CN108230815A - 弱电信号传输模拟实训装置 - Google Patents

Abstract

本发明是弱电信号传输模拟实训装置，其结构包括微控制器模块、人机交互模块、距离模拟模块、电压衰减模拟模块、干扰模拟模块、非标介质模拟模块；其中，人机交互模块的信号输入输出端与微控制器模块的信号输入输出端相连接；微控制器模块的第一信号输出端与距离模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第二信号输出端与电压衰减模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第三信号输出端与干扰模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第四信号输出端与非标介质模拟模块的信号输入端相连接。

Description

弱电信号传输模拟实训装置

技术领域

本发明涉及的是弱电信号传输模拟实训装置，属于电子信息技术领域。

背景技术

在实际应用场景中，弱电信号（含模拟、数字信号，电源信号等）随着传输距离的增大会发生衰减，外界干扰信号也会影响弱电信号的质量；但在教学培训过程中，由于实训场地和实训设备条件限制，常常无法真实再现长距离和外界干扰对弱电信号传输的影响，教师往往只能通过图片文字形式讲解距离和干扰对弱电信号的影响；学员的“体验感”不强不深，思维停留在理论的知识点层面，实际应用技能方面培训效果并不理想。

发明内容

本发明提出的是弱电信号传输模拟实训装置，其目的旨在真实模拟仿真不同远近距离对弱电信号以及电源衰减的影响效果。

本发明的技术解决方案：弱电信号传输模拟实训装置，其结构包括微控制器模块、人机交互模块、距离模拟模块、电压衰减模拟模块、干扰模拟模块、非标介质模拟模块；其中，人机交互模块的信号输入输出端与微控制器模块的信号输入输出端相连接；微控制器模块的第一信号输出端与距离模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第二信号输出端与电压衰减模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第三信号输出端与干扰模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第四信号输出端与非标介质模拟模块的信号输入端相连接。

本发明的优点：

1）通过距离模拟、电压衰减模拟、干扰模拟、非标介质模拟，覆盖常见的影响弱电信号传输的各方面要素，让实训学员清晰、直观地感受弱电信号在传输过程中的受影响情况，比传统的单一化、书面式介绍材料更加有效；

2）突破了实训场地和实训设备限制，真实模拟仿真不同远近距离对弱电信号以及电源衰减的影响效果，模拟不同干扰信号以及非标介质对信号传输的影响，培训学员看得到结果，体验明显，多角度实训加深培训学员对弱电信号传输理论的知识和技能掌握程度；

3）实训操作简单方便，通过人机交互模块设置需要模拟的弱电信号传输影响参数，由微控制器模块自动控制距离、电压衰减、干扰、非标介质等不同的模拟模块，完成相应的模拟实训。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是距离模拟模块的结构示意图。

附图3是电压衰减模拟模块的结构示意图。

附图4是干扰模拟模块的结构示意图。

附图5是非标介质模拟模块的结构示意图。

附图6是分压模块的结构示意图。

具体实施方式

弱电信号传输模拟实训装置，其结构包括微控制器模块、人机交互模块、距离模拟模块、电压衰减模拟模块、干扰模拟模块、非标介质模拟模块；其中，人机交互模块的信号输入输出端与微控制器模块的信号输入输出端相连接；微控制器模块的第一信号输出端与距离模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第二信号输出端与电压衰减模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第三信号输出端与干扰模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第四信号输出端与非标介质模拟模块的信号输入端相连接。

所述微控制器模块优选采用STM8嵌入式微处理器；微控制器模块负责人机交互操作、数据显示，并根据人机交互模块设置的参数，控制距离模拟模块、电压衰减模拟模块、干扰模拟模块、非标介质模拟模块的工作模式，使其进入预定的弱电信号传输模拟状态。

所述人机交互模块采用工业触摸屏设计，与微控制器模块之间通过MODBUS总线进行数据交互传输，可实现参数设置、启动、停止等控制；同时能够实时显示当前模拟的弱电信号传输状态。

