（测试计量技术及仪器专业论文）智能化实验装置及其在电工实验中的实现.pdf

学位论文独创声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料 与我一1 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意 签名杏秀萌日期 z a s 关于学位论文使用授权说明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括 州髓 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理 签名夕套秀匆导师签名 期 2 0 0 4 6 东南大学硕士学位论文 摘要 随着2 l 世纪的到来和知识经济的蓬勃发展 加强以培养创新精神和实践能力为核心内 容的素质教育已经成为当前高等教育改革的一个重要任务 而创新精神和实践能力的培养需 要强有力的实验教学的支持 以建设在时间 空间和内容上都对学生开放的开放性实验室为 特点的实验教学改革已经成为当前实验教学改革的趋势 本文介绍了国内外一些建设开放性实验室的方法 井开发了面向实验过程的智能实验装 置 实现真正意义上的开放性实验室 本文结合电一 一实验电路 介绍了该智能实验装置的实现 该智能实验装置包括实验电路 检测装置和相应的上位机原理图编辑器 为了实现对被测对象的测试 对被测对象特性必须 有深入的了解 在对电t 电路中常用的元器件进行了研究 深入的了解其电气特性的前提下 确定实验电路智能检测装置的检测原理 并对其硬件结构及相应软件进行了详细的描述 在 上位机原理图编辑器中 本文定义了自己的元件库 根据元件库中保存的相应数据 实现了 对原理图的简单电气规则检查 e r c 和标准检测数据的产生 利用本智能实验装置可以实 现完全意义上的开放性实验室 关键词 开放性实验室智能检测e r c 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to f k n o w l e d g ee c o n o m i c e d u c a t i o no f q u a l i t y w h o s ec o r ei st h e c u l t u r eo fc r e a t i v es p i r i ta n dp r a c t i c ea b i l i t y h a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tt a s k sd fh i d i e d u c a t i o nj n o o v a t i o ni n2lc e n t u r y a n dt h ec u l t u r eo fc r e a t i v es p i r i ta n dp r a c t i c ea b i l i t yn e e d s u p p o r to ft h el a b o r a t o r ye d u c a t i o n s o b u i l d i n gao p e n i n g1 a b o r a t o r yh a sb e c o m eat e n d e n c yo f t h ei n n o v a t i o ni nl a b o r a t o r ye d u c a t i o n a no p e n i n gl a b o r a t o r ym e a n sa1 a b o r a t o r yw h i c hi so p e n e d t os t u d e n t se v e r y w h e r e i nt h i sa r t i c l e m e t h o d so fb u i l d i n go p e n i n gi a b o r a t o r yh a db e e ni n t r o d u c e d a l s o a n i n t e 1 i g e n td e t e c t i o na p p a r a t u sh a db e e nd e v e l o p e da n dat e a lo p e n i n gl a b o r a t o r yh a db e e n r e a l i z e d c o m b i n i n gw i t ht h ec i r c u i to fe l e c t r i c a le x p e r i m e n t t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h er e a l i z a t i o no f t h e i n t e l l i g e n td e t e c t i o na p p a r a t u s t h ei n t e l l i g e n td e t e c t i o na p p a r a t u si n c l u d e sad e t e c t i o n a p p a r a t u so fe x p