基于工程师思维的开放性电子技术综合实验装置研究

廖美英，邓若宇，禹铭典，覃金昌，张雄鑫，赖 英

(绵阳师范学院机电工程学院，四川绵阳 621000)

0 引言

目前，国内各高校所设置的电子信息技术基础课程所用的实验装置基本都是按照课程配备的，开设的实验主要以验证性实验为主[1].这些实验装置在学生学习初期起到了验证理论知识的作用，对单个知识的吸收有较好的辅助作用.但是由于课程及实验的分立性，学生难以在学完课程后真正理解一个完善的电子信息系统的结构、功能及设计过程，难以真正实现理论与实践的结合[2].为此本文提出了一种开放性的电子技术综合实验装置，并且设计了部分相关的实验，以更好地满足各高校对学生电子信息技术综合性应用能力培养的要求.

1 研究内容

本文所研究的实验装置，主要分为硬件和软件两部分，硬件电路由信号采集与调理功能模块、电源模块和单片机及其外围电路组成.每一个模块具有独立的输入输出接口，配合相应的软件程序，可开设多种验证性实验，同时通过开发各个模块中的可设计部分，也能支持多种开放性设计实验(图1).下文将对各个功能模块的工作原理及可开设实验进行详细介绍.

1.1 信号采集与调理功能模块

1.1.1 电压采集模块 电压采集模块主要用于电气工程及其自动化专业中单/三相工频交流电压信号采集实验.电子信息类专业可直接从本模块输出接口接入试验所需交直流弱信号，下一节中的电流采集模块与此项同，因此后文不再赘述.

电压采集模块原理如图2所示，每相电路分别由两个串联的电阻、电压互感器、采样电阻三部分组成，可实现单/三相交流电压信号的采集功能.原理如下(以A相为例)：电压信号输入实验装置时，首先通过串联的R8和R9，形成高阻态输入，降低采集电路对被测信号的影响.装置选用电压互感器对输入输出进行隔离，所选电压互感器型号为LPT223AZ，输入电流范围0～2 mA，输出电流0～2 mA，互感器输出电流经采样电阻R20，将输入幅值较高的大电压信号变换为小信号值，供后续电路处理.

图1 系统框图Fig.1 System chart图2 电压采集模块Fig.2 Voltage Acquisition Module

采集模块输出电压与输入电压之间的关系如公式(1-1)所示:

U=VA1+VREF.

公式(1-1)

公式(1-2)

图3 电流采集模块Fig.3 Current Acquisition Module

上式中VREF为参考电压，其作用是为了便于实现后续数字处理环节中的交流采样算法.为满足交流采样时信号不失真的需求，VREF取值为A/D转换器输入范围的二分之一.本设计选用的A/D转换器为单片机内置，输入范围为0～3.3V，因此VREF取为1.625V.

采样电路输出的电压经过调理后送入A/D转换器，因此，当输入信号在允许范围内变化时，可通过改变采样电阻R20的值得到后续电路所需的最佳信号值.R20的计算和选取可作为一个实验项目.

1.1.2 电流采集模块 电流采集模块用于单/三相工频交流电流信号分析.该模块由外置电流互感器和采样电阻两部分组成，可实现电流信号采集的功能，其原理如下(图3)(A相为例)：电流信号输入装置时，首先通过P4接口处外接的电流互感器，将大电流信号变为小电流信号后，利用采样电阻.将电流信号转换为电压信号，然后输送给调理电路进行处理.当输入电流信号在允许范围内变化时，同样可通过改变采样电阻R4的值得到后续电路所需的最佳信号值.

图4 信号调理模块Fig.4 Signal Conditioning Module

1.1.3 信号调理模块 信号调理模块由滤波电路和运算电路组成，可实现电压电流信号调理的功能.该模块的输入为信号采集模块的输出信号，该模块的输出信号送入单片机的A/D转换输入口.信号调理模块其原理如下(图4)：采集模块采集到信号，输入到信号调理模块，经由R23和C8组成的滤波电路进入滤波处理，实验操作者可根据自身需求设计滤波参数.

