檢測技術課程設計型實驗系統研制

劉 瑩, 祝學云, 范 文

(東南大學 儀器科學與工程學院, 江蘇 南京 210096)

檢測技術課程設計型實驗系統研制

劉 瑩, 祝學云, 范 文

(東南大學 儀器科學與工程學院, 江蘇 南京 210096)

為適應工程教育和課程教學改革的需要,構建了檢測技術課程設計型實驗系統,設置了位移檢測6個實驗項目。硬件:依托傳感器實驗平臺,傳感器信號經信號調理模塊調理后,送入基于Cortex-M3的微處理器模塊進行信號處理和顯示；軟件:采用MDK作為實驗平臺,給出了基本的程序模塊。實驗系統軟硬件設計均采用模塊化思想,讓學生自主設計完整的檢測系統,有助于培養學生工程實踐能力和設計創新能力。

檢測技術； 設計型實驗； 模塊化設計； 實驗教學改革

檢測技術與計算機技術、自動控制技術、通信技術是信息技術的重要組成部分；而檢測技術作為信息獲取與轉換的主要手段,更是廣泛應用于工業、農業、航空航天、國防和科研等各個領域,已成為工科院校機電類、電子信息類專業的必修專業課程[1]。

自20世紀80年代起,檢測技術課程已作為東南大學測控技術及儀器專業和自動化專業的專業課。其中,檢測技術課程面向工程應用,講授常用工程量的檢測原理、方法與技術,智能化檢測系統的信號處理技術以及系統設計方法,內容由點到面、由分立技術到完整系統,是最能體現專業特色、具有高度綜合性和實踐性的專業方向課[2-3]。該課程的特點決定了課程教學必須堅持理論與實踐相結合,要在理論教學的基礎上讓學生動手進行設計型實驗,鍛煉和提高學生的工程實踐能力和設計創新能力[4-8]。為此,東南大學測控技術與儀器、自動化等專業根據專業課程的特點,對現有的檢測技術實驗進行了教學改革[9-10]。

1 實驗系統硬件設計

東南大學的檢測技術實驗一直沿用2000年由儀器科學與工程學院研制的XYZ22型儀器作為實驗平臺[11]。該平臺傳感器輸出的信號只能經過信號調理電路后直接用電壓表或示波器測量,缺少使用微處理器對其進行信號處理的環節,不能構成完整的智能化檢測系統,并且實驗設備較為老舊,損壞現象較為嚴重。因此,筆者依托傳感器平臺,設計了用戶接口板,將傳感器信號送入微處理器模塊進行信號處理,開發了設計型、創新型智能化檢測(系統)技術實驗。檢測技術實驗系統的硬件結構如圖1所示。

圖1 檢測技術實驗系統硬件結構框圖

傳感器平臺為CSY-3000型傳感器實驗臺,包含直流電源、溫度源、轉動源、振動源和26個傳感器,能夠提供位移、壓力、溫度、轉速、振動等測量信號。通常測量一種物理量可以通過多種傳感器實現,比如測量位移時,可以選擇電容式位移傳感器、霍爾式位移傳感器或者電渦流傳感器,學生在理論學習的基礎上,可通過分析對比,自主選擇實驗用傳感器。

由于傳感器輸出的是相當小的電壓、電流信號或電阻變化,需要將傳感器輸出信號進行調理后送入微處理器模塊處理。筆者結合實際需求設計了基本放大電路、儀器放大器、衰減電路、濾波電路等4個獨立的信號調理模塊。學生可自主分析傳感器輸出信號的特性,獨立選擇所需模塊,搭建設計型實驗的硬件系統。

