創(chuàng )新型測控傳感器技術(shù)綜合實(shí)驗實(shí)訓平臺

YUYJCS-1113創(chuàng )新型測控傳感器技術(shù)綜合實(shí)驗實(shí)訓平臺

一、創(chuàng )新型測控傳感器技術(shù)綜合實(shí)驗實(shí)訓平臺概述

    1．實(shí)驗平臺能滿(mǎn)足傳感器與檢測技術(shù)課程群的實(shí)驗需求，并且具有占用空間小、掛箱設計規范、互換性強，從基本實(shí)驗到構成完整系統在一臺實(shí)驗裝置上便可以全部實(shí)現。避免了不同課程需要不同實(shí)驗裝置、占用空間大、難以構成完整系統、不方便實(shí)施綜合性和設計型實(shí)驗的麻煩。

    2．能適應不同專(zhuān)業(yè)和不同層次的教學(xué)需要，可按不同需求選擇不同的配置，并可根據用戶(hù)的要求增添實(shí)驗掛箱。

    3．實(shí)驗裝置能完成傳感器與檢測技術(shù)相關(guān)課程實(shí)驗，通過(guò)實(shí)驗能掌握各種傳感器原理、信號處理電路及檢測方法。

    4．傳感器部分：包括壓力、壓電、應變、電容、霍爾、溫度、光敏、氣敏(酒、C0)、電渦流、光纖位移、長(cháng)光柵位移、差動(dòng)變壓器、光電耦合等各種常見(jiàn)傳感器。

    5．檢測部分：利用工業(yè)實(shí)際中廣泛采用的成熟電路完成對各種傳感器信號的拾取、轉換、調理、采樣、存儲、解算、控制及顯示等處理電路，實(shí)驗裝置充分考慮抗干擾及可靠性技術(shù)的應用，學(xué)生可以學(xué)以致用。

    6．通過(guò)使用本實(shí)驗平臺，有利于廣大學(xué)生對書(shū)本知識的理解和深化，在完成傳感器與檢測技術(shù)等一系列基本實(shí)驗后，便能掌握傳感器與檢測技術(shù)課程群所要求的基本原理、操作技能和動(dòng)手能力。若再完成一個(gè)或幾個(gè)綜合型實(shí)驗，則對系統有一個(gè)較為全面的認識，形成基本的解決實(shí)踐問(wèn)題的知識體系。如果能進(jìn)一步完成設計型乃至創(chuàng )新型實(shí)驗，則將形成解決實(shí)踐問(wèn)題的能力和積累解決實(shí)踐問(wèn)題的經(jīng)驗，進(jìn)而培養其創(chuàng )新精神和創(chuàng )新能力。

 二、特點(diǎn)

    1．模塊化設計：采用標準的模塊化設計，增強系統的結構性和互換性。

    2．總線(xiàn)標準：建立統一的內總線(xiàn)和接口約定，以實(shí)現靈活的個(gè)性化配置、擴展和系統管理。

    3．可更換的核心系統：為適應不同廠(chǎng)家的處理器、不同種類(lèi)的處理器，通過(guò)改變系統核心卡來(lái)實(shí)現使用不同家族的單片機或者是不同種類(lèi)的處理器(如MCU、DSP、ARM)等來(lái)組成系統。

4．快速連接線(xiàn)設計：提供三種連線(xiàn)方式

①采用金質(zhì)縮緊孔單線(xiàn)接線(xiàn)；

②采用排線(xiàn)集中接線(xiàn)；

③自動(dòng)免連線(xiàn)模式接線(xiàn)。各模塊在設計時(shí)均融入三種連線(xiàn)方式于設計過(guò)程。

    5．一機多用：采用實(shí)驗現場(chǎng)與實(shí)驗準備室相結合的設計構思，在實(shí)驗裝置上僅配備常用的模塊，在實(shí)驗裝置內放置次常用模塊，在實(shí)驗準備室中放置其他模塊。由此實(shí)現了該實(shí)驗裝置能夠實(shí)現一機多用、便于擴展和綜合的目標。

