智能仪器与仪表实验平台开发研究

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【摘 要】针对智能仪器与仪表实验在教学中的重要作用，本文基于单片机开发一套实验平台。该平台由5个实验电路板构成，根据实验内容不同选用不同的电路板搭建实验电路。该实验平台在开发学生实践能力方面起到重要作用。

【关键词】智能仪器与仪表；实验平台；模块化结构

中图分类号：1 文献标志码：A

1.前言

智能仪器与仪表是电子信息、通信和测控等专业的专业课程，是计算机技术、检测技术与电子电路相结合的产物。智能仪器与仪表以计算机或微处理器为内核，传感器为工具采集待测物理量，并能完成数据存储、运算、逻辑判断等功能。该课程是一门综合性和实践性很强的专业课程，不仅要求学生具备电类专业课程的相关知识，还应具有较强的动手能力以及开发系统的能力。智能仪器与仪表实验平台的开发对引导学生理解该课程、培养实际动手能力具有重要作用。本文设计了一套智能仪器实验平台，该实验平台由5块实验板构成，通过对实验板的不同搭配可完成不同的实验内容，并根据学生知识水平和理解深度的差异设计不同的实验内容和操作流程，充分发挥学生的主观能动性。在该平台上开发的基础实验有增益可编程放大器实验、A/D转换实验、D/A转换实验、动态扫描显示实验、矩阵式键盘实验。综合设计性实验有差动输入放大滤波电路的设计与实现、温湿度信号采集电路设计与实现。

2.实验平台总体结构

本文设计的智能仪器与仪表实验平台的实验板分别是电源板、单片机电路板、键盘和显示电路板、时钟/日历-AD-DA板和数据采集实验板、可编程增益放大器板。电源板借用实验台上的±5v和12v直流电源。单片机电路板集成了单片机和通信电路，单片机采用AT89C51为微处理器，设计了单片机各引脚插口和I/O口插槽，通信电路采用RS232总线的串行通信方式与上位机通信。键盘显示板包括查询式按键、矩阵式按键、8段发光二极管和8位LED显示。时钟/日历-AD-DA板由时钟/日历电路、模拟电压电路、A/D模数转换电路、D/A数模转换电路和液晶显示电路，数据采集板上的多路输入信号由信号发生器提供。可编程增益放大器板由模拟信号输入端、前置放大器、程控放大器构成。其结构框图如图1所示。

图1结构框图

3.实验平台硬件设计

采用AT89C51单片机为内核。其中P0、P1、P2、P3口都是开放的，设计成2种插接方式，1种是接口，一种是插槽的，根据需求可以任意连接。实验主板与计算机直接按的通信设计了2种通信方式，分别是RS232和RS485串行总线方式。为了与单片机的逻辑电平相匹配，设计了MAXRS232和MAX485两种逻辑电平转换电路。

键盘显示板由查询式按键、矩阵式按键、8段发光二极管和8位LED显示4个模块构成，查询式按键采用独立按键的方式设计，共四个按键，需要4个I/O口。矩阵时按键设计了16个按键，采用中断扫描方式查询。发光二极管模块由8个二极管和8个插口构成用于流水灯等的实验。

时钟/日历-AD-DA板和数据采集实验板由时钟/日历电路、模拟电压电路、A/D模数转换电路、D/A数模转换电路和液晶显示电路和信号采集通道6个模块构成。A/D模数转换电路采用8位ADC0809转换器，满足实验用转换精度和速度的要求。D/A数模转换电路采用DAC0832LCN搭建数模转换电路。模拟电压电路使用5v直流电源作为模拟信号输入。时钟/日历电路采用PLILIPS公司生产的低功耗CMOS实时时钟/日历芯片设计的。液晶显示电路采用深圳晶汉达的JHD162AYY构成，用于显示数字和英文字符。

可编程增益放大器电路板中采用八选一数据选择器HCF4051BE对八路反馈电阻进行选择，从而选择不同的放大倍数。在该电路板中，一共使用了4路放大器，故选取TL084高速J-FET输入四通道集成运算放大器。该单片集成电路里包含了良好匹配的高压J-FET及双极性三极管。它具有宽共模及差模电压范围、低输入偏置及偏移电流、输出短路保护、高输入阻抗J-FET输入级、内部频率补偿、锁定自由操作、高循环率等特性。

4.总结

本文设计了由电源板、单片机电路板、键盘和显示电路板、时钟/日历-AD-DA板和数据采集实验板以及可编程增益放大器板等5块实验板构成智能仪器与仪表实验平台。该平台采用结构化思路设计，方便设计搭建，具有灵活、可靠等特点。该平台可使学生在硬件搭建和软件编程方面得到锻炼。

【参考文献】

[1]万云霞，凌振宝，千承辉，渠珊珊.智能仪器实验教学系统开发，实验室研究与探索，2012.10

[2]李长俊，蒋艳红.一种智能仪器实验平台[J].实验科学与技术，2004（02）

[3]谢飞.浅论当代智能仪器与计算机技术[J].科技信息（学术研究），2008（09）

[4]曾桂英，韦素芬.智能仪器课程教学改革的实践与探索[J].甘肃联合大学学报（自然科学版），2011（05）

（资助项目：吉林省民办高等教育研究基地项目）