CN201229673Y - 基于网络技术的电类实验过程监测终端装置 - Google Patents

Abstract

一种基于网络技术的电类实验过程监测终端装置，用于实验教学过程中实验内容、过程、结果的全程跟踪。包括：用于实验过程中电参数的监测电路；与所述电参数监测电路连接，用于外部实验信号输入的信号调理电路；与所述信号调理电路连接，用于在实验过程中电参数综合描述的中央处理单元；与所述中央处理单元连接，用于人机接口的信息表达电路；与所述中央处理单元连接，用于网络连接并交换数据的网络接口。本实用新型能利用网络进行远距离数据传输，且具有人机界面友好、使用方便、成本低廉、多功能、高实时性、高精度、多网络接口等优点，实现了基于网络技术的电类实验教学管理。

Description

基于网络技术的电类实验过程监测终端装置

技术领域  本实用新型涉及信号采集、信号处理、网络传输等技术领域，尤其是应用于高等院校、高职高专、职业中学等电类实验教学领域内，一种基于网络技术的电类实验过程监测终端装置。

背景技术  随着控制技术、计算机技术、通信技术、网络技术的发展，信息处理和交换技术正迅速地覆盖到控制与管理的各个层次，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的信息管理系统。现场总线(Fieldbus)正是这场变革中的关键技术，它的出现变革了传统的通信标准，变革了现有自动控制与通信系统的体系结构和设计方法等。现场总线已成为当今控制与通信技术发展的热点，代表了工业控制领域今后的一种发展方向，将开创自动控制系统的新纪元。

1、现场总线技术

现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续与离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化、办公自动化等等，它的出现和快速发展体现了降低成本、提高可靠性、增强可维护性以及数据采集智能化的要求。现场总线广泛应用于全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信系统之中，是一种底层控制网络，其协议规定了一定数量的现场设备之间的数据交换准则。现场总线中数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线等等。

2、CAN总线

CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络，最初是由德国Bosch公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，与一般的通信总线相比，CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线通信采用多主方式工作，而不分主从；采用非破坏总线仲裁技术，即使在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况(以太网则有可能)；CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下)，通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)；CAN通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择比较灵活；CAN总线具有较高的性价比，其结构简单，且开发技术很成熟。

目前CAN总线的具体应用已从汽车、火车、轮船迅速扩展到机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一，也是到目前为止唯一具有国际标准的现场总线。

3、LIN总线

局部互联网络(Local Interconnect Network，LIN)协议是新出现的一种新型低成本串行通信总线。它最开始出现于汽车行业，作为CAN的辅助总线，用于车身控制网络的低端场合，实现汽车车身网络的层次化，以降低汽车网络的复杂程度。LIN协议的突出特点是协议对硬件的依赖程度低、成本低，可基于普通单片机的通用串口等硬件资源以软件方式实现，几乎所有的微控制器都具备LINN必需的硬件资源。

LINN总线是一种基于普通串行接口的新型串行通信协议，其目标定位是作为CAN总线的辅助总线，具有以下主要特点：

(1)采用单主控制器/多从设备的通信模式，无须总线仲裁，数据的优先级由主机节点确定，可根据需要灵活改变。(2)基于普通的UART/SCI低成本硬件和软件、低成本的单总线实现。(3)确定性的信号传输，并保证信号传输的延时时间。(4)具有监控总线、数据校验和、标识符双重奇偶校验等错误检测功能，以及对网络中故障节点的错误检测，保证数据传输的可靠性。(5)具有进入睡眠状态和唤醒功能，可降低系统功耗。(6)网络传输输率最高可达20kb/s，最大传输距离不超过40m；网络中的节点数受标志符的数量及总线物理特性的限制，实际应用中不高于16个，即1个主机和15个从机。

因此，LIN网络可广泛应用于汽车行业及其以外的其他领域，如智能家居系统内部网络的数据通信、节点控制等。

4、RS485总线

RS485总线标准是EIA在RS422标准的基础上，研究出的一种支持多节点、远距离和高灵敏度接收的总线标准。RS485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线。RS485的特性包括：

