TW-JD19 傳感器與檢測技術課程創新實驗平臺

一、概述

1.實驗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、CO）、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，進而培養其創新精神和創新能力。

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*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*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.持續發展：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.研究與創新能力培養：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，又是培養和發揮學生創新能力、開展創新實驗的實驗平臺。

12.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、畢業設計和電子設計競賽的開發平臺，體現了靈活、開放、創新、綜合、跨領域、跨專業的設計理念。其功能擴展模塊覆蓋了多個專業多門課程，適合電子類、通信類、自動化類、計算機類、機電類、測控儀器類等專業的學生進行綜合、創新設計。

四、結構簡介

本裝置由控制屏，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；其功能擴展模塊覆蓋了多個專業多門課程，包含CPU類、通用接口類、人機界面類、信號變換隔離類、通信類、執行機構類、傳感器類共40多項。

五、技術指標

1.輸入電源：單相三線220V±10% 50Hz

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

3.絕緣電阻：＞3MΩ

4.漏電保護：漏電動作電流≤30mA，動作時間≤0.1s

5.裝置容量：＜200VA

6.外形尺寸：1620mm×805mm×1400mm

六、裝置的配備及技術性能

本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

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/1A和±15V/1A各兩路，一路＋24V/1A，均具有短路軟截止自動恢復保護功能；② 0～30V/1A連續可調電源一路，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；

(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。

2.儀器儀表

(1)信號發生器：1k～10kHz音頻信號；1～30Hz低頻信號

(2)數字式電壓表：量程0～20V，分為200mV、2V、20V三檔，輸入阻抗大，精度高

(3)頻率/轉速表：頻率測量范圍1～9999Hz，轉速測量范圍1～9999rpm

(4)高精度溫度調節儀：多種輸入輸出規格，人工智能調節以及參數自整定功能，先進控制算法，溫度控制精度±0.5 oC

3.傳感器由三個實驗箱(335mm×445mm)、一個加熱模塊和11塊信號調理模塊組成

(1) 傳感器實驗箱(一)

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) 傳感器實驗箱(二)

振動源部分:應變片振動臺、壓電電傳感器，氣體壓力傳感器部分:氣壓源 、兩氣壓計、氣體壓力傳感器。

(3) 傳感器實驗箱(三)

長光柵位移傳感器部分：長光柵位移傳感器、步進電機；圓光柵角位移部分：光電編碼器、步進電機。

(4) 溫度特性傳感器加熱源

包括：熱敏電阻傳感器，熱電偶傳感器，PT100鉑電阻

(5)信號調理模塊(配有11塊)：差動變壓器模塊、電容傳感器模塊、電渦流傳感器模塊、光纖位移傳感器模塊、霍爾傳感器模塊、溫度傳感器模塊、壓電傳感器模塊、壓力傳感器模塊、移相器、相敏檢波器、低通濾波器模塊、應變片傳感器模塊、光柵調理模塊。

4.實驗掛箱及實驗模塊, 掛件尺寸：340mm×370mm

(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、DSP5402處理器模塊(模塊PCB板尺寸：110mm×80mm)、其他CPU外圍單元、譯碼模塊

(2)信號轉換單元掛箱, 掛件尺寸：170mm×370mm

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：120mm×80mm）

* (3)通信與打印機單元掛箱, 掛件尺寸：170mm×370mm

配有RS232/RS485通信模塊、USB通信模塊，網絡控制器模塊（模塊PCB板尺寸：120 mm×80mm）、打印機放在掛箱底板上

* (4)鍵盤與顯示單元掛箱, 掛件尺寸：170mm×370mm

配有顯示（靜態顯示、動態顯示、液晶顯示）模塊、CPLD擴展模塊、4×4鍵盤模塊（模塊PCB板尺寸：120mm×80mm）

* (5)對象控制單元掛箱，掛件尺寸：170mm×330mm

配備有LED顯示模塊，開關量輸出模塊、步進電機模塊、直流小電機模塊、語音處理模塊、光耦隔離模塊、繼電器模塊、交通燈模塊、雙色LED點陣顯示模塊（模塊PCB板尺寸：120mm×80mm）

