智能儀表課程設計實踐平臺的設計與實現

許少倫， 徐青菁， 孫 佳， 姜建民， 賴曉陽， 王達開

(上海交通大學 電氣信息與電氣工程學院,上海 200240)

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智能儀表課程設計實踐平臺的設計與實現

許少倫， 徐青菁， 孫 佳， 姜建民， 賴曉陽， 王達開

(上海交通大學 電氣信息與電氣工程學院,上海 200240)

社會對大學生動手能力和創新實踐能力的要求日益增加。為此而對電類專業開設的智能儀表課程設計是一門綜合性、設計性較強的實踐課程。本文首先介紹了該課程的教學目標、教學方法、課程內容等信息，然后講述了該課程實踐平臺的設計思路，最后分別舉例闡述了各實踐內容的具體要求及搭建過程，展示了實踐平臺樣機。實踐證明，經過該課程較系統的鍛煉，可以使學生清晰地了解智能儀器輸入輸出接口與數據處理方法，掌握智能儀器軟硬件設計及調試的一般方法，大大提高設計能力和動手能力，為今后進一步學習或工作打下基礎。

智能儀表; 虛擬儀器; 數據采集系統; 電子稱; 電壓表

0 引 言

隨著企業對電類專業大學生動手能力和創新實踐能力的要求日益增加，實踐性課程的建設成為本科生教學改革的一個重要組成部分[1]。電氣工程實驗中心經過幾年的探索和實踐，通過校企聯合，共建實驗平臺，逐步完善了創新實踐課程體系，使本科生在培養階段能夠由淺入深地學習到最新的行業發展知識和技能，理論實踐更好的結合[2]。

智能儀表課程設計是高校電氣、測控及相關專業的一門重要課程，它集技術性、工程性和實踐性于一體，是一門涉及傳感器、機電一體化、電子技術、自動控制、計算機、信號分析與處理等多門學科的現代綜合技術[3]。通過和美國德州儀器公司共建聯合實驗室，利用其MSP430單片機、Stellaris?LM4F120 LaunchPad評估套件等器材，并結合USB-6009數據采集卡以及Labview設計搭建了一個綜合的智能儀表課程設計實踐平臺。本文通過介紹該課程平臺的構建，對其組織形式和教學成果進行總結。

1 智能儀表課程體系

1.1 課程性質和教學目標

此課程是電氣工程及自動化專業的重要課程，目的是使學生了解和掌握智能儀表的原理和設計方法，初步學習虛擬儀器的使用，智能儀表的軟硬件設計及調試的基本方法，加強學生自學能力、實踐動手能力、團隊合作能力的培養。

1.2 教學方法

以課堂教學、實驗教學為主，結合自學、小組大作業。課堂教學主要講解基本原理，使同學們更好地理解智能儀器原理、提高對智能儀器設計的興趣、初步了解智能儀器的研究、設計方法。著重培養學生自主學習的意識、自主學習的能力和實踐動手的能力。小組大作業能培養學生的綜合能力：熟練運用所學知識的能力、收集提煉信息的能力、實踐動手的能力、團隊合作能力。

1.3 課程內容

講解智能儀器的基本結構及其接口技術的原理和設計方法，使學生清晰地了解智能儀器輸入輸出接口與數據處理方法，初步學會設計智能儀器軟硬件設計及調試的方法：①了解數據采集系統的結構及各主要部件工作原理。②了解智能儀器的輸入通道包括程控放大器與A/D轉換器及量程自動轉換技術；了解智能儀器的輸出通道包括D/A轉換器，串行數據接口及開關量輸出通道。③掌握智能儀器設計思想，設計步驟，具體的硬件設計，軟件設計及調試方法。④了解虛擬儀器的基本組成，常用開發工具Labview的開發環境、軟件設計方法及數據采集卡驅動設計方法。

