測控專業綜合性實驗平臺設計與實踐

裴九芳, 許德章, 王 海

(安徽工程大學 機械與汽車工程學院, 安徽 蕪湖 241000)

測控專業綜合性實驗平臺設計與實踐

裴九芳, 許德章, 王 海

(安徽工程大學 機械與汽車工程學院, 安徽 蕪湖 241000)

針對目前測控技術與儀器專業培養過程中實驗環節缺少系統性、模塊化和開放性等問題,提出以專業培養標準為設計依據,以信號獲取、信號采集和處理、接口及驅動控制為3條主線,構建了綜合性實驗平臺的思路和方法,并給出具體的實現框架,最后通過列舉詳細實驗范例的設計過程和特點,突出綜合性實驗平臺的可行性和實用性。

綜合性實驗平臺; 培養標準; 測控技術與儀器

測控技術及儀器專業是典型的機、光、電、計算機緊密結合的專業,對學生的實踐動手能力和綜合設計能力要求非常高[1-3]。當前,與某一門課程相結合的驗證性實驗,由于缺乏綜合性、內容陳舊重復,學生從實驗中的收獲非常有限,不能滿足實踐環節培養目標的要求。綜合性實驗是對學生進行實驗技能和方法的綜合訓練,其實驗內容涉及本課程的多個知識點及多門課程的多個知識點,是從根本上提高學生的工程實踐能力和綜合分析能力的有效方式[4-5]。

從知識的綜合性考慮,完整的測試系統對學生的工程訓練更多。然而,一套完成的測試系統若是完全讓學生自己搭建完成,2周的時間是遠遠不夠的(培養計劃中,綜合性實驗是2周時間)。

隨著控制技術的發展,尤其是測試技術中很多硬件功能和軟件功能的模塊化,使得短期內搭建一整套測試系統變成可能[6]。例如信號采集、信號調理環節等有許多可供直接選用的線性模塊,A/D采集卡或采集模塊廠家都自備了例程可供參考,單片機等開發板都設置了各種接口,輸出驅動環節繼電器、光耦、電機驅動等都有模塊可供選擇,軟件平臺也日趨簡單化,只要調用一些函數,功能即可實現,這些都大大簡化了測試系統的設計。學生只要方案正確、技術可行,搭建系統就非常簡單明了,需要耗時的工作就是硬件調試、編程實現功能,然后進行標定和測試即可,這就為學生2周完成一個完整的綜合性實驗提供保證。

為了更有效地開展綜合性實驗,本文結合安徽工程大學測控技術與儀器專業的培養標準,對綜合性實驗內容和教學方法進行精心設計和完善。我校測控技術與儀器專業的培養標準是以信號獲取、信號采集與處理以及信號的顯示與控制為主線,要求學生掌握測控系統信號獲取的常用理論與方法,能夠進行常用傳感器的選擇、設計與維護；掌握測控系統信號采集與處理的理論與方法,能夠正確選用采集裝置進行不同信號的采集,能夠對測控信號進行準確的分析、處理與顯示；掌握測控系統的控制技術,控制系統的硬件和軟件設計、控制系統組成的零部件的選擇、調試和維護,能夠掌握總線技術,能夠利用總線搭建控制系統；掌握電機、電器、拖動控制等原理,具備初步分析、處理與設計控制系統的能力。

本文遵循信號獲取、信號采集和處理、接口及驅動控制3條主線,以模塊化的硬件選擇為基礎,從選題、平臺設計框架及具體的實驗范例,詳細敘述了構建綜合性實驗平臺的方法和步驟。

1 綜合性實驗選題和設計框架

選題的合適與否直接關系到預期的實驗目的,關系實驗教學的質量,所以選好課題是整個實驗的關鍵。課題選擇過小或過于簡單,難以培養學生的綜合能力,而課題選擇過大或過難,超出學生的能力范圍,也會使學生喪失信心,容易放棄。選題原則是依據教學大綱的要求,兼顧學科的發展趨勢,以學生已經掌握的基本知識為基礎,可有適當的內容高于學生所學知識,要有利于系統化和實用化所學知識,有利于啟發學生思考和探索學科理論知識為宜[6-8]。

我校測控專業主要課程包括傳感器技術、單片機技術、測試信號與處理、誤差及數據處理、測控電路、虛擬儀器技術、測控總線技術、機電設備PLC控制等。為了使實驗包含大部分課程內容,首選一個完整的測控系統。根據具體的課題要求,針對不同的信號進行采集和處理。該實驗平臺的設計框架見圖1。

圖1 綜合性實驗平臺設計框架

教師布置的課題設計任務依據以下原則進行:指明控制系統設計要求和設計指標即系統的精度問題；課題選擇具有一定的理論性，能反映課程學習的相關理論內容,尤其是需要進行一定的理論分析為宜；要有趣味性，讓學生感興趣,從中獲得成就感,這樣教師指導也省力。 綜合性實驗的時間安排為2周。

