王曉燕，秦海鵬，丁啟勝

(江蘇師范大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

測控技術(shù)與儀器是一門由多學(xué)科相互交叉滲透形成的高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科[1]。微型化、集成化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代測控技術(shù)與儀器儀表技術(shù)的發(fā)展趨勢[2-3]。根據(jù)測控技術(shù)與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)要求，緊密結(jié)合專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)需要，并與專業(yè)技術(shù)發(fā)展需求和趨勢相接軌，設(shè)計(jì)了研制傳感信號檢測與智能儀表一體化實(shí)驗(yàn)裝置，用于傳感器技術(shù)，虛擬儀器技術(shù)、智能儀表設(shè)計(jì)、電氣測量技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以及測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生的實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)踐創(chuàng)新等環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)裝置體現(xiàn)出相關(guān)專業(yè)知識與技能的系統(tǒng)化、模塊化、一體化發(fā)展的特點(diǎn)與趨勢。

1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置硬件主要有傳感信號檢測調(diào)理模塊、傳感信號數(shù)字化處理模塊和PC機(jī)數(shù)據(jù)管理模塊。由下到上，數(shù)據(jù)處理逐級深化。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

傳感信號檢測調(diào)理模塊可單獨(dú)使用，也可與傳感信號數(shù)字化處理模塊級聯(lián)使用，構(gòu)成傳感信號的數(shù)字采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，還可以進(jìn)一步與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信，借助LabVIEW等虛擬儀器開發(fā)平臺，對采集轉(zhuǎn)換的傳感信號進(jìn)行更復(fù)雜與深入的分析、處理，并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[4-9]。

1.2 傳感信號檢測調(diào)理模塊

傳感信號檢測調(diào)理層是基礎(chǔ)技術(shù)層，主要涉及不同工作原理和不同類型的傳感器信號的檢測、轉(zhuǎn)換、調(diào)理電路。具體包括：霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、溫度傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)?zāi)K、以及3種不同功能特性的信號處理電路模塊[10-14]。

學(xué)生可根據(jù)具體的數(shù)據(jù)處理要求選擇不同的信號處理電路，提高信號調(diào)理電路選擇配置的靈活性，令系統(tǒng)整體硬件資源配置緊湊。同時有助于提高學(xué)生的主觀能動性，促進(jìn)學(xué)生對傳感信號處理性能要求、參數(shù)指標(biāo)的分析、理解與設(shè)計(jì)的能力。

溫度傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K包含4種類型的溫度傳感器采集轉(zhuǎn)換電路。各模塊硬件原理圖均通過PCB板絲印層完全顯現(xiàn)，如圖2所示，方便學(xué)生掌握電路工作原理。該模塊能夠完成常規(guī)的傳感器信號檢測轉(zhuǎn)換調(diào)理實(shí)驗(yàn)。

圖2 傳感信號檢測調(diào)理模板PCB絲印層

1.3 傳感信號數(shù)字化處理模塊

傳感信號數(shù)字化處理模塊是將傳感信號檢測調(diào)理層采集到的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理與顯示。根據(jù)所編寫程序功能和復(fù)雜度的不同分別構(gòu)成數(shù)字化儀表、智能儀表。此數(shù)字化技術(shù)處理層主要包括MSP430F147單片機(jī)系統(tǒng)模塊(內(nèi)含10位/12位A/D轉(zhuǎn)換器和液晶驅(qū)動器)、4×4鍵盤矩陣模塊、LM24016RFW液晶顯示模塊、RS232串行接口模塊、RS485串行接口模塊，如圖3所示。MSP430F147是TI公司設(shè)計(jì)的一種16位精簡指令集、超低功耗單片機(jī)，工作電壓范圍：1.8～3.6 V，具備構(gòu)造片上系統(tǒng)的能力[15]。

圖3 傳感信號數(shù)字化處理模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.4 PC機(jī)數(shù)據(jù)管理模塊

PC機(jī)為系統(tǒng)的上位機(jī)硬件平臺，學(xué)生可選擇合適的虛擬儀器編程軟件，編寫上位機(jī)數(shù)據(jù)分析管理平臺，構(gòu)成傳感信號檢測處理系統(tǒng)或檢測分析儀器、儀表，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能和數(shù)據(jù)分析處理功能，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程傳輸。編程軟件可根據(jù)使用者的具體情況選用：VC++、VB、LabWindows/CVI 、Delphi 、C#、LabVIEW、VEE、 VMIDS 等軟件開發(fā)工具。

2 設(shè)計(jì)理念與技術(shù)特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)裝置總的設(shè)計(jì)理念：遵循系統(tǒng)在技術(shù)應(yīng)用方面逐步提升和逐級深化的層次性；體現(xiàn)系統(tǒng)工作原理完全開放的特征，既可面向本科專業(yè)的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，也可作為研究生、教師進(jìn)行科研、技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)技術(shù)平臺。具體的技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 信號調(diào)理電路高度整合，學(xué)生可根據(jù)具體的傳感信號處理要求選擇合適的信號調(diào)理電路。此種電路整合處理方式與其他同類產(chǎn)品相比較，具有電路硬件緊湊、簡潔、使用靈活方便的特點(diǎn)。有助于提高和培養(yǎng)學(xué)生模塊化設(shè)計(jì)電路的工程思想與實(shí)踐能力；

