计算机控制的心理学实验计时问题与新方案设计(1)
摘要：计算机作为实验平台广泛应用于心理学实验中。本文指出计算机控制心理学实验的计时误差具有随机性、不可预知性，修正和优化难度大，并分析了原因。然后提出一种采用分布式任务处理和LED背光控制技术的新型心理实验系统，测试结果表明该系统在刺激呈现时间及反应时间精准度上优于计算机，为心理学实验平台的设计提供了新思路。
关键词：计算机控制计时，计时误差，分布式任务处理技术，LED背光
分类号：B841
1、引言
计算机作为实验平台广泛应用于心理学实验中，其主要途径有：(1)使用现成的实验生成系统编制生成控制文件进行实验，如E-Prime、DMDX等。(2)与专用的硬件设备联机实验，如眼动仪、fMRI等(鲁学明，张学民，2010)。(3)直接运行的心理学实验教学演示软件，也包括编程者用某种编程语言编制的心理学实验程序。计算机功能强大，高效灵活，使用方便，而且有较强的多媒体处理能力，文字、图片、音视频等都可作为实验素材。利用计算机作为实验过程的控制及运行载体，能够实现实验过程的自动化，提高实验效率(卢伊颖，2011)。
但是通用计算机并非为心理学实验所专门设计，在应用于心理学实验时存在较大的计时误差。当前，除了E-Prime等标准化的心理实验系统，大多数心理实验软件都未给出详细、可行的方法来改善计算机的计时问题。而对于一般以反应时为测试指标的实验，要求实验仪器必须具有准确性和恒常性，所获得的数据精度必须达到一定的阈值才有参考价值。如果计算机的计时不经修正和优化，那么所测得的数据不能保证是可信的。本文首先分析了计算机控制心理学实验的计时误差产生的原因及特点，然后提出了一种新的心理实验系统设计方案。
2、计算机控制的心理学实验计时问题
常见的计算机操作系统，如Windows、Linux等是都是复杂的多任务操作系统，其核心功能之一便是对并发执行的任务进程按一定的策略进行调度。作为应用软件的心理实验程序在运行时即使被赋予最高的任务优先级，仍然不能独占CPU的运行时间和其他资源，而是可被随时中断的，且中断的次数、时刻、时间都是不可预知的。有研究者认为Windows作为一种多任务操作系统因为不能提供精确的计时，所以不适合用作心理学实验(My，ors，1999)。虽然一些研究者提出了一些提高计时精度的方法和技术(De Clercq，Cormbze，&Buvsse，2003；陈素华。谢水清。杨仲乐。2006；Eugene&Dianne，2007；Athanassios，Protopapas，&CheckVo-cal，2007)，但是在使用过程中，也必须针对具体的计算机内核和外设进行必要的测试和探讨，鲁学明和张学民(2010)经过测试发现常用编程环境下只有少数计时函数能达到或高于1毫秒精度。但是这种测试只是研究了计时函数本身的误差，不能保证这些函数写进复杂的程序后，和其他进程并行运行时可达到预定的定时精度。
心理实验软件是通过显示器来呈现刺激信息的，但早已有研究者指出显示器因刷新率的限制在时间控制方面有难以逾越的障碍(冯玲，1995)：在计算机显示器上呈现刺激时，无论所设计的呈现时间是多少，实际呈现时间只可能是刷新周期的整数倍。例如，刷新率为70Hz显示器刷新周期约为14.3ms，如果要一个刺激呈现20ms，那么呈现时间可能为14.3ms或28.6ms，实验程序是不能控制其确切显示时间的。E-Prime对刺激呈现的精度是毫秒级。但毫秒级是相对的，其所能控制的显示时间也都是刷新周期的整数倍(陈文锋，崔耀，张建新，2005)。
心理实验程序从硬盘读取多媒体数据时会有几毫秒到几十毫秒的等待和寻道时间，多媒体材料从硬盘读出到写入显示缓存所耗费的时间又与硬盘的性能及新旧、文件的大小及存储位置密切相关。