微處理器模塊使用的微處理器為STM32F103RCT6。STM32系列微處理器基于ARM Cortex-M3內核,專用于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用系統[12]。與教學中常用的MCS-51系列單片機相比,STM32系列微處理器的片上資源十分豐富。STM32F103RCT6微處理器擁有51個輸入/輸出引腳,內置DMA、PWM(電機控制)以及POR/PDR(上電/斷電復位)、PVD(可編程電壓監測器)、WDT(watchdog,看門狗定時器)、ADC(2個12位)、溫度傳感器等外圍設備,具有CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB等9個通信接口；內置Flash 256KB(×8)、SRAM 48KB(×8)。其中12位的ADC完全可以滿足課程實驗的精度要求,因而不需要外部擴展ADC芯片。TFT彩色液晶屏采用S6D0144液晶模塊,面板尺寸為1.77英寸,分辨率為128×160；矩陣鍵盤采用6×4的小鍵盤；JTAG接口用于接駁JTAG仿真器；USB接口用于供電。

2 實驗系統軟件設計

軟件實驗平臺采用Keil公司開發的ARM開發工具MDK(microcontroller development kit)。MDK包含了工業標準的Keil C編譯器、宏匯編器、調試器、實時內核等組件,支持所有基于ARM的設備,集編輯、編譯、仿真等于一體。而且MDK界面友好,和常用的微軟VC++的界面相似,而VC++對于學生來說易學易用。由于該軟件功能強大,對嵌入式處理器覆蓋全面,因此對學生的課外研學和創新實踐很有幫助。

為了使學生能夠盡快熟悉MDK,首先布置學生完成一些基本的程序設計實驗,包括鍵盤掃描和數碼管顯示、TFT彩屏顯示、數字濾波、非線性校正、標度變化和模數轉換等。每個實驗都給出相應的程序例程、程序注釋及程序流程圖。另外,由于彩屏顯示需要字模,還介紹了生成字模的流程、取模方式和字模的具體應用。總體上,軟件設計采用模塊化設計,由淺入深、循序漸進,幫助學生快速入門STM32,訓練和提高學生在軟件設計、調試方面的能力。

3 實驗內容設計

3.1 實驗項目設置

設計了位移檢測、質量檢測、壓力檢測、溫度檢測、轉速檢測和振動檢測等6個實驗項目(見圖2),對學生僅提供以上所介紹的各個硬件模塊和軟件例程。每2個學生為一組,選擇實驗項目,根據實驗項目內容自主完成檢測系統的硬件設計和軟件設計。

圖2 檢測技術實驗內容

學生在實驗過程中首先要掌握傳感器的基本原理和傳感器輸出信號的特性,然后在此基礎上選擇適當的信號調理電路,設計電路參數,使得模擬量輸出為0～3.3 V,以便微處理器模塊進行A/D轉換,最后根據實驗內容及要求進行軟件設計。

3.2 典型實驗介紹

實驗的操作過程設置盡量接近實際應用系統的設計與調試過程,學生做完實驗后,能夠獨立進行實際應用系統的軟、硬件設計和調試。以質量檢測實驗為例,其實驗具體步驟如下。

(1) 傳感器選擇。傳感器實驗平臺提供了金屬箔式應變片傳感器和硅壓阻式壓力傳感器兩種傳感器模塊。兩種傳感器都能夠將壓力變化轉換為電阻變化,但由于金屬箔式應變片傳感器靜態測量精度和使用可靠性較高,非常適合應用于測力系統,是工程領域應用最為廣泛的測力傳感器。因此本實驗建議選擇金屬箔式應變片傳感器。

(2) 信號調理電路選擇。測量質量可以通過金屬箔式應變片構成單臂電橋、半臂電橋或全臂電橋電路實現。其中全臂電橋電路四臂差動工作,靈敏度分別是半臂電橋的2倍和單臂電橋的4倍,而且消除了非線性誤差,還能有效地補償溫度誤差。對于橋路電壓的放大,一般采用儀器放大器實現。本實驗建議選擇應變片全橋和儀器放大器作為信號調理電路。

(3) 硬件模塊的連接與調試。將電橋、儀器放大器分別調零,然后將電橋的輸出信號作為儀器放大器的輸入信號,再根據滿量程調節儀器放大器的增益。調節儀器放大器的增益電位器,滿量程時輸出電壓不超過A/D轉換器的最大輸入3.3 V,同時為了減小后端ADC的量化誤差,最好接近3.3 V。最后連接各硬件模塊,將放大后的信號送入微處理器的ADC轉換通道。