2 實驗范例

實驗名稱：某油箱電阻測量與報警顯示系統設計。下面給出具體的實驗范例來解析綜合性實驗開展的思路、方法和特點。

2.1 實驗目的

(1) 掌握一般測試系統建立的步驟和方法；

(2) 正確選擇和安裝傳感器,掌握傳感器的工作原理和使用；

(3) 掌握電阻信號采集與處理的理論與方法,能夠正確選用和設計信號轉換模塊；

(4) 掌握電平轉換原理,能設計電平轉換模塊；

(5) 掌握光耦和繼電器驅動原理,能正確設計和使用繼電器模塊對報警模塊進行驅動和控制；

(6) 正確編制系統軟件,實現信號采集和處理、顯示的功能;

(7) 能利用最小二乘法對所測數據進行誤差處理和標定,實現所需精度要求。

2.2 實驗內容

油箱電阻是評價汽車油箱是否合格的重要依據。當空油位時其正常電阻為180 Ω±4 Ω；當滿油位時正常電阻為20 Ω±4 Ω,上油過程中,電阻由高阻值向低阻值變化,如果電阻不處于正常范圍,則表明汽車油箱不合格。

系統要求能實時顯示電阻值的大小,精度要求為±0.1 Ω,并能對數據進行實時保存；能進行空油位和滿油位的阻值檢測和報警,如果超出正常范圍,則聲光報警提示；能利用已有的工控信號,如啟動信號、夾緊信號、到位信號等工控信號對空油位和滿油位進行檢測和判斷。

2.3 實驗設備

電阻箱、電阻-電壓轉換模塊、開關量、USB采集卡、繼電器模塊、電平轉換模塊、報警燈,虛擬儀器平臺等,根據課題需要由學生自行選擇。

2.4 方案分析

根據實驗要求,此設計要求將電阻信號轉換為電壓信號,然后利用主控系統采集電壓信號,并顯示和報警。系統設計框圖見圖2。

圖2 系統設計框圖

2.4.1 確定A/D轉換的位數

影響系統的精度主要是A/D轉換的精度,此系統的測量范圍為16～184 Ω,為考慮后續不同油箱空油位阻值的大小可能稍大于這個范圍,選定測量范圍為0～250Ω,而要求測量精度為±0.2Ω,則有:

市場上的A/D轉換主要是8位、12位和16位,因此選定A/D轉換N=12。

2.4.2 電阻-電壓轉換

為保證電阻-電壓轉換的線性,可設計一恒流源。恒流源設計方案很多,可采用三極管、運放以及電源模塊進行,而市場上電位計變送器已經模塊化,精度和穩定性更好,所以直接選用電位計變送器一入一出,輸入范圍為0～250 Ω,輸出電壓為0～10 V。

2.4.3 信號采集卡

由于系統要求進行顯示和數據存儲,所以選擇以PC機為主控制器的控制系統更加方便。考慮調試方便,需要USB總線的采集卡。專業差動形式、可調量程的采集卡價格都較高,本系統測量范圍不大,精度一般,需要2個輸入、1個輸出I/O,A/D精度不少于12,考慮系統的性價比,所以選用武漢亞為電子科技有限公司的USB采集卡USB ADIO4,此采集卡具有2路AI,2路DI,2路DO(可驅動3.3 V繼電器),5 V電源輸出2路。此卡價格便宜,作為教學實驗非常適合,模擬信號采用單端形式,會引入一定的噪聲。

2.4.4 數字輸入、輸出信號

為了判斷油位的高低,采集夾緊信號和到位信號2個信號即可。夾緊信號、到位信號是24 V工控信號,采集卡的輸入為3.3 V電壓信號,所以需要3.3 V電源和電平轉換。

為了進行聲光報警,根據系統要求,當電阻異常時,需要報警提示,所以利用1路DO信號,報警燈供電電壓是24 V,故需要繼電器驅動控制。

為了將工控信號和此系統隔離,廣泛采用光耦+繼電器模塊的方式,根據電平轉換要求,本系統共需要2個24 V繼電器模塊和1個3.3 V繼電器模塊。

所設計的硬件電路見圖3。

圖3 硬件電路

2.4.5 信號顯示及數據保存

控制系統的軟件平臺可選擇VB、VC++、LabVIEW等,考慮綜合性實驗的時間緊,實驗室配有LabVIEW軟件,為了編程方便,選用LabVIEW語言進行設計實現,界面直觀、友好,對編程也要求不高,是進行綜合性實驗非常好的平臺[9-12]。