如图2虚线框中所示，所述距离模拟模块包括八种不同规格的电阻阵列和1片8路电子开关；八种不同规格的电阻阵列分别为：第一电阻阵列，第二电阻阵列，第三电阻阵列，第四电阻阵列，第五电阻阵列，第六电阻阵列，第七电阻阵列，第八电阻阵列；所述1片8路电子开关为8路并联的电子开关；其中，第一电阻阵列的一端、第二电阻阵列的一端、第三电阻阵列的一端、第四电阻阵列的一端、第五电阻阵列的一端、第六电阻阵列的一端、第七电阻阵列的一端、第八电阻阵列的一端相互并接作为弱电信号输入端；第一电阻阵列的另一端、第二电阻阵列的另一端、第三电阻阵列的另一端、第四电阻阵列的另一端、第五电阻阵列的另一端、第六电阻阵列的另一端、第七电阻阵列的另一端、第八电阻阵列的另一端分别与8路并联的电子开关中的其中1路电子开关的输入端相连接；8路并联的电子开关的输出端相互并接作为弱电信号输出端；所述弱电信号输入端接正常的弱电信号，所述弱电信号输出端接弱电设备的信号输入端。

所述第一电阻阵列，第二电阻阵列，第三电阻阵列，第四电阻阵列，第五电阻阵列，第六电阻阵列，第七电阻阵列，第八电阻阵列是分别由不同规格的精密电阻通过串联和并联方式形成不同的有效电阻值，分别模拟弱电信号线缆从20米-2000米之间八种典型的远近不同传输距离，以弱电信号传输线缆常用的1mm²RVV铜线为例，常温下铜线的电阻率ρ为0.0175Ωmm²/m，根据R=ρ*L/S，则所述第一电阻阵列，第二电阻阵列，第三电阻阵列，第四电阻阵列，第五电阻阵列，第六电阻阵列，第七电阻阵列，第八电阻阵列各自的有效电阻值以及对应的弱电信号线缆传输距离如下表1所示：

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工作时，微控制器模块根据人机交互模块设置的距离模拟参数，控制距离模拟模块上电子开关相应分支的闭合，弱电信号从弱电信号输入端到弱电信号输出端接通，即相当于模拟了相对应的传输距离；所述距离模拟模块可模拟弱电信号线缆八种典型的远近不同传输距离。

所述距离模拟模块，还可以根据需要实训的线缆材质以及线径不同，结合需要模拟的传输距离，对电阻阵列的有效电阻值进行改变，制作成不同的独立模块形式，根据实训需要进行替换。

所述电压衰减模拟模块：可工作在八种不同的工作模式下，模拟弱电信号电源随着线缆远近不同的传输距离而导致的电压衰减情况；以弱电设备常用的直流电源12V，弱电设备工作电流1A为例，电源传输线缆常用1.5mm²RVV铜导线，常温下铜线的电阻率ρ为0.0175Ωmm²/m，根据R=ρ*L/S，U=I*R，则电源信号线缆传输距离与电源电压衰减的对应关系如下表2所示：

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据此设计的电压衰减模拟模块如图3虚线框中所示：所述电压衰减模拟模块包括八种不同规格的分压模块和1片8路电子开关；所述八种不同规格的分压模块分别为：第一分压模块，第二分压模块，第三分压模块，第四分压模块，第五分压模块，第六分压模块，第七分压模块，第八分压模块；所述1片8路电子开关为8路并联的电子开关；其中，第一分压模块的输入端、第二分压模块的输入端、第三分压模块的输入端、第四分压模块的输入端、第五分压模块的输入端、第六分压模块的输入端、第七分压模块的输入端、第八分压模块的输入端相互并接作为电源信号输入端；第一分压模块的输出端、第二分压模块的输出端、第三分压模块的输出端、第四分压模块的输出端、第五分压模块的输出端、第六分压模块的输出端、第七分压模块的输出端、第八分压模块的输出端分别与8路并联的电子开关中的其中1路电子开关的输入端相连接；8路并联的电子开关的输出端相互并接作为电源信号输出端；所述电源信号输入端来自市售标准电源的输出端；所述电源信号输出端接用电设备的电源输入端。