e r i m e n tc i r c u i ta n das c h e m a t i ce d i t o ri np c t or e a l i z et h ea u t od e t e c t i o no ft h e t e s t e do b j e c t s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo b j e c t ss h o u l d b ed e e p l yu n d e r s t o o df i r s t t h e nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e m e n t si ne l e c t r i c a le x p e r i m e n tc i r c u i th a db e e nd i s c u s s e d w i t ht h ed e e p u n d e r s t a n do ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e m e n t si ne l e c t r i c a le x p e r i m e n t t h ed e t e c t i o np r i n c i p l e s o fe l e c t r i c a le x p e r i m e n tc i r c u i tw e r ec h o s e n t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ei n t e l l i g e n ta p p a r a t u so f t h ee l e c t r i c a le x p e r i m e n tc i r c u i ti nd e t a i l i nt h ee n d t h ea r t i c l ed e f i n e d a no w ne l e m e n tl i b r a r yi ns c h e m a t i ce d i t o ri np c b a s i n go nt h ed a t as a v e di nt h eo w ne l e m e n t i i b r a r y n o to n l ys o m es i m p l ee l e c t r i c a lr u l ec h e c k e r c w a sr e a l i z e d b u ta l s ot h es t a n d a r dd a t a o fd e t e c t i o nc a r lb eo b t a i n e d w i t ht h ei n t e l l i g e n td e t e c t i o na p p a r a t u sf o r e l e c t r i c a le x p e r i m e n t a r e a lo p e n i n gl a b o r a t o r yh a sb e e nr e a l i z e d k e y w o r d o p e n i n gl a b o r a t o r y i n t e l l i g e n td e t e c t i o n e r c 4 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的应用背景及其意义 随着2 1 世纪的到来和知识经济的蓬勃发展 加强素质教育已成为高等教育改革的迫切 任务 而推行素质教育的核一1 5 内容之一 就是注重实践能力和创新精神的培养 这是我国教 育教学中的 个亟待强化的突出问题 江泽民强调指出 创新是一个民族进步的灵魂 是一 个国家兴旺发达的不竭动力 教育在培养民族创新精神和培养创造性人才方面 肩负特殊 使命 每一个学校都要爱护和培养学生的好奇心 求知欲 帮助学生自主学习 独立思考 保 护学生的探索精神 创新思维 营造崇尚真知 追求真理的氛围 为学生的禀赋和潜能的充 分开发创造一种宽松的环境 注重学生实践能力和创新精神的培养要落实在教育的各个方 面 贯穿r 教学的各个环节 其中的重要的一环 也是最现实 最有效的办法 就是重视 加强 改进验教学 这就需要开放的实验教学配合 推动1 3 助性和研究性学习 激发学生的 主观能动性 使学生对e l 已感兴趣的问题能够有做深入探讨 研究的条件和环境 从而训练 学生的动手能力和创造性思维 这样才能更有效地达到教育改革提山的素质教育的要求 1 1 1 建设开放性实验室是当今教育发展的趋势 1 1 5 1 实验教学的最终目的是使学生更好的理解和掌握理论知识并能灵活的运用它 为走向社 会 培养动手能力和独立解决问题的能力 实验教学的高层次目的不是简单地验证理论 也不是仅仅培养学生的操作技能 而是培养 学生的实践能力 研究能力和创新精神 从而全面提高学生素质 造就一代创新型人才 为此 实验课程要独立 实验室更要对学生开放 开放实验室 可以使学生 全天候 地到实验室做 实验 