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2024年1月23日

創(chuàng)新型測控傳感器技術綜合實驗實訓裝置,創(chuàng)新型測控傳感器技術綜合實驗實訓平臺

SBJCS-1113型創(chuàng)新型測控傳感器技術綜合實驗實訓平臺

一、概述

1．創(chuàng)新型測控傳感器技術綜合實驗實訓平臺能滿足傳感器與檢測技術課程群的實驗需求，并且具有占用空間小、掛箱設計規(guī)范、互換性強，從基本實驗到構成完整系統在一臺實驗裝置上便可以全部實現。避免了不同課程需要不同實驗裝置、占用空間大、難以構成完整系統、不方便實施綜合性和設計型實驗的麻煩。

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

3．實驗裝置能完成傳感器與檢測技術相關課程實驗，通過實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、長光柵位移、差動變壓器、光電耦合等各種常見傳感器。

5．檢測部分：利用工業(yè)實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，實驗裝置充分考慮抗干擾及可靠性技術的應用，學生可以學以致用。

6．通過使用本實驗平臺，有利于廣大學生對書本知識的理解和深化，在完成傳感器與檢測技術等一系列基本實驗后，便能掌握傳感器與檢測技術課程群所要求的基本原理、操作技能和動手能力。若再完成一個或幾個綜合型實驗，則對系統有一個較為全面的認識，形成基本的解決實踐問題的知識體系。如果能進一步完成設計型乃至創(chuàng)新型實驗，則將形成解決實踐問題的能力和積累解決實踐問題的經驗，進而培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

二、特點

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．總線標準：建立統一的內總線和接口約定，以實現最靈活的個性化配置、擴展和系統管理。

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

4．快速連接線設計：提供三種連線方式

①采用金質縮緊孔單線接線；

②采用排線集中接線；

③自動免連線模式接線。各模塊在設計時均融入三種連線方式于設計過程。

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

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

7．學以致用：構成實驗裝置中的智能儀器的各模塊，在其設計時充分體現實際系統的抗干擾設計技術和可靠性設計技術，其核心卡可作為實際智能儀器的核心單元。實驗裝置中信號轉換與信號調理電路采用工業(yè)和工程實際中所采用的成熟電路。實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實踐系統首選的數字信號處理手段，具有很強的工程實用特征。

8．持續(xù)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：結合工程實際給出了一個將常規(guī)儀器實現智能化的實例。

10．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(yǎng)：實驗裝置中選用的幾項綜合型實驗，是典型的檢測儀表或工業(yè)應用系統的微型化，既能夠使學習者領略檢測技術的典型應用和掌握成熟可靠的檢測系統的設計技術，又是培養(yǎng)和發(fā)揮學生創(chuàng)新能力、開展創(chuàng)新實驗的實驗平臺。

l2．開放式設計：實驗裝置中的軟、硬件及系統均按照全開放的思想進行設計，以便于學生開展研究型和創(chuàng)新型的實驗。

13．最小知識單元：為每個模塊均可拆分到該知識層次的最小知識單元。

三、適用范圍

實驗臺主要針對高校大學生課程設計、畢業(yè)設計和電子設計競賽的開發(fā)平臺，體現了靈活、開放、創(chuàng)新、綜合、跨領域、跨專業(yè)的設計理念。其功能擴展模塊覆蓋了多個專業(yè)多門課程，適合電子類、通信類、自動化類、計算機類、機電類、測控儀器類等專業(yè)的學生進行綜合、創(chuàng)新設計。

四、結構簡介

創(chuàng)新型測控/傳感器技術綜合實驗實訓裝置由控制屏，實驗桌、活動掛箱及擴展模塊、實驗箱組成。實驗臺美觀大方，尺寸可選；活動掛箱包括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專業(yè)多門課程，包含CPU類、通用接口類、人機界面類、信號變換隔離類、通信類、執(zhí)行機構類、傳感器類共40多項。

