传感信号检测与智能仪表一体化实验装置研制

2014-03-25王晓燕秦海鹏丁启胜

实验技术与管理 2014年3期

王晓燕，秦海鹏，丁启胜

(江苏师范大学电气工程及自动化学院，江苏徐州 221116)

测控技术与仪器是一门由多学科相互交叉渗透形成的高新技术密集型综合学科[1]。微型化、集成化、虚拟化、网络化是现代测控技术与仪器仪表技术的发展趋势[2-3]。根据测控技术与仪器专业人才培养要求，紧密结合专业课程实践教学需要，并与专业技术发展需求和趋势相接轨，设计了研制传感信号检测与智能仪表一体化实验装置，用于传感器技术，虚拟仪器技术、智能仪表设计、电气测量技术等课程的实验教学，以及测控技术与仪器专业本科生的实习、实训、实践创新等环节。该实验装置体现出相关专业知识与技能的系统化、模块化、一体化发展的特点与趋势。

1 实验装置结构与工作原理

1.1 实验装置结构

实验装置硬件主要有传感信号检测调理模块、传感信号数字化处理模块和PC机数据管理模块。由下到上，数据处理逐级深化。系统硬件结构框图见图1。

图1 系统硬件结构框图

传感信号检测调理模块可单独使用，也可与传感信号数字化处理模块级联使用，构成传感信号的数字采集转换系统，还可以进一步与PC机实现串行数据通信，借助LabVIEW等虚拟仪器开发平台，对采集转换的传感信号进行更复杂与深入的分析、处理，并且可以实现数据的远程传输[4-9]。

1.2 传感信号检测调理模块

传感信号检测调理层是基础技术层，主要涉及不同工作原理和不同类型的传感器信号的检测、转换、调理电路。具体包括：霍尔传感器实验模块、电容传感器实验模块、温度传感器实验模块、电涡流传感器实验模块、应变片实验模块、以及3种不同功能特性的信号处理电路模块[10-14]。

学生可根据具体的数据处理要求选择不同的信号处理电路，提高信号调理电路选择配置的灵活性，令系统整体硬件资源配置紧凑。同时有助于提高学生的主观能动性，促进学生对传感信号处理性能要求、参数指标的分析、理解与设计的能力。

温度传感器实验模块包含4种类型的温度传感器采集转换电路。各模块硬件原理图均通过PCB板丝印层完全显现，如图2所示，方便学生掌握电路工作原理。该模块能够完成常规的传感器信号检测转换调理实验。

图2 传感信号检测调理模板PCB丝印层

1.3 传感信号数字化处理模块

传感信号数字化处理模块是将传感信号检测调理层采集到的模拟信号进行数字化处理与显示。根据所编写程序功能和复杂度的不同分别构成数字化仪表、智能仪表。此数字化技术处理层主要包括MSP430F147单片机系统模块(内含10位/12位A/D转换器和液晶驱动器)、4×4键盘矩阵模块、LM24016RFW液晶显示模块、RS232串行接口模块、RS485串行接口模块，如图3所示。MSP430F147是TI公司设计的一种16位精简指令集、超低功耗单片机，工作电压范围：1.8～3.6 V，具备构造片上系统的能力[15]。

图3 传感信号数字化处理模块硬件结构框图

1.4 PC机数据管理模块

PC机为系统的上位机硬件平台，学生可选择合适的虚拟仪器编程软件，编写上位机数据分析管理平台，构成传感信号检测处理系统或检测分析仪器、仪表，实现良好的人机交互功能和数据分析处理功能，并可以实现数据的网络化远程传输。编程软件可根据使用者的具体情况选用：VC++、VB、LabWindows/CVI 、Delphi 、C#、LabVIEW、VEE、 VMIDS 等软件开发工具。

2 设计理念与技术特点

实验装置总的设计理念：遵循系统在技术应用方面逐步提升和逐级深化的层次性；体现系统工作原理完全开放的特征，既可面向本科专业的专业课程实验教学、实习、实训等实践环节，也可作为研究生、教师进行科研、技术创新的基础技术平台。具体的技术特点体现在以下几个方面：

(1) 信号调理电路高度整合，学生可根据具体的传感信号处理要求选择合适的信号调理电路。此种电路整合处理方式与其他同类产品相比较，具有电路硬件紧凑、简洁、使用灵活方便的特点。有助于提高和培养学生模块化设计电路的工程思想与实践能力；