* (6)ARM7/ARM9單元掛箱，掛件尺寸：340mm×370mm

配有完成ARM7/ARM9實驗的基本模塊 （核心板ARM7或ARM9選配）

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、20P、50P）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)8259中斷源模塊（擴展8路外部中斷源）

(2)8255接口模塊

(3)8279鍵盤顯示接口模塊

(4)8254可編程定時器模塊

(5)硬件看門狗電路模塊

(6)I2C EEROM模塊

(7)I2C并行接口模塊

(8)I2C時鐘模塊

(9)單次脈沖模塊

(10)開關量輸入模塊

(11)關量輸出模塊

控制器單元掛箱支持的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
*DSP CPU模塊	采用TI公司的TMS320VC5402芯片，含64K SRAM、1M ROM、XC95144芯片譯碼控制，組成數據總線、地址總線和控制總線
*譯碼模塊	采用ALTERA公司的EPM7128完成整個系統的譯碼工作

2.信號轉換單元掛箱：掛箱上有兩個（26P、40P）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	由逐次逼近式ADC0809模數轉換電路組成8路8位A/D。
8位并行DA模塊	由2片DAC0832數模轉換電路組成2路D/A
12位并行AD模塊	由多路開關芯片MPC508，可編程增益芯片AD526和逐次逼近式ADS774組成8路12位，可編增益1、2、4、8，轉換速度為100K的A/D。
12位并行DA模塊	由DAC7625組成4路輸出可變的D/A。
I/O擴展模塊模塊	由2塊74LS244芯片擴展成16路并行輸入電路 由2塊74HC273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	采用美國NS公司的LM331VF/FV轉換電路。 用TLC549芯片組成串行AD轉換電路 用LTC1446芯片組成串行DA轉換電路

*3.通信與打印機單元掛箱：掛箱上有兩個（20P、50P）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.顯示與鍵盤單元掛箱：掛箱上有兩個（20P、50P）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
靜態顯示模塊	由74LS164芯片驅動
動態顯示模塊	采用2個4位8段共陽極數碼管，可由8279芯片和CPLD芯片EPM7128驅動
液晶顯示模塊	提供122×32點陣的液晶顯示屏
CPLD模塊	采用ALTERA公司的EPM7128
4×4行列式鍵盤	可由8279芯片和CPLD芯片EPM7128控制

*5.對象掛箱：在絕大多數場合，單片機和DSP都是用于控制的，因此必然有一個具體的控制對象。對象掛箱主要用于插接單片機和DSP的控制對象模塊。通過對具體對象的控制實驗，可使學生加深對單片機和DSP系統工作方式的理解，了解更多的單片機和DSP應用領域。支持的對象類模塊包括：

模塊名稱	功能指標
繼電器模塊	由2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
雙色LED點陣顯示模塊	雙色LED顯示屏
IC 卡讀寫模塊	I2C總線實現IC卡的讀寫及識別
直流電機模塊	采用SG3525芯片驅動電機，測速部分由一個霍爾開關組成
步進電機	采用ULN2003驅動步進電機
交通燈模塊	由12個LED燈組成
語音處理模塊	采用TLC320AD50I芯片組成語音處理電路
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.ARM7/ARM9 單元掛箱

該掛箱采用模塊化設計，由ARM7核心板、ARM9核心板和面板三大部分組成。

* (1)ARM7核心板包括的資源有：

CPU模塊：三星S3C44B0X　Arm7TDM1，16位/32位CPU，主頻可達66M， 具有WDT、8路10bit A/D、4通道DMA，外部貯存器： 2Mx8bit Flash Rom，8M x 8bit SDARM，帶有IIC接口。

USB接口：滿足USB1.1規范，使用USBN9603-28M。

以太網接口：采用網絡專業芯片RTL8019AS，傳輸速率可以達到10M。

RS232接口：2個標準RS232異步接口,其中一個用于與PC的超級終端進行通訊，監視程序運行狀態。

* (2)ARM9核心板包括的資源有：

CPU模塊：（三星S3C2410微處理器，ARM9內核，主頻可達202M；64M Nandflash，64M Sdram可穩定運行多種嵌入式實時操作系統）。

標準RS232接口：采用MAX3232專電平轉換芯片。

以太網接口：采用專用的網絡芯片CS8900A和帶有網絡變壓器的網絡接口，支持10M以太網。

USB從接口：采用S3C2410自帶的控制器。

USB主接口：采用S3C2410自帶的控制器。

(3)面板包括的資源有資源（標準配置）

直流電機、步進電機；LED、鍵盤單元；A/D轉換單元；D/A轉換單元；CF卡接口單元；IIS接口；液晶模塊（采用5.7寸STN LCD（320×240），256色，還帶有4線電阻式觸摸屏）； JTAG接口（20針標準ARM仿真器接口）。