五、創(chuàng)新型測控/傳感器技術綜合實驗實訓平臺技術指標

1．輸入電源：單相三線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：漏電動作電流不大于30mmA，動作時間不大于0．1秒

5．裝置容量：<200VA

6．外形足寸：1620mm×750mm×1600mm，以實物為準。

六、創(chuàng)新型測控/傳感器技術綜合實驗實訓裝置的配備及技術性能

創(chuàng)新型測控/傳感器技術綜合實驗實訓裝置主要由實驗控制屏和實驗桌兩部分組成。

（一）實驗控制屏

A.電源及保護體系

（1）直流穩(wěn)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恢復保護功能；

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

③0~20mA連續(xù)可調恒流源、具有開路保護功能，帶數顯指示功能。

（2）實驗裝置設有漏電保護，控制屏若有漏電現象，漏電流超過一定值，即切斷電源，對人身安全起到一定的保護。

B．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(jié)：20%~80%

● 輸出電壓幅度：20VP-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(jié)電位器可調振蕩頻率從1Hz～30Hz。

（2）幅度從0-8VP-P連續(xù)可調。

5、音頻振蕩器部分

（1）頻率調節(jié)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(xù)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。

C．傳感器由多種傳感器和信號調理模塊組成

（1）轉動源部分：轉動源、霍爾傳感器、光電傳感器；應變片稱重傳感器；可更換的傳感器：差動變壓器傳感器、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）振動源部分：應變片振動臺、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）長光柵位移傳感器部分：長光柵位移傳感器；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

D.嵌入式多功能網絡虛擬儀器（不需電腦配合使用）：

A、終端部分采用7寸彩色觸摸屏（裝學生實驗屏上）同時配有虛擬示波器、虛擬邏輯分折儀、虛擬頻譜儀、虛擬三用表、虛擬數字量輸入輸出模塊。

B、參數：

1）、雙蹤存貯示波器，多種同步方式，存貯深度可編程；

通道數：2路

帶寬：20MHZ

分辨率：8位

電壓范圍：-10~+10V

存貯深度：64K

2）、雙通道頻譜分折儀；

3）、數字三用表，可測電阻、電流、電壓等；

數字IO口

通道數：8路IO

輸入電平：TTL

輸出電平：TTL

電流驅動：20mA/通道

4）、四路智能遠程電源控制

5）、數據具有上傳與保存功能并能通過服務器顯示

E．實驗掛箱及實驗模塊，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，網絡控制器模塊、CAN總線模塊(模塊PCB板尺寸：176*90mm >)、打印機放在掛箱底板上

（4）鍵盤與顯示單元掛箱，掛件尺寸：234*330mm

配有顯示(靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、液晶顯示)模塊、16*16點陣顯示模塊、4X4鍵盤模塊(模塊PCB板尺寸：176*90mm)

（5）對象控制單元掛箱（一），掛件尺寸：234*330mm

配備有開關量輸出模塊、開關量輸入模塊、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卡讀寫模塊、步進電機模塊、直流小電機模塊、語音處理模塊、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實驗的基本模塊(核心板ARM9)

（8）信號與系統實驗掛箱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）測控電路實驗掛箱模塊（兩塊：一、468*330mm；二、234*330mm）

七、實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驗電路及系統擴展電路，可單獨完成大部分的基本實驗，掛箱上有三個(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：

（1）8155接口模塊

（2）8255接口模塊

（3）8279鍵盤顯示接口模塊

（4）8253可編程定時器模塊

（5）硬件看門狗電路模塊

（6） I2C EEROM模塊

（7）8250模塊

（8）8251模塊

（9）I2C存儲器模塊

（10）I2C時鐘模塊

（11）單次脈沖模塊

（12）93C46串行EEPROM模塊

（13）紅外線收發(fā)模塊

（14）DS18B20數字溫度傳感器模塊

（15）開關量輸入模塊

（16）關量輸出模塊控制器單元掛箱支持CPU模塊和譯碼模塊：

模塊名稱	功能指標
51系列CPU模塊	支持80C31、80C51，含32K SRAM、64K ROM組成數據總線、地址總線和控制總線
Cygnal51CPU模塊	采用美國Cygnal公司的嵌入式單片機C8051F020芯片，含32K SRAM，組成數據總線、地址總線和控制總線
譯碼模塊	采用LATTICE公司的ispLSI1016E完成整個系統的譯碼工作