这不仅有利于发挥学生做实验的积极性 主动性 也有利于培养学生的个性 激发学生的 思维 引发他们创造的欲望 点燃他们的创新火花 可以说对学生开放实验室既是落实学生中 心地位 主体地位的需要 也是遵循教育教学规律 遵循人才培养规律的必然表现 目前实验教学末要以学生集中教学 进行验证 肚实验为主 在实验内容和实验室开放时 问上都很不灵活 这种传统的封闭实验教学模式显然难以适应当前教育改革和人才培养的需 要 所谓开放性实验室 不仅是时间和空间上的开放 更为重要的是教学内容的开放 时间 上的开放是指利用常规 集中安排 教学时间外的空余日 j 问对外开放教学 充分利用实验资 源 空间上的开放是指尽可能开放实验室的实验场所 而教学内容的开放是指在实验内容安 排上应做到在验证性实验基础上有更多的综合型 设计型 研究性的实验 鼓励学生在掌握 基础知识的情况下 综合运用所学知识 根据1 9 己的设想来设计实验内容 验证自己的设想 或确 教师的指导f 参与共同设计新的实验 这样就调动了学生的积极性和主动性 有利于 学生创新精神和实践能力的提高 也提高了实验教学的层次 建设开放性实验室 改革实验教学模式 适应信息社会现代教育发展要求 提高了受教育者 对实践的应变能力j l l g l 新能力 使受教育者能更好地适应知识经济社会地急剧变化和激烈竞 争态势 同时 建设开放性实验室 优化了教学资源配置 提高教学资源地利用率 传统的 封闭实验教学 时间相对固定 实验仪器设备的使用处于固定时段 将实验室开放 实验仪 器的使用效率将明显提高 在不增加实验仪器和场地的情况下 实验室可以向更多地学生开 放 为学生的自主学习提供了条件 1 1 2 当前开放性实验室的发展现状1 6 卜1 1 1 j 目前国内外都在积极进行开放性实验室的建设 建设开放性实验室包括软制 和硬件两个 力面的 l 作 软件建设主要是在以下几个方面 实验内容 实验室管理方式 实验教材的编 写 实验课件的制作 与之相适应的硬件建设主要是使实验仪器与新的实验内容 实验管理 东南大学硕士学位论文 方式相配合 在开放性实验室的建 垃中 实验内容 实验室管理方式 实验教材的编写方面 国内外 进行了火龄的t 作 美圜a r i z o n as t a t eu n i v e r s i t y 在1 9 9 6 年就建立了大学本科电气 f 程开放性实验室 实验 室的硬件投资达2 0 0 万美元 实验室全天开放 由任课教师通知实验内容 学生自行预约实 验时间 实验成绩由实验指导教师评定 该实验室每个学期雇佣2 5 个高素质实验指导人员 在实验宦开放时 至少有2 个实验指导人员 当学生比较多的时候 有4 5 个实验指导人 员 保证有充足的实验辅导力量 德国汉堡大学的实验室全天向学生开放 并有专业人员进 行指导 实验室中的仪器设备儿乎全用计算机控制 每个学生都有机会去学习操作各类仪器 i 5 备 可以将自己的设想付诸丁实际 为学生提供了一个人胴思维 不受约束 能充分发挥 个性的空间和条件 当然学生在实验过程中能严格遵守各项规章制度 仔细操作各种仪器和 设各是其能够顺利实施的前提 相比之下 由于国内大多数实验室的实验条件有限 经费不足 实验指导人员从数量上 质量上不能满足实验室全天开放的需要 国内存在重视理论课教学 轻视实验教学的现象 在实验教学中人力物力投入不够 在理论课教学人员基本上都是硕士 博士学历 而实验教 学人员的学历普遍较低 往往为本科及以下学历 国内在建设开放性实验室时 一方面需 要加强实验教学队伍建设 提高实验技术人员的学历层次 科动f 能力 实验技能和综合素质 另一方面则需要改进实验教学内容 教学模式和实验教学环境 在实验内容上 国内一方面将原有验证型实验向综合性 设计性 创新性实验转变 同 时利用计锋机和多媒体技术 提高实验效率和改进实验手段 陆续开发了实验室计算机辅助 管理系统 计算机辅助教学软件等 在实验室开放模式上 国内高校也做出了有益的尝试 目前采取的方式有类似选课编班的模式 由教师和学生设计实验课题 该实验课题通过学校 选拔之斤 由专门的开放实验室基金补贴学生参加开放性实验所需要的材料消耗和指导教 师 实验指导人员的津贴 在这种模式下 实验过程仍然需要占用实验指导人员的规定课时 以外的人量辅导时间 而目前各个高校都存在实验指导人员力量不足的问题 这就使这种模 式推广起来有一定的难度 而且这一模式是面向选拔后的学生自主设计的实验内容 面向的 只是少数学生 人部分学生并不能从这种模式中得到锻炼的机会 也有的高校采取实验室在 规定的时问内对学生预约开放 相当于选修课形式 学生能选做实验室所能开设的任何实 验项目 鼓励学生进行开放创新活动 同时改变过去单一一的教学模式 尽力采用多层次的 开放式教学 统筹安排实验教学和理论教学 多给学生认真思考的时间 这种实验教学方法 同样需要有高素质的 时间富裕的实验指导教师作为支撑 在开放性实验室的硬件建设上 国内主要侧重于新的实验平台的构建 一方面利用计算 机币 虚拟仪器及各种软件平台进行虚拟实验 加强数字化 可编程 设计性 综合性和系统 化实验 充分利用各种现代化的e d a 软件平台 同时各校设计的电工电子专用实验设备多 采用挂4 1 式的实验台 实验箱或学习机形式 成为具有一定可变性和灵活性的实验平台 具 体说来就是在实验台挂件或实验箱面板上 