* (4) 選配擴展單元：CAN總線接口；RS485接口；GPRS模塊（可以實現收發短信，打電話等功能）。

八、基本實驗項目

(一) 傳感器實驗項目

1. 金屬箔式應變片―單臂電橋性能實驗

2. 金屬箔式應變片―半橋性能實驗

3. 金屬箔式應變片―全橋性能實驗

4. 直流全橋的應用―電子秤實驗

5. 交流全橋的應用―振動測量實驗

6. 擴散硅壓阻壓力傳感器差壓測量實驗

7. 差動變壓器的性能實驗

8. 激勵頻率對差動變壓器特性的影響實驗

9. 差動變壓器零點殘余電壓補償實驗

10. 差動變壓器的應用――振動測量實驗

11. 電容式傳感器的位移特性實驗

12. 電容傳感器動態特性實驗

13. 直流激勵時霍爾式傳感器的位移特性實驗

14. 交流激勵時霍爾式傳感器的位移特性實驗

15. 霍爾測速實驗

16. 霍爾式傳感器振動測量實驗

17. 磁電式轉速傳感器的測速實驗

18. 壓電式傳感器振動實驗

19. 電渦流傳感器的位移特性實驗

20. 被測體材質、面積大小對電渦流傳感器的特性影響實驗

21. 光纖傳感器的位移特性實驗

22. 光電轉速傳感器的轉速測量實驗

23. PT100溫度控制實驗

24. 集成溫度傳感器AD590的溫度特性實驗

25. 鉑電阻溫度特性實驗

26. K型熱電偶測溫實驗

27. E型熱電偶測溫實驗

28. 氣敏傳感器實驗

29. 濕敏傳感器實驗

30. 轉速控制實驗

(二) 單片機實驗項目

80C51單片機實驗

1. P1口的輸入輸出

2. P1口控制繼電器實驗

3. P1口控制光電隔離實驗

4. 外部中斷實驗

5. 定時器實驗

6. 計數器實驗

7. SRAM外部數據存儲器擴展實驗

8. EEPROM外部數據程序存儲器實驗

嵌入式單片機（C8051）實驗

1. 數字I/O口交叉開關設置實驗

2. 配置內部和外部振蕩器實驗

3. I/O輸入、輸出實驗

4. 定時器實驗

5. 外部中斷實驗

6. 計數器實驗

7. 音頻控制實驗

8. 片內模數轉換(ADC)實驗

9. 片內數模轉換（DAC）實驗

10. SRAM外部數據存儲器擴展實驗

11. SPI串行Flash存儲器數據讀寫實驗

接口模塊實驗

1. 硬件看門狗電路實驗

2. CPLD地址譯碼實驗

3. Flash ROM外部程序存儲器實驗

4. 8255并口擴展實驗

5. 8255擴展鍵盤實驗

6. 8255擴展7段數據管實驗

7. 8255擴展點陣LED實驗

8. 8255控制繼電器實驗

9. 8255光電隔離實驗

10. 8255交通燈控制實驗

11. 8279鍵盤顯示接口實驗

12. 8254定時器實驗

13. 8259中斷實驗

14. 74LS244、74LS273 I/O口擴展實驗

15. 74LS273控制繼電器實驗

16. 74LS273擴展光電隔離實驗

17. 74LS165擴展并行輸入口實驗

18. I2C EEPROM的讀寫實驗

19. I2C串行口擴展電路實驗

20. I2C時鐘芯片實驗

21. 8位A/D實驗

22. 8位D/A實驗

23. 多路開關實驗

24. 可編程增益放大器實驗

25. 12位A/D實驗

26. 12位D/A實驗

27. 串行A/D、D/A實驗

28. 函數發生器實驗

29. F/V、V/F轉換實驗

30. RS232通信實驗

31. RS485通信實驗

32. USB模塊通信實驗

33. 以太網通信實驗

34. 十字路口交通燈實驗

35. 雙色LED點陣顯示實驗

