測(cè)控專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

裴九芳, 許德章, 王 海

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000)

測(cè)控專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

裴九芳, 許德章, 王 海

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000)

針對(duì)目前測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)培養(yǎng)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺少系統(tǒng)性、模塊化和開(kāi)放性等問(wèn)題,提出以專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)依據(jù),以信號(hào)獲取、信號(hào)采集和處理、接口及驅(qū)動(dòng)控制為3條主線,構(gòu)建了綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的思路和方法,并給出具體的實(shí)現(xiàn)框架,最后通過(guò)列舉詳細(xì)實(shí)驗(yàn)范例的設(shè)計(jì)過(guò)程和特點(diǎn),突出綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可行性和實(shí)用性。

綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái); 培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn); 測(cè)控技術(shù)與儀器

測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)是典型的機(jī)、光、電、計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合的專業(yè),對(duì)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和綜合設(shè)計(jì)能力要求非常高[1-3]。當(dāng)前,與某一門課程相結(jié)合的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),由于缺乏綜合性、內(nèi)容陳舊重復(fù),學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中的收獲非常有限,不能滿足實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)目標(biāo)的要求。綜合性實(shí)驗(yàn)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技能和方法的綜合訓(xùn)練,其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)及多門課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn),是從根本上提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合分析能力的有效方式[4-5]。

從知識(shí)的綜合性考慮,完整的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的工程訓(xùn)練更多。然而,一套完成的測(cè)試系統(tǒng)若是完全讓學(xué)生自己搭建完成,2周的時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的(培養(yǎng)計(jì)劃中,綜合性實(shí)驗(yàn)是2周時(shí)間)。

隨著控制技術(shù)的發(fā)展,尤其是測(cè)試技術(shù)中很多硬件功能和軟件功能的模塊化,使得短期內(nèi)搭建一整套測(cè)試系統(tǒng)變成可能[6]。例如信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)等有許多可供直接選用的線性模塊,A/D采集卡或采集模塊廠家都自備了例程可供參考,單片機(jī)等開(kāi)發(fā)板都設(shè)置了各種接口,輸出驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)繼電器、光耦、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等都有模塊可供選擇,軟件平臺(tái)也日趨簡(jiǎn)單化,只要調(diào)用一些函數(shù),功能即可實(shí)現(xiàn),這些都大大簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。學(xué)生只要方案正確、技術(shù)可行,搭建系統(tǒng)就非常簡(jiǎn)單明了,需要耗時(shí)的工作就是硬件調(diào)試、編程實(shí)現(xiàn)功能,然后進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)試即可,這就為學(xué)生2周完成一個(gè)完整的綜合性實(shí)驗(yàn)提供保證。

為了更有效地開(kāi)展綜合性實(shí)驗(yàn),本文結(jié)合安徽工程大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和完善。我校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)是以信號(hào)獲取、信號(hào)采集與處理以及信號(hào)的顯示與控制為主線,要求學(xué)生掌握測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)獲取的常用理論與方法,能夠進(jìn)行常用傳感器的選擇、設(shè)計(jì)與維護(hù)；掌握測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)采集與處理的理論與方法,能夠正確選用采集裝置進(jìn)行不同信號(hào)的采集,能夠?qū)y(cè)控信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析、處理與顯示；掌握測(cè)控系統(tǒng)的控制技術(shù),控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)組成的零部件的選擇、調(diào)試和維護(hù),能夠掌握總線技術(shù),能夠利用總線搭建控制系統(tǒng)；掌握電機(jī)、電器、拖動(dòng)控制等原理,具備初步分析、處理與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力。

本文遵循信號(hào)獲取、信號(hào)采集和處理、接口及驅(qū)動(dòng)控制3條主線,以模塊化的硬件選擇為基礎(chǔ),從選題、平臺(tái)設(shè)計(jì)框架及具體的實(shí)驗(yàn)范例,詳細(xì)敘述了構(gòu)建綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法和步驟。

1 綜合性實(shí)驗(yàn)選題和設(shè)計(jì)框架

選題的合適與否直接關(guān)系到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?關(guān)系實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量,所以選好課題是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。課題選擇過(guò)小或過(guò)于簡(jiǎn)單,難以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力,而課題選擇過(guò)大或過(guò)難,超出學(xué)生的能力范圍,也會(huì)使學(xué)生喪失信心,容易放棄。選題原則是依據(jù)教學(xué)大綱的要求,兼顧學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì),以學(xué)生已經(jīng)掌握的基本知識(shí)為基礎(chǔ),可有適當(dāng)?shù)膬?nèi)容高于學(xué)生所學(xué)知識(shí),要有利于系統(tǒng)化和實(shí)用化所學(xué)知識(shí),有利于啟發(fā)學(xué)生思考和探索學(xué)科理論知識(shí)為宜[6-8]。

