傳感信號檢測與智能儀表一體化實驗裝置研制

王曉燕，秦海鵬，丁啟勝

(江蘇師范大學 電氣工程及自動化學院，江蘇 徐州 221116)

測控技術與儀器是一門由多學科相互交叉滲透形成的高新技術密集型綜合學科[1]。微型化、集成化、虛擬化、網絡化是現代測控技術與儀器儀表技術的發展趨勢[2-3]。根據測控技術與儀器專業人才培養要求，緊密結合專業課程實踐教學需要，并與專業技術發展需求和趨勢相接軌，設計了研制傳感信號檢測與智能儀表一體化實驗裝置，用于傳感器技術，虛擬儀器技術、智能儀表設計、電氣測量技術等課程的實驗教學，以及測控技術與儀器專業本科生的實習、實訓、實踐創新等環節。該實驗裝置體現出相關專業知識與技能的系統化、模塊化、一體化發展的特點與趨勢。

1 實驗裝置結構與工作原理

1.1 實驗裝置結構

實驗裝置硬件主要有傳感信號檢測調理模塊、傳感信號數字化處理模塊和PC機數據管理模塊。由下到上，數據處理逐級深化。系統硬件結構框圖見圖1。

圖1 系統硬件結構框圖

傳感信號檢測調理模塊可單獨使用，也可與傳感信號數字化處理模塊級聯使用，構成傳感信號的數字采集轉換系統，還可以進一步與PC機實現串行數據通信，借助LabVIEW等虛擬儀器開發平臺，對采集轉換的傳感信號進行更復雜與深入的分析、處理，并且可以實現數據的遠程傳輸[4-9]。

1.2 傳感信號檢測調理模塊

傳感信號檢測調理層是基礎技術層，主要涉及不同工作原理和不同類型的傳感器信號的檢測、轉換、調理電路。具體包括：霍爾傳感器實驗模塊、電容傳感器實驗模塊、溫度傳感器實驗模塊、電渦流傳感器實驗模塊、應變片實驗模塊、以及3種不同功能特性的信號處理電路模塊[10-14]。

學生可根據具體的數據處理要求選擇不同的信號處理電路，提高信號調理電路選擇配置的靈活性，令系統整體硬件資源配置緊湊。同時有助于提高學生的主觀能動性，促進學生對傳感信號處理性能要求、參數指標的分析、理解與設計的能力。

溫度傳感器實驗模塊包含4種類型的溫度傳感器采集轉換電路。各模塊硬件原理圖均通過PCB板絲印層完全顯現，如圖2所示，方便學生掌握電路工作原理。該模塊能夠完成常規的傳感器信號檢測轉換調理實驗。

圖2 傳感信號檢測調理模板PCB絲印層

1.3 傳感信號數字化處理模塊

傳感信號數字化處理模塊是將傳感信號檢測調理層采集到的模擬信號進行數字化處理與顯示。根據所編寫程序功能和復雜度的不同分別構成數字化儀表、智能儀表。此數字化技術處理層主要包括MSP430F147單片機系統模塊(內含10位/12位A/D轉換器和液晶驅動器)、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公司設計的一種16位精簡指令集、超低功耗單片機，工作電壓范圍：1.8～3.6 V，具備構造片上系統的能力[15]。

圖3 傳感信號數字化處理模塊硬件結構框圖

1.4 PC機數據管理模塊

PC機為系統的上位機硬件平臺，學生可選擇合適的虛擬儀器編程軟件，編寫上位機數據分析管理平臺，構成傳感信號檢測處理系統或檢測分析儀器、儀表，實現良好的人機交互功能和數據分析處理功能，并可以實現數據的網絡化遠程傳輸。編程軟件可根據使用者的具體情況選用：VC++、VB、LabWindows/CVI 、Delphi 、C#、LabVIEW、VEE、 VMIDS 等軟件開發工具。

2 設計理念與技術特點

實驗裝置總的設計理念：遵循系統在技術應用方面逐步提升和逐級深化的層次性；體現系統工作原理完全開放的特征，既可面向本科專業的專業課程實驗教學、實習、實訓等實踐環節，也可作為研究生、教師進行科研、技術創新的基礎技術平臺。具體的技術特點體現在以下幾個方面：

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

(2) 該系統集傳感信號檢測調理電路、傳感信號數字化處理電路、PC機數據分析管理于一體，而且該系統應用功能的擴展與升級空間大，應用對象與技術層次覆蓋面廣；

(3) 傳感信號檢測調理電路與傳感信號數字化處理電路(實物圖見圖4)在設計制作上分開制版，完全獨立，配置靈活，維護方便，升級擴展方便；

(4) 該系統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容緊密結合、相輔相成，增強教學效果；

(5) 該系統體現了模擬、數字、智能逐級提升的傳感信號檢測與轉換電路的技術層次，同時也能夠體現出模擬儀表、數字化儀表、智能儀表、虛擬技術儀表4代儀器儀表技術的發展進程，能夠幫助學生有效地建立起傳感器應用領域和儀器儀表技術發展應用領域清晰、完整、最新的技術知識與技術架構。

