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科研的开端(续一) 精选

已有 6631 次阅读 2011-8-28 08:54 |个人分类:科研|系统分类:人物纪事| 科研, 本科生, 单片机, 自主选题

昨天贴出了我上个月开始写,昨天才告一段落的博文“科研的开端”【1】,反响不错,24小时里有近2500的点击量。看来,大家对这样的故事还有些兴趣,博友和读者的关注就是我写下去的巨大推动力,所以今天早上起来,决定继续写这段往事。在上一篇博文中,我曾提及那个暑假我和另外两个同学,在班里被称为“老蛇”的王志刚和“班头”的班长徐玉朋两位同学在那段时间里还做了一台智能数字微秒计,今天就说说这台仪器研制过程中发生的故事。

上文我还提到,里佐威老师在力热实验中大胆引入了学生自选的探索性实验,我记得那个系列的实验中有两个实验是“万有引力常数的测量”和“固体中的声速测量”的印象尤其深刻。前一个实验,是我和班长一组,由于前面同学在实验过程中不小心弄坏了卡文迪许扭秤的油阻尼部件,到我们这里只能靠空气阻尼来使扭秤(这时候更像扭摆)缓慢地停止了,所以那天从上午9点半到晚上10点半,用了13个小时,才测量3次数据。后一个实验,我们发现用RC充放电进行钢棒与钢板的接触时间的办法测量并不精确,而用当时的数字毫秒计在这个测量中只能给出两位数字,很不精准,当时就很希望有一台能进行微秒级时间测量的仪表(这也是后来我们自己组团,自主研发的引子)。

在哪个炎热多雨的暑期,我们这个小组的3个人都选择留在学校里做科技创新,不过最初我们三个分属于三个完全不同的课题组。我和樊文俊去做“液芯光纤温度传感器”,徐玉朋和苗同学跟杨玉昆老师做半导体薄膜的热壁外延生长及其X射线衍射测试,王志刚同学(老蛇)和另一个老师做一个小的教研课题。老蛇的课题难度不大,而老蛇本人极其聪明,所以没几天就做完了,而这时他还想再做点儿东西,最好是那种看得见摸得着用得上的装置。在一天的黄昏,我们几个仍留在学校的同学聚集在229寝室(一个能住16个人的大寝室,当时我们住11人)地当中的桌子旁聊天,老蛇说出他的想法,聊着聊着,话题聊到了计算机技术上。在高中就有一定计算机编程基础(这在当时很不容易)、当时担当着物理系学生机房“首席管理员”的老蛇很希望用计算机做点儿东西。不过,那时的计算机还很稀罕,机房的管理老师肯定不会容许我们这些小本科生去随便鼓捣那几台Solar机(一种PC兼容机,主频8MHz,内存640k,有两个5360k的软驱)硬件部分,而纯软件编程,也没有啥值得做的好项目。这时,见多识广的老蛇提出,可以用单板机(代表型号是用Z-80CPUTP-801)做点儿硬件的。拿单板机能做什么?几经讨论之后,我们决定利用它的定时/计数器功能做一个微秒级时间测量的仪表。次日,在当时我们做实验的房间角落里找到了一台设备,上面有一部TP-801单板机,但在一番钻研之后,老蛇觉得这个单板机要想使用还是有很大的难度的。那几天他又查了些资料后回来说,可以用集成度更高(PIOCTCSIO等硬件芯片等都和CPU一起集成在一个不大的芯片内)的单片机来做这个项目,型号就选择当时很风靡的Intel MCS-51系列的8031单片机。

用单片机做,难度也不小,虽然芯片不算太贵,但却必须要有一个专门的开发系统。这时我们又在系内展开了搜索,最后打听到当时的核物理教研室的核电子学组就有这种开发系统,当时那里有老师用单片机开发熔融指数仪等设备。当时主管科研的副系主任周介文老师(在核物理专业)很支持我们,他出面与核物理的老师联系,安排我们去那里做实验,而做这个项目的经费资助(干这个活需要用不少元器件,最后还要加工电路板,都是要花钱的)则来自于担任力热实验室主任里佐威老师。说干就干!这个新的由学生自己攒起来的课题组就算成立了,老蛇立刻从图书馆借来单片机的图书资料,钻研其硬件结构和汇编语言编程,我的任务是进行外围硬件电路设计,并协助他用面包板把这些电路“插”出来。于是,暑假当中有那么几天,我分身二用,在理化楼(物理系本部所在,红外与光纤教研室的实验室在其二楼)和白楼(4楼是核物理教研室的根据地)之间奔走。聪明的老蛇极有效率,他用了不长的时间就学会了汇编语言编程,在暑假结束之前,我们完成了在面包板上进行的原理性验证,已经能够用这个电路实现2微秒分辨率(当时用的6MHz晶振,12分频)的时间测量了。下面,就是如何装出一台仪器的问题了。