我校測(cè)控專業(yè)主要課程包括傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、測(cè)試信號(hào)與處理、誤差及數(shù)據(jù)處理、測(cè)控電路、虛擬儀器技術(shù)、測(cè)控總線技術(shù)、機(jī)電設(shè)備PLC控制等。為了使實(shí)驗(yàn)包含大部分課程內(nèi)容,首選一個(gè)完整的測(cè)控系統(tǒng)。根據(jù)具體的課題要求,針對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行采集和處理。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

圖1 綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)框架

教師布置的課題設(shè)計(jì)任務(wù)依據(jù)以下原則進(jìn)行:指明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)即系統(tǒng)的精度問(wèn)題；課題選擇具有一定的理論性，能反映課程學(xué)習(xí)的相關(guān)理論內(nèi)容,尤其是需要進(jìn)行一定的理論分析為宜；要有趣味性，讓學(xué)生感興趣,從中獲得成就感,這樣教師指導(dǎo)也省力。 綜合性實(shí)驗(yàn)的時(shí)間安排為2周。

2 實(shí)驗(yàn)范例

實(shí)驗(yàn)名稱：某油箱電阻測(cè)量與報(bào)警顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)。下面給出具體的實(shí)驗(yàn)范例來(lái)解析綜合性實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的思路、方法和特點(diǎn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1) 掌握一般測(cè)試系統(tǒng)建立的步驟和方法；

(2) 正確選擇和安裝傳感器,掌握傳感器的工作原理和使用；

(3) 掌握電阻信號(hào)采集與處理的理論與方法,能夠正確選用和設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊；

(4) 掌握電平轉(zhuǎn)換原理,能設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換模塊；

(5) 掌握光耦和繼電器驅(qū)動(dòng)原理,能正確設(shè)計(jì)和使用繼電器模塊對(duì)報(bào)警模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制；

(6) 正確編制系統(tǒng)軟件,實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和處理、顯示的功能;

(7) 能利用最小二乘法對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差處理和標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)所需精度要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

油箱電阻是評(píng)價(jià)汽車油箱是否合格的重要依據(jù)。當(dāng)空油位時(shí)其正常電阻為180 Ω±4 Ω；當(dāng)滿油位時(shí)正常電阻為20 Ω±4 Ω,上油過(guò)程中,電阻由高阻值向低阻值變化,如果電阻不處于正常范圍,則表明汽車油箱不合格。

系統(tǒng)要求能實(shí)時(shí)顯示電阻值的大小,精度要求為±0.1 Ω,并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存；能進(jìn)行空油位和滿油位的阻值檢測(cè)和報(bào)警,如果超出正常范圍,則聲光報(bào)警提示；能利用已有的工控信號(hào),如啟動(dòng)信號(hào)、夾緊信號(hào)、到位信號(hào)等工控信號(hào)對(duì)空油位和滿油位進(jìn)行檢測(cè)和判斷。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電阻箱、電阻-電壓轉(zhuǎn)換模塊、開(kāi)關(guān)量、USB采集卡、繼電器模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警燈,虛擬儀器平臺(tái)等,根據(jù)課題需要由學(xué)生自行選擇。

2.4 方案分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,此設(shè)計(jì)要求將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),然后利用主控系統(tǒng)采集電壓信號(hào),并顯示和報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.4.1 確定A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)

影響系統(tǒng)的精度主要是A/D轉(zhuǎn)換的精度,此系統(tǒng)的測(cè)量范圍為16～184 Ω,為考慮后續(xù)不同油箱空油位阻值的大小可能稍大于這個(gè)范圍,選定測(cè)量范圍為0～250Ω,而要求測(cè)量精度為±0.2Ω,則有:

