智能儀表課程設(shè)計實踐平臺設(shè)計
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摘要:社會對大學(xué)生動手能力和創(chuàng)新實踐能力的要求日益增加。為此而對電類專業(yè)開設(shè)的智能儀表課程設(shè)計是一門綜合性、設(shè)計性較強(qiáng)的實踐課程。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踐平臺的設(shè)計思路，最后分別舉例闡述了各實踐內(nèi)容的具體要求及搭建過程，展示了實踐平臺樣機(jī)。實踐證明，經(jīng)過該課程較系統(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)計及調(diào)試的一般方法，大大提高設(shè)計能力和動手能力，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)或工作打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞: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)對電類專業(yè)大學(xué)生動手能力和創(chuàng)新實踐能力的要求日益增加，實踐性課程的建設(shè)成為本科生教學(xué)改革的一個重要組成部分［1］。電氣工程實驗中心經(jīng)過幾年的探索和實踐，通過校企聯(lián)合，共建實驗平臺，逐步完善了創(chuàng)新實踐課程體系，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)展知識和技能，理論實踐更好的結(jié)合［2］。智能儀表課程設(shè)計是高校電氣、測控及相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，它集技術(shù)性、工程性和實踐性于一體，是一門涉及傳感器、機(jī)電一體化、電子技術(shù)、自動控制、計算機(jī)、信號分析與處理等多門學(xué)科的現(xiàn)代綜合技術(shù)［3］。通過和美國德州儀器公司共建聯(lián)合實驗室，利用其MSP430單片機(jī)、StellarisLM4F120LaunchPad評估套件等器材，并結(jié)合USB-6009數(shù)據(jù)采集卡以及Labview設(shè)計搭建了一個綜合的智能儀表課程設(shè)計實踐平臺。本文通過介紹該課程平臺的構(gòu)建，對其組織形式和教學(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)計及調(diào)試的基本方法，加強(qiáng)學(xué)生自學(xué)能力、實踐動手能力、團(tuán)隊合作能力的培養(yǎng)。
1．2教學(xué)方法
以課堂教學(xué)、實驗教學(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、提高對智能儀器設(shè)計的興趣、初步了解智能儀器的研究、設(shè)計方法。著重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識、自主學(xué)習(xí)的能力和實踐動手的能力。小組大作業(yè)能培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力:熟練運用所學(xué)知識的能力、收集提煉信息的能力、實踐動手的能力、團(tuán)隊合作能力。
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)會設(shè)計智能儀器軟硬件設(shè)計及調(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)接口及開關(guān)量輸出通道。③掌握智能儀器設(shè)計思想，設(shè)計步驟，具體的硬件設(shè)計，軟件設(shè)計及調(diào)試方法。④了解虛擬儀器的基本組成，常用開發(fā)工具Labview的開發(fā)環(huán)境、軟件設(shè)計方法及數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動設(shè)計方法。
2實踐平臺設(shè)計
2．1虛擬儀器
虛擬儀器是基于計算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來的儀器測量技術(shù)，是計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物，具有開發(fā)時間短、技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)，以及出色的集成等優(yōu)勢，是未來儀器發(fā)展的一個重要方向［4］。通過與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發(fā)生器的設(shè)計搭建。
2．216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，畫出其原理圖和PCB圖，并闡述其工作原理。
2．3簡易電子稱
簡易電子稱將重量傳感器產(chǎn)生的微弱差分信號進(jìn)行放大、濾波和采樣，經(jīng)過MCU處理，通過人機(jī)界面顯示稱重信息，實現(xiàn)輸入單價并計算價格。
2．4智能電壓表
智能電壓表及其拓展部分設(shè)計主要是以放大電路為主，對信號進(jìn)行調(diào)理并利用單片機(jī)進(jìn)行采樣，經(jīng)過高速運算后將信息整合，并對放大電路的放大倍數(shù)進(jìn)行控制，同時，采樣值在經(jīng)過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實踐平臺的實現(xiàn)
3．1虛擬儀器
本平臺采用NI公司的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡，利用Labview實現(xiàn)虛擬示波器和虛擬信號發(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發(fā)生器發(fā)出的方波、三角波、正弦波的頻率范圍為1～1kHz，幅度為0～10V，要求能夠精確測量兩個輸入波形的頻率和幅值，虛擬示波器能夠通過旋鈕調(diào)節(jié)橫坐標(biāo)(時間)和縱坐標(biāo)(幅值)的顯示范圍。
3．1．2虛擬信號發(fā)生器［7-8］
要求虛擬示波器能夠產(chǎn)生頻率在1～100Hz，幅度為0～5V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，同時輸出產(chǎn)生兩張不同的波形;能夠調(diào)節(jié)輸出信號的頻率、幅值和相位;對于方波信號可以改變輸出信號的占空比，輸出信號可以用示波器觀測，并且可以顯示在前面板上。
3．216路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機(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)計主要考慮被測信號的變化速率和通道數(shù)，對測量精度、分辨率、速度的要求，性價比等。主要由下面幾部分組成:(1)計算機(jī)。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的核心是計算機(jī)，它對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。(2)A/D轉(zhuǎn)換器。計算機(jī)所處理的是數(shù)字信號，因此模擬信號必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換—量化過程。(3)采樣/保持器。采樣/保持器將連續(xù)信號離散化，從連續(xù)信號中抽取采樣時刻的信號值—采樣過程。(4)放大器。將采集到的信號適當(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)多路開關(guān)。通過多路開關(guān)，依次接通各個傳感器并采樣信號。
3．3簡易電子稱
簡易電子稱主要的組成部分如圖4所示。實驗器材采用德州儀器的MSP430F552x，INA333儀表放大器，OPA2340運算放大器，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;前級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)過運算放大器放大電路進(jìn)行進(jìn)一步放大;已經(jīng)放大過的電壓信號經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行濾波處理;再由MCU芯片進(jìn)行采樣、處理和顯示［13］。
3．4智能電壓表
智能電壓表及其拓展要求通過程控放大電路、整流濾波電路以及單片機(jī)人機(jī)界面三大模塊，實現(xiàn)直流電壓、電流，交流電壓、電流，電阻以及信號頻率的測量等功能。實驗器材采用德州儀器的StellarisLM4F120LaunchPad評估套件［14］，一款采用32bitARM處理器+FPGA雙核控制架構(gòu)開發(fā)的高性能、低功耗、易使用的64KB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
智能儀表課程設(shè)計實踐平臺緊跟現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展趨勢，考慮學(xué)生知識層次與理解能力，結(jié)合實驗室實際情況，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的實驗平臺，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)計與PCB圖的繪制，電子稱模擬電路與數(shù)字電路設(shè)計，程控放大電路、整流濾波電路的設(shè)計，程序的編寫與調(diào)試，鍛煉了學(xué)生的文獻(xiàn)閱讀、團(tuán)隊合作、動手實踐等能力。
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作者：許少倫 徐青菁 孫佳 姜建民 賴曉陽 王達(dá)開 單位：上海交通大學(xué)電氣信息與電氣工程學(xué)院