计算机控制的心理学实验计时问题与新方案设计(2)
(2)采用LED背光技术，可以突破因显示器刷新率而导致的时间控制瓶颈。不同于CRT显示器的射线循环扫描方式，TFT液晶是一种保持型显示器件，通过透光的方式来显示信息，所以如果LED背光关闭，人眼将无法看到在液晶屏上显示的图像。TFT液晶的上述特性为LED背光控制技术的应用提供了可能。为了准确控制刺激的呈现时间，从图l可以看到MCU直接控制LED背光的电路，而且在刺激呈现流程上可以如下安排：①关闭液晶的LED背光。②将要呈现的刺激显示到液晶上(LED背光关闭，所以被试看不到刺激)。③打开LED背光(被试看到刺激)，定时器开始计时。④计时结束，关闭LED背光。根据以上流程，刺激呈现的误差只有定时器的定时误差和LED背光的开关延迟，由于定时器的分辨率小于0.1us，LED的开关延迟只有20微秒，所以LED背光控制技术可以实现刺激呈现时间的真正的毫秒级精度。
(3)输入设备选用微动按键，并连接到MCU的中断功能管脚。按键采用分离设计，避免扫描、去抖导致的延时，当按键按下后可立即触发中断，并控制定时器的开启或停止。而从中断触发到定时器开关只有几个指令周期的时间，其数量级为微秒级。
该系统还有用于主试操控该系统的显示屏模块和PSI2键盘，实现良好的人机交互界面的同时，也保证主试与被试之间的隔离。此外系统还有USB接口，可以将实验数据以存储到U盘等存储介质上，便于后期处理。
4、实验过程及分析
4.1 实验设计
本实验的目的在于测试新心理实验系统呈现刺激的计时误差和反应键的计时误差。
刺激呈现的计时误差测量：(1)不使用LED背光，连续呈现多张不同颜色的纯色图片，设定每张图片呈现时间为200ms。用AL250型逻辑分析仪连接到液晶驱动端口的数据管脚。当不同颜色图片切换时液晶驱动管脚的数据会发生有规律的改变，由此可计算出刺激的呈现时间。(2)使用LED背光呈现刺激，用示波器测量LED背光开关控制信号波形。
被试反应键的计时误差测量：使用LED背光呈现刺激，屏幕前端放置高速光耦。光耦输出端接反应键的所连接的中断引脚。这样相当于刺激一旦呈现反应键被立刻按下，理想反应时间应该接近于0。测试时使用微控制器内部定时器。共测量100次。
4.2 结果与分析
4.2.1 刺激呈现计时误差对比
PST公司曾经在一台PC上做过测试：在显示器上连续呈现多张图片(不采用E-Prime优化计时误差的技术)，每张图片呈现200ms(Schneider。Eschman，&Zuccolotto，2002)。测试结果如图2所示：在两次测试中都出现了峰值。最高达934ms。且峰值出现的时间是随机的，另外每张图片的呈现时间都高于设定值105ms以上，这是图片从读取到显示所花费的准备时间。
该新系统测试结果(不用LED背光呈现刺激)如图3所示，当程序设计呈现时间为200ms时，测试的结果为190ms～205ms。误差产生的原因正是显示器的刷新率导致的。测试所用显示器刷新率为70Hz。刷新周期约为14.3ms。14个和15个刷新周期的时间分别约是191.3ms和205.0ms，测试结果也验证了上文分析。
使用LED背光控制刺激呈现时间时，测试数据显示误差在微秒级别。图像不再画出。虽然刺激呈现时间精度很高，但LED背光开启关断会引起显示器亮度的较大变化和刺激的不连续，可能不符合某些心理学实验要求，可以采用多视场速视器的设计方法解决。
4.2.2 反应键的计时误差对比
经测试。被试反应键的计时误差在41～47us之间，平均值是43.6us。而计算机系统由于硬件设备的多样性，不同设备输入延时不尽相同。E-Prime对特定型号的键盘鼠标和专用SRBox做了测试，平均延时键盘约是7ms，鼠标约是92ms。SRBox约为1.25ms。而SRBox反应时间经E-Prime优化后减去了平均延时，最小误差值甚至会出现负值(Schnei-der，Eschman，&Zuccolotto A，2002)。测试结果表明该系统反应键延时远低于计算机系统鼠标键盘的延时，且没有多任务系统导致的随机误差。
5、结论
随着计算机硬件和操作系统的复杂度提高，计算机的计时修正变得更加困难，计时误差优化面临瓶颈。本文提出的心理学实验系统利用分布式任务处理、LED背光控制等技术，避免了计算机多任务操作系统导致的随机误差。经过测试，其在刺激呈现时间和反应时间的精准度方面优于计算机。所测实验数据真实，精度高。该系统也存在一些不足：易用性方面比计算机差，需要进一步改进，但该系统为心理学实验系统的设计提供了一个新的思路。
