智能测控仪表开放式实验平台设计

张 谦 欧阳玲 温盛军 王瑷珲

中原工学院电子信息学院 河南郑州 450007

智能测控仪表开放式实验平台设计

张 谦 欧阳玲 温盛军 王瑷珲

中原工学院电子信息学院 河南郑州 450007

在阐述开放式实验平台概念的基础上，讲述了基于微控制器的智能测控仪表开放式实验平台的设计思想与设计过程。给出了实验平台硬件组成原理与软件程序结构，并对如何在实践教学环节中应用该平台作了介绍。教学实践效果表明：开放式实验平台的应用对于提高专业课程教学质量可以起到良好的辅助作用。

教学方法；实践环节；计算机控制；开放式实验平台

目前，高校自动化、电气自动化、测控技术与仪器等专业相关实验装置都采用智能测控仪表作为核心控制部件。学生做实验时，往往采用实验装置配套的实验平台与系统程序，按照实验指导书给出方法接线后在应用界面上输入有关参数，运行后即可获得不同的实验数据。这种实验方法对于相关课程学习，可以从感性认识层面对学生起到帮助作用。然而，由于实验装置对学生不够透明，无论硬件还是软件平台对学生均不开放，不能发挥学生的主观能动性，学生不能在实验过程中按照自己的设想改变实验方法，不能进行设计型实验，因而具有局限性。因此，设计一种可以让学生有更多参与性的开放式实验平台很有必要。

1 开放式实验平台概述

开放式实验平台应该满足三点基本要求：首先，硬件平台对学生透明，所有设计用到的文档包括电路原理图、工作原理分析、所用关键元器件对应的技术资料等一应俱全，以方便学生分析电路使用；其次，有基本的软件平台，包括软件功能描述、程序结构与流程图、具体程序及必要的注释，方便学生阅读基本程序；最后，有开放式实验平台的使用说明，供学生实验时使用。另外，硬件设计应该预留部分系统扩展接口，以方便特殊用途。

基于上述基本要求，在具体设计过程中，平台各部分选择应该考虑与专业课程设置的衔接性，以方便学生在使用实验平台过程中运用已经学习的知识尽快了解与掌握其使用方法，提高学习效率，最大程度上发挥平台的优势，增强学生的训练效果。

2 智能测控仪表开放式实验平台组成结构

智能测控仪表核心是计算机，其类型可以是微控制器、可编程控制器、工控机等。[1]兼顾应用与教学两方面需要，选择微控制器作为核心部件搭建开放式实验平台，其组成结构图如图1所示。

图1 智能测控仪表开放式实验平台组成结构图

硬件平台设计依据是工业产品。[2]设计出发点是将产品透明化，即：剖析每一模块对应的功能及原理电路，并提供相应的模块测试程序。设计原则是，每一部分的设计首先保证基本功能，然后预留一定的扩展功能接口电路，以方便不同实践环节的需求。

微控制器选择：考虑实验平台用途，应该选择学生在专业课程中学习过的计算机型号，以方便学生在具体使用平台时可以相对容易地分析平台结构与组成原理。

外输入通道部分：按照工业仪表标准，输入输出信号均为标准电流电压信号，电流4 mA～20 mA，电压1 V～5 V。输入通道基本部分功能是将两路标准电流与电压信号转换成相应的数字量送给计算机，对应四个输入接线端子，精度要求为0.5级。预留扩展输入接口电路为频率电压转换电路，开关量输入电路。

输出通道部分：可以同时输出两路工业标准的电流与电压信号，对应四个输出接线端子；预留扩展功能为带光电隔离的两路开关量输出，用于驱动固态继电器使用。

显示部分：按工业产品基本要求，设计两组四位七段数码显示，一组用于显示设定值，另一组用于显示实际值；预留扩展接口为带汉字的液晶显示，触摸屏显示。

参数设置部分：基本部分为5个功能键，单独或组合完成参数设置、功能选择等任务；预留接口为与显示共用的触摸屏输入。

通讯接口：基本部分包括RS232接口、RS485接口、USB接口等，以满足多级计算机控制与联网需求；预留扩展接口为无线数据输入输出、CAN总线等。

除了上述基本组成部分外，设计时还可以添加抗干扰电路、实时时钟电路等。

3 开放式实验平台程序结构

按照智能测控仪表功能，其程序主要包括两大部分：其一是输入显示管理程序，相当于一个小规模操作系统，具体完成开机显示、参数输入显示、运行显示等功能；其二是控制算法对应程序，作为通用的测控仪表，可以用于不同的控制对象。因此，为了取得良好的控制效果，配置不同的控制算法是必不可少的，如基本数字PID算法、扩展PID算法、模糊控制算法、仿人智能控制算法等。