所述每个分压模块包括第一电阻组合和第二电阻组合；第一电阻组合和第二电阻组合按照附图6方式构成分压电路模块，使得分压模块的输出端电压与表2中随着传输距离而导致的“用电设备端实际电压”对应；所述第一电阻组合的输入端作为每个分压模块的输入端，所述第二电阻组合的输入端作为每个分压模块的接地端，第一电阻组合的输出端和第二电阻组合的输出端共同作为每个分压模块的输出端。

微控制器模块根据人机交互模块设置的距离模拟参数，控制电压衰减模拟模块上的电子开关相应分支闭合，标准电源信号通过分压模块分压后，相对应分支的分压模块输出端接通到用电设备，即相当于模拟了相对应传输距离的电压衰减情况。

所述电压衰减模拟模块，还可以根据需要实训的线缆材质以及线径不同，结合需要模拟的传输距离，对第一电阻组合和第二电阻组合的有效电阻值进行改变，制作成不同的独立模块形式，根据实训需要进行替换。

如附图4所示，所述干扰模拟模块包括信号发生器和一路电子开关；所述信号发生器可根据需要模拟的干扰源类型，采用市售的标准信号发生器或谐波发生器；所述信号发生器的输出信号端与电子开关的干扰信号输入端相接，电子开关的输出端与正常弱电信号并接共同作为弱电信号输入端与弱电设备的信号输入端相接；弱电设备正常工作时，电子开关不导通，则只有正常的弱电信号输入弱电设备的信号输入端；当需要模拟干扰信号对弱电设备的影响时，微控制器模块根据人机交互模块设置的干扰模拟参数，控制干扰模拟模块上的电子开关闭合，信号发生器的输出信号与正常弱电信号叠加输入至弱电设备的信号输入端，即相当于模拟了干扰信号对弱电设备的影响；所述标准信号发生器的优选型号为TEK-AFG3000，谐波发生器的优选型号为AVE-三次谐波发生器ATsG。

所述信号发生器的输出信号可根据需要模拟的干扰源不同以及干扰信号强度不同，调节不同的频率、幅值、波形等参数。

如图5虚线框中所示；所述非标介质模拟模块包括八种不同规格的电阻阵列和1片8路电子开关；八种不同规格的电阻阵列分别为：第九电阻阵列，第十电阻阵列，第十一电阻阵列，第十二电阻阵列，第十三电阻阵列，第十四电阻阵列，第十五电阻阵列，第十六电阻阵列；所述1片8路电子开关为8路并联的电子开关；其中，第九电阻阵列的一端、第十电阻阵列的一端、第十一电阻阵列的一端、第十二电阻阵列的一端、第十三电阻阵列的一端、第十四电阻阵列的一端、第十五电阻阵列的一端、第十六电阻阵列的一端相互并接作为非标介质模拟模块的弱电信号输入端；第九电阻阵列的另一端、第十电阻阵列的另一端、第十一电阻阵列的另一端、第十二电阻阵列的另一端、第十三电阻阵列的另一端、第十四电阻阵列的另一端、第十五电阻阵列的另一端、第十六电阻阵列的另一端分别与8路并联的电子开关中的其中1路电子开关的输入端相连接；8路并联的电子开关的输出端相互并接作为非标介质模拟模块的弱电信号输出端；所述非标介质模拟模块的弱电信号输入端接正常的弱电信号，所述非标介质模拟模块的弱电信号输出端接弱电设备的信号输入端。

非标介质在弱电信号传输方面主要是线缆非国标，偷工减料，表现在材质非纯铜，采用回收铜或掺杂其它金属杂质、线径不达标、简化工艺等；根据R=ρ*L/S，同等长度的线缆，非标线缆的导电性能比国标线缆差很多；正因为非标介质的非国标性，没有相关的量化指标来进行衡量；因此，本发明的非标介质模拟模块采用如图5所示的结构，对非标介质在信号传输影响方面进行定性的模拟演示，使培训学员有直观的感受。

