公務(wù)員期刊網(wǎng) 論文中心 正文

智能儀表課程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺設(shè)計(jì)

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了智能儀表課程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺設(shè)計(jì)范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請閱讀。

智能儀表課程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺設(shè)計(jì)

摘要:社會對大學(xué)生動手能力和創(chuàng)新實(shí)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(jì)是一門綜合性、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程,展示了實(shí)踐平臺樣機(jī)。實(shí)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(jì)及調(diào)試的一般方法,大大提高設(shè)計(jì)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(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)改革的一個重要組成部分[1]。電氣工程實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)過幾年的探索和實(shí)踐,通過校企聯(lián)合,共建實(shí)驗(yàn)平臺,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(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)室,利用其MSP430單片機(jī)、StellarisLM4F120LaunchPad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(jì)搭建了一個綜合的智能儀表課程設(shè)計(jì)實(shí)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(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、自主學(xué)習(xí)的能力和實(shí)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(yùn)用所學(xué)知識的能力、收集提煉信息的能力、實(shí)踐動手的能力、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(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,常用開發(fā)工具Labview的開發(fā)環(huán)境、軟件設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動設(shè)計(jì)方法。

2實(shí)踐平臺設(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)展起來的儀器測量技術(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(jì)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(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(shí)現(xiàn)輸入單價并計(jì)算價格。

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(yùn)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(shí)踐平臺的實(shí)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(shí)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(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(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的核心是計(jì)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(jì)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(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;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(yùn)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(shí)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(shí)驗(yàn)器材采用德州儀器的StellarisLM4F120LaunchPad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(jì)實(shí)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(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,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),程序的編寫與調(diào)試,鍛煉了學(xué)生的文獻(xiàn)閱讀、團(tuán)隊(duì)合作、動手實(shí)踐等能力。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]陸順壽,曹其新.開展創(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)動控制系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)踐平臺的設(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.

[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(shè)計(jì)[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(shí)現(xiàn)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào),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(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)[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(dá)開 單位:上海交通大學(xué)電氣信息與電氣工程學(xué)院