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微控制器用极小空间满足巨大计算需求
来源:中国科学报      作者:张章      时间:2017-05-16 18:36      关键词:
摘要:大量便宜、精简,而且极易修改设置的计算设备,正改变着DIY电子界。


图片来源:Project Twins

一位参与者正看着一柄毛刷缓慢地摩擦桌上的一只橡胶手;与此同时,她自己的手也正受着同样的刺激。实验最后,参与者开始觉得这只橡胶手就是自己的手。

这种“橡胶手幻觉”只是一个心理学上的小花招。但它也需要精心设计:制造出这样的幻觉,需要操作者反复练习如何同时用毛刷摩擦人手和橡胶手。为了研究人们如何感受自己的身体,英国格拉斯哥大学心理学博士生Isa Rao构建了一套自动化设备操纵毛刷,从而不依赖经过训练的助手。而这套设备的核心正是一个Arduino微控制器。

大量便宜、精简,而且极易修改设置的计算设备,正改变着DIY电子界,而Arduino正是其中之一。不仅如此,它们也日益改变着科研界。一块基础电路板的价格可以低至4英镑,50英镑就足以购买包括电源、机箱和电线在内的一整套设备。这些系统少有花哨的功能,其学习曲线有时也十分陡峭,但Arduino和同类设备Rasperry Pi等在极小的电路板上容纳了相当强大的计算力,为自动化、网络化以及数据收集和分析提供了大量机会。

对研究人员而言,这些特征能提供经济上和使用上的双重便利。使用者能将这样的系统塞进极小的空间里,部署起来无需显示器和键盘,可以批量购买,装进需要部署在遥远的野外考察地点并传回数据的自动化设备中。

无需经验

虽然数十年来研究者一直在对计算机进行个性化改造,并将它们整合进自己的实验中,但小型且廉价的“单片机”大卖还只是最近几年的事。2012年,功能完备、能够运行Linux操作系统的Raspberry Pi问世;到2016年9月,它已经售出了1000万台。

自2005年上市以来,Arduino也同样大受欢迎。这两种设备的现成配件包括摄像头、运动传感器、温度计和蓝牙适配器。就连国际空间站上都有一台为一个推广项目开发的一体化设备;这台设备上装载了陀螺仪、加速度计、磁力计以及用于测量温度、气压和湿度的各种传感器。

在地球上,这些设备被用于搭建各种装置:海洋生物研究使用的水下录音器、组装基因编辑工具的机器人以及可以从人体样本中迅速鉴定耐药病原体的系统。

美国哈佛大学Hakho Lee的研究方向是医疗诊断仪器,他已经开发出一套用于诊断耐药细菌感染的系统。最初,他曾尝试过将智能手机作为仪器的中央计算机,但手机拆解改造起来并不容易。相反,像Arduino这样的设备天生就是用于改装的,将它们整合进科研传感器再合适不过。

“对于此,Arduino简直完美。”他说,“这个系列早就有了各种型号,而且都是模块化的。假如我想加上蓝牙功能,只要买来蓝牙模块插在母板上就完工了。”

虽然Lee有丰富的电子设备经验,但这样的背景并不是必需的:这些设备即插即用特性已经吸引了大量没有电子工程或编程经验的研究人员。将一块Raspberry Pi电路板变成一台正常运行的计算机非常简单,只要插进预装了Pi操作系统的SD卡,然后插上显示器、鼠标和电源就行了。给这台设备编程还需要更多的工作,但对大多数人来说,网上详尽的介绍应该已经够用了。

事实上,Raspberry Pi一开始用于对英国学校进行编程教学。Raspberry Pi和Arduino都以C++为基础语言,因此具有这门编程语言的基础会有所帮助,但这并不是入门时必不可少的,加州大学圣迭戈分校卡弗里心脑研究所的Takeo Katsuki说,“选一个项目,然后开始实验就行了。”

