计算机制约心理学实验计时理由和新方案设计

摘要：计算机作为实验平台广泛应用于心理学实验中。本文指出计算机制约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，并分析了理由。然后提出一种采用分布式任务处理和LED背光制约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：计算机制约计时，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制约文件进行实验，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）直接运转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制约及运转载体，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、可行的策略来改善计算机的计时理由。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制约心理学实验的计时误差产生的理由及特点，然后提出了一种新的心理实验系统设计方案。

2、计算机制约的心理学实验计时理由

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转时即使被赋予最高的任务优先级，仍然不能独占CPU的运转时间和其他资源，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策略和技术（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，和其他进程并行运转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制约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，实验程序是不能制约其确切显示时间的。E-Prime对刺激呈现的精度是毫秒级。但毫秒级是相对的，其所能制约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。心理学程序不能制约其大小。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，以计算机作为制约设备，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理由，并详细的说明了减小误差的策略。如显卡测试、异常数据滤除等。目前国内心理学软件逐渐增加，但普遍没有提供详细、可行的策略来改善计算机的计时理由。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，又能保计算机制约的心理学实验计时理由与新方案设计由提供海量免费论文范文的www.udooo.com,希望对您的论文写作有帮助.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背光制约技术，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负责制约整个实验流程，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根据返回的刺激呈目前状况态可以决定内部定时器的开启和停止，保证定时精确。
该系统基于以下理由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，直接制约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。（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制约瓶颈。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背光制约技术的应用提供了可能。为了准确制约刺激的呈现时间，从图l可以看到MCU直接制约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计算机制约的心理学实验计时理由与新方案设计由优秀论文网站www.udooo.com提供,助您写好论文.背光制约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，避开扫描、去抖导致的延时，当按键按下后可立即触发中断，并制约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。当不同颜片切换时液晶驱动管脚的数据会发生有规律的转变，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背光开关制约信号波形。
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。测试时使用微制约器内部定时器。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。误差产生的理由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19

1.3ms和205.0ms，测试结果也验证了上文分析。

使用LED背光制约刺激呈现时间时，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策略解决。
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，计时误差优化面对瓶颈。本文提出的心理学实验系统利用分布式任务处理、LED背光制约等技术，避开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，需要进一步改善，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）计算机制约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背光制约技术，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。