提供实验所需的各种电气器件或电子元器件 包 括小同参数的电阻 电容 l 乜感 二极管 三极管 不同管脚的集成电路插座等等 实验室 按照电路原理图 用专i j 的导线连接所需元件 搭接实际电路 这样的设计结果 就给实验 没备留f 了很大的发展余地 司时国内开始使用乐高 l e g o 推出的机器人 r o b o l a b 套什和德国f i s h e r 的慧鱼 程模型约卅 应用于实验教学中 这两种实验器材都具有应用范 俐广 不易损坏的特点 为培养学生的动手操作能力和创新精神提供了一个良好的平台 目前国内建设开放性实验室已经做了人量的工作 在新的实验室管理模式 增加新的实 验内释冉 也墩得j 相府n q 成绩 我们发现在提高实验室的开放程度 减少剥实验指导教师 需求方面仍有提高的潜力 1 1 3 建设开放性实验室的另一方法 建波开放性实验室 在加大实验室的丌放程度的同时 需要大晕高素质的实验指导教师 以确保实验的顺利进行和实验仪器不被损坏 实验室开放后 学生的实验时间都是自己约定 的 教师的辅导j 作不可能全天候进行 更不可能象传统的实验辅导那样进行系统的讲解与 6 东南大学硕士学位论文 演示 而且由于学生自己约定实验时间 学生的实验进度不可能一致 传统的实验辅导操作 起来难度更大 目前国内高校的实验指导力量普遍不能满足火规模开放性实验室的需要 i 1 前国内在加强实验教学方面所做的工作主要侧重于实验室计算机辅助管理 计算机辅 助教学 而在面向实验过程方面所作工作不多 在这一方面大有可为 1 2 本文的研究内容及结构安排 1 2 1 课题研究的主要内容 本文提出了一种新的实验装置的设计思想 依托现有实验平台 构建面向实验过程的智 能实验裟置 实现真正意义上的实验室开放 利用该智能实验装置 依托现有实验平台 结合上位机及其相关软件 即可形成一个完整意 义l 的智能化实验平台 若将整个实验室巾的所有实验平台组网 将智能实验装置与计算机 网络技术结合 实现智能实验装置的网络化 目前高校实验教学中 电类实验占了相当大的比重 结合我校的实际情况 讨论在电工 实验中具体实现该智能实验装置的方法及其相应的上付机软件方案 该智能检测装置及配套的上位机软件所要达到的目标是 在电工实验过程中 学生可以 在上位机操作界面中调用及绘制自己构思的电工实验电路原理图 并对绘制的实验电路原理 图进行简单的e r c 电气规则检查 同时该系统可以检测电工实验中各个元器件的状态 并 对电工实验中各个元器件之间的连接情况进行检测 保证实验电路与上位机操作界面中绘制 的原理图相一致 面向实验过程 对学生搭接的实验电路进行原理性判断 在不依赖实验指 导教师的前提下 保护实验设备不被损坏 从而使建设开放性实验室的成本大大降低 本文研究的主要内容是开发合适的上位机软件 以及满足测试要求并具有一定通用性的 f 位机检测装置 1 2 1 本文的结构安排 本文的结构安排 第一章详细描述了被测对象 电工实验电路中的主要元器件的电气特性 主要描述了 各元件在直流激励作用下的响应 并给出了电工实验中主要元器件的在直流激励作用f 的电 气模型 并根据各个主要元件的电气模型 确定对电工实验电路进行检测的原理 第三章根据选定的检测原理 选定整个系统的实现方案 对上位机软件实现的方式 分 别考虑了利用p r o t e l 开发和利用v b 进行开发两种方法 并进行了简单比较 下位机的 实现分别考虑了利用5 1 系列单片机和i n t e l 的9 6 系列单片机两种方案 并进行了比较详 细的分析 最后选择利用v b 作为上位机系统开发语言 利用i n t e l 公司的9 6 系列中的 8 0 c 1 9 6 k c 单片机作为控制器 来开发下位机系统 第四章针对系统的下位机部分软硬件进行了描述 在本章中 首先给出下位机部分的硬 件原理框图 对硬件电路的主要功能模块加以详细描述 主要是串1 3 通信模块 接口电路模 块 包括激励选择通道电路和a d 采样电路 m c u 电路 之后 对下位机的软件思想进行 了介绍 重点介绍了a d 采样子程序及下位机与上位机之间的串口通信程序 第五章洋细介纠r 上位机软件的开发 首先介绍了串1 3 通信的几种实现方式 并给出了 利刚v b 语言中o n c o m m 事什实现上 下位机串口通信的代码 然后针对上位机操作界面 的开发进行了详细的介纠 并对上位机中的数据结构加以描述 东南大学硕士学位论文 第二章检测对象研究 本文讨论的智能实验装置是结合电工实验讨论的 有必要对本系统的检测对象 电工 实验电路中使用的元器什进行研究 了解其电气属性 f 面对电工实验中经常使用的各种器 件进行简单分析 2 1 常用电工实验仪表介绍 在电工实验中 通常使 i j 到的元器件主要有 电压表 电流表 功率表等各种测量表计 以及电阻箱 电容箱 中间继电器 时间继电器 熔断器 调压器 空心互感线圈等各种无 源器件 在电工实验中通常使用电动系测量仪表 下面就对电动系仪表的工作原理和内部电 路进行简单介绍 2 1 1 电动系仪表原理简介 1 2 卜 1 6 l 电工测量指示仪表种类很多 根据指示仪表测量机构的结构和作用原理 直读指示仪表 通常分为磁屯系 电磁系 电动系 静电系 感应系等 根据被测对象的名称 分为电流表 电压表 功率表 功率表 相位表 