2.5 數據處理

根據系統要求設計好程序,需要對采集的數據進行標定。標定裝置采用0～10 000 Ω的電阻箱,精度為0.1%,滿足標定要求。依次采集電阻箱數據,得出采集裝置的線性度曲線，如圖4所示,絕對誤差分布曲線如圖5所示。

圖4 系統的線性度曲線

圖5 系統絕對誤差分布曲線

由圖5可看出,隨著電阻的增大,絕對誤差增大,誤差最大接近10 Ω,與系統精度要求相距甚遠；而且從分布曲線上看,具有非線性的特點,所以需要對曲線進行擬合。根據誤差曲線分布,擬合方法兼顧精度和實時運算速度,采用二次多項式擬合,即求得y=a0+a1x+a2x2中的3個常數a0、a1、a2。

由于數據量大,采用軟件程序進行擬合,利用最小二乘法算法,擬合結果如圖6所示。其中得出的多項式系數分別為:a0=0.612 68,a1=1.006 6,a2=0.000 145,即標定方程為

y=0.612 68+1.006 6x+0.000 145x2

系統的殘差為0.005 143 1。擬合后系統的絕對誤差分布如圖7所示。

圖6 最小二乘法擬合結果

圖7 擬合后的絕對誤差曲線

從圖7可以看出,當電阻為0～2 Ω時誤差較大,最大為0.95 Ω,其他的誤差均不大于±0.1Ω。由于0～1 Ω電阻值不在測量范圍內,對測量無影響,所以系統整體滿足系統要求。

2.6 實驗測試

開發的系統硬件連接和軟件界面如圖8所示,系統測試滿足系統要求,至此完成實驗內容。

圖8 系統的軟件界面和硬件連接

3 綜合性實驗效果及體會

(1) 學生的興趣大,積極性很高,有利于將知識轉化為能力。由于此實驗的選題大都與社會的發展緊密結合,如智能家居、智能監護、物聯網技術等內容,并且整個測試系統從設計方案、測試、實驗及標定等都由小組(2～4人)成員共同完成,由組長統一分配任務和協調管理,大大激發了學生的積極性和熱情。實驗過程中應用到相關理論知識,是對所學知識的鞏固和理解,促進了知識向能力的轉化。很多學生感慨:這2周重新認識了專業！

(2) 實驗培養了學生的創新能力和綜合實踐能力。由學生協作設計方案、編寫應用程序,完成各項設計任務,整個測試系統的主動權都交給學生,他們需要積極思考和分析才能夠完成任務,并且整個實驗搭建都需要學生親自動手完成,使得既動手又動腦,培養了他們的創新能力和綜合實踐能力。

(3) 實驗管理過程嚴格,指導要及時。為促進學生更好地完成實驗,需要一些管理制度作為保障。如實驗的考核,整個專業教師共同參加,以實驗任務完成情況為依據,實驗室進行現場操作考核完成,這就避免了少數學生想偷懶的想法。

實驗過程中,學生或多或少都有各種各樣的問題,尤其是剛開始的3天時間,問題非常多。指導教師需要及時地給予指導,有利于實驗能夠如期地完成。

4 結語

以專業培養標準為依據,是以明確目的為導向的培養方式。本文以信號獲取、信號采集和處理、接口及驅動控制為3條主線,以全面提高學生的工程實踐能力為目標,強化選題、積極指導、嚴格考核的機制保證了綜合性實驗有效地開展,突出了我院測試技術與儀器專業的專業特色。經過幾年的摸索和實踐,學生的創新意識和工程實踐能力顯著提高,大大提高了知識向能力轉化的效率。

References)

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[12] 徐冰, 陳俊君. 基于虛擬儀器的轉子試驗臺測控實驗系統設計[J].機電工程技術, 2015(11):73-76.

Design and practice of comprehensive experimental platform for measurement and control majors

Pei Jiufang， Xu Dezhang， Wang Hai

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Engineering University, Wuhu 241000, China)

Regarding the current problems in the experimental teaching such as the lack of systematicness, modularity and openness during the training process for Measurement and Control Technology and Instrumentation major, three main lines of signal acquisition, acquisition of signal and processing, interface and driver control are proposed as the professional training standards, and the ideas and methods to construct a comprehensive experimental platform are discussed. The specific implementation framework is worked out, and finally based on a detailed example of the experimental design process and its characteristics, the feasibility and practicability of this comprehensive experimental platform are highlighted.

comprehensive experimental platform; training standard; measurement and control technology and instrumentation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.020

2016-07-29

安徽省高等教育振興計劃重大教學改革研究項目(2015zdjy089);2011年安徽省級特色專業，校教研項目(2014jyxm69);校優秀青年人才基金重點項目(2013RZR001ZD)

裴九芳(1980—)，女，安徽寧國，碩士，副教授，研究方向為測試技術.

E-mail：jfpei@ahpu.edu.cn

TP273;G484

: A

: 1002-4956(2016)12-0075-05