智能仪表课程设计实践平台的设计与实现

许少伦， 徐青菁， 孙 佳， 姜建民， 赖晓阳， 王达开

(上海交通大学 电气信息与电气工程学院,上海 200240)



智能仪表课程设计实践平台的设计与实现

许少伦， 徐青菁， 孙 佳， 姜建民， 赖晓阳， 王达开

(上海交通大学 电气信息与电气工程学院,上海 200240)

社会对大学生动手能力和创新实践能力的要求日益增加。为此而对电类专业开设的智能仪表课程设计是一门综合性、设计性较强的实践课程。本文首先介绍了该课程的教学目标、教学方法、课程内容等信息，然后讲述了该课程实践平台的设计思路，最后分别举例阐述了各实践内容的具体要求及搭建过程，展示了实践平台样机。实践证明，经过该课程较系统的锻炼，可以使学生清晰地了解智能仪器输入输出接口与数据处理方法，掌握智能仪器软硬件设计及调试的一般方法，大大提高设计能力和动手能力，为今后进一步学习或工作打下基础。

智能仪表; 虚拟仪器; 数据采集系统; 电子称; 电压表

0 引 言

随着企业对电类专业大学生动手能力和创新实践能力的要求日益增加，实践性课程的建设成为本科生教学改革的一个重要组成部分[1]。电气工程实验中心经过几年的探索和实践，通过校企联合，共建实验平台，逐步完善了创新实践课程体系，使本科生在培养阶段能够由浅入深地学习到最新的行业发展知识和技能，理论实践更好的结合[2]。

智能仪表课程设计是高校电气、测控及相关专业的一门重要课程，它集技术性、工程性和实践性于一体，是一门涉及传感器、机电一体化、电子技术、自动控制、计算机、信号分析与处理等多门学科的现代综合技术[3]。通过和美国德州仪器公司共建联合实验室，利用其MSP430单片机、Stellaris®LM4F120 LaunchPad评估套件等器材，并结合USB-6009数据采集卡以及Labview设计搭建了一个综合的智能仪表课程设计实践平台。本文通过介绍该课程平台的构建，对其组织形式和教学成果进行总结。

1 智能仪表课程体系

1.1 课程性质和教学目标

此课程是电气工程及自动化专业的重要课程，目的是使学生了解和掌握智能仪表的原理和设计方法，初步学习虚拟仪器的使用，智能仪表的软硬件设计及调试的基本方法，加强学生自学能力、实践动手能力、团队合作能力的培养。

1.2 教学方法

以课堂教学、实验教学为主，结合自学、小组大作业。课堂教学主要讲解基本原理，使同学们更好地理解智能仪器原理、提高对智能仪器设计的兴趣、初步了解智能仪器的研究、设计方法。着重培养学生自主学习的意识、自主学习的能力和实践动手的能力。小组大作业能培养学生的综合能力：熟练运用所学知识的能力、收集提炼信息的能力、实践动手的能力、团队合作能力。

1.3 课程内容

讲解智能仪器的基本结构及其接口技术的原理和设计方法，使学生清晰地了解智能仪器输入输出接口与数据处理方法，初步学会设计智能仪器软硬件设计及调试的方法：①了解数据采集系统的结构及各主要部件工作原理。②了解智能仪器的输入通道包括程控放大器与A/D转换器及量程自动转换技术；了解智能仪器的输出通道包括D/A转换器，串行数据接口及开关量输出通道。③掌握智能仪器设计思想，设计步骤，具体的硬件设计，软件设计及调试方法。④了解虚拟仪器的基本组成，常用开发工具Labview的开发环境、软件设计方法及数据采集卡驱动设计方法。

2 实践平台设计

2.1 虚拟仪器

虚拟仪器是基于计算机技术而发展起来的仪器测量技术，是计算机技术和仪器技术密切结合的产物，具有开发时间短、技术性能高、扩展性强，以及出色的集成等优势，是未来仪器发展的一个重要方向[4]。通过与NI公司的合作，在智能仪表课程中引入虚拟仪器，有利于学生把握仪器仪表技术的发展潮流，为将来走向科研、技术岗位拓宽眼界，奠定基础。本课程需要学生完成虚拟示波器和虚拟信号发生器的设计搭建。

2.2 16路数据采集系统

数据采集系统作为沟通模拟域和数字域的桥梁起着重要作用。随着计算机技术及大规模集成电路的发展，微处理器控制的数据采集系统得到广泛的应用，使系统的灵活性和可靠性大大提高，系统的硬件成本和重建费用大大降低[5]。本课程需要学生自行搜集资料、选择器件，完成16路数据采集系统电路的设计，画出其原理图和PCB图，并阐述其工作原理。

2.3 简易电子称

简易电子称将重量传感器产生的微弱差分信号进行放大、滤波和采样，经过MCU处理，通过人机界面显示称重信息，实现输入单价并计算价格。

2.4 智能电压表

智能电压表及其拓展部分设计主要是以放大电路为主，对信号进行调理并利用单片机进行采样，经过高速运算后将信息整合，并对放大电路的放大倍数进行控制，同时，采样值在经过逻辑处理后在显示屏上显示波形，并提供可视人机界面。

