劉 瑩, 祝學(xué)云, 范 文

(東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制

劉 瑩, 祝學(xué)云, 范 文

(東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096)

為適應(yīng)工程教育和課程教學(xué)改革的需要,構(gòu)建了檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),設(shè)置了位移檢測6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。硬件:依托傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理后,送入基于Cortex-M3的微處理器模塊進(jìn)行信號(hào)處理和顯示；軟件:采用MDK作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),給出了基本的程序模塊。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)均采用模塊化思想,讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)完整的檢測系統(tǒng),有助于培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

檢測技術(shù)； 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)； 模塊化設(shè)計(jì)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

檢測技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)是信息技術(shù)的重要組成部分；而檢測技術(shù)作為信息獲取與轉(zhuǎn)換的主要手段,更是廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、國防和科研等各個(gè)領(lǐng)域,已成為工科院校機(jī)電類、電子信息類專業(yè)的必修專業(yè)課程[1]。

自20世紀(jì)80年代起,檢測技術(shù)課程已作為東南大學(xué)測控技術(shù)及儀器專業(yè)和自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課。其中,檢測技術(shù)課程面向工程應(yīng)用,講授常用工程量的檢測原理、方法與技術(shù),智能化檢測系統(tǒng)的信號(hào)處理技術(shù)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,內(nèi)容由點(diǎn)到面、由分立技術(shù)到完整系統(tǒng),是最能體現(xiàn)專業(yè)特色、具有高度綜合性和實(shí)踐性的專業(yè)方向課[2-3]。該課程的特點(diǎn)決定了課程教學(xué)必須堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合,要在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),鍛煉和提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力[4-8]。為此,東南大學(xué)測控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化等專業(yè)根據(jù)專業(yè)課程的特點(diǎn),對現(xiàn)有的檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了教學(xué)改革[9-10]。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

東南大學(xué)的檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)一直沿用2000年由儀器科學(xué)與工程學(xué)院研制的XYZ22型儀器作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[11]。該平臺(tái)傳感器輸出的信號(hào)只能經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后直接用電壓表或示波器測量,缺少使用微處理器對其進(jìn)行信號(hào)處理的環(huán)節(jié),不能構(gòu)成完整的智能化檢測系統(tǒng),并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備較為老舊,損壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重。因此,筆者依托傳感器平臺(tái),設(shè)計(jì)了用戶接口板,將傳感器信號(hào)送入微處理器模塊進(jìn)行信號(hào)處理,開發(fā)了設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型智能化檢測(系統(tǒng))技術(shù)實(shí)驗(yàn)。檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

傳感器平臺(tái)為CSY-3000型傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái),包含直流電源、溫度源、轉(zhuǎn)動(dòng)源、振動(dòng)源和26個(gè)傳感器,能夠提供位移、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等測量信號(hào)。通常測量一種物理量可以通過多種傳感器實(shí)現(xiàn),比如測量位移時(shí),可以選擇電容式位移傳感器、霍爾式位移傳感器或者電渦流傳感器,學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,可通過分析對比,自主選擇實(shí)驗(yàn)用傳感器。

由于傳感器輸出的是相當(dāng)小的電壓、電流信號(hào)或電阻變化,需要將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后送入微處理器模塊處理。筆者結(jié)合實(shí)際需求設(shè)計(jì)了基本放大電路、儀器放大器、衰減電路、濾波電路等4個(gè)獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理模塊。學(xué)生可自主分析傳感器輸出信號(hào)的特性,獨(dú)立選擇所需模塊,搭建設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的硬件系統(tǒng)。

微處理器模塊使用的微處理器為STM32F103RCT6。STM32系列微處理器基于ARM Cortex-M3內(nèi)核,專用于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)[12]。與教學(xué)中常用的MCS-51系列單片機(jī)相比,STM32系列微處理器的片上資源十分豐富。STM32F103RCT6微處理器擁有51個(gè)輸入/輸出引腳,內(nèi)置DMA、PWM(電機(jī)控制)以及POR/PDR(上電/斷電復(fù)位)、PVD(可編程電壓監(jiān)測器)、WDT(watchdog,看門狗定時(shí)器)、ADC(2個(gè)12位)、溫度傳感器等外圍設(shè)備,具有CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB等9個(gè)通信接口；內(nèi)置Flash 256KB(×8)、SRAM 48KB(×8)。其中12位的ADC完全可以滿足課程實(shí)驗(yàn)的精度要求,因而不需要外部擴(kuò)展ADC芯片。TFT彩色液晶屏采用S6D0144液晶模塊,面板尺寸為1.77英寸,分辨率為128×160；矩陣鍵盤采用6×4的小鍵盤；JTAG接口用于接駁JTAG仿真器；USB接口用于供電。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Keil公司開發(fā)的ARM開發(fā)工具M(jìn)DK(microcontroller development kit)。MDK包含了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Keil C編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實(shí)時(shí)內(nèi)核等組件,支持所有基于ARM的設(shè)備,集編輯、編譯、仿真等于一體。而且MDK界面友好,和常用的微軟VC++的界面相似,而VC++對于學(xué)生來說易學(xué)易用。由于該軟件功能強(qiáng)大,對嵌入式處理器覆蓋全面,因此對學(xué)生的課外研學(xué)和創(chuàng)新實(shí)踐很有幫助。