欧姆表以及各种多用途仪表 如万用表 伏安两用表等 在电工实验中 通常使用的多为电动系的仪表 f 面对电t 实验中常用的电动系仪表的 工作原理及内部电路进行简单介绍 2 1 1 1 电动系测量机构 南可动线圈中的电流与一个或者数个固定线圈中的电流相互作用而工作的测量结构称 为 电动系测量机构 电动系测量机构系统中的电磁能量 一 寺三l 砰 去l 2 m 1 2 l 2 式中l l2 固定线圈和可动线圈的电感 i l i2 崮定线圈和可动线圈中流过的电流 m 1 2 盛i 定利 j 动线圈的互感 系统的偏转力矩 m 坐 砰堕 三 2 堕 三 一d m i 2 d a21 如2 2 d a21 d o t 在电动系测量机构中 1 1 利i 是常数 次乡幺 翻 幺 o 只有互感m 才是偏转角口 f 门嘲数 所以转矩为 m d m 2 d a 该测量机构用游丝产生反作用力矩 当平衡时 w 强 m i j i d m l z d 岱 口 l l i 訾 式中w 为反作用力矩系数 可见 电动系测量机构可动部分的偏转角与可动线圈和吲定线圈中流过的电流之积成正比 与互感随偏转角的变化率成正比 如果电流i l 和1 同时改变方向 电动系测鼍机构的转矩方向不变 因此可以用来测量 8 东南大学硕士学位论文 交流 测量交流时 电动系测量机构的转矩时交流有效值的函数 可以用交流有效值来表度 因为转矩与c o s o 有关 可以做成相位表和功率因数表 也可以做成功率表 2 1 1 2 电动系电流表 电压表 功率表 一 电流表 用电动系测量机构测昔电流时 可以把可动线圈和固定线圈串联起来 电路图如图1 所 不 n 卜一同定线圈n 2 可动线圈 图i 电动系电流表的测量电路 f 二1 电压表 用电动系测量机构测量i 王压时 可以把可动线圈和同定线圈串联后再串联附加电阻 其 电路图如图2 所示 用改变附加电阻的方法可以改变电压量限 n 卜一固定线匿in 2 可动线圈 r v i 附加电阻 图2 电动系电压表电路图 三 功率表 用电动测量机构测量功率时 把测茸机构的可动线圈 串联附加电阻足 后与负载电阻 月 并联 固定线圈 与负载电阻相串联 此时测量机构的偏转角岱与负载r 中消耗的功 率成订 比 电动系功率表接线图如图3 所示 由此i j 见 r u 动系 h 丁仪表其外部特性都表现为感性负载 9 东南大学硕i 学位论文 2 1 2 需要检测的元件的特性分析 1 7 l 1 8 l 综上所述 电工实验使用到的元器件可以认为是r l c 元件及其组合 各种表计认 图3电动系功率表电路图 为是感性负载 各种继电器线圈部分表现为感性负载 对实验电路元件的分析也就是分析 元件的电气属性及其大小 实验电路中的各种导线也可以认为是电阻元件 针对r l c 元件 其晟显著 最直接的区别表现在其交直流特性的不同 在外加直流激励f r l c 元件的特性有明显的差异 根据电路理论 分别对r l r c 串联电路进行分析 l 叻r 图4r l 串联电路 r l 串联电路如图4 所示 r l 串联构成一个一阶电路 外施激励电压u 为直流电压 对丁线性电感 其磁通链和电流可写为 既 f 叽 t o i 孝 蟛 锄 i a t o 圭 纠毒 令t o 0 一 r 0 则得 o o t o 一 了1r 胁 从上式可咀看出 如果在施加激励前后 即0 一到0 的瞬间 电压 p 为有限值 式中 1 0 东南大学硕士学位论文 朽方的积分项将为零 此时电感中的磁通链和电流就不发生跃变 即 o 吼 o 一 f l o i l 0 一 对于一个t 0 时电流为零的电感来说 在施加激励的一瞬间不发生跃变的情况f 有 i l o i l o 一 0t 可见 此电感在施加激励的一瞬问相当于开路 根据三要素法 现分析蚓4 所示电路的零状态响应 可以直接得到电阻r 两端电压u 的表达式 u r u s 1 一e r 其中 f 尺 根据此表达式 可以得到r l 串联回路中u 随时间变化的曲线图 如图5 所示 r c 串联电路如图6 所示 r c 串联同样构成了一个 阶电路 外施激励电压u 为直流 电压 对于线性电容来说 我们知道在任意时刻t 时 它的电荷和电压可以写为 o o 一 q t g b i 善 蟛 1o 0 f 二i 之 善 d 善 c o 式中q f 和之分别为电容的电荷 电压和电流 令t o 0 一 f 0 则得 q o q o 一 f i o 4 a 4 o 虬 o 一 毒 d 掌 从上面两个式子可以看 如果在电路施加激励前后 即0 一到0 的瞬间 电流 f 为 有限值 上式右方的积分项将为零 此时电容上的电荷和电压就不发生跃变 对j 一个t 0 一时刻不带电荷的电容来说 在施加激励的瞬间不发生跃变的情况下 有 0 u c o 一 可见 在施加激励的一瞬间 此电容相当于短路 根据三要素法 可以得到电阻r 两端电压u 的零状态响应表达式 u r u s e 其中 f r c 根据此表达式 可以得到r c 串联回路中u r 随时间变化的曲线图 如图7 所示 l u r v t s 电阻为7 0 欧姆电感为1 h 图5 r l 电路中电阻两端电压在 5 v 直流激励作用f 随时间变化的曲线 东南火学硕士学位论文 u v u s c 图6r c 串联电路 r 电阻为7 0 欧姆 电容为1 微法 图7 电阻r 