許少倫， 徐青菁， 孫 佳， 姜建民， 賴曉陽(yáng)， 王達(dá)開(kāi)

(上海交通大學(xué) 電氣信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

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智能儀表課程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許少倫， 徐青菁， 孫 佳， 姜建民， 賴曉陽(yáng)， 王達(dá)開(kāi)

(上海交通大學(xué) 電氣信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

社會(huì)對(duì)大學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的要求日益增加。為此而對(duì)電類專業(yè)開(kāi)設(shè)的智能儀表課程設(shè)計(jì)是一門(mén)綜合性、設(shè)計(jì)性較強(qiáng)的實(shí)踐課程。本文首先介紹了該課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、課程內(nèi)容等信息，然后講述了該課程實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，最后分別舉例闡述了各實(shí)踐內(nèi)容的具體要求及搭建過(guò)程，展示了實(shí)踐平臺(tái)樣機(jī)。實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)該課程較系統(tǒng)的鍛煉，可以使學(xué)生清晰地了解智能儀器輸入輸出接口與數(shù)據(jù)處理方法，掌握智能儀器軟硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試的一般方法，大大提高設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)或工作打下基礎(chǔ)。

智能儀表; 虛擬儀器; 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng); 電子稱; 電壓表

0 引 言

隨著企業(yè)對(duì)電類專業(yè)大學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的要求日益增加，實(shí)踐性課程的建設(shè)成為本科生教學(xué)改革的一個(gè)重要組成部分[1]。電氣工程實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)過(guò)幾年的探索和實(shí)踐，通過(guò)校企聯(lián)合，共建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，逐步完善了創(chuàng)新實(shí)踐課程體系，使本科生在培養(yǎng)階段能夠由淺入深地學(xué)習(xí)到最新的行業(yè)發(fā)展知識(shí)和技能，理論實(shí)踐更好的結(jié)合[2]。

智能儀表課程設(shè)計(jì)是高校電氣、測(cè)控及相關(guān)專業(yè)的一門(mén)重要課程，它集技術(shù)性、工程性和實(shí)踐性于一體，是一門(mén)涉及傳感器、機(jī)電一體化、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、信號(hào)分析與處理等多門(mén)學(xué)科的現(xiàn)代綜合技術(shù)[3]。通過(guò)和美國(guó)德州儀器公司共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，利用其MSP430單片機(jī)、Stellaris?LM4F120 LaunchPad評(píng)估套件等器材，并結(jié)合USB-6009數(shù)據(jù)采集卡以及Labview設(shè)計(jì)搭建了一個(gè)綜合的智能儀表課程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)。本文通過(guò)介紹該課程平臺(tái)的構(gòu)建，對(duì)其組織形式和教學(xué)成果進(jìn)行總結(jié)。

1 智能儀表課程體系

1.1 課程性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)

此課程是電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的重要課程，目的是使學(xué)生了解和掌握智能儀表的原理和設(shè)計(jì)方法，初步學(xué)習(xí)虛擬儀器的使用，智能儀表的軟硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試的基本方法，加強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。

1.2 教學(xué)方法

以課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，結(jié)合自學(xué)、小組大作業(yè)。課堂教學(xué)主要講解基本原理，使同學(xué)們更好地理解智能儀器原理、提高對(duì)智能儀器設(shè)計(jì)的興趣、初步了解智能儀器的研究、設(shè)計(jì)方法。著重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)、自主學(xué)習(xí)的能力和實(shí)踐動(dòng)手的能力。小組大作業(yè)能培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力：熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力、收集提煉信息的能力、實(shí)踐動(dòng)手的能力、團(tuán)隊(duì)合作能力。

1.3 課程內(nèi)容

講解智能儀器的基本結(jié)構(gòu)及其接口技術(shù)的原理和設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生清晰地了解智能儀器輸入輸出接口與數(shù)據(jù)處理方法，初步學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)智能儀器軟硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試的方法：①了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及各主要部件工作原理。②了解智能儀器的輸入通道包括程控放大器與A/D轉(zhuǎn)換器及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)；了解智能儀器的輸出通道包括D/A轉(zhuǎn)換器，串行數(shù)據(jù)接口及開(kāi)關(guān)量輸出通道。③掌握智能儀器設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)步驟，具體的硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試方法。④了解虛擬儀器的基本組成，常用開(kāi)發(fā)工具Labview的開(kāi)發(fā)環(huán)境、軟件設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法。