    6．接近工程實(shí)際：實(shí)驗裝置上采用多種工業(yè)型傳感器，既可以用來(lái)完成傳感器原理、結構與調理電路的教學(xué)，也可以用解決工業(yè)工程和過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題。

    7．學(xué)以致用：構成實(shí)驗裝置中的智能儀器的各模塊，在其設計時(shí)充分體現實(shí)際系統的抗干擾設計技術(shù)和可靠性設計技術(shù)，其核心卡可作為實(shí)際智能儀器的核心單元。實(shí)驗裝置中信號轉換與信號調理電路采用工業(yè)和工程實(shí)際中所采用的成熟電路。實(shí)驗裝置中使用的各種數字信號處理方法，采用典型的也是未來(lái)實(shí)踐系統的數字信號處理手段，具有很強的工程實(shí)用特征。

    8．持續發(fā)展：結合單片機、嵌入式單片、FPGA／CPLD、DSP及ARM知識可以將檢測系統或智能儀器提高到更高的層次。

    9．智能儀器儀表設計：結合工程實(shí)際給出了一個(gè)將常規儀器實(shí)現智能化的實(shí)例。

    1 0．虛擬儀器儀表設計：結合數據采集卡設計虛擬儀器儀表。

    11．研究與創(chuàng )新能力培養：實(shí)驗裝置中選用的幾項綜合型實(shí)驗，是典型的檢測儀表或工業(yè)應用系統的微型化，既能夠使學(xué)習者領(lǐng)略檢測技術(shù)的典型應用和掌握成熟可靠的檢測系統的設計技術(shù)，又是培養和發(fā)揮學(xué)生創(chuàng )新能力、開(kāi)展創(chuàng )新實(shí)驗的實(shí)驗平臺。

    l 2．開(kāi)放式設計：實(shí)驗裝置中的軟、硬件及系統均按照全開(kāi)放的思想進(jìn)行設計，以便于學(xué)生開(kāi)展研究型和創(chuàng )新型的實(shí)驗。

1 3．小知識單元：為每個(gè)模塊均可拆分到該知識層次的小知識單元。

三、適用范圍

實(shí)驗臺主要針對高校大學(xué)生課程設計、畢業(yè)設計和電子設計競賽的開(kāi)發(fā)平臺，體現了靈活、開(kāi)放、創(chuàng )新、綜合、跨領(lǐng)域、跨專(zhuān)業(yè)的設計理念。其功能擴展模塊覆蓋了多個(gè)專(zhuān)業(yè)多門(mén)課程，適合電子類(lèi)、通信類(lèi)、自動(dòng)化類(lèi)、計算機類(lèi)、機電類(lèi)、測控儀器類(lèi)等專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行綜合、創(chuàng )新設計。

四、結構簡(jiǎn)介

本裝置由控制屏，實(shí)驗桌、活動(dòng)掛箱及擴展模塊、實(shí)驗箱組成。實(shí)驗臺美觀(guān)大方，尺寸可選；活動(dòng)掛箱包括CPU掛箱、接口掛箱、對象掛箱、ARM掛箱、DSP掛箱；其功能擴展模塊覆蓋了多個(gè)專(zhuān)業(yè)多門(mén)課程，包含CPU類(lèi)、通用接口類(lèi)、人機界面類(lèi)、信號變換隔離類(lèi)、通信類(lèi)、執行機構類(lèi)、傳感器類(lèi)共40多項。