3 实践平台的实现

3.1 虚拟仪器

本平台采用NI公司的USB-6009数据采集卡，利用Labview实现虚拟示波器和虚拟信号发生器。

3.1.1 虚拟示波器[6]

要求虚拟示波器能够显示有信号发生器发出的方波、三角波、正弦波的频率范围为1～1 kHz，幅度为0～10 V，要求能够精确测量两个输入波形的频率和幅值，虚拟示波器能够通过旋钮调节横坐标(时间)和纵坐标(幅值)的显示范围。程序框图见图1。

图1 虚拟示波器程序框图

3.1.2 虚拟信号发生器[7-8]

要求虚拟示波器能够产生频率在1～100 Hz，幅度为0～5 V之间的方波、三角波、正弦波，并输出到示波器进行观察，能够利用数据采集卡的两路通道，同时输出产生两张不同的波形；能够调节输出信号的频率、幅值和相位；对于方波信号可以改变输出信号的占空比，输出信号可以用示波器观测，并且可以显示在前面板上。程序框图见图2。

3.2 16路数据采集系统

数据采集系统是计算机、智能仪器与外界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。其设计主要考虑被测信号的变化速率和通道数，对测量精度、分辨率、速度的要求，性价比等。主要由下面几部分组成：

图2 虚拟信号发生器程序框图

(1) 计算机。数据采样系统的核心是计算机，它对整个系统进行控制和数据处理。

(2) A/D转换器。计算机所处理的是数字信号，因此模拟信号必须进行A/D转换—量化过程。

(3) 采样/保持器。采样/保持器将连续信号离散化，从连续信号中抽取采样时刻的信号值—采样过程。

(4) 放大器。将采集到的信号适当放大，尽量是A/D转换器在接近满量程的状态下工作。

(5) 多路开关。通过多路开关，依次接通各个传感器并采样信号。

系统框图见图3。

图3 多通道数据采集系统框图

3.3 简易电子称

简易电子称主要的组成部分如图4所示。实验器材采用德州仪器的MSP430F552x, INA333仪表放大器，OPA2340运算放大器,I2C8位IO口拓展芯TCA6408等[9-13]。采样的压力传感器是四应变片桥式压力传感器，输出为差分信号；前级放大电路可使用仪表放大器构成差分放大电路；差分放大电路输出后，经过运算放大器放大电路进行进一步放大；已经放大过的电压信号经过低通滤波器进行滤波处理；再由MCU芯片进行采样、处理和显示[13]。

图4 电子称结构示意图

3.4 智能电压表

智能电压表及其拓展要求通过程控放大电路、整流滤波电路以及单片机人机界面三大模块，实现直流电压、电流，交流电压、电流，电阻以及信号频率的测量等功能。实验器材采用德州仪器的Stellaris®LM4F120 LaunchPad评估套件[14]，一款采用32 bit ARM处理器+FPGA双核控制架构开发的高性能、低功耗、易使用的64 KB色的TFT 真彩显示器，数字可控增益的单片仪表放大器PGA202[15]等。

4 结 语

智能仪表课程设计实践平台紧跟现代仪器仪表的发展趋势，考虑学生知识层次与理解能力，结合实验室实际情况，构建了虚拟仪器、数据采集系统、电子称小系统、电压表等多功能表计的实验平台，使学生掌握虚拟仪器的使用，数据采集系统电路原理图的设计与PCB图的绘制，电子称模拟电路与数字电路设计，程控放大电路、整流滤波电路的设计，程序的编写与调试，锻炼了学生的文献阅读、团队合作、动手实践等能力。

[1] 陆顺寿，曹其新. 开展创新实践教学提高当代大学生综合素质[J]．实验室研究与探索，2009，28(9):11-13．

[2] 孙 佳，许少伦，姜建民.运动控制系统创新实践平台的设计与实现[J]. 实验室研究与探索，2013，32(2):77-80．

[3] 冯振伟，裴旭明. 智能仪器仪表设计实践教学的综合改革与探索[J]. 中国现代教育装备，2011(1)：135-136.

[4] 汤占军，冯丽辉，张 斌.基于虚拟仪器的智能仪表的设计与实现[J].微计算机信息,2008,24(10)：252-254.

[5] 吴 建，裴 峰，王珺楠,等. 基于LabVIEW的多通道数据采集系统设计[J]. 电子测试，2013，01-02：52-54.

[6] 刘继超,刘 云. 基于NI采集卡的虚拟示波器的开发实现[J]. 青岛科技大学学报，2008(4):357-360.

[7] 马双宝,王 攀,曾 勇. 基于LabVIEW7.0虚拟信号发生器的实现[J]. 微计算机信息杂志，2005(1):89-90.

[8] 袁新娣. 基于NIUSB-6211的虚拟信号发生器设计[J]. 科技广场，2013(11):45-80.

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

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

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

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

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

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

[15] 德州仪器公司, 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

许少伦(1978-)，男，山东临沂人，工程师，电气工程实验中心主任，主要研究方向: 电力系统自动化、SCADA系统技术。

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

TP 216

A

1006-7167(2015)10-0129-03