圖4 傳感信號檢測調理模板與數字化處理模塊實物圖

3 實驗項目設置與測試

該實驗裝置的實驗項目，可依據不同的服務對象和不同的實驗目標設置不同的實驗類型。

3.1 基礎型實驗項目

主要依托傳感信號檢測調理模塊完成典型的傳感器類型的信號檢測與轉換測試。實驗測試的重點在于讓學生掌握傳感器及其信號檢測轉換電路的工作原理及特性測試。以電阻應變片式傳感器單臂電橋性能測試實驗為例，電路連接如圖5所示，測試數據見表1，測試精度為0.11mV/g，線性度高。

圖5 單臂電橋性能測試實驗電路連接示意圖

表1 單臂電橋性能測試數據

3.2 拓展型實驗項目

實驗目標是將傳感信號檢測調理模塊檢測的實驗數據輸送到傳感信號數字化處理層進行傳感檢測信號的線性化處理、標度變化、存儲和數字化顯示等功能。根據學生掌握的專業知識技能的不同，具體又劃分兩種方式：

(1) 使用已經編寫調試好的程序(已燒錄到MSP430單片機)，進行傳感信號檢測數據的數字化處理；

(2) 同上位機PC機聯機，應用IAR FOR 430開發軟件對MSP430單片機進行應用程序的在線編寫、調試與燒錄。編寫調試界面如圖6所示。

圖6 IAR程序調試界面

3.3 研發創新型實驗項目

此類實驗項目對學生的專業知識與技能要求較高。實驗要求學生結合上位機PC機系統，選用適合的軟件開發工具，進行上位機數據分析管理的應用軟件程序的開發，構建虛擬儀器技術平臺。應用當前流行的圖形化編程軟件LabVIEW 2011開發的研發創新型實驗項目的程序前面板設計如圖7所示，對應的程序框圖如圖8所示。應用程序對傳感信號測試數據的獲取通過調用驅動程序提供的動態鏈接庫DLL實現[14]。

圖7 虛擬儀器技術實驗前面板

圖8 虛擬儀器技術實驗程序框圖

4 結論

傳感信號檢測與智能儀表一體化實驗裝置，優化整合了測控專業實驗室原有的儀器設備資源，促成實驗室向綜合型、開放型、創新型專業實驗室轉型。此實驗裝置有助于培養、鍛煉學生建立起系統化、模塊化的工程實踐思想，具有很強的實驗、實訓應用價值，系統功能擴展、升級與維護方便。目前該套實驗裝置已在本科生實驗教學和實習、實訓、實踐環節中得到充分應用，收效明顯。

[1] 李恒燦，李權才.測控技術與儀器專業建設的探索與實踐[J].中國電力教育，2011(17)：63-65.

[2] 張重雄，張思維.虛擬儀器技術分析與設計[M].2版.北京：電子工業出版社，2012.

[3] 史健芳.智能儀器設計基礎[M].2版.北京：電子工業出版社，2012.

[4] 李偉,陳國明,張傳榮,等.基于LabVIEW的ACFM網絡實驗平臺開發與測試[J].實驗技術與管理,2013，30(3)： 65-67，73.

[5] 李巧真，李剛，徐天室.傳感器實驗裝置計算機控制系統[J].實驗技術與管理,2011，28(6)： 57-60.

[6] 張日欣.生物醫學傳感器教學實驗裝置的研制[J].實驗技術與管理,2008，25(1)： 54-58.

[7] 施教芳, 谷慧娟, 王儉.一種開放的Internet遠程實驗裝置及拓展[J].實驗室研究與探索,2011，30(4)：188-191.

[8] 房澤平，張瑩.一種液位測量無線傳感器網絡節點實驗裝置的設計[J].中原工學院學報,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關柜過溫監測系統的研制[J].高壓電器,2011，47(2)：34-38.

[10] 許磊.基于電阻應變式傳感器實驗內容的設計優化[J].大學物理實驗,2005，18(3)：14-16.

[11] 周潤景，郝曉霞.傳感器與檢測技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[12] 李訓文.基于網絡化虛擬儀器技術的傳感器實驗建設[J].實驗技術與管理,2012，29(2)： 81-84.

[13] 呂勇軍.傳感器技術實用教程[M].北京：機械工業出版社，2012.

[14] 蔣玉強，王禹橋，孟凡喜.基于虛擬儀器技術的模塊化測控技術實驗系統研制[J].實驗技術與管理，2010，27(2)：70-73.

[15] 潘明，黃繼業，潘松.單片機原理與應用技術[M].北京：清華大學出版社，2011.