五、技術(shù)指標

1．輸入電源：?jiǎn)蜗嗳€(xiàn)220V±10％  50Hz

2．工作環(huán)境：溫度10℃～+40℃相對濕度<85％(25℃)  海拔<4000m

3．絕緣電阻：大于3MΩ

4．漏電保護：漏電動(dòng)作電流不大于30mmA，動(dòng)作時(shí)間不大于0．1秒

5．裝置容量：<200VA

6．外形足寸：1620mm×750mm×1600mm，以實(shí)物為準。

六、裝置的配備及技術(shù)性能

本裝置主要由實(shí)驗控制屏和實(shí)驗桌兩部分組成。

 （一）實(shí)驗控制屏

 1電源及保護體系

（1）直流穩壓電源，每套功能配置如下：

①±5V／lA，±12V／1A和±15V／1A各兩路，均具有短路軟截止自動(dòng)恢復保護功能；

②O～3OV／1A連續可調電源一路，具有短路軟截止自動(dòng)恢復保護功能，帶數顯電壓表切換指示；

③0~20mA連續可調恒流源、具有開(kāi)路保護功能，帶數顯指示功能。

（2）實(shí)驗裝置設有漏電保護，控制屏若有漏電現象，漏電流超過(guò)一定值，即切斷電源，對人身安全起到一定的保護。

 2．儀器儀表

1、直流數字電壓表：200mV,2V,20V三檔可調。

2、直流數字電流表：范圍0~200mA，三位半數顯，配合可調恒流源使用。

3、功率函數信號發(fā)生器

●     頻率范圍： 2HZ,20HZ,200HZ,2KHZ,20KHZ,200KHZ,2MHZ，分七檔

●     輸出波形：正弦波、三角波、方波

●     占空比調節：20%~80%

●     輸出電壓幅度：20V_P-P   輸出阻抗：50?

●     5位LED頻率顯示

●     3位LED幅度顯示

●     外測范圍：10MHZ

●    兩檔衰減：20dB,40dB

●    有直流偏置功能

●    有VCF功能

●    有TTL輸出

●    有輸出保護不易損壞

4、低頻振蕩器部分

（1）頻率調節電位器可調振蕩頻率從1Hz～30Hz。

（2）幅度從0-8VP-P連續可調。

5、音頻振蕩器部分

（1）頻率調節電位器可調振蕩頻率從400Hz～10KHz，精度±5%。

（2）幅度可從0-10VP-P連續可調。

6、頻率/轉速表：頻率測量范圍1～9999Hz，轉速測量范圍1～9999rpm；

7、溫度控制器，加熱源：提供一只XMTD3000溫度控制器，可以顯示設定溫度和當前溫度。

8、數據采集卡，配套相應PC機上位軟件，用于電信號的采集、處理、顯示。

 3．傳感器由多種傳感器和信號調理模塊組成

（1）轉動(dòng)源部分：轉動(dòng)源、霍爾傳感器、光電傳感器；應變片稱(chēng)重傳感器；可更換的傳感器：差動(dòng)變壓器傳感器、電容傳感器、渦流傳感器、霍爾位移傳感器、磁電式傳感器、光纖位移傳感器、濕敏傳感器、酒精傳感器。

（2）振動(dòng)源部分：應變片振動(dòng)臺、壓電電傳感器；

（3）氣體壓力傳感器部分：氣壓源、兩氣壓計、氣體壓力傳感器。

（4）熱敏電阻傳感器，熱電偶傳感器，PTl00鉑電阻等。

（5）（選配模塊）長(cháng)光柵位移傳感器部分：長(cháng)光柵位移傳感器；圓光柵角位移部分：光電編碼器，配多功能智能計數器、環(huán)境噪聲傳感器、光照傳感器、色標傳感器、紅外反射式傳感器

    3．實(shí)驗掛箱及實(shí)驗模塊，掛件尺寸：468*330mm

    （1）控制器單元掛箱：配有8051單片機模塊、C8051嵌入式單片機模塊、其他CPU外圍單元、譯碼模塊、和常用接口模塊。

    （2）信號轉換單元掛箱，掛件尺寸：234*330mm

    配有8位并行AD模塊、12位并行AD模塊、8位并行DA模塊、12位并行DA模塊、I／O口擴展模塊、轉換模塊(模塊PCB板尺寸：176*90mm)