2 實(shí)踐平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 虛擬儀器

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的儀器測(cè)量技術(shù)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物，具有開(kāi)發(fā)時(shí)間短、技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)，以及出色的集成等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向[4]。通過(guò)與NI公司的合作，在智能儀表課程中引入虛擬儀器，有利于學(xué)生把握儀器儀表技術(shù)的發(fā)展潮流，為將來(lái)走向科研、技術(shù)崗位拓寬眼界，奠定基礎(chǔ)。本課程需要學(xué)生完成虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)搭建。

2.2 16路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為溝通模擬域和數(shù)字域的橋梁起著重要作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微處理器控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，使系統(tǒng)的靈活性和可靠性大大提高，系統(tǒng)的硬件成本和重建費(fèi)用大大降低[5]。本課程需要學(xué)生自行搜集資料、選擇器件，完成16路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，畫(huà)出其原理圖和PCB圖，并闡述其工作原理。

2.3 簡(jiǎn)易電子稱

簡(jiǎn)易電子稱將重量傳感器產(chǎn)生的微弱差分信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和采樣，經(jīng)過(guò)MCU處理，通過(guò)人機(jī)界面顯示稱重信息，實(shí)現(xiàn)輸入單價(jià)并計(jì)算價(jià)格。

2.4 智能電壓表

智能電壓表及其拓展部分設(shè)計(jì)主要是以放大電路為主，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并利用單片機(jī)進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)高速運(yùn)算后將信息整合，并對(duì)放大電路的放大倍數(shù)進(jìn)行控制，同時(shí)，采樣值在經(jīng)過(guò)邏輯處理后在顯示屏上顯示波形，并提供可視人機(jī)界面。

3 實(shí)踐平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

3.1 虛擬儀器

本平臺(tái)采用NI公司的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，利用Labview實(shí)現(xiàn)虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器。

3.1.1 虛擬示波器[6]

要求虛擬示波器能夠顯示有信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的方波、三角波、正弦波的頻率范圍為1～1 kHz，幅度為0～10 V，要求能夠精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入波形的頻率和幅值，虛擬示波器能夠通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)橫坐標(biāo)(時(shí)間)和縱坐標(biāo)(幅值)的顯示范圍。程序框圖見(jiàn)圖1。

圖1 虛擬示波器程序框圖

3.1.2 虛擬信號(hào)發(fā)生器[7-8]

要求虛擬示波器能夠產(chǎn)生頻率在1～100 Hz，幅度為0～5 V之間的方波、三角波、正弦波，并輸出到示波器進(jìn)行觀察，能夠利用數(shù)據(jù)采集卡的兩路通道，同時(shí)輸出產(chǎn)生兩張不同的波形；能夠調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率、幅值和相位；對(duì)于方波信號(hào)可以改變輸出信號(hào)的占空比，輸出信號(hào)可以用示波器觀測(cè)，并且可以顯示在前面板上。程序框圖見(jiàn)圖2。

3.2 16路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)、智能儀器與外界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。其設(shè)計(jì)主要考慮被測(cè)信號(hào)的變化速率和通道數(shù)，對(duì)測(cè)量精度、分辨率、速度的要求，性價(jià)比等。主要由下面幾部分組成：

圖2 虛擬信號(hào)發(fā)生器程序框圖

(1) 計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的核心是計(jì)算機(jī)，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。

(2) A/D轉(zhuǎn)換器。計(jì)算機(jī)所處理的是數(shù)字信號(hào)，因此模擬信號(hào)必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換—量化過(guò)程。

(3) 采樣/保持器。采樣/保持器將連續(xù)信號(hào)離散化，從連續(xù)信號(hào)中抽取采樣時(shí)刻的信號(hào)值—采樣過(guò)程。

