DB-855 创新型测控传感器技术综合实验实训平台

一、概述

1．创新型测控传感器技术综合实验实训平台能满足传感器与检测技术课程群的实验需求，并且具有占用空间小、挂箱设计规范、互换性强，从基本实验到构成完整系统在一台实验装置上便可以全部实现。避免了不同课程需要不同实验装置、占用空间大、难以构成完整系统、不方便实施综合性和设计型实验的麻烦。

2．创新型测控传感器技术综合实验实训平台能适应不同专业和不同层次的教学需要，可按不同需求选择不同的配置，并可根据用户的要求增添实验挂箱。

3．创新型测控传感器技术综合实验实训平台能完成传感器与检测技术相关课程实验，通过实验能掌握各种传感器原理、信号处理电路及检测方法。

4．传感器部分：包括压力、压电、应变、电容、霍尔、温度、光敏、气敏(酒、C0)、电涡流、光纤位移、长光栅位移、差动变压器、光电耦合等各种常见传感器。

5．检测部分：利用工业实际中广泛采用的成熟电路完成对各种传感器信号的拾取、转换、调理、采样、存储、解算、控制及显示等处理电路，实验装置充分考虑抗干扰及可靠性技术的应用，学生可以学以致用。

6．创新型测控传感器技术综合实验实训平台有利于广大学生对书本知识的理解和深化，在完成传感器与检测技术等一系列基本实验后，便能掌握传感器与检测技术课程群所要求的基本原理、操作技能和动手能力。若再完成一个或几个综合型实验，则对系统有一个较为全面的认识，形成基本的解决实践问题的知识体系。如果能进一步完成设计型乃至创新型实验，则将形成解决实践问题的能力和积累解决实践问题的经验，进而培养其创新精神和创新能力。

二、特点

1．模块化设计：采用标准的模块化设计，增强系统的结构性和互换性。

2．总线标准：建立统一的内总线和接口约定，以实现最灵活的个性化配置、扩展和系统管理。

3．可更换的核心系统：为适应不同厂家的处理器、不同种类的处理器，通过改变系统核心卡来实现使用不同家族的单片机或者是不同种类的处理器(如MCU、DSP、ARM)等来组成系统。

4．快速连接线设计：提供三种连线方式

①采用金质缩紧孔单线接线；

②采用排线集中接线；

③自动免连线模式接线。各模块在设计时均融入三种连线方式于设计过程。

5．一机多用：采用实验现场与实验准备室相结合的设计构思，在实验装置上仅配备最常用的模块，在实验装置内放置次常用模块，在实验准备室中放置其他模块。由此实现了该实验装置能够实现一机多用、便于扩展和综合的目标。

6．接近工程实际：实验装置上采用多种工业型传感器，既可以用来完成传感器原理、结构与调理电路的教学，也可以用解决工业工程和过程中的实际问题。

7．学以致用：构成实验装置中的智能仪器的各模块，在其设计时充分体现实际系统的抗干扰设计技术和可靠性设计技术，其核心卡可作为实际智能仪器的核心单元。实验装置中信号转换与信号调理电路采用工业和工程实际中所采用的成熟电路。实验装置中使用的各种数字信号处理方法，采用典型的也是未来实践系统首选的数字信号处理手段，具有很强的工程实用特征。

8．持续发展：结合单片机、嵌入式单片、FPGA／CPLD、DSP及ARM知识可以将检测系统或智能仪器提高到更高的层次。

9．智能仪器仪表设计：结合工程实际给出了一个将常规仪器实现智能化的实例。

1 0．虚拟仪器仪表设计：结合数据采集卡设计虚拟仪器仪表。

11．研究与创新能力培养：实验装置中选用的几项综合型实验，是典型的检测仪表或工业应用系统的微型化，既能够使学习者领略检测技术的典型应用和掌握成熟可靠的检测系统的设计技术，又是培养和发挥学生创新能力、开展创新实验的实验平台。

l 2．开放式设计：实验装置中的软、硬件及系统均按照全开放的思想进行设计，以便于学生开展研究型和创新型的实验。

1 3．最小知识单元：为每个模块均可拆分到该知识层次的最小知识单元。

三、适用范围

实验台主要针对高校大学生课程设计、毕业设计和电子设计竞赛的开发平台，体现了灵活、开放、创新、综合、跨领域、跨专业的设计理念。其功能扩展模块覆盖了多个专业多门课程，适合电子类、通信类、自动化类、计算机类、机电类、测控仪器类等专业的学生进行综合、创新设计。