(2) 該系統(tǒng)集傳感信號檢測調(diào)理電路、傳感信號數(shù)字化處理電路、PC機(jī)數(shù)據(jù)分析管理于一體，而且該系統(tǒng)應(yīng)用功能的擴(kuò)展與升級空間大，應(yīng)用對象與技術(shù)層次覆蓋面廣；

(3) 傳感信號檢測調(diào)理電路與傳感信號數(shù)字化處理電路(實(shí)物圖見圖4)在設(shè)計(jì)制作上分開制版，完全獨(dú)立，配置靈活，維護(hù)方便，升級擴(kuò)展方便；

(4) 該系統(tǒng)電路工作原理完全開放，傳感器的配置具有典型性、代表性，能夠與理論課程教授內(nèi)容緊密結(jié)合、相輔相成，增強(qiáng)教學(xué)效果；

(5) 該系統(tǒng)體現(xiàn)了模擬、數(shù)字、智能逐級提升的傳感信號檢測與轉(zhuǎn)換電路的技術(shù)層次，同時也能夠體現(xiàn)出模擬儀表、數(shù)字化儀表、智能儀表、虛擬技術(shù)儀表4代儀器儀表技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，能夠幫助學(xué)生有效地建立起傳感器應(yīng)用領(lǐng)域和儀器儀表技術(shù)發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域清晰、完整、最新的技術(shù)知識與技術(shù)架構(gòu)。

圖4 傳感信號檢測調(diào)理模板與數(shù)字化處理模塊實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置與測試

該實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可依據(jù)不同的服務(wù)對象和不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)類型。

3.1 基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

主要依托傳感信號檢測調(diào)理模塊完成典型的傳感器類型的信號檢測與轉(zhuǎn)換測試。實(shí)驗(yàn)測試的重點(diǎn)在于讓學(xué)生掌握傳感器及其信號檢測轉(zhuǎn)換電路的工作原理及特性測試。以電阻應(yīng)變片式傳感器單臂電橋性能測試實(shí)驗(yàn)為例，電路連接如圖5所示，測試數(shù)據(jù)見表1，測試精度為0.11mV/g，線性度高。

圖5 單臂電橋性能測試實(shí)驗(yàn)電路連接示意圖

表1 單臂電橋性能測試數(shù)據(jù)

3.2 拓展型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是將傳感信號檢測調(diào)理模塊檢測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸送到傳感信號數(shù)字化處理層進(jìn)行傳感檢測信號的線性化處理、標(biāo)度變化、存儲和數(shù)字化顯示等功能。根據(jù)學(xué)生掌握的專業(yè)知識技能的不同，具體又劃分兩種方式：

(1) 使用已經(jīng)編寫調(diào)試好的程序(已燒錄到MSP430單片機(jī))，進(jìn)行傳感信號檢測數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理；

(2) 同上位機(jī)PC機(jī)聯(lián)機(jī)，應(yīng)用IAR FOR 430開發(fā)軟件對MSP430單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用程序的在線編寫、調(diào)試與燒錄。編寫調(diào)試界面如圖6所示。

圖6 IAR程序調(diào)試界面

3.3 研發(fā)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對學(xué)生的專業(yè)知識與技能要求較高。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生結(jié)合上位機(jī)PC機(jī)系統(tǒng)，選用適合的軟件開發(fā)工具，進(jìn)行上位機(jī)數(shù)據(jù)分析管理的應(yīng)用軟件程序的開發(fā)，構(gòu)建虛擬儀器技術(shù)平臺。應(yīng)用當(dāng)前流行的圖形化編程軟件LabVIEW 2011開發(fā)的研發(fā)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的程序前面板設(shè)計(jì)如圖7所示，對應(yīng)的程序框圖如圖8所示。應(yīng)用程序?qū)鞲行盘枩y試數(shù)據(jù)的獲取通過調(diào)用驅(qū)動程序提供的動態(tài)鏈接庫DLL實(shí)現(xiàn)[14]。

圖7 虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)前面板

圖8 虛擬儀器技術(shù)實(shí)驗(yàn)程序框圖

4 結(jié)論

傳感信號檢測與智能儀表一體化實(shí)驗(yàn)裝置，優(yōu)化整合了測控專業(yè)實(shí)驗(yàn)室原有的儀器設(shè)備資源，促成實(shí)驗(yàn)室向綜合型、開放型、創(chuàng)新型專業(yè)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)型。此實(shí)驗(yàn)裝置有助于培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生建立起系統(tǒng)化、模塊化的工程實(shí)踐思想，具有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)應(yīng)用價值，系統(tǒng)功能擴(kuò)展、升級與維護(hù)方便。目前該套實(shí)驗(yàn)裝置已在本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)中得到充分應(yīng)用，收效明顯。

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