2.信號轉換單元掛箱：

掛箱上有三個（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：

模塊名稱	功能指標
8位并行AD模塊	由AD0809模數轉換電路組成8路8位AD。
8位并行DA模塊	由兩只DA0832數模轉換電路組成2路8位DA。
12位并行AD模塊	由AD574模數轉換電路組成12位AD。
12位并行DA模塊	由TLV5613數模轉換電路組成12位DA。
I/O 擴展模塊	由兩塊74LS244芯片擴展成16路并行輸入電路。由兩塊74LS273芯片擴展成16路并行輸出電路。用74LS164芯片組成串轉并輸出電路。用74LS165芯片組成并轉串輸入電路。
轉換模塊	用LM311實現V/F電路和F/V電路用TLC549芯片組成串行AD轉換電路。用TLC5615芯片組成串行DA轉換電路。

3．通信與打印機單元掛箱：掛箱上有三個（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：

模塊名稱	功能指標
RS232/RS485/CAN總線通信模塊	由MAX232芯片組成RS232通信電路，MAX485芯片組成RS485通信電路。由SJA1000芯片和TJA1050芯片組成CAN總線電路。
USB通信模塊	由1581芯片組成USB2.0通信模塊
網絡控制器模塊	采用RTL8019AS芯片

4．顯示與鍵盤單元掛箱：掛箱上有三個（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：

模塊名稱	功能指標
靜態(tài)顯示模塊	由74LS164芯片驅動
動態(tài)顯示模塊	采用8位8段LED數碼管。
液晶顯示模塊	提供128*64點陣的液晶顯示屏
CPLD模塊	采用LATTICE公司1032芯片
4*4行列式鍵盤	公共鍵盤

5、對象掛箱(一) ：掛箱上有三個（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：

模塊名稱	功能指標
繼電器模塊	由兩個5V繼電器、2個12V繼電器和2個24V繼電器組成。
光耦隔離模塊	由3個TLP521-4芯片組成12入12出。
LED顯示模塊	用16個LED燈組成邏輯電平測試電路
開關量模塊	用16個按鍵組成高低電平輸出電路

6、對象掛箱(二) ：掛箱上有三個（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：

模塊名稱	功能指標
IC卡讀寫模塊	I2C總線實現IC卡的讀寫及識別
直流電機	帶驅動小直流電機，測速部分由1個霍爾傳感器組成
步進電機	采用四相步進電機，帶驅動電路
交通燈模塊	采用16個LED燈和四位數碼管組成。
語音處理模塊	采用1730專用語音芯片組成
PWM調制模塊	由324運放芯片組成,用于小直流電機調速

7、ARM9單元掛箱

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

內存SDRAM：64M。

Flash：8M

標準RS232接口：采用MAX3232專用電平轉換芯片。

以太網接口：采用專用的網絡芯片DM9000和帶有網絡變壓器的網絡接口，支持100M以太網。

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。

（2）面板包括資源（標準配置）

直流電機、步進電機、LED、8*8LED點陣，4位8段數碼管，鍵盤單元、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線電阻式觸摸屏；JTAG接口（20針標準ARM仿真接口），3個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（可以實現收發(fā)短信，打電話等功能）。

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實時仿真器

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，用戶可以通過仿真器和CCS下載程序和進行實驗；

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

（3）、通訊模塊：本系統可做串口、并口實驗，串口實驗：采用熱門器件（MAX3111ECWI）來完成跟計算機的異步通訊，其傳輸速率達230Kbps；并口實驗：利用并口與DSP的HPI直接實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閉環(huán)直流電機（12V）和一個步進電機（12V），利用電機控制模塊可做直流電機和步進電機控制方面的實驗，溫度傳感采用流行熱門器件一線集成溫度傳感器（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(jié) ，其中還提供兩路信號的混頻電路，為實時的濾波算法提供了混頻輸入信號；