(1)RS485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2～6)V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-(2～6)V表示，接口信号电平比RS232C低，不易损坏接口电路芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。(2)RS485的数据最高传输速率为10Mbps，最大传输距离可达3000米。(3)RS485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。(4)RS485接口在总线上允许连接多达128个收发器，即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS485接口建立设备网络。

4、网络化实验教学综合监测平台迫切性

人类社会跨入了飞速发展的信息时代，计算机网络已经渗透到各行各业，教学领域也不例外，将传统课堂教学与信息技术有机结合，以提高教学质量，实现教育信息化。在网络化课堂教学中，学生按自己的认知水平与学习兴趣，通过自主选择学习策略、自主运用媒体技术，完成既定的学习目标，进而实现学习过程、信息搜寻、信息加工、学习测评的自主性。这种学习使学生真正拥有智慧而不仅仅是获得知识，在此过程中学生各方面的能力也得到了提高，真正实现了素质教育，而不是传统的应试教育，这样能有效地培养学生自主学习的能力。此外，与传统教学方式相比，由CAN总线、LIN总线、RS485总线等现场总线作为网络传输载体的网络化教学系统不仅可以减少管理难度，提高管理效率，而且可以突破时空限制，实现资源共享，达到资源的有效配置。

实用新型内容本实用新型目的在于提供一种基于网络技术的电类实验过程监测终端装置，以利用网络发送控制命令、实验内容、实验要求和接收采集的实验数据，实现对实验数据的采集、处理、传输、存储等一系列工作，克服普通计算机局域网构成的教学监测平台中，使用计算机等高档设备构成的教学监测终端成本高，规模大等缺点，解决现有电类实验教学低效率现况。

为解决本实用新型的技术问题，本实用新型公开一种基于网络技术的电类实验过程监测终端装置，用于实验教学过程中实验内容、过程、结果的全程跟踪，其特征在于，包括：用于实验过程中电参数的监测电路；与所述电参数监测电路连接，用于外部信号输入的信号调理电路；与所述信号调理电路连接，用于在实验过程中电参数综合描述的中央处理单元；与所述中央处理单元连接，用于信息表达的人机接口电路；与所述中央处理单元连接，用于网络连接并交换数据的网络接口。

较优的，所述的基于网络技术的电类实验过程监测终端装置还包括：连接在所述信号调理单元的输入侧，用于跟踪电信号的电参数监测电路。电参数监测电路特征包括：

用于电力实验信号输入的电压降压与中间变换电路；

用于电力实验信号输入的电流变流与中间变换电路；

用于电气/电工实验信号输入的电压降压与中间变换电路；

用于电气/电工实验信号输入的电流变流与中间变换电路；

用于电子类实验信号输入的低电压信号输入检测电路；

用于电子类实验信号输入的微电流信号输入检测电路；

用于电子类实验信号输入的电平信号输入检测电路。

较优的，所述的基于网络技术的电类实验过程监测终端装置还包括：连接在所述电参数监测电路输出端，且与所述中央处理单元连接，用于外部信号输入端的信号调理电路。信号调理电路特征包括：