Katsuki开发了一套名叫Flyception的设备,其核心也是一台Arduino;这台仪器能无线监测果蝇对刺激做出反应时的脑部活动。Arduino处理器负责控制摄像触发和其他功能。“Arduino能将大量机械和电子设备与我们的成像及行为记录设备同步起来,打包成一个简单易用的集合,这就是它的魅力所在。”他说。

现钱现货

在研究者开始组装设备前,他们得先决定买什么:他们要面对的是一个让人头晕目眩的庞大市场。例如,Raspberry Pi现在有三代基本型,还有一个5美元的“Pi Zero”基础版本和一个低能耗版本。Arduino的型号就更多了。除此之外,还有英特尔的Galileo和Edison,开源的Banana Pi以及基于安卓系统的Odroid等。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织微传感器技术及设备研究专家Paolo De Souza表示,在选择设备时,你需要认真考虑以下三个属性:费用、功能和尺寸。“一般来说,这三条里你必须放弃一条;想找到一个又便宜、体积又小、功能还强大的设备并非易事。”

De Souza从事过有关潜艇和漫游车等自动化机械的研发,这些设备的要求是省电、能处理复杂的传感数据。他的团队选择了Odroid XU3(现在换成了60美元的XU4);这台设备比Raspberry Pi贵,但性能强大得多。在另一项针对蜜蜂的研究里,他使用的则是英特尔的Edison——它对电力的要求更低,甚至能用太阳能驱动。

与此同时,科学家也要考虑其计算机能怎样与实验中的其他元素交互。Raspberry Pi可以外接标准的显示器、USB键盘以及鼠标。但作为微处理器,Arduino就需要用外接线连上电脑才能编程。

不是所有单片机都有同样的功能。大部分设备都能从微型USB接口读入信息,但一些设备还具有蓝牙和Wi-Fi功能。如果你想构建一台能向另一台电脑传输信息以供分析的实验设备,或是需要接入摄像头或其他外部传感器以进行复杂研究时,这些因素就会变得十分重要。例如,在De Souza的蜜蜂研究中,蜜蜂身上被安装了射频识别芯片,当它们飞过时就会触发相应的传感器;而位于蜂巢内部的Edison计算机则负责处理所产生的数据,并将之上传以供分析。

在系统不断升级的同时,研究人员也应该做好更新设备的准备:在De Souza的蜜蜂观测项目中,他一开始使用的单片机是一家名叫Ledato的公司生产的,然后换成了Raspberry Pi,接着是Galileo,最后到了Edison。

常规路线

对新手而言,选择人气最高的设备——Raspberry Pi和Arduino是有其优点的。

这两种设备的用户论坛人气极高,有数百万帖子和数十万成员,能为新手提供十分实用的资源。研究人员经常在这些论坛上寻求协助,提出的问题包括使用Arduino精确计算树围、设置温度传感器等。而Raspberry Pi的开发组织甚至在网站上提供了一系列视频和常见错误表,以帮助新人起步。

“你最不想做的事就是处理别人早已解决的技术问题,”伦敦大学学院计算机科学家David White说,他有丰富的Raspberry Pi开发经验。“使用标准解决方案可以节约大量时间。而这些设备有许多案例可供借鉴”。

但要获得帮助也不一定非要依靠互联网。“你可以和曾经使用过这些设备的人谈谈。”White说。De Souza则提供了另外一个办法:招一些有信息技术背景的研究生。“IT学生对他们的领域很有热情,而且总能跟上最新的解决方案。”他说。

但仍有一部分研究者最终会发现Raspberry Pi或Arduino组件还不足以支撑其实验需求。在发现Arduino的系统时钟不够准确,满足不了Flyception系统的要求以后,Katsuki转而使用了美国国家仪器公司的myRIO控制器。Lee则计划使用NVIDIA公司生产的Jetson,为未来的项目提供更高的处理能力。

但对大多数人来说,简单、小巧而便宜的Raspberry Pi和Arduino就是他们所需要的。这也正是Rao的感想。“Arduino真是天赐的礼物。”她说。(张章编译)


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