    （3）通信與打印機單元掛箱，掛件尺寸：234*330mm

    配有RS232／RS485通信模塊、USB通信模塊，網(wǎng)絡(luò )控制器模塊、CAN總線(xiàn)模塊(模塊PCB板尺寸：176*90mm >)、打印機放在掛箱底板上

    （4）鍵盤(pán)與顯示單元掛箱，掛件尺寸：234*330mm

    配有顯示(靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示、液晶顯示)模塊、16*16點(diǎn)陣顯示模塊、4X4鍵盤(pán)模塊(模塊PCB板尺寸：176*90mm)

    （5）對象控制單元掛箱（一），掛件尺寸：234*330mm

    配備有開(kāi)關(guān)量輸出模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、光耦隔離模塊、繼電器模塊 (模塊PCB板尺寸：176*90mm)

（6）對象控制單元掛箱（二），掛件尺寸：234*330mm

配備有IC卡讀寫(xiě)模塊、步進(jìn)電機模塊、直流小電機模塊、語(yǔ)音處理模塊、交通燈模塊、 PWM調制模塊(模塊PCB板尺寸：176*90mm)

（7）ARM9單元掛箱，掛件尺寸：468*330mm

配有完成ARM9實(shí)驗的基本模塊(核心板ARM9)

（8）信號與系統實(shí)驗掛箱468*330mm

（9）自控原理與計算機控制掛箱模塊（兩塊：一、468*330mm；二、234*330mm）

（10）測控電路實(shí)驗掛箱模塊（兩塊：一、468*330mm；二、234*330mm）

 七、實(shí)驗掛箱具體硬件資源

    1．控制器單元掛箱：掛箱主要用于插接不同的CPU模塊。掛箱上包含了CPU模塊的接口插座和基本實(shí)驗電路及系統擴展電路，可單獨完成大部分的基本實(shí)驗，掛箱上有三個(gè)(40P、40P、20P)扁平電纜接口槽用于和其他掛箱連接。掛箱上的資源如下：  

控制器單元掛箱支持CPU模塊和譯碼模塊：

2.信號轉換單元掛箱：

掛箱上有三個(gè)（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和控制器單元掛箱信號連接。

掛箱支持的模塊：

3．通信與打印機單元掛箱：掛箱上有三個(gè)（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和其他掛箱信號連接，打印機裝在掛箱的底板上。

掛箱支持的模塊：    

4．顯示與鍵盤(pán)單元掛箱：掛箱上有三個(gè)（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和其他掛箱信號連接。

掛箱支持的模塊：

5、對象掛箱(一) ：掛箱上有三個(gè)（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和其他掛箱信號連接。

掛箱支持的模塊：

6、對象掛箱(二) ：掛箱上有三個(gè)（40P、40P、20P）扁平電纜接口槽用于和其他掛箱信號連接。

掛箱支持的模塊：

 7、 ARM9單元掛箱

（1）CPU模塊：（三星S3C2410微處理器，ARM9內核，可穩定運行多種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。）

內存SDRAM：64M。

Flash：8M

標準RS232接口：采用MAX3232電平轉換芯片。

以太網(wǎng)接口：采用的網(wǎng)絡(luò )芯片DM9000和帶有網(wǎng)絡(luò )變壓器的網(wǎng)絡(luò )接口，支持100M以太網(wǎng)。

聲卡：AC97標準UDA1341、音頻輸入、雙聲道mic輸出

USB從接口：采用S3C2410自帶的控制器。

USB從接口：采用S3C2410自帶的控制器。

（2）面板包括資源（標準配置）

直流電機、步進(jìn)電機、LED、8*8LED點(diǎn)陣，4位8段數碼管，鍵盤(pán)單元、A/D轉換單元（板載電位器電壓輸入）、D/A轉換單元、通用SD卡和SMC卡接口單元、IIS接口、4.3寸 TFT真彩液晶屏，分辨率480*272，帶4線(xiàn)電阻式觸摸屏；JTAG接口（20針標準ARM仿真接口），3個(gè)RS232串口，485通信接口，CAN通信接口（帶光電隔離），數字溫度傳感器LM75，I2C EEPROM 24C16 。

