號(hào)功能。

4） 信號(hào)傳輸延遲為20～50 ms，可滿足EEG、近紅外等實(shí)驗(yàn)需求。

4? 結(jié)? 語