以智能测控仪表为核心构成的计算机控制系统基本工作模式可以是直接数字控制(DDC)系统，也可以是两级计算机控制系统。根据工作模式的不同，实验平台对应的程序结构也有区别。对于DDC系统，微控制器独立工作，主程序流程图如图2所示。

图2 DDC模式下位机主程序流程图

限于篇幅，流程图做了简化。键处理程序包括按键识别及包含运行子程序在内的所有功能键处理子程序。需要指出的是，程序实际编制过程中应该从工业应用角度出发做相应处理，如开机后或者参数输入过程中，超过一定时间没有键盘信号，程序将自动进入默认的运行状态，这可以通过在开机后运行除子程序以外的其他键处理子程序中，开始时启动10秒运行延时实现。

对于两级计算机控制系统，程序结构有两种方式，其一是系统工作过程中以下位机即智能测控仪表构成的控制器为主控机，控制器在每个程序工作周期向上位机发联络信号，并根据上位机具体要求做出应答，如实时数据传送、时间段数据传送等，按照协议完成相应操作，然后再返回其固有运行模式；下位机主程序流程图与图2基本相同，仅在运行子程序最后加入与上位机的通讯子程序，这样就可以保证在每个程序循环周期中与上位机有一次应答过程与数据传送过程。其二是以上位机为主控机，系统工作过程中下位机主要起数据采集与控制信号输出的作用，这种模式可以充分发挥上位机运算速度快的特点，完成复杂控制算法的计算，同时可以完成必要的数据与图像处理功能。这种模式对应的下位机主程序流程图如图3所示，其中接收与信号处理部分包括的子程序有参数设置子程序、输入输出运行处理子程序等，每个子程序结束后都返回到发准备应答信号处，形成循环程序。

图3 两级控制模式下位机主程序流程图

4 结束语

设计制作这样一种开放式实验平台的目的是尽可能发挥实践环节的优势，让学生在有限的时间内受益最大化，同时也可以提高实验设备利用率。开放式实验平台首先可以用于相关课程的基础实验，只要按照提供的开放式实验平台使用说明书操作就可以完成。开放平台的重要作用体现在课程设计环节与毕业设计环节。由于实验平台的透明性，学生可以在较短时间理解与掌握一种相对复杂的系统设计思想与设计过程，通过对系统的剖析，还可以在此基础上加入自己的想法并加以实现，这个过程无疑会对学生分析问题解决问题的能力培养起到重要作用。以上内容是学校计算机控制系统精品课程建设中的一部分，之前已经做过很多基础工作，尤其在毕业设计环节已经使用多届，有些学生也因此在毕业后走向了仪表设计工程师的岗位。因此，设计完善与推广这样一种开放式实验平台可以对更多学生的专业知识学习与综合能力培养起到更大的帮助作用。

[1] 王平,谢昊飞,蒋建春.计算机控制技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2] 深圳万迅自控有限公司.MDC200 /MDG200高性能控制器用户使用手册[Z].

The Design of Open Experimental Platform Based on Intelligent Measurement and Control
Instrument

Zhang Qian, Ou Yangling,Wen Shengjun, Wang Aihui
Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou, 450007, China

On the basis of illustrating the concept of open experimental platform, the design idea and design process of intelligent measurement and control instrument based on microcontroller was elaborated in this paper. This paper presents the hardware principle and the software design and also introduced the application of the practice teaching platform in the practice teaching link. The result of the practice teaching shows that the application of open experimental platform is benefcial to improve the teaching quality.

teaching method; practice link; computer control; open experimental platform

2014-09-17

张谦，硕士，教授。欧阳玲，硕士，副教授。

中原工学院教学研究项目(2013)“计算机控制系统精品课程建设”。