四、结构简介

本装置由控制屏，实验桌、活动挂箱及扩展模块、实验箱组成。实验台美观大方，尺寸可选；活动挂箱包括CPU挂箱、接口挂箱、对象挂箱、ARM挂箱、DSP挂箱；其功能扩展模块覆盖了多个专业多门课程，包含CPU类、通用接口类、人机界面类、信号变换隔离类、通信类、执行机构类、传感器类共40多项。

五、技术指标

1．输入电源：单相三线220V±10％50Hz

2．工作环境：温度10℃～+40℃相对湿度<85％(25℃)海拔<4000m

3．绝缘电阻：大于3MΩ

4．漏电保护：漏电动作电流不大于30mmA，动作时间不大于0．1秒

5．装置容量：<200VA

6．外形足寸：1620mm×750mm×1600mm，以实物为准。

六、装置的配备及技术性能

本装置主要由实验控制屏和实验桌两部分组成。

（一）实验控制屏

A.电源及保护体系

（1）直流稳压电源，每套功能配置如下：

①±5V／lA，±12V／1A和±15V／1A各两路，均具有短路软截止自动恢复保护功能；

②O～3OV／1A连续可调电源一路，具有短路软截止自动恢复保护功能，带数显电压表切换指示；

③0~20mA连续可调恒流源、具有开路保护功能，带数显指示功能。

（2）实验装置设有漏电保护，控制屏若有漏电现象，漏电流超过一定值，即切断电源，对人身安全起到一定的保护。

B．仪器仪表

1、直流数字电压表：200mV,2V,20V三档可调。

2、直流数字电流表：范围0~200mA，三位半数显，配合可调恒流源使用。

3、DDS函数信号发生器（频率范围：0.01Hz ~ 5MHz,液晶屏显示）

无量程限制：全范围频率不分档，直接数字设置；波形精度高：输出波形由函数计算值合成，波形精度高，失真小；可以通过一个按键直接控制仪器信号的输出和停止，扫描特性：具有线性扫频和对数扫频功能，扫描起止点任意设置；存储特性：可以存储10组用户设置的仪器状态参数，可随时调出重现；操作方式：全部按键操作，LCD1602液晶英文显示，直接数字设置或旋钮连续调节。

◆ 信号输出

输出波形 正弦，方波（占空比可调），三角波，锯齿波，四脉方列、八脉方列。

输出幅度 ≥10Vp-p(空载)

输出阻抗 51Ω±10%

直流偏置 ±3V

频率范围 0.01Hz ~ 5MHz

频率分辨率 0.01Hz(10mHz)

频率准确度±5×10-6

频率稳定度±2×10-6/3小时

正弦波失真度 ≤0.8% (参考频率 1kHz)

三角波线性度 ≥98% (0.01Hz~10kHz)

方波上升下降时间≤100ns

方波占空比范围 1%~99%

输出衰减 0dB、20dB

u TTL 输出

频率范围 0.01Hz ~ 5MHz

幅度>3Vp-p

扇出系数>20 TTL负载

u 扫频功能

扫描方式 线性扫描、对数扫描

频率设定范围 0.01Hz ~ 5MHz

频率扫描范围 M1预设频率~M2预设

扫描速率1s~99s/步进

4、功率放大器模块

双声道输出（左右通道输入、输出端子全部开放引出），内置开关电源，输出功率达15W+15W，峰值可达30W+30W，可接两个4-8欧10-100W的扬声器，信噪比极高。

5、计数器：计数范围：0-4294967295, 输入幅度：0.5Vp-p~20Vp-p,液晶屏显示。

6、频率/转速表：频率测量范围0~60MHz，转速测量范围1～9999rpm,输入幅度：0.5Vp-p~20Vp-p, 液晶屏显示；

7、温度控制器，加热源：提供一只XMTD3000温度控制器，可以显示设定温度和当前温度。

8、数据采集卡，配套相应PC机上位软件，用于电信号的采集、处理、显示:

(1)USB2.0 总线接口， USB2.0 full speed，12Mbps。

(2)支持采集卡重命名，单台PC可以同时连接多块采集卡；支持UID指示，快速找到对应的采集卡。

(3)模拟量输入部分主要由输入通道选择器、放大器、低通滤波器、ADC、AI 缓存区等部分组成 。

(4)具有自动校准功能，不需要外部的任何信号和设备的辅助，在外部信号连接时也能完成增益误差和偏移误差的校准。

(5)支持分组采样模式和序列采样模式，支持单通道和多通道采样，支持软件触发方式。

(6)具有 1k 个波形点缓存空间，支持单点输出、有限点单次输出、有限点多次输出、有限点连续输出等多种不同应用场合。

(7)支持直流输出和波形输出两种操作模式，直流输出模式采用手动方式设定 DAC 的输出电压值，波形输出模式可以根据预设定的波形点、更新频率、重复次数等产生 快速脉冲波形和周期波形。