所述第九电阻阵列、第十电阻阵列、第十一电阻阵列、第十二电阻阵列、第十三电阻阵列、第十四电阻阵列、第十五电阻阵列、第十六电阻阵列分别由不同规格的精密电阻通过串联和并联方式形成不同的有效电阻值；以弱电信号传输线缆常用的1mm²RVV铜线为例，常温下纯铜线的电阻率ρ为0.0175Ωmm²/m，假设信号传输距离为100米，根据R=ρ*L/S，所述电阻阵列1为国标线缆有效电阻值，第十电阻阵列、第十一电阻阵列、第十二电阻阵列、第十三电阻阵列、第十四电阻阵列、第十五电阻阵列、第十六电阻阵列为模拟的7种非标线缆对应的有效电阻值，具体模拟情况如下表3所示：

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所述非标介质模拟模块，还可以根据需要实训的线缆材质以及线径不同，结合需要模拟的非标介质偏离国标情况，对电阻阵列的有效电阻值进行改变，制作成不同的独立模块形式，根据实训需要进行替换。

Claims (10)

1.弱电信号传输模拟实训装置，其特征是包括微控制器模块、人机交互模块、距离模拟模块、电压衰减模拟模块、干扰模拟模块、非标介质模拟模块；其中，人机交互模块的信号输入输出端与微控制器模块的信号输入输出端相连接；微控制器模块的第一信号输出端与距离模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第二信号输出端与电压衰减模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第三信号输出端与干扰模拟模块的信号输入端相连接；微控制器模块的第四信号输出端与非标介质模拟模块的信号输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的弱电信号传输模拟实训装置，其特征是所述微控制器模块优选采用STM8嵌入式微处理器。

3.根据权利要求1所述的弱电信号传输模拟实训装置，其特征是所述人机交互模块采用工业触摸屏设计，与微控制器模块之间通过MODBUS总线进行数据交互传输，可实现参数设置、启动、停止等控制；同时能够实时显示当前模拟的弱电信号传输状态。

4.根据权利要求1所述的弱电信号传输模拟实训装置，其特征是所述距离模拟模块包括八种不同规格的电阻阵列和1片8路电子开关；八种不同规格的电阻阵列分别为：第一电阻阵列，第二电阻阵列，第三电阻阵列，第四电阻阵列，第五电阻阵列，第六电阻阵列，第七电阻阵列，第八电阻阵列；所述1片8路电子开关为8路并联的电子开关；其中，第一电阻阵列的一端、第二电阻阵列的一端、第三电阻阵列的一端、第四电阻阵列的一端、第五电阻阵列的一端、第六电阻阵列的一端、第七电阻阵列的一端、第八电阻阵列的一端相互并接作为弱电信号输入端；第一电阻阵列的另一端、第二电阻阵列的另一端、第三电阻阵列的另一端、第四电阻阵列的另一端、第五电阻阵列的另一端、第六电阻阵列的另一端、第七电阻阵列的另一端、第八电阻阵列的另一端分别与8路并联的电子开关中的其中1路电子开关的输入端相连接；8路并联的电子开关的输出端相互并接作为弱电信号输出端；所述弱电信号输入端接正常的弱电信号，所述弱电信号输出端接弱电设备的信号输入端；

工作时，微控制器模块根据人机交互模块设置的距离模拟参数，控制距离模拟模块上电子开关相应分支的闭合，弱电信号从弱电信号输入端到弱电信号输出端接通，即相当于模拟了相对应的传输距离；所述距离模拟模块可模拟弱电信号线缆八种典型的远近不同传输距离。

5.根据权利要求1所述的弱电信号传输模拟实训装置，其特征是所述电压衰减模拟模块包括八种不同规格的分压模块和1片8路电子开关；所述八种不同规格的分压模块分别为：第一分压模块，第二分压模块，第三分压模块，第四分压模块，第五分压模块，第六分压模块，第七分压模块，第八分压模块；所述1片8路电子开关为8路并联的电子开关；其中，第一分压模块的输入端、第二分压模块的输入端、第三分压模块的输入端、第四分压模块的输入端、第五分压模块的输入端、第六分压模块的输入端、第七分压模块的输入端、第八分压模块的输入端相互并接作为电源信号输入端；第一分压模块的输出端、第二分压模块的输出端、第三分压模块的输出端、第四分压模块的输出端、第五分压模块的输出端、第六分压模块的输出端、第七分压模块的输出端、第八分压模块的输出端分别与8路并联的电子开关中的其中1路电子开关的输入端相连接；8路并联的电子开关的输出端相互并接作为电源信号输出端；所述电源信号输入端来自市售标准电源的输出端；所述电源信号输出端接用电设备的电源输入端。