两端的电压在 5 v 直流激励作用下的变化曲线 t s 两个电阻串联的电路如图8 所示 图中碍表示被测电阻 r l 表示负载电阻 r l 两端 的 乜压表示为u 心 当外部施加直流激励信号饥 的零状态响应曲线类似于一个阶跃 信号的波形 其跃变的时间为n s 级 r t u s 图8r r 串联电路 l 2 2 对实验电路检测方法的选择 f 何机的主要任务是检测实验电路 将能够反映实验电路信息的检测数据发送到上位 机 由上位机对具体实验电路进行分析 与上位机中的实验电路原理图相比较 判断具体实 验电路是否有接线问题 元件是否正确 f ur 实验电路l l 的主要元器仆都可以认为是r l c 元件或是它们的组合 检测电工 实验电路 其实质就是区分实验电路中的r l c 元件的性质和大小 电路中两个元件是 2 东南大学硕士学位论文 否相连 也可以认为是判断两个元件之间是否有电阻元件相连 通过上一节的分析 r l c 元件在直流激励作用下的充放电曲线区别明显 所以在开发面向电工实验过程的智能检测 系统时 选择对实验电路的检测方法考虑根据r l c 元件在直流激励作用下的不同特性 来实现 具体的实验电路检测方法介缁如下 对实验电路中的接线a 施加直流激励信号 对接 线点b 进行两次采样 第一次是在a 点施加直流激励信号之后 立即对b 点电压采样 第 二次是在a 点施加直流激励信号之后 延时一段时间之后对b 点上的电压进行采样 根据 比较两次采样得到的电压 就可以判断出a 点和b 点之间的元件的性质 如果需要 该元 件的大小还可以通过第二次对b 点电压采样延时时间与采样得到的信号大小来计算得到 通过这种方法可以得到对实验电路的数字描述 将检测得到的数据发送到上位机 与上位机 中的标准数据文件相比较 就可以判断实验电路是否与上位机中绘制的原理图一致 为了利用r l c 元件在直流激励作用下的不同特性来对具体实验电路进行检测 就 需要构造一阶采样电路 利用r c 串联一阶电路和r l 串联一阶电路在直流激励作用下的不 同响应对下拉电阻上的电压进行采样 检测示意图9 所示 具体的硬件电路设计方案见4 2 1 所述 在对电路进行检测时 对实验电路中的每一个接线点施加 5 v 直流激励信号 然后逐 个采样其余接线点上的电压信号 检测过程以一个有1 1 个接线点的电工实验电路为例 首先 在第一个节点施加直流激励信号 然后在第二个节点上采样 将采样得到的模拟信号经a d 转换之后发送到上位机 撤销直流激励信号 延时一段时间 确保实验电路中元件处于零状 态 然后再在第一个节点上时间赢流激励信号 在第三个节点上采样 并对其a d 转换 这 样逐点检测实验电路中每两个接线点之间的元件性质和大小 根据这个检测原理 本文讨论了 该系统的具体实现方式 v s a m v t e s t 一直流激励信号v s a m a d 采样信号 图9测量电路示意图 当对电路中的并联支路进行检测时 测量电路如图9 1 所示 g n d 叫鲨墨r 篓lc 篓h 匝卜 支路 i 兰 竺 v s a m v t e s t 一直流激励信号v s a m a d 采样信号 图9 1 测量电路示意图 g n d 在对并联支路进行检测时 将整个并联支路作为一个整体来确定其检测相关的参数 在检测 时将检测结果与节点之间的连接关系结台起来判断元件之间的连接情况 元件是否完好 被测电路在如图9 2 中所示的r c 并联支路时 电路的时间常数等参数计算方式如下 f 墨车c 式2 1 r 东南大学硕士学位论文 土 j l 峙 去m 半 姐z 其中a 为常数 取决于电容c 的初始状态 对l c r r 并联支路检测时 同理可以进行分析 得出时间常数f 和采样电压u 一的 计算公式 这里就不详细介绍了 e u a m 图9 2r c 并联支路 同样 当激励信号施加节点与信号采样节点在同一个串联电路中 其相关检测参数的计 算方法也要随之改变 下面对r c 串联电路进行简单分析 r c 假设激励信号节点与信号采样节点之间有两个元件r c 串联 r 3 为采样电阻 那么 此时的时间常数和采样电压的计算公式即为 f f r r 3 c 式2 3 p 1一 u s a m 兰u s e r 式2 4 r 3 r 对于其他类型的串联电路同理进行分析 得到相关参数的计算公式 4 东南大学硕士学位论文 第三章智能实验装置综述 3 1 系统功能描述 该智能实验装置由上位机和下位机采样系统组成 下位机部分检测电工实验电路 并把 得到的检测数据发送到上位机 上位机部分生成并可以调用实验电路原理图 并对下位机发 送来的数据进行分析 判断具体实验电路是否与上位机中上e 在使用的原理图一致 系统组成 框图如图1 0 所示 元件编辑器b原 e 检测 f 采 隔 实 理 申口 位 元件库文件b 图 r数据 机样 离 验 编 控 g 0 1模 电 据 c 比较通信制 电 检 电 原理图文件h器路 块 路查 模块路 上位机 图l o智能检测系统原理框图 下位机 该系统的主要功能是 1 在上侮机显示编辑原理图 2 在上位机对自主设计的电路原理 图进行电气规则检查 判断电路图是否符合基本电气规则 3 判断实验电路中的元件是否与 原理图中一致 4 判断实验电路中线路连接是否与原理图一致 该智能实验装置主要是结合开放性电工实验室的建设而讨论盼 