2 實踐平臺設計

2.1 虛擬儀器

虛擬儀器是基于計算機技術而發展起來的儀器測量技術，是計算機技術和儀器技術密切結合的產物，具有開發時間短、技術性能高、擴展性強，以及出色的集成等優勢，是未來儀器發展的一個重要方向[4]。通過與NI公司的合作，在智能儀表課程中引入虛擬儀器，有利于學生把握儀器儀表技術的發展潮流，為將來走向科研、技術崗位拓寬眼界，奠定基礎。本課程需要學生完成虛擬示波器和虛擬信號發生器的設計搭建。

2.2 16路數據采集系統

數據采集系統作為溝通模擬域和數字域的橋梁起著重要作用。隨著計算機技術及大規模集成電路的發展，微處理器控制的數據采集系統得到廣泛的應用，使系統的靈活性和可靠性大大提高，系統的硬件成本和重建費用大大降低[5]。本課程需要學生自行搜集資料、選擇器件，完成16路數據采集系統電路的設計，畫出其原理圖和PCB圖，并闡述其工作原理。

2.3 簡易電子稱

簡易電子稱將重量傳感器產生的微弱差分信號進行放大、濾波和采樣，經過MCU處理，通過人機界面顯示稱重信息，實現輸入單價并計算價格。

2.4 智能電壓表

智能電壓表及其拓展部分設計主要是以放大電路為主，對信號進行調理并利用單片機進行采樣，經過高速運算后將信息整合，并對放大電路的放大倍數進行控制，同時，采樣值在經過邏輯處理后在顯示屏上顯示波形，并提供可視人機界面。

3 實踐平臺的實現

3.1 虛擬儀器

本平臺采用NI公司的USB-6009數據采集卡，利用Labview實現虛擬示波器和虛擬信號發生器。

3.1.1 虛擬示波器[6]

要求虛擬示波器能夠顯示有信號發生器發出的方波、三角波、正弦波的頻率范圍為1～1 kHz，幅度為0～10 V，要求能夠精確測量兩個輸入波形的頻率和幅值，虛擬示波器能夠通過旋鈕調節橫坐標(時間)和縱坐標(幅值)的顯示范圍。程序框圖見圖1。

圖1 虛擬示波器程序框圖

3.1.2 虛擬信號發生器[7-8]

要求虛擬示波器能夠產生頻率在1～100 Hz，幅度為0～5 V之間的方波、三角波、正弦波，并輸出到示波器進行觀察，能夠利用數據采集卡的兩路通道，同時輸出產生兩張不同的波形；能夠調節輸出信號的頻率、幅值和相位；對于方波信號可以改變輸出信號的占空比，輸出信號可以用示波器觀測，并且可以顯示在前面板上。程序框圖見圖2。

3.2 16路數據采集系統

數據采集系統是計算機、智能儀器與外界聯系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。其設計主要考慮被測信號的變化速率和通道數，對測量精度、分辨率、速度的要求，性價比等。主要由下面幾部分組成：

圖2 虛擬信號發生器程序框圖

(1) 計算機。數據采樣系統的核心是計算機，它對整個系統進行控制和數據處理。

(2) A/D轉換器。計算機所處理的是數字信號，因此模擬信號必須進行A/D轉換—量化過程。

(3) 采樣/保持器。采樣/保持器將連續信號離散化，從連續信號中抽取采樣時刻的信號值—采樣過程。

(4) 放大器。將采集到的信號適當放大，盡量是A/D轉換器在接近滿量程的狀態下工作。

(5) 多路開關。通過多路開關，依次接通各個傳感器并采樣信號。

系統框圖見圖3。

圖3 多通道數據采集系統框圖

3.3 簡易電子稱

簡易電子稱主要的組成部分如圖4所示。實驗器材采用德州儀器的MSP430F552x, INA333儀表放大器，OPA2340運算放大器,I2C8位IO口拓展芯TCA6408等[9-13]。采樣的壓力傳感器是四應變片橋式壓力傳感器，輸出為差分信號；前級放大電路可使用儀表放大器構成差分放大電路；差分放大電路輸出后，經過運算放大器放大電路進行進一步放大；已經放大過的電壓信號經過低通濾波器進行濾波處理；再由MCU芯片進行采樣、處理和顯示[13]。