市場(chǎng)上的A/D轉(zhuǎn)換主要是8位、12位和16位,因此選定A/D轉(zhuǎn)換N=12。

2.4.2 電阻-電壓轉(zhuǎn)換

為保證電阻-電壓轉(zhuǎn)換的線性,可設(shè)計(jì)一恒流源。恒流源設(shè)計(jì)方案很多,可采用三極管、運(yùn)放以及電源模塊進(jìn)行,而市場(chǎng)上電位計(jì)變送器已經(jīng)模塊化,精度和穩(wěn)定性更好,所以直接選用電位計(jì)變送器一入一出,輸入范圍為0～250 Ω,輸出電壓為0～10 V。

2.4.3 信號(hào)采集卡

由于系統(tǒng)要求進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),所以選擇以PC機(jī)為主控制器的控制系統(tǒng)更加方便?？紤]調(diào)試方便,需要USB總線的采集卡。專業(yè)差動(dòng)形式、可調(diào)量程的采集卡價(jià)格都較高,本系統(tǒng)測(cè)量范圍不大,精度一般,需要2個(gè)輸入、1個(gè)輸出I/O,A/D精度不少于12,考慮系統(tǒng)的性價(jià)比,所以選用武漢亞為電子科技有限公司的USB采集卡USB ADIO4,此采集卡具有2路AI,2路DI,2路DO(可驅(qū)動(dòng)3.3 V繼電器),5 V電源輸出2路。此卡價(jià)格便宜,作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)非常適合,模擬信號(hào)采用單端形式,會(huì)引入一定的噪聲。

2.4.4 數(shù)字輸入、輸出信號(hào)

為了判斷油位的高低,采集夾緊信號(hào)和到位信號(hào)2個(gè)信號(hào)即可。夾緊信號(hào)、到位信號(hào)是24 V工控信號(hào),采集卡的輸入為3.3 V電壓信號(hào),所以需要3.3 V電源和電平轉(zhuǎn)換。

為了進(jìn)行聲光報(bào)警,根據(jù)系統(tǒng)要求,當(dāng)電阻異常時(shí),需要報(bào)警提示,所以利用1路DO信號(hào),報(bào)警燈供電電壓是24 V,故需要繼電器驅(qū)動(dòng)控制。

為了將工控信號(hào)和此系統(tǒng)隔離,廣泛采用光耦+繼電器模塊的方式,根據(jù)電平轉(zhuǎn)換要求,本系統(tǒng)共需要2個(gè)24 V繼電器模塊和1個(gè)3.3 V繼電器模塊。

所設(shè)計(jì)的硬件電路見(jiàn)圖3。

圖3 硬件電路

2.4.5 信號(hào)顯示及數(shù)據(jù)保存

控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)可選擇VB、VC++、LabVIEW等,考慮綜合性實(shí)驗(yàn)的時(shí)間緊,實(shí)驗(yàn)室配有LabVIEW軟件,為了編程方便,選用LabVIEW語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),界面直觀、友好,對(duì)編程也要求不高,是進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)非常好的平臺(tái)[9-12]。

2.5 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)好程序,需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定裝置采用0～10 000 Ω的電阻箱,精度為0.1%,滿足標(biāo)定要求。依次采集電阻箱數(shù)據(jù),得出采集裝置的線性度曲線，如圖4所示,絕對(duì)誤差分布曲線如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)的線性度曲線

圖5 系統(tǒng)絕對(duì)誤差分布曲線

由圖5可看出,隨著電阻的增大,絕對(duì)誤差增大,誤差最大接近10 Ω,與系統(tǒng)精度要求相距甚遠(yuǎn)；而且從分布曲線上看,具有非線性的特點(diǎn),所以需要對(duì)曲線進(jìn)行擬合。根據(jù)誤差曲線分布,擬合方法兼顧精度和實(shí)時(shí)運(yùn)算速度,采用二次多項(xiàng)式擬合,即求得y=a0+a1x+a2x2中的3個(gè)常數(shù)a0、a1、a2。

由于數(shù)據(jù)量大,采用軟件程序進(jìn)行擬合,利用最小二乘法算法,擬合結(jié)果如圖6所示。其中得出的多項(xiàng)式系數(shù)分別為:a0=0.612 68,a1=1.006 6,a2=0.000 145,即標(biāo)定方程為

y=0.612 68+1.006 6x+0.000 145x2

系統(tǒng)的殘差為0.005 143 1。擬合后系統(tǒng)的絕對(duì)誤差分布如圖7所示。

圖6 最小二乘法擬合結(jié)果

圖7 擬合后的絕對(duì)誤差曲線

從圖7可以看出,當(dāng)電阻為0～2 Ω時(shí)誤差較大,最大為0.95 Ω,其他的誤差均不大于±0.1Ω。由于0～1 Ω電阻值不在測(cè)量范圍內(nèi),對(duì)測(cè)量無(wú)影響,所以系統(tǒng)整體滿足系統(tǒng)要求。