在开放性电工实验过聃 中 利用该系统 学生在上位机原理图编辑器中调用已有的原理图或者自己绘制实验电路原 理图 在对实验电路原理图进行电器规则检查之后 生成实验电路检测数据标准文件 启动 f 位机对搭接好的实验电路进行检测 将检测得到的数据利用串口发送到上位机 与己得到 的实验电路检测数据标准文什相比教 从而判断实验电路中 元件是否正确 电路连接是否 正确 如果正确 则学生可以继续进行下一步实验操作 如实验电路中存在问题 不包括实 验原理错误 只是保证实验电路上电后不会造成元器件损坏 上位机会在原理图编辑器中 报错 并通过下位机 使实验电路不能上电 这就能保证学生在进行自行设计的电工实验时 不需要实验指导教师检查就可以进行实验 该智能实验装置运用于电工实验教学中 面向实验过程 可以减少或者不需要实验教师 n j j h 导 保证学生在实验过程中不会损坏实验元器件 3 2 几种可能的系统总体方案简介 每个系统的实现方法都不是唯一的 针对本系统所要实现的功能 本文讨论了两种实现 方法 并比较各自的特点 3 2 1 软件方案 2 8 上位机软件 主要是实现原理图的编辑 保存和实验电路原理图的e r c 检错 井根据 原理图中的相关信息 生成检测数据 作为下位机对实际实验电路检查的标准 可以考虑通 过v b 或者p r o t e l 的二次开发来实现 利用v b 开发 工作量较大 原理图绘制 新元件的添加 都需要自己编程开发 但是 东南人学硕士学位论文 由于整个系统自主开发 系统内核比较清楚 原理图文件保存的数据格式是由自己定义的 可以利用保存的原理图数据 生成相应原理图的标准检测数据文件 对相应的实验电路进行 检查 同时 利用v b 进行开发 上下位机之间的通信很容易实现 不需要借助别的编程语 言来实现 p r o t e l 9 9s e 是一个c s 结构的应用程序 他的主程序是c l i e n t 9 9 e x e 该程序提供了 p r o t e l 9 9 s e 的用户接口 其他的应用程序 如原理图和印刷电路板图编辑器等 都是作为主程序 的服务器来使用的 利用p r o t e l 9 9s e 的c s 结构 开发一个服务器 来实现检测数据的添加功 能 利用p r o t e l 9 9s e 提供的二次开发工具 生成服务器的模板文制 这些模板文件就是构筑一 个服务器所需要的代码和d e l p h i 工程文件 他们可以在b o r l a n dd e l p h i 环境中打开和编辑 添 加所需要的代码 这些代码可以用p r o t e l 9 9s e 中的a p 函数编写 利川p r o t e l 进行开发 原理图绘制 新元件的添加都比较简单 但是由于p r o t e l 保存的原理图等等文件的数据格式尚未开放 无法利用在p r o t e l 中绘制的原理图中的信 息对实验电路中的连接情况进行检测 3 2 2 硬件方案 2 2 1 1 2 3 1 1 2 5 1 下位机需要实现的功能是检测电工实验电路 获得足够反映实际电路情况的信息 将检 测得到的信息发送到上位机 判断被测实验电路是否与原理图中一致 在电工实验中 主要 元器件可以看作是感性 容性 阻性负载及其组合 可以分别构造r c l c 回路 利用r l c 元件不同的充放电特性 来对实验电路检测 同时 在电类实验中 实验教学装置多 为模块化 越来越来越具有较强的综合性 为了更好的利用现有的实验仪器装置 适应不同 电r 实验电路的需要 检测部分电路需要有良好的通用性和可扩展性 关于f 位机的硬件实现方案 我们考虑了两种实现方案 分别介绍如下 3 2 2 1 系统方案一 利用5 l 单片机实现 利用5 l 系列单片机为控制模块 不采用a d 转换器 实现下位机部分的功能框图如图 一 i 辐宴 离 骀 模 电 块 一 礁 图11 利用8 0 5 1 单片机构成的f 位机系统框图 利用8 0 5 1 单片机为下位机模块来实现检测系统的下位机模块 对实验电路的检测方法 是 对于实验电路中的每一个接线点 施女h 5 v 的直流电压 然后在同时对实验电路中的其 他接线点的电压进行采样 通过对采样得到的电压进行分析 可以对实验电路中的元件和连 接情况进行判断 判断过程是在上位机进行的 该方案的特点是不使用a d 转换器 利用电路中的数字逻辑芯片闽值电压对采样得到的 电压进行比较 将其转换为数字量 通过8 0 5 1 单片机发送到上位机 这里考虑到速度和精度的要求 考虑采用7 4 h c 5 7 3 构成采样电路 采样电路如图1 2 所 示 7 4 h c 5 7 3 的输入端通过隔离模块与实验电路的接线点相连 输出端与8 0 5 1 单片机的数 据线相连 激励信号施加在实验电路中的接线点上 在采样时刻 使7 4 h c 5 7 3 输出锁存 利用7 4 h c 5 7 3 的锁存功能 将采样信号保存在7 4 h c 5 7 3 的输出端 由f a i r c h i l d 公司提供的 m m 7 4 h c 5 7 3 n 的芯片资料可知 在芯片电源为 4 5 v 时 输入最小逻辑高电平 1 6 东南大学硕士学位论文 为3 1 5 v 输入最高逻辑低电平为1 3 5 v 利用7 4 h c 5 7 3 芯片输入的闽值电压 