36. 液晶顯示實驗

37. 靜態串行顯示實驗

38. 動態掃描顯示實驗

39. 陣列式鍵盤實驗

40. 直流電機驅動實驗

41. 步進電機驅動實驗

42. IC卡讀寫實驗

43. 打印機實驗

* (三) DSP5402實驗

1. 常用指令實驗

2. 數據存貯實驗

3. CCS環境下C程序設計

4. 定時器實驗

5. 中斷實驗

6. A/D采樣實驗

7. D/A轉換實驗

8. A/D與D/A轉換綜合實驗

9. 數字波形產生實驗

10. 語音實時回放及延時實驗

11. 語音錄音與回放實驗

12. BOOTLOADER裝載實驗

13. 陣列式鍵盤數碼管控制實驗

14. 液晶顯示器驅動實驗

15. 快速傅立葉變換(FFT)實驗

16. 有限沖擊響應濾波器(FIR)算法

17. 無限沖擊響應濾波器(IIR)算法實驗

18. 卷積(Convolve)算法實驗

19. 離散余弦變換(DCT)算法實驗

20. 相關(Correlation)算法實驗

21. μ_LAW算法實驗

22. DTMF(雙音多頻)信號的產生和檢測

23. 語音編碼/解碼(G711編碼/解碼器)

24. 混疊信號的實時數字濾波

25. AD采樣FFT分析實驗

26. 語音濾波實驗

27. 二維圖象生成實驗

28. 數字圖象生成實驗

29. UART通信實驗

* (四) ARM7/ARM9實驗項目

1. 鍵盤、LED實驗

2. 直流電機、步進電機實驗

3. RS485通信實驗

4. CAN通信實驗

5. GSM通信實驗

6. IIS音頻接口實驗

7. 以太網實驗

8. USB驅動實驗

9. LCD驅動實驗

10. 觸摸屏實驗

11. μCOS-II的移植

12. D/A接口實驗

13. 熟悉Linux開發環境

14. SD卡讀寫實驗

15. IIS音頻驅動實驗

16. USB驅動實驗

17. 網絡驅動實驗

18. Bootload實驗

19. Linux內核移植實驗

*(五) 綜合類實驗

1. 鍵盤、LED發光管實驗

2. 行列式鍵盤、動態顯示實驗

3. 單片機控制的PWM實現的D/A轉換

4. 單片機控制PWM實現D/F轉換

5. 8254測量電機轉速實驗

6. 單片機控制電機轉速實驗（D/A）

7. 單片機控制電機轉速實驗（PWM）

8. 溫度采集實驗

9. IC卡原理實驗

10. 考勤機實驗

11. 身份認證實驗

12. 門禁系統設計

13. 單片機實現PC機鍵盤控制器實驗

14. 用單片機實現高精度脈沖測頻

15. 單片機實現的線性V/F轉換實驗

16. 基于微機控制通信的單片機通用數據采集系統

17. 基于以太網的遠程數據采集系統

18. IC智能收費系統實驗

19. 基于RS485總線的分布式模擬IC卡電子門鎖系統實驗

20. 簡單多任務實時操作系統（μ/COS）實驗

21. 智能家居遠程控制模擬系統設計

22. 單片機上網實驗

23. 遠程抄表系統

24. 基于USB的數據采集卡設計

25. 家庭智能報警系統

*(六) 雙CPU綜合實驗

1. 單片機與DSP雙機通信系統

*(七) 綜合類儀器儀表實驗

虛擬儀器儀表實驗

1. 電子秤實驗

2. 位移測量儀實驗

3. 溫度儀實驗

4. 轉速儀實驗

5. 電壓表

6. 虛擬示波器

7. 任意波形發生器

*(八)智能儀器儀表實驗

1. 電子秤實驗

2. 位移測量儀實驗

3. 溫度儀實驗

4. 轉速儀實驗

5. 電壓表

6. 信號發生器