基于工程師思維的開放性電子技術綜合實驗裝置研究

廖美英，鄧若宇，禹銘典，覃金昌，張雄鑫，賴 英

(綿陽師范學院機電工程學院，四川綿陽 621000)

0 引言

目前，國內各高校所設置的電子信息技術基礎課程所用的實驗裝置基本都是按照課程配備的，開設的實驗主要以驗證性實驗為主[1].這些實驗裝置在學生學習初期起到了驗證理論知識的作用，對單個知識的吸收有較好的輔助作用.但是由于課程及實驗的分立性，學生難以在學完課程后真正理解一個完善的電子信息系統的結構、功能及設計過程，難以真正實現理論與實踐的結合[2].為此本文提出了一種開放性的電子技術綜合實驗裝置，并且設計了部分相關的實驗，以更好地滿足各高校對學生電子信息技術綜合性應用能力培養的要求.

1 研究內容

本文所研究的實驗裝置，主要分為硬件和軟件兩部分，硬件電路由信號采集與調理功能模塊、電源模塊和單片機及其外圍電路組成.每一個模塊具有獨立的輸入輸出接口，配合相應的軟件程序，可開設多種驗證性實驗，同時通過開發各個模塊中的可設計部分，也能支持多種開放性設計實驗(圖1).下文將對各個功能模塊的工作原理及可開設實驗進行詳細介紹.

1.1 信號采集與調理功能模塊

1.1.1 電壓采集模塊 電壓采集模塊主要用于電氣工程及其自動化專業中單/三相工頻交流電壓信號采集實驗.電子信息類專業可直接從本模塊輸出接口接入試驗所需交直流弱信號，下一節中的電流采集模塊與此項同，因此后文不再贅述.

電壓采集模塊原理如圖2所示，每相電路分別由兩個串聯的電阻、電壓互感器、采樣電阻三部分組成，可實現單/三相交流電壓信號的采集功能.原理如下(以A相為例)：電壓信號輸入實驗裝置時，首先通過串聯的R8和R9，形成高阻態輸入，降低采集電路對被測信號的影響.裝置選用電壓互感器對輸入輸出進行隔離，所選電壓互感器型號為LPT223AZ，輸入電流范圍0～2 mA，輸出電流0～2 mA，互感器輸出電流經采樣電阻R20，將輸入幅值較高的大電壓信號變換為小信號值，供后續電路處理.

圖1 系統框圖Fig.1 System chart圖2 電壓采集模塊Fig.2 Voltage Acquisition Module

采集模塊輸出電壓與輸入電壓之間的關系如公式(1-1)所示:

U=VA1+VREF.

公式(1-1)

公式(1-2)

圖3 電流采集模塊Fig.3 Current Acquisition Module

上式中VREF為參考電壓，其作用是為了便于實現后續數字處理環節中的交流采樣算法.為滿足交流采樣時信號不失真的需求，VREF取值為A/D轉換器輸入范圍的二分之一.本設計選用的A/D轉換器為單片機內置，輸入范圍為0～3.3V，因此VREF取為1.625V.

采樣電路輸出的電壓經過調理后送入A/D轉換器，因此，當輸入信號在允許范圍內變化時，可通過改變采樣電阻R20的值得到后續電路所需的最佳信號值.R20的計算和選取可作為一個實驗項目.

1.1.2 電流采集模塊 電流采集模塊用于單/三相工頻交流電流信號分析.該模塊由外置電流互感器和采樣電阻兩部分組成，可實現電流信號采集的功能，其原理如下(圖3)(A相為例)：電流信號輸入裝置時，首先通過P4接口處外接的電流互感器，將大電流信號變為小電流信號后，利用采樣電阻.將電流信號轉換為電壓信號，然后輸送給調理電路進行處理.當輸入電流信號在允許范圍內變化時，同樣可通過改變采樣電阻R4的值得到后續電路所需的最佳信號值.

圖4 信號調理模塊Fig.4 Signal Conditioning Module

1.1.3 信號調理模塊 信號調理模塊由濾波電路和運算電路組成，可實現電壓電流信號調理的功能.該模塊的輸入為信號采集模塊的輸出信號，該模塊的輸出信號送入單片機的A/D轉換輸入口.信號調理模塊其原理如下(圖4)：采集模塊采集到信號，輸入到信號調理模塊，經由R23和C8組成的濾波電路進入濾波處理，實驗操作者可根據自身需求設計濾波參數.

