張 謙 歐陽玲 溫盛軍 王璦琿

中原工學(xué)院電子信息學(xué)院 河南鄭州 450007

智能測控儀表開放式實驗平臺設(shè)計

張 謙 歐陽玲 溫盛軍 王璦琿

中原工學(xué)院電子信息學(xué)院 河南鄭州 450007

在闡述開放式實驗平臺概念的基礎(chǔ)上，講述了基于微控制器的智能測控儀表開放式實驗平臺的設(shè)計思想與設(shè)計過程。給出了實驗平臺硬件組成原理與軟件程序結(jié)構(gòu)，并對如何在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用該平臺作了介紹。教學(xué)實踐效果表明：開放式實驗平臺的應(yīng)用對于提高專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量可以起到良好的輔助作用。

教學(xué)方法；實踐環(huán)節(jié)；計算機控制；開放式實驗平臺

目前，高校自動化、電氣自動化、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)相關(guān)實驗裝置都采用智能測控儀表作為核心控制部件。學(xué)生做實驗時，往往采用實驗裝置配套的實驗平臺與系統(tǒng)程序，按照實驗指導(dǎo)書給出方法接線后在應(yīng)用界面上輸入有關(guān)參數(shù)，運行后即可獲得不同的實驗數(shù)據(jù)。這種實驗方法對于相關(guān)課程學(xué)習(xí)，可以從感性認識層面對學(xué)生起到幫助作用。然而，由于實驗裝置對學(xué)生不夠透明，無論硬件還是軟件平臺對學(xué)生均不開放，不能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生不能在實驗過程中按照自己的設(shè)想改變實驗方法，不能進行設(shè)計型實驗，因而具有局限性。因此，設(shè)計一種可以讓學(xué)生有更多參與性的開放式實驗平臺很有必要。

1 開放式實驗平臺概述

開放式實驗平臺應(yīng)該滿足三點基本要求：首先，硬件平臺對學(xué)生透明，所有設(shè)計用到的文檔包括電路原理圖、工作原理分析、所用關(guān)鍵元器件對應(yīng)的技術(shù)資料等一應(yīng)俱全，以方便學(xué)生分析電路使用；其次，有基本的軟件平臺，包括軟件功能描述、程序結(jié)構(gòu)與流程圖、具體程序及必要的注釋，方便學(xué)生閱讀基本程序；最后，有開放式實驗平臺的使用說明，供學(xué)生實驗時使用。另外，硬件設(shè)計應(yīng)該預(yù)留部分系統(tǒng)擴展接口，以方便特殊用途。

基于上述基本要求，在具體設(shè)計過程中，平臺各部分選擇應(yīng)該考慮與專業(yè)課程設(shè)置的銜接性，以方便學(xué)生在使用實驗平臺過程中運用已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識盡快了解與掌握其使用方法，提高學(xué)習(xí)效率，最大程度上發(fā)揮平臺的優(yōu)勢，增強學(xué)生的訓(xùn)練效果。

2 智能測控儀表開放式實驗平臺組成結(jié)構(gòu)

智能測控儀表核心是計算機，其類型可以是微控制器、可編程控制器、工控機等。[1]兼顧應(yīng)用與教學(xué)兩方面需要，選擇微控制器作為核心部件搭建開放式實驗平臺，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能測控儀表開放式實驗平臺組成結(jié)構(gòu)圖

硬件平臺設(shè)計依據(jù)是工業(yè)產(chǎn)品。[2]設(shè)計出發(fā)點是將產(chǎn)品透明化，即：剖析每一模塊對應(yīng)的功能及原理電路，并提供相應(yīng)的模塊測試程序。設(shè)計原則是，每一部分的設(shè)計首先保證基本功能，然后預(yù)留一定的擴展功能接口電路，以方便不同實踐環(huán)節(jié)的需求。

微控制器選擇：考慮實驗平臺用途，應(yīng)該選擇學(xué)生在專業(yè)課程中學(xué)習(xí)過的計算機型號，以方便學(xué)生在具體使用平臺時可以相對容易地分析平臺結(jié)構(gòu)與組成原理。

外輸入通道部分：按照工業(yè)儀表標準，輸入輸出信號均為標準電流電壓信號，電流4 mA～20 mA，電壓1 V～5 V。輸入通道基本部分功能是將兩路標準電流與電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量送給計算機，對應(yīng)四個輸入接線端子，精度要求為0.5級。預(yù)留擴展輸入接口電路為頻率電壓轉(zhuǎn)換電路，開關(guān)量輸入電路。

輸出通道部分：可以同時輸出兩路工業(yè)標準的電流與電壓信號，對應(yīng)四個輸出接線端子；預(yù)留擴展功能為帶光電隔離的兩路開關(guān)量輸出，用于驅(qū)動固態(tài)繼電器使用。

顯示部分：按工業(yè)產(chǎn)品基本要求，設(shè)計兩組四位七段數(shù)碼顯示，一組用于顯示設(shè)定值，另一組用于顯示實際值；預(yù)留擴展接口為帶漢字的液晶顯示，觸摸屏顯示。

參數(shù)設(shè)置部分：基本部分為5個功能鍵，單獨或組合完成參數(shù)設(shè)置、功能選擇等任務(wù)；預(yù)留接口為與顯示共用的觸摸屏輸入。

通訊接口：基本部分包括RS232接口、RS485接口、USB接口等，以滿足多級計算機控制與聯(lián)網(wǎng)需求；預(yù)留擴展接口為無線數(shù)據(jù)輸入輸出、CAN總線等。