计算机的输入设备通常是鼠标、键盘或者专用反应盒。这些设备将被试反应传输到心理学软件的过程中都有一定延迟。存在系统误差，误差大小是与具体设备相关的，设备型号不同，接口不同，那么数据传输的延时就不同。心理学程序不能控制其大小。另外不论是从硬盘读取数据的过程还是键盘值反馈到心理学软件的过程，都要受到多任务操作系统的影响，其延时具有随机性。
综上所述，以计算机作为控制设备，其计时误差较大，而且具有随机性、不可控性和不可预知性。
3、新设计方案的提出
E-Prime作为标准化心理实验系统，采用了多种复杂的技术手段(宫大志，李寿欣，2008)，优化了计时精度、系统随机误差等重要问题，并详细的说明了减小误差的方法。如显卡测试、异常数据滤除等。目前国内心理学软件逐渐增多，但普遍没有提供详细、可行的方法来改善计算机的计时问题。研究者(鲁学明，张学民，2010)对国内心理学的主流期刊近10年的反应时实验的文献分析结果发现有50%左右的反应时标准差在100ms以上，高于国外文献20-30ms～50-60ms范围。因此，希望实现一种新的心理实验系统的设计方案。既能实现较为精确的计时，又能保留对多媒体信息的处理能力。
随着嵌入式设备在精密仪器中的大量应用，可利用嵌入式技术设计一种新的心理实验系统。系统采用分布式任务处理技术和LED背光控制技术，其架构框图如图1所示。
从图1中可以看到，系统采用分布式任务处理技术，除了MCU(主控微处理器)外，还有一个多媒体处理器。MCU负责控制整个实验流程，而多媒体文件数据量大，处理费时，因此多媒体处理器只负责接收MCU的指令，按指令要求来读取固态存储器中的图片并发送到液晶屏上。或者清除液晶屏的刺激信息，并将当前刺激已呈现或已经清除的命令立即反馈给MCU。MCU根据返回的刺激呈现状态可以决定内部定时器的开启和停止，保证定时精确。
该系统基于以下原因保证了较高的计时精度：
(1)没有使用多任务操作系统，不会出现任务调度导致的随机误差。程序使用C语言编写，直接控制MCU的内部定时器等设备，内部定时器的定时分辨率小于0.1us，可以实现毫秒级的精确定时。多媒体数据按统一格式排放，并按地址顺序存储在固态存储器中，刺激信息从读取呈现的时间是一个常数。 (陈永鹏 路敦强 吴晓荣)
关键词：计算机控制计时，计时误差，分布式任务处理技术，LED背光
分类号：B841
1、引言
计算机作为实验平台广泛应用于心理学实验中，其主要途径有：(1)使用现成的实验生成系统编制生成控制文件进行实验，如E-Prime、DMDX等。(2)与专用的硬件设备联机实验，如眼动仪、fMRI等(鲁学明，张学民，2010)。(3)直接运行的心理学实验教学演示软件，也包括编程者用某种编程语言编制的心理学实验程序。计算机功能强大，高效灵活，使用方便，而且有较强的多媒体处理能力，文字、图片、音视频等都可作为实验素材。利用计算机作为实验过程的控制及运行载体，能够实现实验过程的自动化，提高实验效率(卢伊颖，2011)。
但是通用计算机并非为心理学实验所专门设计，在应用于心理学实验时存在较大的计时误差。当前，除了E-Prime等标准化的心理实验系统，大多数心理实验软件都未给出详细、可行的方法来改善计算机的计时问题。而对于一般以反应时为测试指标的实验，要求实验仪器必须具有准确性和恒常性，所获得的数据精度必须达到一定的阈值才有参考价值。如果计算机的计时不经修正和优化，那么所测得的数据不能保证是可信的。本文首先分析了计算机控制心理学实验的计时误差产生的原因及特点，然后提出了一种新的心理实验系统设计方案。
2、计算机控制的心理学实验计时问题
