刘 莹, 祝学云, 范 文

(东南大学 仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096)

检测技术课程设计型实验系统研制

刘 莹, 祝学云, 范 文

(东南大学 仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096)

为适应工程教育和课程教学改革的需要,构建了检测技术课程设计型实验系统,设置了位移检测6个实验项目。硬件:依托传感器实验平台,传感器信号经信号调理模块调理后,送入基于Cortex-M3的微处理器模块进行信号处理和显示；软件:采用MDK作为实验平台,给出了基本的程序模块。实验系统软硬件设计均采用模块化思想,让学生自主设计完整的检测系统,有助于培养学生工程实践能力和设计创新能力。

检测技术； 设计型实验； 模块化设计； 实验教学改革

检测技术与计算机技术、自动控制技术、通信技术是信息技术的重要组成部分；而检测技术作为信息获取与转换的主要手段,更是广泛应用于工业、农业、航空航天、国防和科研等各个领域,已成为工科院校机电类、电子信息类专业的必修专业课程[1]。

自20世纪80年代起,检测技术课程已作为东南大学测控技术及仪器专业和自动化专业的专业课。其中,检测技术课程面向工程应用,讲授常用工程量的检测原理、方法与技术,智能化检测系统的信号处理技术以及系统设计方法,内容由点到面、由分立技术到完整系统,是最能体现专业特色、具有高度综合性和实践性的专业方向课[2-3]。该课程的特点决定了课程教学必须坚持理论与实践相结合,要在理论教学的基础上让学生动手进行设计型实验,锻炼和提高学生的工程实践能力和设计创新能力[4-8]。为此,东南大学测控技术与仪器、自动化等专业根据专业课程的特点,对现有的检测技术实验进行了教学改革[9-10]。

1 实验系统硬件设计

东南大学的检测技术实验一直沿用2000年由仪器科学与工程学院研制的XYZ22型仪器作为实验平台[11]。该平台传感器输出的信号只能经过信号调理电路后直接用电压表或示波器测量,缺少使用微处理器对其进行信号处理的环节,不能构成完整的智能化检测系统,并且实验设备较为老旧,损坏现象较为严重。因此,笔者依托传感器平台,设计了用户接口板,将传感器信号送入微处理器模块进行信号处理,开发了设计型、创新型智能化检测(系统)技术实验。检测技术实验系统的硬件结构如图1所示。

图1 检测技术实验系统硬件结构框图

传感器平台为CSY-3000型传感器实验台,包含直流电源、温度源、转动源、振动源和26个传感器,能够提供位移、压力、温度、转速、振动等测量信号。通常测量一种物理量可以通过多种传感器实现,比如测量位移时,可以选择电容式位移传感器、霍尔式位移传感器或者电涡流传感器,学生在理论学习的基础上,可通过分析对比,自主选择实验用传感器。

由于传感器输出的是相当小的电压、电流信号或电阻变化,需要将传感器输出信号进行调理后送入微处理器模块处理。笔者结合实际需求设计了基本放大电路、仪器放大器、衰减电路、滤波电路等4个独立的信号调理模块。学生可自主分析传感器输出信号的特性,独立选择所需模块,搭建设计型实验的硬件系统。

微处理器模块使用的微处理器为STM32F103RCT6。STM32系列微处理器基于ARM Cortex-M3内核,专用于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用系统[12]。与教学中常用的MCS-51系列单片机相比,STM32系列微处理器的片上资源十分丰富。STM32F103RCT6微处理器拥有51个输入/输出引脚,内置DMA、PWM(电机控制)以及POR/PDR(上电/断电复位)、PVD(可编程电压监测器)、WDT(watchdog,看门狗定时器)、ADC(2个12位)、温度传感器等外围设备,具有CAN、I2C、SPI、UART/USART、USB等9个通信接口；内置Flash 256KB(×8)、SRAM 48KB(×8)。其中12位的ADC完全可以满足课程实验的精度要求,因而不需要外部扩展ADC芯片。TFT彩色液晶屏采用S6D0144液晶模块,面板尺寸为1.77英寸,分辨率为128×160；矩阵键盘采用6×4的小键盘；JTAG接口用于接驳JTAG仿真器；USB接口用于供电。

2 实验系统软件设计

软件实验平台采用Keil公司开发的ARM开发工具MDK(microcontroller development kit)。MDK包含了工业标准的Keil C编译器、宏汇编器、调试器、实时内核等组件,支持所有基于ARM的设备,集编辑、编译、仿真等于一体。而且MDK界面友好,和常用的微软VC++的界面相似,而VC++对于学生来说易学易用。由于该软件功能强大,对嵌入式处理器覆盖全面,因此对学生的课外研学和创新实践很有帮助。

为了使学生能够尽快熟悉MDK,首先布置学生完成一些基本的程序设计实验,包括键盘扫描和数码管显示、TFT彩屏显示、数字滤波、非线性校正、标度变化和模数转换等。每个实验都给出相应的程序例程、程序注释及程序流程图。另外,由于彩屏显示需要字模,还介绍了生成字模的流程、取模方式和字模的具体应用。总体上,软件设计采用模块化设计,由浅入深、循序渐进,帮助学生快速入门STM32,训练和提高学生在软件设计、调试方面的能力。