(8)提供波形生成器功能，能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等各种周期性和非周期性波形，能够设置波形的幅度、频率、相位、占空比等参数。

(9)支持波形显示功能 , 显示区域支持使用鼠标滚轮放大和缩小波形，进行左右拖动波形。

(10)AI 模块具有独立 10K 点数据缓存，AO 模块具有独立 1K 点数据点硬件缓存。

(11)支持采样数据实时保存功能，支持 TXT、CSV、TDM 三种文件类型。

(12)支持固件在线升级，支持Windows XP/Win7/Win8/Win10 32 位和 64 位操作系统。

(13)提供DLL库函数支持二次开发，便于用户的编程和硬件的升级。

(14)提供labview、Qt、matlab、VC++、python 等例程和API编程说明。

(15)规格参数:

1、电压源输出

(1)3.3V电源:精度±3，最大电流150mA。

(2)5V电源:精度±5，最大电流200mA。

2、使用条件

(1)工作电压：5V(USB 总线供电)

(2)工作电流：100mA

(3)工作温度: -20 to 70 °C

(4)存储温度: -55 to 105 °C

(5)工作湿度: 5 to 95 RH，不结露

(6)存储湿度: 5 to 90 RH，不结露

3、AI 模拟量输入

(1)输入通道:8 路单端

(2)ADC分辨率:12Bit

(3)最大总和采样率:100KS/s

(4)硬件缓存:10k个采样点

(5)采样模式:单次采样，序列采样，分组采样，伪同步采样

(6)触发源:软件触发

(7)输入量程:0-5V

(8)输入阻抗>1 GΩ

(9)CMRR：56dB

(10)绝对精度：满量程典型值 20mV

4、AO 模拟输出

(1)输出通道: 2 路（同步）

(2)输出范围: 0-5V

(3)DAC分辨率:12bit

(4)更新速率: 1S/s-100KS/s，两通道独立

(5)AO FIFO: 1k 个采样点

(6)触发源:软件触发

(7)输出阻抗: 0.2Ω

(8)输出电流: ±10 mA

(9)压摆率: 0.5V/μs

(10)绝对精度: 满量程典型值 20mV

5、DI数字量输入

(1)DI 通道数量：6 路

(2)上拉电阻：4.7K

(3)逻辑电平标准：5V COMS，兼容 TTL

(4)输入电压范围：0-5V

(5)VIH 最小值：2.4V

(6)VIL 最大值：0.8V

6、DO数字量输出

(1)DO通道数量：6 路

(2)输出阻抗：30 欧

(3)逻辑电平标准：5V COMS

(4)输出电压范围：0-5V

(5)VOH最小值：4.5V

(6)VOL最大值：0.3V

(7)驱动电流：每路 IO最大值 10mA

所有IO：累计最大值50mA

C．传感器由多种传感器和信号调理模块组成

（1）转动源部分：转动源、霍尔传感器、光电传感器；应变片称重传感器；可更换的传感器：差动变压器传感器、电容传感器、涡流传感器、霍尔位移传感器、磁电式传感器、光纤位移传感器、湿敏传感器、酒精传感器。

（2）振动源部分：应变片振动台、压电电传感器；

（3）气体压力传感器部分：气压源、两气压计、气体压力传感器。

（4）热敏电阻传感器，热电偶传感器，PTl00铂电阻等。

5、三轴数采振动源模块

三轴数采振动源模块由独立振动器、固定盒、振动板、固定支架板，振动传感器检查等组成，配合信号发生器、功放模块可以精确调节振动幅度和频率。与传统的“平行金属片振动系统”相比较，“三轴数采振动系统”具有更好的幅频响应特性和相频响应特性：

提供可视化的振动数据分析软件（同时支持手机和PC机）

软件支持曲线图，散点图，支持三轴振动，位移，速度，加速度，频率检测，软件同时支持手机和PC机。支持数据导出，matlab振动分析，支持蓝牙5.0。

幅频响应特性对比:

市场上常见的平行金属片振动系统：

在整个测试频率范围（0~30Hz）内，当输入信号频率从低到高变化时，线性霍尔传感器的输出幅度波动剧烈。而且，当输入为 10V/10HZ 的信号时，输出信号幅度会出现明显的失真现象。

我们的三轴数采振动源系统：

在低频段（0~30Hz），该系统展现出出色的幅频响应特性。具体而言，当输入信号频率从低到高逐渐变化时，线性霍尔传感器的输出幅度会随之调整，其变化过程相当平稳。这意味着在低频范围内，系统能够很好地对输入信号进行响应，为用户提供稳定的性能体验。