(2) 该系统集传感信号检测调理电路、传感信号数字化处理电路、PC机数据分析管理于一体，而且该系统应用功能的扩展与升级空间大，应用对象与技术层次覆盖面广；

(3) 传感信号检测调理电路与传感信号数字化处理电路(实物图见图4)在设计制作上分开制版，完全独立，配置灵活，维护方便，升级扩展方便；

(4) 该系统电路工作原理完全开放，传感器的配置具有典型性、代表性，能够与理论课程教授内容紧密结合、相辅相成，增强教学效果；

(5) 该系统体现了模拟、数字、智能逐级提升的传感信号检测与转换电路的技术层次，同时也能够体现出模拟仪表、数字化仪表、智能仪表、虚拟技术仪表4代仪器仪表技术的发展进程，能够帮助学生有效地建立起传感器应用领域和仪器仪表技术发展应用领域清晰、完整、最新的技术知识与技术架构。

图4 传感信号检测调理模板与数字化处理模块实物图

3 实验项目设置与测试

该实验装置的实验项目，可依据不同的服务对象和不同的实验目标设置不同的实验类型。

3.1 基础型实验项目

主要依托传感信号检测调理模块完成典型的传感器类型的信号检测与转换测试。实验测试的重点在于让学生掌握传感器及其信号检测转换电路的工作原理及特性测试。以电阻应变片式传感器单臂电桥性能测试实验为例，电路连接如图5所示，测试数据见表1，测试精度为0.11mV/g，线性度高。

图5 单臂电桥性能测试实验电路连接示意图

表1 单臂电桥性能测试数据

3.2 拓展型实验项目

实验目标是将传感信号检测调理模块检测的实验数据输送到传感信号数字化处理层进行传感检测信号的线性化处理、标度变化、存储和数字化显示等功能。根据学生掌握的专业知识技能的不同，具体又划分两种方式：

(1) 使用已经编写调试好的程序(已烧录到MSP430单片机)，进行传感信号检测数据的数字化处理；

(2) 同上位机PC机联机，应用IAR FOR 430开发软件对MSP430单片机进行应用程序的在线编写、调试与烧录。编写调试界面如图6所示。

图6 IAR程序调试界面

3.3 研发创新型实验项目

此类实验项目对学生的专业知识与技能要求较高。实验要求学生结合上位机PC机系统，选用适合的软件开发工具，进行上位机数据分析管理的应用软件程序的开发，构建虚拟仪器技术平台。应用当前流行的图形化编程软件LabVIEW 2011开发的研发创新型实验项目的程序前面板设计如图7所示，对应的程序框图如图8所示。应用程序对传感信号测试数据的获取通过调用驱动程序提供的动态链接库DLL实现[14]。

图7 虚拟仪器技术实验前面板

图8 虚拟仪器技术实验程序框图

4 结论

传感信号检测与智能仪表一体化实验装置，优化整合了测控专业实验室原有的仪器设备资源，促成实验室向综合型、开放型、创新型专业实验室转型。此实验装置有助于培养、锻炼学生建立起系统化、模块化的工程实践思想，具有很强的实验、实训应用价值，系统功能扩展、升级与维护方便。目前该套实验装置已在本科生实验教学和实习、实训、实践环节中得到充分应用，收效明显。

[1] 李恒灿，李权才.测控技术与仪器专业建设的探索与实践[J].中国电力教育，2011(17)：63-65.

[2] 张重雄，张思维.虚拟仪器技术分析与设计[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.

[3] 史健芳.智能仪器设计基础[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.

[4] 李伟,陈国明,张传荣,等.基于LabVIEW的ACFM网络实验平台开发与测试[J].实验技术与管理,2013，30(3)： 65-67，73.

[5] 李巧真，李刚，徐天室.传感器实验装置计算机控制系统[J].实验技术与管理,2011，28(6)： 57-60.

[6] 张日欣.生物医学传感器教学实验装置的研制[J].实验技术与管理,2008，25(1)： 54-58.

[7] 施教芳, 谷慧娟, 王俭.一种开放的Internet远程实验装置及拓展[J].实验室研究与探索,2011，30(4)：188-191.

[8] 房泽平，张莹.一种液位测量无线传感器网络节点实验装置的设计[J].中原工学院学报,2012，23(5)：76-78.

[9] 王春生，杨志淳，漆璇.一种基于气体传感的新型中高压开关柜过温监测系统的研制[J].高压电器,2011，47(2)：34-38.

[10] 许磊.基于电阻应变式传感器实验内容的设计优化[J].大学物理实验,2005，18(3)：14-16.

[11] 周润景，郝晓霞.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[12] 李训文.基于网络化虚拟仪器技术的传感器实验建设[J].实验技术与管理,2012，29(2)： 81-84.