智能儀表課程設計實踐平臺設計
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摘要:社會對大學生動手能力和創(chuàng)新實踐能力的要求日益增加。為此而對電類專業(yè)開設的智能儀表課程設計是一門綜合性、設計性較強的實踐課程。本文首先介紹了該課程的教學目標、教學方法、課程內(nèi)容等信息，然后講述了該課程實踐平臺的設計思路，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。實踐證明，經(jīng)過該課程較系統(tǒng)的鍛煉，可以使學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計及調(diào)試的一般方法，大大提高設計能力和動手能力，為今后進一步學習或工作打下基礎。
關鍵詞: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，實踐性課程的建設成為本科生教學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習到最新的行業(yè)發(fā)展知識和技能，理論實踐更好的結合［2］。智能儀表課程設計是高校電氣、測控及相關專業(yè)的一門重要課程，它集技術性、工程性和實踐性于一體，是一門涉及傳感器、機電一體化、電子技術、自動控制、計算機、信號分析與處理等多門學科的現(xiàn)代綜合技術［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、StellarisLM4F120LaunchPad評估套件等器材，并結合USB-6009數(shù)據(jù)采集卡以及Labview設計搭建了一個綜合的智能儀表課程設計實踐平臺。本文通過介紹該課程平臺的構建，對其組織形式和教學成果進行總結。
1智能儀表課程體系
1．1課程性質(zhì)和教學目標
此課程是電氣工程及自動化專業(yè)的重要課程，目的是使學生了解和掌握智能儀表的原理和設計方法，初步學習虛擬儀器的使用，智能儀表的軟硬件設計及調(diào)試的基本方法，加強學生自學能力、實踐動手能力、團隊合作能力的培養(yǎng)。
1．2教學方法
以課堂教學、實驗教學為主，結合自學、小組大作業(yè)。課堂教學主要講解基本原理，使同學們更好地理解智能儀器原理、提高對智能儀器設計的興趣、初步了解智能儀器的研究、設計方法。著重培養(yǎng)學生自主學習的意識、自主學習的能力和實踐動手的能力。小組大作業(yè)能培養(yǎng)學生的綜合能力:熟練運用所學知識的能力、收集提煉信息的能力、實踐動手的能力、團隊合作能力。
1．3課程內(nèi)容
講解智能儀器的基本結構及其接口技術的原理和設計方法，使學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，初步學會設計智能儀器軟硬件設計及調(diào)試的方法:①了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構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;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)接口及開關量輸出通道。③掌握智能儀器設計思想，設計步驟，具體的硬件設計，軟件設計及調(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、軟件設計方法及數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動設計方法。
2實踐平臺設計
2．1虛擬儀器
虛擬儀器是基于計算機技術而發(fā)展起來的儀器測量技術，是計算機技術和儀器技術密切結合的產(chǎn)物，具有開發(fā)時間短、技術性能高、擴展性強，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，有利于學生把握儀器儀表技術的發(fā)展潮流，為將來走向科研、技術崗位拓寬眼界，奠定基礎。本課程需要學生完成虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器的設計搭建。
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。隨著計算機技術及大規(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行放大、濾波和采樣，經(jīng)過MCU處理，通過人機界面顯示稱重信息，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計主要是以放大電路為主，對信號進行調(diào)理并利用單片機進行采樣，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(時間)和縱坐標(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、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。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的核心是計算機，它對整個系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)處理。(2)A/D轉(zhuǎn)換器。計算機所處理的是數(shù)字信號，因此模擬信號必須進行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。通過多路開關，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行進一步放大;已經(jīng)放大過的電壓信號經(jīng)過低通濾波器進行濾波處理;再由MCU芯片進行采樣、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人機界面三大模塊，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結語
智能儀表課程設計實踐平臺緊跟現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展趨勢，考慮學生知識層次與理解能力，結合實驗室實際情況，構建了虛擬儀器、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)電路原理圖的設計與PCB圖的繪制，電子稱模擬電路與數(shù)字電路設計，程控放大電路、整流濾波電路的設計，程序的編寫與調(diào)試，鍛煉了學生的文獻閱讀、團隊合作、動手實踐等能力。
參考文獻(References):
［1］陸順壽，曹其新．開展創(chuàng)新實踐教學提高當代大學生綜合素質(zhì)［J］．實驗室研究與探索，2009，28(9):11-13．
［2］孫佳，許少倫，姜建民．運動控制系統(tǒng)創(chuàng)新實踐平臺的設計與實現(xiàn)［J］．實驗室研究與探索，2013，32(2):77-80．
［3］馮振偉，裴旭明．智能儀器儀表設計實踐教學的綜合改革與探索［J］．中國現(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計與實現(xiàn)［J］．微計算機信息，2008，24(10):252-254．
［5］吳建，裴峰，王珺楠，等．基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］．電子測試，2013，01-02:52-54．
［6］劉繼超，劉云．基于NI采集卡的虛擬示波器的開發(fā)實現(xiàn)［J］．青島科技大學學報，2008(4):357-360．
［7］馬雙寶，王攀，曾勇．基于LabVIEW7．0虛擬信號發(fā)生器的實現(xiàn)［J］．微計算機信息雜志，2005(1):89-90．
［8］袁新娣．基于NIUSB-6211的虛擬信號發(fā)生器設計［J］．科技廣場，2013(11):45-80．
［9］德州儀器公司，MSP430F552xfamilyUser’sGuide［EB/OL］．www．ti．com．cn/cn/lit/ug/slau208n/slau208n．pdf
［10］德州儀器公司，MSP430F552xdatasheet［EB/OL］．www．ti．com．cn/cn/lit/ds/symlink/msp430f5529．pdf
［11］德州儀器公司，INA333datasheet［EB/OL］．www．ti．com．cn/cn/lit/ds/symlink/ina333．pdf
［12］德州儀器公司，OPA2340datasheet［EB/OL］．www．ti．com．cn/cn/lit/ds/symlink/opa2340．pdf
［13］德州儀器公司，TCA6408datasheet［EB/OL］．www．ti．com．cn/cn/lit/ds/symlink/tca6408．pdf
［14］德州儀器公司，LM4F120launchpad［EB/OL］．www．ti．com．cn/cn/lit/ug/spmu289c/spmu289c．pdf
［15］德州儀器公司，PGA202［EB/OL］．www．ti．com．cn/cn/lit/ds/symlink/pga202．pdf
作者：許少倫 徐青菁 孫佳 姜建民 賴曉陽 王達開 單位：上海交通大學電氣信息與電氣工程學院