為了使學(xué)生能夠盡快熟悉MDK,首先布置學(xué)生完成一些基本的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),包括鍵盤掃描和數(shù)碼管顯示、TFT彩屏顯示、數(shù)字濾波、非線性校正、標(biāo)度變化和模數(shù)轉(zhuǎn)換等。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都給出相應(yīng)的程序例程、程序注釋及程序流程圖。另外,由于彩屏顯示需要字模,還介紹了生成字模的流程、取模方式和字模的具體應(yīng)用?？傮w上,軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì),由淺入深、循序漸進(jìn),幫助學(xué)生快速入門STM32,訓(xùn)練和提高學(xué)生在軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試方面的能力。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置

設(shè)計(jì)了位移檢測、質(zhì)量檢測、壓力檢測、溫度檢測、轉(zhuǎn)速檢測和振動(dòng)檢測等6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(見圖2),對學(xué)生僅提供以上所介紹的各個(gè)硬件模塊和軟件例程。每2個(gè)學(xué)生為一組,選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容自主完成檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

圖2 檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中首先要掌握傳感器的基本原理和傳感器輸出信號(hào)的特性,然后在此基礎(chǔ)上選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路,設(shè)計(jì)電路參數(shù),使得模擬量輸出為0～3.3 V,以便微處理器模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

3.2 典型實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)的操作過程設(shè)置盡量接近實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試過程,學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后,能夠獨(dú)立進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試。以質(zhì)量檢測實(shí)驗(yàn)為例,其實(shí)驗(yàn)具體步驟如下。

(1) 傳感器選擇。傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了金屬箔式應(yīng)變片傳感器和硅壓阻式壓力傳感器兩種傳感器模塊。兩種傳感器都能夠?qū)毫ψ兓D(zhuǎn)換為電阻變化,但由于金屬箔式應(yīng)變片傳感器靜態(tài)測量精度和使用可靠性較高,非常適合應(yīng)用于測力系統(tǒng),是工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的測力傳感器。因此本實(shí)驗(yàn)建議選擇金屬箔式應(yīng)變片傳感器。

(2) 信號(hào)調(diào)理電路選擇。測量質(zhì)量可以通過金屬箔式應(yīng)變片構(gòu)成單臂電橋、半臂電橋或全臂電橋電路實(shí)現(xiàn)。其中全臂電橋電路四臂差動(dòng)工作,靈敏度分別是半臂電橋的2倍和單臂電橋的4倍,而且消除了非線性誤差,還能有效地補(bǔ)償溫度誤差。對于橋路電壓的放大,一般采用儀器放大器實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)建議選擇應(yīng)變片全橋和儀器放大器作為信號(hào)調(diào)理電路。

(3) 硬件模塊的連接與調(diào)試。將電橋、儀器放大器分別調(diào)零,然后將電橋的輸出信號(hào)作為儀器放大器的輸入信號(hào),再根據(jù)滿量程調(diào)節(jié)儀器放大器的增益。調(diào)節(jié)儀器放大器的增益電位器,滿量程時(shí)輸出電壓不超過A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入3.3 V,同時(shí)為了減小后端ADC的量化誤差,最好接近3.3 V。最后連接各硬件模塊,將放大后的信號(hào)送入微處理器的ADC轉(zhuǎn)換通道。

(4) 軟件設(shè)計(jì)。編制程序,將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并用TFT彩色液晶屏顯示。主程序流程圖見圖3。質(zhì)量的計(jì)算是通過對該質(zhì)量檢測系統(tǒng)進(jìn)行非線性校正與標(biāo)度變換而獲得的。在應(yīng)變傳感器的托盤上分別放置1～10個(gè)20 g的砝碼,讀取A/D轉(zhuǎn)換值,利用Matlab對這10組數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合,得到質(zhì)量的計(jì)算公式。由于是靜態(tài)測量質(zhì)量,數(shù)字濾波采用去極值平均濾波,連續(xù)采樣n次后(建議4次或6次),去除其中的最大值和最小值,剩余的采樣值求平均。

圖3 質(zhì)量檢測主程序流程圖

(5) 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算質(zhì)量檢測系統(tǒng)的非線性誤差,分析誤差產(chǎn)生的原因。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合工程教育和課程改革,將檢測技術(shù)以及微處理器應(yīng)用、傳感器應(yīng)用、軟件設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)融合起來,構(gòu)建了設(shè)計(jì)型檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)型檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)均采用模塊化思想,培養(yǎng)了學(xué)生模塊化設(shè)計(jì)的工程思想與實(shí)踐能力。在實(shí)驗(yàn)中,小組內(nèi)學(xué)生分工協(xié)作,鍛煉了學(xué)生的組織管理和團(tuán)隊(duì)合作能力。實(shí)驗(yàn)設(shè)置具有實(shí)用性和趣味性,學(xué)生能夠在創(chuàng)新實(shí)踐中充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性,實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源也得到了充分的利用[13]。

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Development of designing experimental system for Detecting Technology course

Liu Ying, Zhu Xueyun, Fan Wen

(Department of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

In order to adapt to the needs of engineering education and teaching reform,a designing experimental system for Detecting Technology course is developed and six experimental projects are set up. For hardware,relying on the sensor experimental platform,the signal is processed and displayed using microprocessor module which is based on Cortex-M3,after signal conditioning. For software,MDK is used as experimental platform,and some common programs are presented. The design of software and hardware is modularized,and the students design a whole detection system independently which is helpful for cultivating engineering practice and innovation ability.

detecting technology; designing experiment; block-based design; experimental teaching reform

2014- 11- 26

東南大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2013-115)

劉瑩(1987—),女,江蘇徐州,碩士,助理工程師,主要研究方向?yàn)闇y控系統(tǒng)與智能儀器.

E-mail：liuyingseu@seu.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2015)6- 0137- 02