对采样得到 的电压进行比较 将采样得到的电压分别用0 1 表示 发送到8 0 5 1 单片机的数据线上 待 图1 2采样电路框图 检测过程结束后通过串口发送到上位机处理 该方案的优点是 对实验电路进行检测时 对其中一点施加激励信号 其余n 一1 个测试点同时采样 n 为实验电路接线点总数 采样 速度较快 缺点是 如果采样时间选择不当 采样得到的电压将介于1 3 5 v 与3 1 5 v 之间 则此时7 4 h c 5 7 3 输山状态将是一个随机量 为了避免采样时间不当 得到随机的采样信号 可以对实验电路多次采样 从而得到较为真实的检测数据 或者通过选择合适的采样时间 合适的采样电阻 使采样得到的信号不在1 3 5 v 3 1 5 v 之间 3 2 2 2 系统方案二 利用9 6 单片机实现 利用m c s 9 6 系列中的8 0 c 1 9 6 k c 单片机作为下位机模块核心 其功能框图如图1 3 所示 由丁8 0 c 1 9 6 k c0 片机片上带有的1 0 8 位a d 转换器 它包括一个8 通道的模拟多路 转换开关 一个采样 保持电路 一个1 0 位逐次逼近a d 转换器 a d 命令寄存器和控制逻 辑组成 在对实验电路进行检测时 对于实验电路中的每一个接线点 施自i i 5 v 的直流电压 然后对实验电路中的其他接线点的电压逐个进行采样 将采样得到的模拟电压信号经 8 0 c 1 9 6 k c 白带的a d 转换器转换后 发送至上位机 对实验电路中的元件和连接情况进行 判断 升一鎏鲨卜 隔实 离 验 模 电 一同l 竺i 块路 蚓1 3利用8 0 1 9 6 单片机构成的下位机系统框图 7 东南火学硕士学位论文 由于9 6 单片机的a d 转换器在同一时刻只能采样和保持一路模拟信号输入 故该检测 装置对实验电路进行检测时 只能逐点测量 该方案的优点是 利用9 6 单片机片上的a d 转换器 可以将对实验电路检测得到的模拟电压以较为精确的形式 对只需要采样两次就可 以确定两点之间元件的种类和大小 在上位机进行处理 缺点是 当对实验电路中的一点施 加激励信号时 对其余的n l 点的采样 n 为实验电路的接线点数 是逐点进行的 所以 在对实验电路检测时 存在响应时间较长的问题 3 3 系统方案的选定 系统的每个实现方案各有其优缺点 能满足系统主要指标要求的实现方案就是最好的方 案 在本文中 智能实验装置结合开放性电 实验进行讨论 上位机部分首要实现的功能 是能够编辑实验电路原理图 并能够利用原理图的数据进行电气规则检查 同时生成相应的 标准检测数据 虽然用p r o t e l 绘制原理图比较简便 但是解析其数据格式对原理图进行 电气规则检查 并生成标准检测数据文件比较繁琐 利用v b 开发 原理图编辑器的开发较为繁琐 但是v b 简单易学 而且有大量的 w i n d o w s 环境下的绘图程序可供参考 这就大大降低了开放的难度 自主开发原理图编 辑器 可以选择合适的原理图保存的数据格式 进行电路原理图的电气规则检查 并很容易 得到相应实验电路的标准检测数据文件 基丁以上考虑 上位机软件采用v b 开发 下位机部分首要实现的功能 是对实验电路进行检测 分析实验电路中的元件和连接情 况 需要采样分析的数据量不是太大 数据采样的实时性要求也不高 所以对检测数据采样 的速度不是首要考虑的问题 而对采样得到的信号进行较为精确的处理和分析是本系统的侧 重点 在本文耐论的方案一中 不外扩a d 转换器 仅仅利用7 4 h c 5 7 3 对采样得到的模拟电 压信号进行简单的a d 转换 精度不够 同时由于7 4 h c 5 7 3 在4 5 v 电压工作下时 m i n i m u m h i g h l e v e l i n p u t v o l t a g e 为3 1 5 v v l m a x i n u m l o w l e v e l i n p u t v o l t a g e 为1 3 5 v 当输入电压在1 3 5 v 与3 1 5 v 之间时 7 4 h c 5 7 3 的输出状态是一个随机量 输出 1 或者0 都有可能 虽然通过增加采样次数可以在一定程度上解决这个问题 但是采样次数 的增加 将使系统对实验电路检测的响应时间也大大增加 在方案二中 由于单片机片上带有1 0 8 位a d 转换器 对实验电路中的任何一个元件 检测时 只需要采样两次 同时9 6 单片机可以利用4 个软件定时器来触发事件 可以较为 方便的精确控制a d 转换过程的采样时间 可以得到较为精确的采样信号 有利于提高对实 验电路的分析的准确性 同时 m c s 9 6 系列1 6 位单片机面向工业控制开发 适用于工业 控制系统 信号处理系统和智能仪器等应用场合 可靠性比较高 而且9 6 系列单片机内部 总线是1 6 位 与5 1 系列单片机相比较 有一套效率更高 执行速度更快的指令系统 数据 传输速度 计算速度要比在同等晶振工作下的5 1 单片机速度要快 便于后继数据处理 综上所述 下位机系统考虑采用方案二来开发 当然 下位机系统的实现方法多种多 样 同样可以利用5 l 系列或者9 6 系列单片机作为控制器 设计不同的信号采集电路来实现 系统功能 在这里就不加以赘述了 1 8 东南大学硕士学位论文 第四章实验电路