6.根据权利要求5所述的弱电信号传输模拟实训装置，其特征是所述每个分压模块包括第一电阻组合和第二电阻组合；所述第一电阻组合的输入端作为每个分压模块的输入端，所述第二电阻组合的输入端作为每个分压模块的接地端，第一电阻组合的输出端和第二电阻组合的输出端共同作为每个分压模块的输出端；

微控制器模块根据人机交互模块设置的距离模拟参数，控制电压衰减模拟模块上的电子开关相应分支闭合，标准电源信号通过分压模块分压后，相对应分支的分压模块输出端接通到用电设备，即相当于模拟了相对应传输距离的电压衰减情况。

7.根据权利要求1所述的弱电信号传输模拟实训装置，其特征是所述干扰模拟模块包括信号发生器和一路电子开关；所述信号发生器为标准信号发生器或谐波发生器；所述信号发生器的输出信号端与电子开关的干扰信号输入端相接，电子开关的输出端与正常弱电信号并接共同作为弱电信号输入端与弱电设备的信号输入端相接；弱电设备正常工作时，电子开关不导通，则只有正常的弱电信号输入弱电设备的信号输入端；当需要模拟干扰信号对弱电设备的影响时，微控制器模块根据人机交互模块设置的干扰模拟参数，控制干扰模拟模块上的电子开关闭合，信号发生器的输出信号与正常弱电信号叠加输入至弱电设备的信号输入端，即相当于模拟了干扰信号对弱电设备的影响。

8.根据权利要求1所述的弱电信号传输模拟实训装置，其特征是所述非标介质模拟模块包括八种不同规格的电阻阵列和1片8路电子开关；八种不同规格的电阻阵列分别为：第九电阻阵列，第十电阻阵列，第十一电阻阵列，第十二电阻阵列，第十三电阻阵列，第十四电阻阵列，第十五电阻阵列，第十六电阻阵列；所述1片8路电子开关为8路并联的电子开关；其中，第九电阻阵列的一端、第十电阻阵列的一端、第十一电阻阵列的一端、第十二电阻阵列的一端、第十三电阻阵列的一端、第十四电阻阵列的一端、第十五电阻阵列的一端、第十六电阻阵列的一端相互并接作为非标介质模拟模块的弱电信号输入端；第九电阻阵列的另一端、第十电阻阵列的另一端、第十一电阻阵列的另一端、第十二电阻阵列的另一端、第十三电阻阵列的另一端、第十四电阻阵列的另一端、第十五电阻阵列的另一端、第十六电阻阵列的另一端分别与8路并联的电子开关中的其中1路电子开关的输入端相连接；8路并联的电子开关的输出端相互并接作为非标介质模拟模块的弱电信号输出端；所述非标介质模拟模块的弱电信号输入端接正常的弱电信号，所述非标介质模拟模块的弱电信号输出端接弱电设备的信号输入端。

9.根据权利要求4所述的弱电信号传输模拟实训装置，其特征是所述第一电阻阵列、第二电阻阵列、第三电阻阵列、第四电阻阵列、第五电阻阵列、第六电阻阵列、第七电阻阵列、第八电阻阵列分别为由不同规格的精密电阻通过串联和并联方式形成的有效电阻值。

10.根据权利要求8所述的弱电信号传输模拟实训装置，其特征是所述第九电阻阵列、第十电阻阵列、第十一电阻阵列、第十二电阻阵列、第十三电阻阵列、第十四电阻阵列、第十五电阻阵列、第十六电阻阵列分别为由不同规格的精密电阻通过串联和并联方式形成的有效电阻值。