（4）選配模塊單元：

GPRS模塊、GSM模塊（可以實(shí)現收發(fā)短信，打電話(huà)等功能）。

DSP擴展模塊

FPGA擴展模塊

射頻卡擴展模塊

ZIGBEE擴展模塊

指紋擴展模塊

USB攝像頭模塊

ARM實(shí)時(shí)仿真器

8、DSP CPU 掛箱: 采用TI公司的TMS320VC5416芯片。

（1）、  主CPU（DICE-5416EVM）模塊：采用TI公司TMS320C5416DSP芯片，該模塊上的資源有。4mbit flash 256k*16bit SRAM  2500 gate CPLD  5416模塊上留有JTAG插口，用戶(hù)可以通過(guò)仿真器和CCS下載程序和進(jìn)行實(shí)驗；

（2）、 圖象、語(yǔ)音AD/DA模塊：語(yǔ)音模塊采用TLC320AD50芯片，抽樣率為22.05k，圖象采用高速AD（TLC5510）和高速的DA（TLC5602）；同時(shí)TLC5510和TLC5602又可做普通的AD、DA

（3）、  通訊模塊：本系統可做串口、并口實(shí)驗，串口實(shí)驗：采用熱門(mén)器件（MAX3111ECWI）來(lái)完成跟計算機的異步通訊，其傳輸速率達230Kbps；并口實(shí)驗：利用并口與DSP的HPI直接實(shí)現跟計算機數據傳輸，其傳輸速率達2Mbps；

（4）、  溫度、電機控制模塊：電機控制模塊自帶一個(gè)閉環(huán)直流電機（12V）和一個(gè)步進(jìn)電機（12V），利用電機控制模塊可做直流電機和步進(jìn)電機控制方面的實(shí)驗，溫度傳感采用流行熱門(mén)器件一線(xiàn)集成溫度傳感器（DS18B20），測溫范圍為－55℃－100℃　精度為9位、12位。

（5）、  信號源模塊：本模塊提供兩路（1Hz－60KHz）信號源，且正弦波的頻率、幅度均可調節，其中還提供兩路信號的混頻電路，為實(shí)時(shí)的濾波算法提供了混頻輸入信號；

（6）、   鍵盤(pán)顯示模塊：本模塊有：1、128*64的圖形點(diǎn)陣液晶屏，利用LCD顯示模塊可做各種圖形、實(shí)時(shí)波形顯示方面的實(shí)驗；2、八位數碼管；3、八個(gè)指示燈；4、八個(gè)按鍵輸入；為實(shí)驗儀提供了基本的輸入、輸出設備。為二次開(kāi)發(fā)提供了豐富的人機界面資源；