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

八、裝置的配備表

序號	名稱	單位	數量	備注
1	實驗控制屏	套	1
2	實驗桌	張	1
3	掛箱與模塊	套	1	傳感器由多種傳感器和信號調理模塊
				控制器單元掛箱
				信號轉換單元掛箱
				通信與打印機單元掛箱
				鍵盤與顯示單元掛箱
				對象控制單元掛箱（一）
				對象控制單元掛箱（二）
				ARM9單元掛箱
				信號與系統實驗掛箱
				自控原理與計算機控制掛箱
				測控電路實驗掛箱模塊
				DSP CPU 掛箱
4	常用工具	套	1	一字螺絲刀1把；十字螺絲刀1把；剝線鉗1把；尖嘴鉗1把。
5	實驗說明書	套	1	指導學生實訓
6	開放實驗室信息管理系統	套	1	附一

附一：開放實驗室信息管理系統：（全室配一套）

A、開放實驗室信息管理系統的必要性

學生動手能力的培養(yǎng)、分折問題解決問題能力的培養(yǎng)、自主實驗和創(chuàng)新實驗能力的培養(yǎng)均需要一個寬松的、開放的、設備齊全的實驗環(huán)境。但是目前很多學校因師資力量有限無法將實驗室開放，這一方面造成資源浪費另一方面學生又得不到煅煉。針對這一問題，配備本實驗室信息化管理系統，它可有效解決上述矛盾。具備這樣條件的實驗室可以不必配備固定的老師管理和輔導，學生可以自主按排實驗時間并通過刷卡確定機位，并通過學生終端計算機中的實驗課件、儀器儀表介紹課件、自主實驗題庫、在線幫助等資源完成各類實驗。

B、智能開放實驗室管理系統簡介

智能實驗室管理系統（以下稱：本系統）是以標準化實驗室管理思想為基礎、網絡技術為驅動最新開發(fā)的管理系統。本系統能對實驗室設備及學生實驗過程進行智能化管理，以實時了解實驗室設備狀態(tài)及學生實驗完成狀況，跟蹤記錄實驗痕跡，確保老師能了解學生做實驗的流程。

實驗室管理手段包括：短信，郵件，web頁面。

C．開放實驗室資源配置

建設開放實驗室應具備必要的硬件和軟件資源：

（一）硬件資源：

1、手機（可選）：發(fā)送和接收實驗室設備管理及狀態(tài)信息。

2、管理員PC：用于發(fā)送和接收實驗室管理及狀態(tài)信息，接收學生的實驗數據（波形，數據包等實驗數據），發(fā)送提示信息及試題到學生實驗設備上。

3、服務器：服務器為本系統的核心部分，完成接收管理員控制信息，發(fā)送采集到的終端實驗數據到web頁面，對終端設備的控制，終端實驗數據的采集。

4、網絡設備：路由器等，傳輸各種數據。

5、終端：虛擬示波器，發(fā)送及接收數據，直接控制設備

（二）軟件資源：

1.web頁面系統，通過web頁面設置本系統的各項參數，個性化定制，實時接收并顯示學生實驗數據，發(fā)送控制命令到服務器，并由服務器發(fā)送控制命令到終端，達到控制實驗室設備的目的。

2.短信控制系統，向特定的手機發(fā)送實驗室設備狀態(tài)，接收特定手機的控制命令，并由服務器發(fā)送控制命令到終端，達到控制實驗室設備的目的。

3.郵件控制系統，向特定的郵箱發(fā)送實驗室設備狀態(tài)，接收特定郵箱的控制命令，并由服務器發(fā)送控制命令到終端，達到控制實驗室設備的目的。