2.6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)硬件連接和軟件界面如圖8所示,系統(tǒng)測(cè)試滿足系統(tǒng)要求,至此完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖8 系統(tǒng)的軟件界面和硬件連接

3 綜合性實(shí)驗(yàn)效果及體會(huì)

(1) 學(xué)生的興趣大,積極性很高,有利于將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力。由于此實(shí)驗(yàn)的選題大都與社會(huì)的發(fā)展緊密結(jié)合,如智能家居、智能監(jiān)護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等內(nèi)容,并且整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)從設(shè)計(jì)方案、測(cè)試、實(shí)驗(yàn)及標(biāo)定等都由小組(2～4人)成員共同完成,由組長(zhǎng)統(tǒng)一分配任務(wù)和協(xié)調(diào)管理,大大激發(fā)了學(xué)生的積極性和熱情。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用到相關(guān)理論知識(shí),是對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固和理解,促進(jìn)了知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。很多學(xué)生感慨:這2周重新認(rèn)識(shí)了專業(yè)！

(2) 實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力。由學(xué)生協(xié)作設(shè)計(jì)方案、編寫應(yīng)用程序,完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù),整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的主動(dòng)權(quán)都交給學(xué)生,他們需要積極思考和分析才能夠完成任務(wù),并且整個(gè)實(shí)驗(yàn)搭建都需要學(xué)生親自動(dòng)手完成,使得既動(dòng)手又動(dòng)腦,培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力。

(3) 實(shí)驗(yàn)管理過(guò)程嚴(yán)格,指導(dǎo)要及時(shí)。為促進(jìn)學(xué)生更好地完成實(shí)驗(yàn),需要一些管理制度作為保障。如實(shí)驗(yàn)的考核,整個(gè)專業(yè)教師共同參加,以實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成情況為依據(jù),實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作考核完成,這就避免了少數(shù)學(xué)生想偷懶的想法。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生或多或少都有各種各樣的問(wèn)題,尤其是剛開(kāi)始的3天時(shí)間,問(wèn)題非常多。指導(dǎo)教師需要及時(shí)地給予指導(dǎo),有利于實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉缙诘赝瓿伞?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

以專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),是以明確目的為導(dǎo)向的培養(yǎng)方式。本文以信號(hào)獲取、信號(hào)采集和處理、接口及驅(qū)動(dòng)控制為3條主線,以全面提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力為目標(biāo),強(qiáng)化選題、積極指導(dǎo)、嚴(yán)格考核的機(jī)制保證了綜合性實(shí)驗(yàn)有效地開(kāi)展,突出了我院測(cè)試技術(shù)與儀器專業(yè)的專業(yè)特色。經(jīng)過(guò)幾年的摸索和實(shí)踐,學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力顯著提高,大大提高了知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化的效率。

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[12] 徐冰, 陳俊君. 基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù), 2015(11):73-76.

Design and practice of comprehensive experimental platform for measurement and control majors

Pei Jiufang， Xu Dezhang， Wang Hai

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Anhui Engineering University, Wuhu 241000, China)

Regarding the current problems in the experimental teaching such as the lack of systematicness, modularity and openness during the training process for Measurement and Control Technology and Instrumentation major, three main lines of signal acquisition, acquisition of signal and processing, interface and driver control are proposed as the professional training standards, and the ideas and methods to construct a comprehensive experimental platform are discussed. The specific implementation framework is worked out, and finally based on a detailed example of the experimental design process and its characteristics, the feasibility and practicability of this comprehensive experimental platform are highlighted.

comprehensive experimental platform; training standard; measurement and control technology and instrumentation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.020

2016-07-29

安徽省高等教育振興計(jì)劃重大教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2015zdjy089);2011年安徽省級(jí)特色專業(yè)，校教研項(xiàng)目(2014jyxm69);校優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2013RZR001ZD)

裴九芳(1980—)，女，安徽寧國(guó)，碩士，副教授，研究方向?yàn)闇y(cè)試技術(shù).

E-mail：jfpei@ahpu.edu.cn

TP273;G484

: A

: 1002-4956(2016)12-0075-05