最开始,我们想弄一个类似于当时的开发系统那样的扁平盒子,把四联的面包板连同上面的一堆集成块、数码管和单芯线一股脑塞进去。这种工艺水平的东西,只能算是个实验装置,绝对算不上产品。虽然现在我也偶尔会看到学校展示的本科生科技创新课题的展板上看到类似很粗糙的东西,但即使在当时,希望追求完美的老蛇也是觉得难以接受的,更重要的一点是,面包板插出来的电路可靠性极差,轻微的震动都可能造成接触不良,出现一些刁钻古怪的异常现象。如果采用手工绘制电路板的做法,当时班里电路最强悍的两个人、动手能力最强的班长徐玉朋和我都没把握绘制出线宽很小、且定位要及其精准的双面板(这种尝试多年后我曾做过一次)。这个问题很快得到解决,里佐威老师同意由他的实验室出资去采购装机所用的元器件并制作双面印刷电路板(PCB),当时的报价是0.3/平方厘米,虽然我们只做了一块PCB,加上各种费用,也花掉了150元(这相当于当时我3个半月的伙食费!)。那块电路板是老蛇自学了一个SmartWorkPCB绘制软件,用了一天一宿一条线、一条线,一个焊盘一个焊盘地手工画出来的,当时已经有了“烫狗”等更高级的软件,但是我们没有合适的计算机来用它,而小巧玲珑的SmartWork已经足够了。我们选用的机箱是裴力老师从设备处废旧仪器仓库要来的一台旧仪器的上拆下来的。电路板有了,元器件都齐了,最后的装机工作也就提到了议事日程上来了。

那段时间已经开学,我们只能在下课后跑进实验室去完成自己的制作,好在当时的教室和实验室都在理化楼,奔走的距离已经大大缩短了。此时因为两个项目在齐头并进,两头跑势必耽误两个项目的进度,而且在动手装机方面,当时我也没有什么经验和见识,所以微秒计的课题组必须“扩招”,这次来的“新人”就是此前也没少参与讨论,但因为必须每天值守设备无法分身的班长徐玉朋(“班头”)。“班头”出身矿区的工人家庭,他父亲也是个资深的业余无线电爱好者,自己常动手做些东西的,所以他的见识和动手能力要比出身城市机关小职员-小学教师家庭的我强悍得多。在随后的装机工作中,班头充分发挥他在焊接、加工制作方面的优势,废寝忘食努力工作,终于圆满地完成了整机结构设计和安装调试的工作。随着最后一个零件安装完成,一张打印有“智能数字微秒计”字样的打印纸条被用透明胶带粘贴到班头用锉刀修整出一个个开孔的旧的喷砂面板上,我们的这台仪器宣告最后完工。还好,时间掌握的不错,尚在学校评奖答辩之前。

不过,评奖的过程似乎不是很幸运,这台在我眼中堪称完美的研究成果,在学校的评奖中没能得到太高的评价,仅仅获得了校级的二等奖,无缘全国大学生“挑战杯”竞赛的展示和评奖,给我们这段激情燃烧岁月留下了些许的遗憾。究其原因,这台仪器出身有些低微,它只是3个本科生自己鼓捣出来的,然后才匆匆找了个导师;虽然这台仪器的实用性很强(此前力热实验室大量装备的都是0.1毫秒分辨率的毫秒计,这台仪器的分辨率是2微秒!),但原理上的新颖性似乎不算太强,搁到现在已经是单片机开发系统中的标准实验了;而这个作品表现出的完整的体系结构和接近产品级的工艺水平似乎并不是当时评比所看重的。

我个人从这段研制经历中收获颇丰,跟着老蛇,我开阔了单片机方面的视野,初窥单片机技术的门道(可惜在背下来51系列和98系列单片机的助记符之后,没自己亲身实战一下),跟着班头,我学到了加工制作方面的很多知识。

关于本科阶段参与课外科技创新活动的体会和利弊得失分析,我在后续博文中继续探讨。

(未完待续)

参考:
【1】吕喆:科研的开端


http://blog.sciencenet.cn/blog-111635-480363.html

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