濾波器截止頻率為[3]：

公式(1-3)

濾波后的信號送入運算電路，此設計選用的運放為LM358芯片，運算電路輸出電壓有效值為[3]：

公式(1-4)

峰值電壓為：

公式(1-5)

此處需要注意，電路輸出的峰值電壓應小于單片機內置A/D芯片的輸入電壓范圍，否則將會被削波[4].

該模塊中反饋電阻為可變部分，該模塊可用于集成運放的性能及反饋相關的概念驗證，也可通過改變反饋電阻值，用于運算電路設計實驗.同時，以上三個模塊組合可用于電氣工程類專業的電能質量分析、電能信號變送等設計性實驗中.

1.2 電源模塊

電源模塊由全局供電模塊和參考電壓產生模塊組成，能夠給整個裝置提供穩定的5V和3.3V的電源，同時提供1.625V的參考電壓.原理如下：

1.2.1 全局供電模塊 電源模塊用于給裝置提供一個穩定的直流電壓源，以便裝置能夠正常工作.該模塊由過流保護、過壓保護、AC-DC電源模塊、濾波電路、報警電路、5V和3.3V的三端穩壓器組成，可為裝置提供5V(如圖5)和3.3V(如圖6)的直流電源.其原理如下：220V的交流電源通過P3口接入，經AC-DC轉換模塊HLK-PM03-12，輸出+12V的直流電源.三端穩壓器VR(SPX1117M3-5.0)和U5(SPX1117M3-3.3)分別可以輸出穩定的+5.0V和+3.3V直流電源.Fuse(保險絲)實現過流保護，D1(鉗位二極管)實現過壓保護.

圖5 5.0V電源電路Fig.5 5.0V Power Supply Circuits圖6 3.3V電源電路Fig.6 3.3V Power Supply Circuits

圖7 參考電壓產生電路Fig.7 Reference Voltage Generation Circuit

1.2.2 參考電壓產生模塊 參考電壓模塊用于給前述采集模塊提供一個電壓.該模塊由高通濾波器、低通濾波器、穩壓源、比例放大器和電壓跟隨器組成.可輸出1.625V的參考電壓，其原理如下(圖7)：電路輸入為+5V，通過高通濾波器濾除雜波，其中TL431穩壓三極管的輸出電壓即為2.5V， 再利用低通濾波器對2.5V參考電壓的進行濾波，經過運算放大器U7A后，輸出電壓V01為：

公式(1-6)

R41和R42電阻值相同，分壓后輸出電壓為：

公式(1-7)

1.3 單片機及其外圍電路

單片機及其外圍電路用于信號的分析與處理[5]，信號經調理模塊處理后，送入該模塊進行計算、分析等處理.本設計選用STM32F103RCT6單片機.

1.3.1 STM32F103RCT6單片機最小系統 STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路(IC)，芯體尺寸是32位，速度是72MHz，程序存儲器容量是256KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是48K，帶閃存，USB，CAN，7個16位定時器，2個ADC和9個通信接口，能夠高速精準的處理采集到的信號.晶振為8MHz的Y1與兩個20pF的電容C21、C22連接到單片機的PD0/OSC_IN和PD1/OSC_OUT腳，構成單片機的時鐘電路.程序下載利用的是一個十幀的下載器(如圖9).

圖8 STM32F103RCT6單片機Fig.8 STM32F103RCT6Singlechip圖9 十幀下載器 Fig.9 Ten Frame Downloader圖10 復位電路Fig.10 Reset Circuit圖11 串口通信模塊Fig.11 Serial Communication Module

1.3.2 復位電路 本設計選用硬件看門狗芯片SP706構成外部復位電路，如圖10所示.

1.3.3 串口通信模塊 串口通信模塊能夠實現單片機將處理過的信號傳送給計算機[3].本設計采用的通信方式為RS232通信，運用的芯片為MAX232N，可實現裝置與計算機之間的全雙工通信，如圖11所示.

以上四個模塊組合起來，通過單片機進行軟件編程，可對外部輸入信號進行分析、計算等數字處理.利用RS232通信，可實現單片機處理結果與上位機之間的交互.根據不同的需求，軟件部分可完全實現開放性設計實驗.