常见的计算机操作系统，如Windows、Linux等是都是复杂的多任务操作系统，其核心功能之一便是对并发执行的任务进程按一定的策略进行调度。作为应用软件的心理实验程序在运行时即使被赋予最高的任务优先级，仍然不能独占CPU的运行时间和其他资源，而是可被随时中断的，且中断的次数、时刻、时间都是不可预知的。有研究者认为Windows作为一种多任务操作系统因为不能提供精确的计时，所以不适合用作心理学实验(My，ors，1999)。虽然一些研究者提出了一些提高计时精度的方法和技术(De Clercq，Cormbze，&Buvsse，2003；陈素华。谢水清。杨仲乐。2006；Eugene&Dianne，2007；Athanassios，Protopapas，&CheckVo-cal，2007)，但是在使用过程中，也必须针对具体的计算机内核和外设进行必要的测试和探讨，鲁学明和张学民(2010)经过测试发现常用编程环境下只有少数计时函数能达到或高于1毫秒精度。但是这种测试只是研究了计时函数本身的误差，不能保证这些函数写进复杂的程序后，和其他进程并行运行时可达到预定的定时精度。
心理实验软件是通过显示器来呈现刺激信息的，但早已有研究者指出显示器因刷新率的限制在时间控制方面有难以逾越的障碍(冯玲，1995)：在计算机显示器上呈现刺激时，无论所设计的呈现时间是多少，实际呈现时间只可能是刷新周期的整数倍。例如，刷新率为70Hz显示器刷新周期约为14.3ms，如果要一个刺激呈现20ms，那么呈现时间可能为14.3ms或28.6ms，实验程序是不能控制其确切显示时间的。E-Prime对刺激呈现的精度是毫秒级。但毫秒级是相对的，其所能控制的显示时间也都是刷新周期的整数倍(陈文锋，崔耀，张建新，2005)。
心理实验程序从硬盘读取多媒体数据时会有几毫秒到几十毫秒的等待和寻道时间，多媒体材料从硬盘读出到写入显示缓存所耗费的时间又与硬盘的性能及新旧、文件的大小及存储位置密切相关。
计算机的输入设备通常是鼠标、键盘或者专用反应盒。这些设备将被试反应传输到心理学软件的过程中都有一定延迟。存在系统误差，误差大小是与具体设备相关的，设备型号不同，接口不同，那么数据传输的延时就不同。心理学程序不能控制其大小。另外不论是从硬盘读取数据的过程还是键盘值反馈到心理学软件的过程，都要受到多任务操作系统的影响，其延时具有随机性。
综上所述，以计算机作为控制设备，其计时误差较大，而且具有随机性、不可控性和不可预知性。
3、新设计方案的提出
E-Prime作为标准化心理实验系统，采用了多种复杂的技术手段(宫大志，李寿欣，2008)，优化了计时精度、系统随机误差等重要问题，并详细的说明了减小误差的方法。如显卡测试、异常数据滤除等。目前国内心理学软件逐渐增多，但普遍没有提供详细、可行的方法来改善计算机的计时问题。研究者(鲁学明，张学民，2010)对国内心理学的主流期刊近10年的反应时实验的文献分析结果发现有50%左右的反应时标准差在100ms以上，高于国外文献20-30ms～50-60ms范围。因此，希望实现一种新的心理实验系统的设计方案。既能实现较为精确的计时，又能保留对多媒体信息的处理能力。
随着嵌入式设备在精密仪器中的大量应用，可利用嵌入式技术设计一种新的心理实验系统。系统采用分布式任务处理技术和LED背光控制技术，其架构框图如图1所示。
从图1中可以看到，系统采用分布式任务处理技术，除了MCU(主控微处理器)外，还有一个多媒体处理器。MCU负责控制整个实验流程，而多媒体文件数据量大，处理费时，因此多媒体处理器只负责接收MCU的指令，按指令要求来读取固态存储器中的图片并发送到液晶屏上。或者清除液晶屏的刺激信息，并将当前刺激已呈现或已经清除的命令立即反馈给MCU。MCU根据返回的刺激呈现状态可以决定内部定时器的开启和停止，保证定时精确。
该系统基于以下原因保证了较高的计时精度：
(1)没有使用多任务操作系统，不会出现任务调度导致的随机误差。程序使用C语言编写，直接控制MCU的内部定时器等设备，内部定时器的定时分辨率小于0.1us，可以实现毫秒级的精确定时。多媒体数据按统一格式排放，并按地址顺序存储在固态存储器中，刺激信息从读取呈现的时间是一个常数。 (陈永鹏 路敦强 吴晓荣)