3 实验内容设计

3.1 实验项目设置

设计了位移检测、质量检测、压力检测、温度检测、转速检测和振动检测等6个实验项目(见图2),对学生仅提供以上所介绍的各个硬件模块和软件例程。每2个学生为一组,选择实验项目,根据实验项目内容自主完成检测系统的硬件设计和软件设计。

图2 检测技术实验内容

学生在实验过程中首先要掌握传感器的基本原理和传感器输出信号的特性,然后在此基础上选择适当的信号调理电路,设计电路参数,使得模拟量输出为0～3.3 V,以便微处理器模块进行A/D转换,最后根据实验内容及要求进行软件设计。

3.2 典型实验介绍

实验的操作过程设置尽量接近实际应用系统的设计与调试过程,学生做完实验后,能够独立进行实际应用系统的软、硬件设计和调试。以质量检测实验为例,其实验具体步骤如下。

(1) 传感器选择。传感器实验平台提供了金属箔式应变片传感器和硅压阻式压力传感器两种传感器模块。两种传感器都能够将压力变化转换为电阻变化,但由于金属箔式应变片传感器静态测量精度和使用可靠性较高,非常适合应用于测力系统,是工程领域应用最为广泛的测力传感器。因此本实验建议选择金属箔式应变片传感器。

(2) 信号调理电路选择。测量质量可以通过金属箔式应变片构成单臂电桥、半臂电桥或全臂电桥电路实现。其中全臂电桥电路四臂差动工作,灵敏度分别是半臂电桥的2倍和单臂电桥的4倍,而且消除了非线性误差,还能有效地补偿温度误差。对于桥路电压的放大,一般采用仪器放大器实现。本实验建议选择应变片全桥和仪器放大器作为信号调理电路。

(3) 硬件模块的连接与调试。将电桥、仪器放大器分别调零,然后将电桥的输出信号作为仪器放大器的输入信号,再根据满量程调节仪器放大器的增益。调节仪器放大器的增益电位器,满量程时输出电压不超过A/D转换器的最大输入3.3 V,同时为了减小后端ADC的量化误差,最好接近3.3 V。最后连接各硬件模块,将放大后的信号送入微处理器的ADC转换通道。

(4) 软件设计。编制程序,将输入的电压信号转换成数字量,并用TFT彩色液晶屏显示。主程序流程图见图3。质量的计算是通过对该质量检测系统进行非线性校正与标度变换而获得的。在应变传感器的托盘上分别放置1～10个20 g的砝码,读取A/D转换值,利用Matlab对这10组数据进行最小二乘法线性拟合,得到质量的计算公式。由于是静态测量质量,数字滤波采用去极值平均滤波,连续采样n次后(建议4次或6次),去除其中的最大值和最小值,剩余的采样值求平均。

图3 质量检测主程序流程图

(5) 分析实验结果。计算质量检测系统的非线性误差,分析误差产生的原因。

4 结束语

本文结合工程教育和课程改革,将检测技术以及微处理器应用、传感器应用、软件设计等方面的知识融合起来,构建了设计型检测技术实验系统。设计型检测技术实验系统软硬件设计均采用模块化思想,培养了学生模块化设计的工程思想与实践能力。在实验中,小组内学生分工协作,锻炼了学生的组织管理和团队合作能力。实验设置具有实用性和趣味性,学生能够在创新实践中充分发挥主观能动性,实验教学资源也得到了充分的利用[13]。

References)

[1] 周杏鹏.“检测技术”课程教材建设与教改实践[J].电气电子教学学报,2005,27(3):68-70.

[2] 况迎辉,祝学云,宋爱国,等.检测技术及系统设计课程的实验教学改革[J].实验室研究与探索,2005,24(10):77-78,85.

[3] 王东霞,温秀兰.传感器与检测技术课程教学改革探索[J].中国现代教育装备,2008(7):92-93.

[4] 赵娟,郝国成,余志华.大学生创新实践平台研究与实践[J].实验技术与管理,2014,31(3):20-22.

[5] 吕淑平,王科俊,于鑫.“四自主”实验教学模式的开展与研究[J].实验技术与管理,2014,31(6):12-14.

[6] 徐科军,黄云志,王海欣,等.“传感器与检测技术”课程改革与探索[J].中国电力教育,2012(2):52-53.

[7] 宋爱国,崔建伟,吴涓.提高测控技术与仪器专业学生创新能力的探索[J].电气电子教学学报,2008,30(5):1-2,4.

[8] 黄剑平,龚银香,童金强.设计性实验教学的实践与探索[J].实验技术与管理,2009,26(5):135-136,143.

[9] 顾学雍.联结理论与实践的CDIO:清华大学创新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究,2009(1):11-23.

[10] 董庆贺,殷贤华,李伟,等.“面向卓越工程师”的课程教学研究与探索[J].实验技术与管理,2014,31(7):169-171.

[11] 祝学云.测控技术综合实验的设计[J].实验技术与管理,2003,20(5):46-48.

[12] 彭刚.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京:电子工业出版社,2011.

[13] 李以明,曲守东,王涛,等.地方高校实验资源优化配置的实践与探索[J].实验技术与管理,2013,30(12):228-230.

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

东南大学教学改革研究项目(2013-115)

刘莹(1987—),女,江苏徐州,硕士,助理工程师,主要研究方向为测控系统与智能仪器.

E-mail：liuyingseu@seu.edu.cn

G642.423

A

1002-4956(2015)6- 0137- 02