用于外部实验信号输入的交流信号相位测试电路；

用于外部实验信号输入的交流信号幅值测试电路；

用于外部实验信号输入的交流信号频率测试电路；

用于外部实验信号输入的信号采样保持电路；

用于外部实验信号输入的信号滤波电路；

用于外部实验信号输入的信号频率/电压转换电路；

用于外部实验信号输入的信号电流/电压转换电路；

用于外部实验信号输入的信号AD转换电路。

较优的，所述的基于网络技术的电类实验过程监测终端装置还包括：与所述中央处理单元连接，用于人机接口的信息表达电路。人机接口其特征包括：

连接在所述中央处理单元，用于显示所述中央处理单元的当前执行的控制命令并为用户提供控制界面的触摸屏；

连接在所述中央处理单元的输入端，用于输入操作信息的数字与功能按键；

连接在所述中央处理单元的输出端，用于显示操作过程等信息的LCD显示电路；

连接在所述中央处理单元的输出端，用于中央处理单元以及通信网络的状态指示以及功能指示的LED显示电路；

连接在所述中央处理单元的输出端，用于发出光报警信号或声音报警信号的声光报警电路。

较优的，所述的基于网络技术的电类实验过程监测终端装置还包括：与所述中央处理单元连接，所述网络接口集成了用于传送网络报文的RS485总线、CAN总线、LIN总线等通讯网络收发单元的网络接口。

较优的，所述中央处理单元可以是MCU、DSP、ARM处理器以及PLD处理单元。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、支持多总线网络通信接口构成的网络化教学监测终端装置将会大大提高系统应用灵活性；

2、提供多种外部信号输入接口，使系统应用范围更广，功能性更强；

3、中央处理单元可以采用MCU、DSP、ARM处理器以及PLD处理单元，使系统的信号处理实时性和精度都得到进一步的提高；

4、使用LCD显示器，为学生提供了优良的实验环境和友好的用户界面，提高学生实验操作与分析能力，使实验教学过程落实到每一个学生的学习中；

5、支持数据在线动态管理功能，降低教师监管难度，提升教学水平，提高了办公自动化的程度。

附图说明

图1是本实用新型监测终端装置的结构示意图。

图2是本实用新型电类实验过程监测终端装置一个示例的电路结构示意图。

具体实施方式  请参考图1所示，是本实用新型揭示的电类(电力、电气、电工、电子、电测)实验过程监测终端装置的结构示意图。

该监测终端用于监测电类(电力、电气、电工、电子、电测)实验过程，装置包括：用于跟踪实验过程中电信号的电参数监测电路100；与所述电参数监测电路100连接，用于外部信号输入的信号调理电路110；与所述信号调理电路110连接，用于在实验过程中电参数综合描述的中央处理单元130；与所述中央处理单元130连接，用于传输中央处理单元与人机交互设备之间信息的人机接口120；与所述中央处理单元130连接，用于网络连接并交换数据的网络接口140。

其中，所述中央处理单元130为微处理器，可以是MCU、DSP、ARM处理器以及PLD处理单元。

所述电参数监测电路100用于接入外部实验信号，包括：直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、波形、脉冲、逻辑电平等信号，通过互感器和中间变换器将电力、电气、电工等实验中的高电压降压，大电流变流减小；通过运算放大器将电子、电测实验中的低电压和微电流放大。最终在信号调理电路中通过电流/电压转换得到标准的接口信号：电压0～5V，电流4～20mA。

所述信号调理电路110，包括：交流信号相位测试、交流信号幅值测试、交流信号频率测试、信号采样保持、信号滤波、A/D转换等电路，用于将实验信号预处理，得到可与所述中央处理单元130连接的数字信号。

所述人机接口120，包括：用于显示所述中央处理单元130当前执行的控制命令并为用户提供控制界面的触摸屏；用于输入操作信息的数字与功能按键；用于显示操作过程等信息的LCD；用于系统状态指示和功能指示的LED；用于发出光报警信号或声音报警信号的声光报警电路。

所述触摸屏显示所述中央处理单元130当前执行的控制命令，用户可以通过所述触摸屏启动、中止、甚至终止本实用新型电类实验过程监测终端装置，也可以通过所述触摸屏设置系统参数，还可以通过所述触摸屏处理所述声光报警电路发出的报警故障。所述键盘可输入0～9共10个数字键值，可执行直流电压、直流电流、波形、逻辑电平等各类电参数的测量选择。

所述LCD显示实验测试的电参数，包括：直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、频率、波形、脉冲、逻辑电平等显示。

