傳感信號(hào)檢測(cè)與智能儀表一體化實(shí)驗(yàn)裝置研制

王曉燕，秦海鵬，丁啟勝

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

測(cè)控技術(shù)與儀器是一門(mén)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(cè)控技術(shù)與儀器儀表技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。根據(jù)測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)要求，緊密結(jié)合專(zhuān)業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)需要，并與專(zhuān)業(yè)技術(shù)發(fā)展需求和趨勢(shì)相接軌，設(shè)計(jì)了研制傳感信號(hào)檢測(cè)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(cè)量技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以及測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)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(zhuān)業(yè)知識(shí)與技能的系統(tǒng)化、模塊化、一體化發(fā)展的特點(diǎn)與趨勢(shì)。

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(hào)檢測(cè)調(diào)理模塊、傳感信號(hào)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(jí)深化。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

傳感信號(hào)檢測(cè)調(diào)理模塊可單獨(dú)使用，也可與傳感信號(hào)數(shù)字化處理模塊級(jí)聯(lián)使用，構(gòu)成傳感信號(hào)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)采集轉(zhuǎn)換的傳感信號(hào)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(hào)檢測(cè)調(diào)理模塊

傳感信號(hào)檢測(cè)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(lèi)型的傳感器信號(hào)的檢測(cè)、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(hào)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(hào)處理電路，提高信號(hào)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(shí)有助于提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)傳感信號(hào)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(lèi)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(guò)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(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換調(diào)理實(shí)驗(yàn)。

圖2 傳感信號(hào)檢測(cè)調(diào)理模板PCB絲印層

1.3 傳感信號(hào)數(shù)字化處理模塊

傳感信號(hào)數(shù)字化處理模塊是將傳感信號(hào)檢測(cè)調(diào)理層采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理與顯示。根據(jù)所編寫(xiě)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(dòng)器)、4×4鍵盤(pán)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(jiǎn)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(hào)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(tái)，學(xué)生可選擇合適的虛擬儀器編程軟件，編寫(xiě)上位機(jī)數(shù)據(jù)分析管理平臺(tái)，構(gòu)成傳感信號(hào)檢測(cè)處理系統(tǒng)或檢測(cè)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(kāi)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(jí)深化的層次性；體現(xiàn)系統(tǒng)工作原理完全開(kāi)放的特征，既可面向本科專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)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(tái)。具體的技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 信號(hào)調(diào)理電路高度整合，學(xué)生可根據(jù)具體的傳感信號(hào)處理要求選擇合適的信號(hào)調(diào)理電路。此種電路整合處理方式與其他同類(lèi)產(chǎn)品相比較，具有電路硬件緊湊、簡(jiǎn)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(hào)檢測(cè)調(diào)理電路、傳感信號(hào)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(jí)空間大，應(yīng)用對(duì)象與技術(shù)層次覆蓋面廣；

(3) 傳感信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路與傳感信號(hào)數(shù)字化處理電路(實(shí)物圖見(jiàn)圖4)在設(shè)計(jì)制作上分開(kāi)制版，完全獨(dú)立，配置靈活，維護(hù)方便，升級(jí)擴(kuò)展方便；

(4) 該系統(tǒng)電路工作原理完全開(kāi)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(jí)提升的傳感信號(hào)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路的技術(shù)層次，同時(shí)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(shí)與技術(shù)架構(gòu)。

圖4 傳感信號(hào)檢測(cè)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(cè)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(duì)象和不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型。

3.1 基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

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

圖5 單臂電橋性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路連接示意圖

表1 單臂電橋性能測(cè)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(hào)檢測(cè)調(diào)理模塊檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸送到傳感信號(hào)數(shù)字化處理層進(jìn)行傳感檢測(cè)信號(hào)的線性化處理、標(biāo)度變化、存儲(chǔ)和數(shù)字化顯示等功能。根據(jù)學(xué)生掌握的專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能的不同，具體又劃分兩種方式：

(1) 使用已經(jīng)編寫(xiě)調(diào)試好的程序(已燒錄到MSP430單片機(jī))，進(jìn)行傳感信號(hào)檢測(cè)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(kāi)發(fā)軟件對(duì)MSP430單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用程序的在線編寫(xiě)、調(diào)試與燒錄。編寫(xiě)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(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)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(kāi)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(kāi)發(fā)，構(gòu)建虛擬儀器技術(shù)平臺(tái)。應(yīng)用當(dāng)前流行的圖形化編程軟件LabVIEW 2011開(kāi)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(duì)應(yīng)的程序框圖如圖8所示。應(yīng)用程序?qū)鞲行盘?hào)測(cè)試數(shù)據(jù)的獲取通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(hào)檢測(cè)與智能儀表一體化實(shí)驗(yàn)裝置，優(yōu)化整合了測(cè)控專(zhuān)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(kāi)放型、創(chuàng)新型專(zhuān)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(jià)值，系統(tǒng)功能擴(kuò)展、升級(jí)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。

[1] 李恒燦，李權(quán)才.測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2011(17)：63-65.

[2] 張重雄，張思維.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3] 史健芳.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 李偉,陳國(guó)明,張傳榮,等.基于LabVIEW的ACFM網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)與測(cè)試[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013，30(3)： 65-67，73.

[5] 李巧真，李剛，徐天室.傳感器實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011，28(6)： 57-60.

[6] 張日欣.生物醫(yī)學(xué)傳感器教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008，25(1)： 54-58.

[7] 施教芳, 谷慧娟, 王儉.一種開(kāi)放的Internet遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)裝置及拓展[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011，30(4)：188-191.

[8] 房澤平，張瑩.一種液位測(cè)量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2012，23(5)：76-78.

[9] 王春生，楊志淳，漆璇.一種基于氣體傳感的新型中高壓開(kāi)關(guān)柜過(guò)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[J].高壓電器,2011，47(2)：34-38.

[10] 許磊.基于電阻應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2005，18(3)：14-16.

[11] 周潤(rùn)景，郝曉霞.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[12] 李訓(xùn)文.基于網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)的傳感器實(shí)驗(yàn)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012，29(2)： 81-84.

[13] 呂勇軍.傳感器技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[14] 蔣玉強(qiáng)，王禹橋，孟凡喜.基于虛擬儀器技術(shù)的模塊化測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(2)：70-73.

[15] 潘明，黃繼業(yè)，潘松.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.