2 實驗裝置功能介紹

該裝置以典型的交直流電信號為載體，通過信號采集、信號調理、模數轉換與數據分析處理等功能模塊的設計，搭建了一個完善的電子信息系統，具備完善的交直流電信號的計算、分析和處理能力.可以在該系統的各個環節設置面向學生的開放性實驗內容.

2.1 實驗裝置可開設實驗舉例

2.1.1 基礎驗證性實驗 基礎驗證型實驗是開放性實驗的基礎，開放性電子技術綜合實驗裝置的基礎性實驗強調了單科知識在本裝置中的作用，因而其基礎性實驗的內容也是有針對性的，實驗裝置能開設的基礎驗證型實驗見表1.

表1 基礎性實驗的內容及目的Tab.1 Content and Purpose of Basic Experiments

2.1.2 開放性實驗 開放性實驗是開放性電子技術綜合實驗裝置的重要部分，對應于本文的實驗裝置，基本的開放性實驗包括但不限于下述實驗：

a)模擬電子技術實驗：利用示波器檢測各模塊的輸入輸出值，觀測電壓電流有效值、峰值、平均值，波形的周期、頻率、相角差，電路的阻抗、幅頻特性與通頻帶等特征.

b) 數字電子技術實驗：經過單片機處理之后的信號即為數字信號，可添加數字電子技術課程中的觸發器，譯碼器，數據選擇器，計數器等實驗.

c) 單片機實驗：經過信號調理電路處理過的模擬信號，傳輸給單片機進行A/D轉換，對單片機進行編程計算單/三相信號之間相位差、功率因數角、功率損耗等，通過RS232串口通信，可以將處理后的數據發送給上位機，并轉換為圖表的形式，進行下一步的分析與處理.

d) 系統性實驗：第四類實驗是前三類實驗的綜合，是具有綜合和開放性意義的實驗，同學們可以自主設計相關的實驗，旨在讓同學們形成系統性思維，真正掌握知識的原理及應用方法.

3 實驗例程

為了驗證裝置功能，同時給操作者展示本臺裝置的使用方法，下文將以三相電能信號的分析為例簡要說明一個開放性實驗的實驗過程.

將電源模塊的P3接口處外接220V的交流電源，經電源模塊處理后，可給整個實驗板供電.具體步驟如下：給三相電壓采集模塊和電流采集模塊接入外界信號后，用示波器測量互感器處理后的波形，觀測并記錄電信號參數值.已知電壓采集模塊的輸入電壓為UA=UB=UC=220V,R8=R9=220k，則電壓互感器輸入端的輸入電流為：

公式(4-1)

已知電壓互感器的輸入輸出端的比例為1∶1，考慮到互感器帶負載能力，選用采樣電阻R20=100，則采集模塊的輸出電壓為：

Uo=0.176 8 mA×100=0.0176 8V

公式(4-2)

已知濾波器的R=1K,C=0.02 μF，則截止頻率為：

公式(4-3)

考慮運放的輸入阻抗和放大噪聲，以及后續A/D輸入范圍，選取R31=47 KΩ，R28=10 KΩ，此時運算電路的放大倍數為：

公式(4-4)

調理模塊輸出的電壓信號有效值為：

Uo=AUO=5.7×0.017 68=0.100 76V

公式(4-5)

由于交流采樣所需的參考電壓1.625V，則電壓在運算電路前后的測量值對比如表2所示：

表2 電壓進入運算電路前后的電壓值Tab.2 Voltage values before and after the voltage enters the circuit 單位：V

電流采集模塊的處理與電壓采集模塊的計算相似，此處不再贅述.

信號調理電路的輸出信號送給單片機模塊進行A/D采集模塊，通過編程可根據實驗者需要計算出輸入的電壓、電流有效值、頻率、功率角度等電參數，并利用串口發送給上位機供查詢.

4 結語

一種基于工程師思維的開放性電子技術綜合實驗裝置研究，將分立的知識綜合成系統，同時具備驗證型實驗和設計型實驗的功能，相較于傳統的實驗裝置，更有助于鍛煉學生的知識應用能力.可以通過改變裝置的電路、元器件或程序，實現在不同情況下，對不同問題的解決，其開放度和自由度有助于學生建立起工程師思維.但由于時間關系和個人能力所限，裝置還有許多不足，比如還可以接入函數發生、通道選擇、數據顯示模塊等，將在后續工作中繼續進行完善.