滤波器截止频率为[3]：

公式(1-3)

滤波后的信号送入运算电路，此设计选用的运放为LM358芯片，运算电路输出电压有效值为[3]：

公式(1-4)

峰值电压为：

公式(1-5)

此处需要注意，电路输出的峰值电压应小于单片机内置A/D芯片的输入电压范围，否则将会被削波[4].

该模块中反馈电阻为可变部分，该模块可用于集成运放的性能及反馈相关的概念验证，也可通过改变反馈电阻值，用于运算电路设计实验.同时，以上三个模块组合可用于电气工程类专业的电能质量分析、电能信号变送等设计性实验中.

1.2 电源模块

电源模块由全局供电模块和参考电压产生模块组成，能够给整个装置提供稳定的5V和3.3V的电源，同时提供1.625V的参考电压.原理如下：

1.2.1 全局供电模块 电源模块用于给装置提供一个稳定的直流电压源，以便装置能够正常工作.该模块由过流保护、过压保护、AC-DC电源模块、滤波电路、报警电路、5V和3.3V的三端稳压器组成，可为装置提供5V(如图5)和3.3V(如图6)的直流电源.其原理如下：220V的交流电源通过P3口接入，经AC-DC转换模块HLK-PM03-12，输出+12V的直流电源.三端稳压器VR(SPX1117M3-5.0)和U5(SPX1117M3-3.3)分别可以输出稳定的+5.0V和+3.3V直流电源.Fuse(保险丝)实现过流保护，D1(钳位二极管)实现过压保护.

图5 5.0V电源电路Fig.5 5.0V Power Supply Circuits图6 3.3V电源电路Fig.6 3.3V Power Supply Circuits

图7 参考电压产生电路Fig.7 Reference Voltage Generation Circuit

1.2.2 参考电压产生模块 参考电压模块用于给前述采集模块提供一个电压.该模块由高通滤波器、低通滤波器、稳压源、比例放大器和电压跟随器组成.可输出1.625V的参考电压，其原理如下(图7)：电路输入为+5V，通过高通滤波器滤除杂波，其中TL431稳压三极管的输出电压即为2.5V， 再利用低通滤波器对2.5V参考电压的进行滤波，经过运算放大器U7A后，输出电压V01为：

公式(1-6)

R41和R42电阻值相同，分压后输出电压为：

公式(1-7)

1.3 单片机及其外围电路

单片机及其外围电路用于信号的分析与处理[5]，信号经调理模块处理后，送入该模块进行计算、分析等处理.本设计选用STM32F103RCT6单片机.

1.3.1 STM32F103RCT6单片机最小系统 STM32F103RCT6是一种嵌入式-微控制器的集成电路(IC)，芯体尺寸是32位，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K，带闪存，USB，CAN，7个16位定时器，2个ADC和9个通信接口，能够高速精准的处理采集到的信号.晶振为8MHz的Y1与两个20pF的电容C21、C22连接到单片机的PD0/OSC_IN和PD1/OSC_OUT脚，构成单片机的时钟电路.程序下载利用的是一个十帧的下载器(如图9).

图8 STM32F103RCT6单片机Fig.8 STM32F103RCT6Singlechip图9 十帧下载器 Fig.9 Ten Frame Downloader图10 复位电路Fig.10 Reset Circuit图11 串口通信模块Fig.11 Serial Communication Module

1.3.2 复位电路 本设计选用硬件看门狗芯片SP706构成外部复位电路，如图10所示.

1.3.3 串口通信模块 串口通信模块能够实现单片机将处理过的信号传送给计算机[3].本设计采用的通信方式为RS232通信，运用的芯片为MAX232N，可实现装置与计算机之间的全双工通信，如图11所示.

以上四个模块组合起来，通过单片机进行软件编程，可对外部输入信号进行分析、计算等数字处理.利用RS232通信，可实现单片机处理结果与上位机之间的交互.根据不同的需求，软件部分可完全实现开放性设计实验.