除了上述基本組成部分外，設(shè)計時還可以添加抗干擾電路、實時時鐘電路等。

3 開放式實驗平臺程序結(jié)構(gòu)

按照智能測控儀表功能，其程序主要包括兩大部分：其一是輸入顯示管理程序，相當于一個小規(guī)模操作系統(tǒng)，具體完成開機顯示、參數(shù)輸入顯示、運行顯示等功能；其二是控制算法對應(yīng)程序，作為通用的測控儀表，可以用于不同的控制對象。因此，為了取得良好的控制效果，配置不同的控制算法是必不可少的，如基本數(shù)字PID算法、擴展PID算法、模糊控制算法、仿人智能控制算法等。

以智能測控儀表為核心構(gòu)成的計算機控制系統(tǒng)基本工作模式可以是直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)，也可以是兩級計算機控制系統(tǒng)。根據(jù)工作模式的不同，實驗平臺對應(yīng)的程序結(jié)構(gòu)也有區(qū)別。對于DDC系統(tǒng)，微控制器獨立工作，主程序流程圖如圖2所示。

圖2 DDC模式下位機主程序流程圖

限于篇幅，流程圖做了簡化。鍵處理程序包括按鍵識別及包含運行子程序在內(nèi)的所有功能鍵處理子程序。需要指出的是，程序?qū)嶋H編制過程中應(yīng)該從工業(yè)應(yīng)用角度出發(fā)做相應(yīng)處理，如開機后或者參數(shù)輸入過程中，超過一定時間沒有鍵盤信號，程序?qū)⒆詣舆M入默認的運行狀態(tài)，這可以通過在開機后運行除子程序以外的其他鍵處理子程序中，開始時啟動10秒運行延時實現(xiàn)。

對于兩級計算機控制系統(tǒng)，程序結(jié)構(gòu)有兩種方式，其一是系統(tǒng)工作過程中以下位機即智能測控儀表構(gòu)成的控制器為主控機，控制器在每個程序工作周期向上位機發(fā)聯(lián)絡(luò)信號，并根據(jù)上位機具體要求做出應(yīng)答，如實時數(shù)據(jù)傳送、時間段數(shù)據(jù)傳送等，按照協(xié)議完成相應(yīng)操作，然后再返回其固有運行模式；下位機主程序流程圖與圖2基本相同，僅在運行子程序最后加入與上位機的通訊子程序，這樣就可以保證在每個程序循環(huán)周期中與上位機有一次應(yīng)答過程與數(shù)據(jù)傳送過程。其二是以上位機為主控機，系統(tǒng)工作過程中下位機主要起數(shù)據(jù)采集與控制信號輸出的作用，這種模式可以充分發(fā)揮上位機運算速度快的特點，完成復(fù)雜控制算法的計算，同時可以完成必要的數(shù)據(jù)與圖像處理功能。這種模式對應(yīng)的下位機主程序流程圖如圖3所示，其中接收與信號處理部分包括的子程序有參數(shù)設(shè)置子程序、輸入輸出運行處理子程序等，每個子程序結(jié)束后都返回到發(fā)準備應(yīng)答信號處，形成循環(huán)程序。

圖3 兩級控制模式下位機主程序流程圖

4 結(jié)束語

設(shè)計制作這樣一種開放式實驗平臺的目的是盡可能發(fā)揮實踐環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)受益最大化，同時也可以提高實驗設(shè)備利用率。開放式實驗平臺首先可以用于相關(guān)課程的基礎(chǔ)實驗，只要按照提供的開放式實驗平臺使用說明書操作就可以完成。開放平臺的重要作用體現(xiàn)在課程設(shè)計環(huán)節(jié)與畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)。由于實驗平臺的透明性，學(xué)生可以在較短時間理解與掌握一種相對復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計思想與設(shè)計過程，通過對系統(tǒng)的剖析，還可以在此基礎(chǔ)上加入自己的想法并加以實現(xiàn)，這個過程無疑會對學(xué)生分析問題解決問題的能力培養(yǎng)起到重要作用。以上內(nèi)容是學(xué)校計算機控制系統(tǒng)精品課程建設(shè)中的一部分，之前已經(jīng)做過很多基礎(chǔ)工作，尤其在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)已經(jīng)使用多屆，有些學(xué)生也因此在畢業(yè)后走向了儀表設(shè)計工程師的崗位。因此，設(shè)計完善與推廣這樣一種開放式實驗平臺可以對更多學(xué)生的專業(yè)知識學(xué)習(xí)與綜合能力培養(yǎng)起到更大的幫助作用。

[1] 王平,謝昊飛,蔣建春.計算機控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[2] 深圳萬迅自控有限公司.MDC200 /MDG200高性能控制器用戶使用手冊[Z].

The Design of Open Experimental Platform Based on Intelligent Measurement and Control
Instrument

Zhang Qian, Ou Yangling,Wen Shengjun, Wang Aihui
Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou, 450007, China

On the basis of illustrating the concept of open experimental platform, the design idea and design process of intelligent measurement and control instrument based on microcontroller was elaborated in this paper. This paper presents the hardware principle and the software design and also introduced the application of the practice teaching platform in the practice teaching link. The result of the practice teaching shows that the application of open experimental platform is benefcial to improve the teaching quality.

teaching method; practice link; computer control; open experimental platform

2014-09-17

張謙，碩士，教授。歐陽玲，碩士，副教授。

中原工學(xué)院教學(xué)研究項目(2013)“計算機控制系統(tǒng)精品課程建設(shè)”。