(4) 放大器。將采集到的信號(hào)適當(dāng)放大，盡量是A/D轉(zhuǎn)換器在接近滿量程的狀態(tài)下工作。

(5) 多路開(kāi)關(guān)。通過(guò)多路開(kāi)關(guān)，依次接通各個(gè)傳感器并采樣信號(hào)。

系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖3。

圖3 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

3.3 簡(jiǎn)易電子稱

簡(jiǎn)易電子稱主要的組成部分如圖4所示。實(shí)驗(yàn)器材采用德州儀器的MSP430F552x, INA333儀表放大器，OPA2340運(yùn)算放大器,I2C8位IO口拓展芯TCA6408等[9-13]。采樣的壓力傳感器是四應(yīng)變片橋式壓力傳感器，輸出為差分信號(hào)；前級(jí)放大電路可使用儀表放大器構(gòu)成差分放大電路；差分放大電路輸出后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大電路進(jìn)行進(jìn)一步放大；已經(jīng)放大過(guò)的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波處理；再由MCU芯片進(jìn)行采樣、處理和顯示[13]。

圖4 電子稱結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 智能電壓表

智能電壓表及其拓展要求通過(guò)程控放大電路、整流濾波電路以及單片機(jī)人機(jī)界面三大模塊，實(shí)現(xiàn)直流電壓、電流，交流電壓、電流，電阻以及信號(hào)頻率的測(cè)量等功能。實(shí)驗(yàn)器材采用德州儀器的Stellaris?LM4F120 LaunchPad評(píng)估套件[14]，一款采用32 bit ARM處理器+FPGA雙核控制架構(gòu)開(kāi)發(fā)的高性能、低功耗、易使用的64 KB色的TFT 真彩顯示器，數(shù)字可控增益的單片儀表放大器PGA202[15]等。

4 結(jié) 語(yǔ)

智能儀表課程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)緊跟現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展趨勢(shì)，考慮學(xué)生知識(shí)層次與理解能力，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，構(gòu)建了虛擬儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子稱小系統(tǒng)、電壓表等多功能表計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生掌握虛擬儀器的使用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖的設(shè)計(jì)與PCB圖的繪制，電子稱模擬電路與數(shù)字電路設(shè)計(jì)，程控放大電路、整流濾波電路的設(shè)計(jì)，程序的編寫(xiě)與調(diào)試，鍛煉了學(xué)生的文獻(xiàn)閱讀、團(tuán)隊(duì)合作、動(dòng)手實(shí)踐等能力。

[1] 陸順壽，曹其新. 開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)提高當(dāng)代大學(xué)生綜合素質(zhì)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(9):11-13．

[2] 孫 佳，許少倫，姜建民.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(2):77-80．

[3] 馮振偉，裴旭明. 智能儀器儀表設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的綜合改革與探索[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011(1)：135-136.

[4] 湯占軍，馮麗輝，張 斌.基于虛擬儀器的智能儀表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(10)：252-254.

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[6] 劉繼超,劉 云. 基于NI采集卡的虛擬示波器的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)[J]. 青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(4):357-360.

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[9] 德州儀器公司,MSP430F552x family User’s Guide[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau208n/slau208n.pdf

[10] 德州儀器公司,MSP430F552x datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/msp430f5529.pdf

[11] 德州儀器公司,INA333 datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ina333.pdf

[12] 德州儀器公司,OPA2340 datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa2340.pdf

[13] 德州儀器公司,TCA6408 datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tca6408.pdf

[14] 德州儀器公司, LM4F120 launchpad[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/spmu289c/spmu289c.pdf

[15] 德州儀器公司, PGA202[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/pga202.pdf

Design and Application of Experimental Platform for the Course of Intelligent Instruments

XUShao-lun,XUQing-jing,SUNJia,JIANGJian-min,LAIXiao-yang,WANGDa-kai

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China)

Today, university students major in electrical engineering is required to have strong practical and innovation abilities. The course of design of intelligent instruments is a comprehensive, skillfully practical course and meets the requirement. Firstly, the object, teaching method and content of the course are introduced. Secondly, the design idea of the platform is described in detail. At the end, the setup process of experiment platform and some examples are presented. After the course exercise, students can learn knowledge about intelligent instrument input/output interface, data processing, software and hardware design methods. It shows that the innovation experiment course could improve the practical ability and innovation ability of students.

intelligent instrument; virtual instrument; data collection system; electronic balance; vltage meter

2015-01-17

許少倫(1978-)，男，山東臨沂人，工程師，電氣工程實(shí)驗(yàn)中心主任，主要研究方向: 電力系統(tǒng)自動(dòng)化、SCADA系統(tǒng)技術(shù)。

Tel.:021-34205720; E-mail:slxu@sjtu.edu.cn

TP 216

A

1006-7167(2015)10-0129-03