2 实验装置功能介绍

该装置以典型的交直流电信号为载体，通过信号采集、信号调理、模数转换与数据分析处理等功能模块的设计，搭建了一个完善的电子信息系统，具备完善的交直流电信号的计算、分析和处理能力.可以在该系统的各个环节设置面向学生的开放性实验内容.

2.1 实验装置可开设实验举例

2.1.1 基础验证性实验 基础验证型实验是开放性实验的基础，开放性电子技术综合实验装置的基础性实验强调了单科知识在本装置中的作用，因而其基础性实验的内容也是有针对性的，实验装置能开设的基础验证型实验见表1.

表1 基础性实验的内容及目的Tab.1 Content and Purpose of Basic Experiments

2.1.2 开放性实验 开放性实验是开放性电子技术综合实验装置的重要部分，对应于本文的实验装置，基本的开放性实验包括但不限于下述实验：

a)模拟电子技术实验：利用示波器检测各模块的输入输出值，观测电压电流有效值、峰值、平均值，波形的周期、频率、相角差，电路的阻抗、幅频特性与通频带等特征.

b) 数字电子技术实验：经过单片机处理之后的信号即为数字信号，可添加数字电子技术课程中的触发器，译码器，数据选择器，计数器等实验.

c) 单片机实验：经过信号调理电路处理过的模拟信号，传输给单片机进行A/D转换，对单片机进行编程计算单/三相信号之间相位差、功率因数角、功率损耗等，通过RS232串口通信，可以将处理后的数据发送给上位机，并转换为图表的形式，进行下一步的分析与处理.

d) 系统性实验：第四类实验是前三类实验的综合，是具有综合和开放性意义的实验，同学们可以自主设计相关的实验，旨在让同学们形成系统性思维，真正掌握知识的原理及应用方法.

3 实验例程

为了验证装置功能，同时给操作者展示本台装置的使用方法，下文将以三相电能信号的分析为例简要说明一个开放性实验的实验过程.

将电源模块的P3接口处外接220V的交流电源，经电源模块处理后，可给整个实验板供电.具体步骤如下：给三相电压采集模块和电流采集模块接入外界信号后，用示波器测量互感器处理后的波形，观测并记录电信号参数值.已知电压采集模块的输入电压为UA=UB=UC=220V,R8=R9=220k，则电压互感器输入端的输入电流为：

公式(4-1)

已知电压互感器的输入输出端的比例为1∶1，考虑到互感器带负载能力，选用采样电阻R20=100，则采集模块的输出电压为：

Uo=0.176 8 mA×100=0.0176 8V

公式(4-2)

已知滤波器的R=1K,C=0.02 μF，则截止频率为：

公式(4-3)

考虑运放的输入阻抗和放大噪声，以及后续A/D输入范围，选取R31=47 KΩ，R28=10 KΩ，此时运算电路的放大倍数为：

公式(4-4)

调理模块输出的电压信号有效值为：

Uo=AUO=5.7×0.017 68=0.100 76V

公式(4-5)

由于交流采样所需的参考电压1.625V，则电压在运算电路前后的测量值对比如表2所示：

表2 电压进入运算电路前后的电压值Tab.2 Voltage values before and after the voltage enters the circuit 单位：V

电流采集模块的处理与电压采集模块的计算相似，此处不再赘述.

信号调理电路的输出信号送给单片机模块进行A/D采集模块，通过编程可根据实验者需要计算出输入的电压、电流有效值、频率、功率角度等电参数，并利用串口发送给上位机供查询.

4 结语

一种基于工程师思维的开放性电子技术综合实验装置研究，将分立的知识综合成系统，同时具备验证型实验和设计型实验的功能，相较于传统的实验装置，更有助于锻炼学生的知识应用能力.可以通过改变装置的电路、元器件或程序，实现在不同情况下，对不同问题的解决，其开放度和自由度有助于学生建立起工程师思维.但由于时间关系和个人能力所限，装置还有许多不足，比如还可以接入函数发生、通道选择、数据显示模块等，将在后续工作中继续进行完善.