本研究得到以下结论：(1)计算机控制心理学实验的计时误差具有随机行、不可预知性，而且修正和优化难度大。(2)本文新提出的心理实验系统采用分布式任务处理和LED背光控制技术，刺激呈现时间及反应时间精准度优于计算机的计时精准度。 (陈永鹏 路敦强 吴晓荣)
(3)输入设备选用微动按键，并连接到MCU的中断功能管脚。按键采用分离设计，避免扫描、去抖导致的延时，当按键按下后可立即触发中断，并控制定时器的开启或停止。而从中断触发到定时器开关只有几个指令周期的时间，其数量级为微秒级。
该系统还有用于主试操控该系统的显示屏模块和PSI2键盘，实现良好的人机交互界面的同时，也保证主试与被试之间的隔离。此外系统还有USB接口，可以将实验数据以存储到U盘等存储介质上，便于后期处理。
4、实验过程及分析
4.1 实验设计
本实验的目的在于测试新心理实验系统呈现刺激的计时误差和反应键的计时误差。
刺激呈现的计时误差测量：(1)不使用LED背光，连续呈现多张不同颜色的纯色图片，设定每张图片呈现时间为200ms。用AL250型逻辑分析仪连接到液晶驱动端口的数据管脚。当不同颜色图片切换时液晶驱动管脚的数据会发生有规律的改变，由此可计算出刺激的呈现时间。(2)使用LED背光呈现刺激，用示波器测量LED背光开关控制信号波形。
被试反应键的计时误差测量：使用LED背光呈现刺激，屏幕前端放置高速光耦。光耦输出端接反应键的所连接的中断引脚。这样相当于刺激一旦呈现反应键被立刻按下，理想反应时间应该接近于0。测试时使用微控制器内部定时器。共测量100次。
4.2 结果与分析
4.2.1 刺激呈现计时误差对比
PST公司曾经在一台PC上做过测试：在显示器上连续呈现多张图片(不采用E-Prime优化计时误差的技术)，每张图片呈现200ms(Schneider。Eschman，&Zuccolotto，2002)。测试结果如图2所示：在两次测试中都出现了峰值。最高达934ms。且峰值出现的时间是随机的，另外每张图片的呈现时间都高于设定值105ms以上，这是图片从读取到显示所花费的准备时间。
该新系统测试结果(不用LED背光呈现刺激)如图3所示，当程序设计呈现时间为200ms时，测试的结果为190ms～205ms。误差产生的原因正是显示器的刷新率导致的。测试所用显示器刷新率为70Hz。刷新周期约为14.3ms。14个和15个刷新周期的时间分别约是191.3ms和205.0ms，测试结果也验证了上文分析。
使用LED背光控制刺激呈现时间时，测试数据显示误差在微秒级别。图像不再画出。虽然刺激呈现时间精度很高，但LED背光开启关断会引起显示器亮度的较大变化和刺激的不连续，可能不符合某些心理学实验要求，可以采用多视场速视器的设计方法解决。
4.2.2 反应键的计时误差对比
经测试。被试反应键的计时误差在41～47us之间，平均值是43.6us。而计算机系统由于硬件设备的多样性，不同设备输入延时不尽相同。E-Prime对特定型号的键盘鼠标和专用SRBox做了测试，平均延时键盘约是7ms，鼠标约是92ms。SRBox约为1.25ms。而SRBox反应时间经E-Prime优化后减去了平均延时，最小误差值甚至会出现负值(Schnei-der，Eschman，&Zuccolotto A，2002)。测试结果表明该系统反应键延时远低于计算机系统鼠标键盘的延时，且没有多任务系统导致的随机误差。
5、结论
随着计算机硬件和操作系统的复杂度提高，计算机的计时修正变得更加困难，计时误差优化面临瓶颈。本文提出的心理学实验系统利用分布式任务处理、LED背光控制等技术，避免了计算机多任务操作系统导致的随机误差。经过测试，其在刺激呈现时间和反应时间的精准度方面优于计算机。所测实验数据真实，精度高。该系统也存在一些不足：易用性方面比计算机差，需要进一步改进，但该系统为心理学实验系统的设计提供了一个新的思路。
本研究得到以下结论：(1)计算机控制心理学实验的计时误差具有随机行、不可预知性，而且修正和优化难度大。(2)本文新提出的心理实验系统采用分布式任务处理和LED背光控制技术，刺激呈现时间及反应时间精准度优于计算机的计时精准度。 (陈永鹏 路敦强 吴晓荣)