圖4 電子稱結構示意圖

3.4 智能電壓表

智能電壓表及其拓展要求通過程控放大電路、整流濾波電路以及單片機人機界面三大模塊，實現直流電壓、電流，交流電壓、電流，電阻以及信號頻率的測量等功能。實驗器材采用德州儀器的Stellaris?LM4F120 LaunchPad評估套件[14]，一款采用32 bit ARM處理器+FPGA雙核控制架構開發的高性能、低功耗、易使用的64 KB色的TFT 真彩顯示器，數字可控增益的單片儀表放大器PGA202[15]等。

4 結 語

智能儀表課程設計實踐平臺緊跟現代儀器儀表的發展趨勢，考慮學生知識層次與理解能力，結合實驗室實際情況，構建了虛擬儀器、數據采集系統、電子稱小系統、電壓表等多功能表計的實驗平臺，使學生掌握虛擬儀器的使用，數據采集系統電路原理圖的設計與PCB圖的繪制，電子稱模擬電路與數字電路設計，程控放大電路、整流濾波電路的設計，程序的編寫與調試，鍛煉了學生的文獻閱讀、團隊合作、動手實踐等能力。

[1] 陸順壽，曹其新. 開展創新實踐教學提高當代大學生綜合素質[J]．實驗室研究與探索，2009，28(9):11-13．

[2] 孫 佳，許少倫，姜建民.運動控制系統創新實踐平臺的設計與實現[J]. 實驗室研究與探索，2013，32(2):77-80．

[3] 馮振偉，裴旭明. 智能儀器儀表設計實踐教學的綜合改革與探索[J]. 中國現代教育裝備，2011(1)：135-136.

[4] 湯占軍，馮麗輝，張 斌.基于虛擬儀器的智能儀表的設計與實現[J].微計算機信息,2008,24(10)：252-254.

[5] 吳 建，裴 峰，王珺楠,等. 基于LabVIEW的多通道數據采集系統設計[J]. 電子測試，2013，01-02：52-54.

[6] 劉繼超,劉 云. 基于NI采集卡的虛擬示波器的開發實現[J]. 青島科技大學學報，2008(4):357-360.

[7] 馬雙寶,王 攀,曾 勇. 基于LabVIEW7.0虛擬信號發生器的實現[J]. 微計算機信息雜志，2005(1):89-90.

[8] 袁新娣. 基于NIUSB-6211的虛擬信號發生器設計[J]. 科技廣場，2013(11):45-80.

[9] 德州儀器公司,MSP430F552x family User’s Guide[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau208n/slau208n.pdf

[10] 德州儀器公司,MSP430F552x datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/msp430f5529.pdf

[11] 德州儀器公司,INA333 datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ina333.pdf

[12] 德州儀器公司,OPA2340 datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opa2340.pdf

[13] 德州儀器公司,TCA6408 datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tca6408.pdf

[14] 德州儀器公司, LM4F120 launchpad[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/spmu289c/spmu289c.pdf

[15] 德州儀器公司, PGA202[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/pga202.pdf

Design and Application of Experimental Platform for the Course of Intelligent Instruments

XUShao-lun,XUQing-jing,SUNJia,JIANGJian-min,LAIXiao-yang,WANGDa-kai

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China)

Today, university students major in electrical engineering is required to have strong practical and innovation abilities. The course of design of intelligent instruments is a comprehensive, skillfully practical course and meets the requirement. Firstly, the object, teaching method and content of the course are introduced. Secondly, the design idea of the platform is described in detail. At the end, the setup process of experiment platform and some examples are presented. After the course exercise, students can learn knowledge about intelligent instrument input/output interface, data processing, software and hardware design methods. It shows that the innovation experiment course could improve the practical ability and innovation ability of students.

intelligent instrument; virtual instrument; data collection system; electronic balance; vltage meter

2015-01-17

許少倫(1978-)，男，山東臨沂人，工程師，電氣工程實驗中心主任，主要研究方向: 電力系統自動化、SCADA系統技術。

Tel.:021-34205720; E-mail:slxu@sjtu.edu.cn

TP 216

A

1006-7167(2015)10-0129-03