相频响应特性对比:

市场上常见的平行金属片振动系统：

在低频段（0~ 30Hz），随着输入信号频率由低升高，线性霍尔传感器输出信号相位与输入信号相位偏移较大。

我们的三轴数采振动源系统：

在低频段（0~ 30Hz）表现出较好的相频响应特性，随着输入信号频率由低升高，线性霍尔传感器输出信号相位基本与输入信号相位一致。

D.嵌入式多功能虚拟仪器测试系统：

(1)2通道，50MSa/s实时采样率，20M带宽。8位~13位垂直分辨率。

(2)数据记录仪：支持72小时上位机无纸记录仪功能，采样间隔1 秒~1小时。

(3)频谱分析仪：可以通过扫频，记录过程的频率和放大倍数数据，绘制频率响应曲线。

(4)提供 GPIO 接口，自带PWM输出，频率、占空比可调。

(5)FFT快速傅里叶变换，提供矩形窗，Hanning，Hamming，Blackman等窗函数。

(6)支持过程录制存档和回放,支持波形图片导入与实时波形对比参考。

(7)支持XY模式李萨如图形，支持波形及数据报表的打印功能。

(8)测量量历史变化趋势统计和分析功能。

(9)支持波形多点测量，自动显示标记点的时刻值以及相邻两个编号之间的时间差值。

(10)支持系统设置导入、导出功能，这样方便针对不同实验设定不同的设置，一键导入。

(11)支持最高500帧PC缓存，支持数据缓冲区预览和鼠标滚轮操作。

(12)集成Pass/Fail检测功能，开源硬件接口支持DIY模块扩展。

(13)支持各种电流钳和其他物理量自定义探头。

(14)提供通讯接口协议，支持C#、Python、Matlab、LabVIEW等多种语言二次开发。

(15)USB 2.0 接口直接从PC取电，不需要额外配备电源，方便携带。

(16)支持安卓手机/平板/ PC电脑,支持Android和WINDOWS操作系统。

(17)软件支持中、英文两种语言，相比多级菜单的常规仪器，操作更加快捷、方便。

E．实验挂箱及实验模块，挂件尺寸：468*330mm

（1）控制器单元挂箱：配有8051单片机模块、C8051嵌入式单片机模块、其他CPU外围单元、译码模块、和常用接口模块。

（2）信号转换单元挂箱，挂件尺寸：234*330mm

配有8位并行AD模块、12位并行AD模块、8位并行DA模块、12位并行DA模块、I／O口扩展模块、转换模块(模块PCB板尺寸：176*90mm)

（3）通信与打印机单元挂箱，挂件尺寸：234*330mm

配有RS232／RS485通信模块、USB通信模块，网络控制器模块、CAN总线模块(模块PCB板尺寸：176*90mm >)、打印机放在挂箱底板上

（4）键盘与显示单元挂箱，挂件尺寸：234*330mm

配有显示(静态显示、动态显示、液晶显示)模块、16*16点阵显示模块、4X4键盘模块(模块PCB板尺寸：176*90mm)

（5）对象控制单元挂箱（一），挂件尺寸：234*330mm

配备有开关量输出模块、开关量输入模块、光耦隔离模块、继电器模块 (模块PCB板尺寸：176*90mm)

（6）对象控制单元挂箱（二），挂件尺寸：234*330mm

配备有IC卡读写模块、步进电机模块、直流小电机模块、语音处理模块、交通灯模块、 PWM调制模块(模块PCB板尺寸：176*90mm)

（7）ARM单元挂箱，挂件尺寸：468*330mm

配有完成ARM实验的基本模块

（8）信号与系统实验挂箱468*330mm

（9）自控原理与计算机控制挂箱模块（两块：一、468*330mm；二、234*330mm）

（10）测控电路实验挂箱模块（两块：一、468*330mm；二、234*330mm）

七、实验挂箱具体硬件资源

1．控制器单元挂箱：挂箱主要用于插接不同的CPU模块。挂箱上包含了CPU模块的接口插座和基本实验电路及系统扩展电路，可单独完成大部分的基本实验，挂箱上有三个(40P、40P、20P)扁平电缆接口槽用于和其他挂箱连接。挂箱上的资源如下：

（1）8155接口模块

（2）8255接口模块

（3）8279键盘显示接口模块

（4）8253可编程定时器模块

（5）硬件看门狗电路模块

（6） I2C EEROM模块

（7）8250模块

（8）8251模块

（9）I2C存储器模块

（10）I2C时钟模块

（11）单次脉冲模块

（12）93C46串行EEPROM模块

（13）红外线收发模块

（14）DS18B20数字温度传感器模块

（15）开关量输入模块

（16）关量输出模块