(4) 軟件設計。編制程序,將輸入的電壓信號轉換成數字量,并用TFT彩色液晶屏顯示。主程序流程圖見圖3。質量的計算是通過對該質量檢測系統進行非線性校正與標度變換而獲得的。在應變傳感器的托盤上分別放置1～10個20 g的砝碼,讀取A/D轉換值,利用Matlab對這10組數據進行最小二乘法線性擬合,得到質量的計算公式。由于是靜態測量質量,數字濾波采用去極值平均濾波,連續采樣n次后(建議4次或6次),去除其中的最大值和最小值,剩余的采樣值求平均。

圖3 質量檢測主程序流程圖

(5) 分析實驗結果。計算質量檢測系統的非線性誤差,分析誤差產生的原因。

4 結束語

本文結合工程教育和課程改革,將檢測技術以及微處理器應用、傳感器應用、軟件設計等方面的知識融合起來,構建了設計型檢測技術實驗系統。設計型檢測技術實驗系統軟硬件設計均采用模塊化思想,培養了學生模塊化設計的工程思想與實踐能力。在實驗中,小組內學生分工協作,鍛煉了學生的組織管理和團隊合作能力。實驗設置具有實用性和趣味性,學生能夠在創新實踐中充分發揮主觀能動性,實驗教學資源也得到了充分的利用[13]。

References)

[1] 周杏鵬.“檢測技術”課程教材建設與教改實踐[J].電氣電子教學學報,2005,27(3):68-70.

[2] 況迎輝,祝學云,宋愛國,等.檢測技術及系統設計課程的實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2005,24(10):77-78,85.

[3] 王東霞,溫秀蘭.傳感器與檢測技術課程教學改革探索[J].中國現代教育裝備,2008(7):92-93.

[4] 趙娟,郝國成,余志華.大學生創新實踐平臺研究與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(3):20-22.

[5] 呂淑平,王科俊,于鑫.“四自主”實驗教學模式的開展與研究[J].實驗技術與管理,2014,31(6):12-14.

[6] 徐科軍,黃云志,王海欣,等.“傳感器與檢測技術”課程改革與探索[J].中國電力教育,2012(2):52-53.

[7] 宋愛國,崔建偉,吳涓.提高測控技術與儀器專業學生創新能力的探索[J].電氣電子教學學報,2008,30(5):1-2,4.

[8] 黃劍平,龔銀香,童金強.設計性實驗教學的實踐與探索[J].實驗技術與管理,2009,26(5):135-136,143.

[9] 顧學雍.聯結理論與實踐的CDIO:清華大學創新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究,2009(1):11-23.

[10] 董慶賀,殷賢華,李偉,等.“面向卓越工程師”的課程教學研究與探索[J].實驗技術與管理,2014,31(7):169-171.

[11] 祝學云.測控技術綜合實驗的設計[J].實驗技術與管理,2003,20(5):46-48.

[12] 彭剛.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐[M].北京:電子工業出版社,2011.

[13] 李以明,曲守東,王濤,等.地方高校實驗資源優化配置的實踐與探索[J].實驗技術與管理,2013,30(12):228-230.

Development of designing experimental system for Detecting Technology course

Liu Ying, Zhu Xueyun, Fan Wen

(Department of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

In order to adapt to the needs of engineering education and teaching reform,a designing experimental system for Detecting Technology course is developed and six experimental projects are set up. For hardware,relying on the sensor experimental platform,the signal is processed and displayed using microprocessor module which is based on Cortex-M3,after signal conditioning. For software,MDK is used as experimental platform,and some common programs are presented. The design of software and hardware is modularized,and the students design a whole detection system independently which is helpful for cultivating engineering practice and innovation ability.

detecting technology; designing experiment; block-based design; experimental teaching reform

2014- 11- 26

東南大學教學改革研究項目(2013-115)

劉瑩(1987—),女,江蘇徐州,碩士,助理工程師,主要研究方向為測控系統與智能儀器.

E-mail：liuyingseu@seu.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2015)6- 0137- 02