八、 裝置的配備表

九、基本實(shí)驗項目

(一)   傳感器實(shí)驗項目

選配模塊實(shí)驗：

(二)單片機實(shí)驗項目

1、MCS-51單片機實(shí)驗項目：

軟件部分實(shí)驗：

硬件部分實(shí)驗：

2．嵌入式單片機(C8051)實(shí)驗

3．DSP實(shí)驗

A、驗證性實(shí)驗

（1）CCS操作實(shí)驗

（2）存儲器實(shí)驗

（3）跑馬燈實(shí)驗

（4）數碼顯示實(shí)驗

（5）硬件中斷實(shí)驗

（6）定時(shí)器實(shí)驗

（7）步進(jìn)電機控制實(shí)驗

（8）DSP同步串口與計算機的串口（RS232）通訊

（9）DSP的HPI與計算機的并口（EPP）通訊

（10）向量相加、減實(shí)驗

（11）矩陣相乘

（12）浮點(diǎn)數到Q15、Q15到浮點(diǎn)數數據轉換

（13）FIR濾波器實(shí)驗

（14）IIR濾波器實(shí)驗

（15）黑白圖像采集實(shí)驗

B、綜合性實(shí)驗：

（16）液晶顯示實(shí)驗

（17）簡(jiǎn)單數字存儲示波器實(shí)驗

（18）同步串口（16位AD、DA）實(shí)驗

（19）HPI接口實(shí)驗

（20）自適應濾波器（DLMS）實(shí)驗

（21）卷積（convole）算法實(shí)驗

（22）自相關(guān)算法

（23）互相關(guān)算法

（24）語(yǔ)音錄、放實(shí)驗

（25）實(shí)時(shí)IIR濾波器實(shí)驗

（26）圖像處理之圖像取反

（27）圖像處理之灰度閾值變換

C、設計性實(shí)驗

（28）直流伺服電機測速控制實(shí)驗

（29）溫度傳感器、液晶顯示實(shí)驗

（30）HPI接口BOOTLOAD實(shí)驗

（31）在線(xiàn)FLASH燒寫(xiě)及16或8位并行自舉

（32）快速傅立葉變換（FFT）算法實(shí)驗

（33）信號采集、存儲、傳輸（PC機與DSP）實(shí)驗

（34）溫度、速度雙閉環(huán)控制電機

（35）鍵盤(pán)輸入液晶顯示實(shí)驗

（36）語(yǔ)音FIR濾波（低通、高通、帶通、帶阻）實(shí)驗

（37）實(shí)時(shí)LMS濾波器實(shí)驗

（38）FFT實(shí)驗

D、創(chuàng )新性實(shí)驗

（39）聲控電機實(shí)驗

（40） 語(yǔ)音G711編碼、解碼實(shí)驗

（41）語(yǔ)音G723編碼、解碼實(shí)驗

（42）圖像處理之灰度窗口變換

（43）圖像處理之對比度增強

（44）YUV彩色圖象處理之圖象取反實(shí)驗

4．ARM9實(shí)驗項目

基礎實(shí)驗：

（1）安裝WINCE并建立開(kāi)發(fā)環(huán)境      

（2） 建立并編譯WIN CE平臺      

（3）WINDOWS CE的燒寫(xiě)   

（4）定制SDK并建立EVC下的開(kāi)發(fā)環(huán)境   

（5）定制增強型內核   

（6）建立宿主機與實(shí)驗箱的連接      

（7）繼電器實(shí)驗   

（8） 蜂鳴器實(shí)驗   

（9）DIP實(shí)驗      

（10）IIC總線(xiàn)—溫度實(shí)驗   

（11） IIC總線(xiàn)—EEPROM實(shí)驗   

（12） IIC總線(xiàn)—DA實(shí)驗    

（13）EXTKEY中斷程序      

（14）GPIO LED實(shí)驗      

（15）LED點(diǎn)陣實(shí)驗      

（16）EVC下的HELLO WORLD實(shí)驗      

（17） 液晶屏壞點(diǎn)測試程序      

（18） 錄音機測試程序      

（19） 簡(jiǎn)單聊天室程序（CE版）      

（20） 視頻點(diǎn)播VOD實(shí)驗 

（21）CEPLAYER播放器實(shí)驗      

（22） 串口通訊測試程序（對話(huà)框版）

擴展實(shí)驗：   

（23）485通訊程序      

（24） GPS實(shí)驗   

（25） 電機實(shí)驗   

（26） 射頻卡實(shí)驗      

（27） 攝像頭圖像采集實(shí)驗      

（28） GPRS實(shí)驗   

（29） ZIGBEE實(shí)驗      

（30） 指紋實(shí)驗   

（31） CAN總線(xiàn)通訊實(shí)驗   

 5．綜合類(lèi)實(shí)驗

6．信號與系統部分

7．自控原理與計算機控制

（1）計算機控制技術(shù)實(shí)驗項目

（2）自動(dòng)控制原理實(shí)驗項目

（3）控制系統實(shí)驗項目

1.直流電機閉環(huán)調速實(shí)驗

2.溫度閉環(huán)控制實(shí)驗

3.步進(jìn)電機調速實(shí)驗

8．測控電路實(shí)驗