所述LED指示监测终端装置的工作状态，包括：在线、通讯、掉电等，还指示电源状态。当达到报警条件时，所述声光报警电路发出报警信号，提醒现场工作人员及时处理。

所述网络接口140为现场总线接口，包括：RS485总线接口、CAN总线接口、LIN总线接口。所述网络接口140与监控中心计算机相连接，将监控中心计算机的控制信息和数据传送至所述中央处理单元130，也可以将所述中央处理单元130的处理结果通过所述网络接口140上传到监控中心计算机。

本实用新型电类实验过程监测终端装置在正常操作下，用户可以通过触摸屏启动终端装置，而上位机通过所述网络接口140赋予监测终端装置的运行权限，所述中央处理单元130接收到权限后正常进入监测终端系统，完成一系列初始化后，进入系统主界面，用户根据LCD上的提示选择待测电参数类型，开始测量实验信号，比如检测0～50V直流电压，电类实验装置上的直流电压通过所述电参数监测电路100接入，并降压为标准的接口直流电压信号0～5V，再经所述信号调理电路110采样、滤波、保持和A/D转换等预处理后，所得到的数字信号被传送到所述中央处理单元130，微处理器将数字量进行运算、转换、存储，并通过LCD显示测量的直流电压值。当用户对测量的所有实验数据满意时，可通过所述键盘上的“确认”功能键确认数据，之后系统将所测量的数据通过所述网络接口140上传到监控中心计算机。如此，达到了对电类(电力、电气、电工、电子、电测)实验教学过程监测管理的目的。

同时，请参考图2所示，是本实用新型电类实验过程监测终端装置一个示例的电路结构示意图。所述中央处理单元130采用ATMEL公司型号为AT89C52的微处理器MCU；所述电参数监测电路100包括型号为RCA420的I/V转换电路、型号为LM110的电压跟随器；所述信号调理电路110采用型号为ADC08164的模拟/数字转换电路；所述人机接口120包括型号为SMG12864的LCD和矩阵键盘；所述网络接口140包括型号为SJA1000的CAN控制器、型号为6N137系列的光电耦合器和型号为PCA82C250的CAN收发器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、支持多总线网络通信构成的网络化教学监测终端装置将会大大提高系统应用灵活性；

2、提供多种外部信号输入接口，使系统应用范围更广，功能性更强；

3、中央处理单元可以采用MCU、DSP、ARM处理器以及PLD处理单元，使系统的信号处理实时性和精度都得到进一步的提高；

4、使用LCD显示器，为学生提供了优良的实验环境和友好的用户界面，提高学生实验操作与分析能力，使实验过程落实到每一个学生的学习中；

5、支持数据在线动态管理功能，降低教师监管难度，提升教学水平，提高了办公自动化的程度。

Claims (6)

1、一种基于网络技术的电类实验过程监测终端装置，用于实验教学过程中实验内容、过程、结果的全程跟踪，其特征在于，包括：

用于实验过程中电参数的监测电路；

与所述电参数监测电路连接，用于外部实验信号输入的信号调理电路；

与所述信号调理电路连接，用于在实验过程中电参数综合描述的中央处理单元；

与所述中央处理单元连接，用于人机接口的信息表达电路；

与所述中央处理单元连接，用于网络连接并交换数据的网络接口。

2、根据权利要求1所述的基于网络技术的电类实验过程监测终端装置，其特征在于：连接在所述信号调理电路的输入侧，用于跟踪电信号的电参数监测电路，电参数监测电路特征包括：

用于电力实验信号输入的电压降压与中间变换电路；

用于电力实验信号输入的电流变流与中间变换电路；

用于电气/电工实验信号输入的电压降压与中间变换电路；

用于电气/电工实验信号输入的电流变流与中间变换电路；

用于电子类实验信号输入的低电压信号输入检测电路；

用于电子类实验信号输入的微电流信号输入检测电路；

用于电子类实验信号输入的电平信号输入检测电路。

3、根据权利要求1所述的基于网络技术的电类实验过程监测终端装置，其特征在于：连接在所述电参数监测电路输出端，且与所述中央处理单元连接，用于外部信号输入端的信号调理电路，信号调理电路特征包括：

用于外部实验信号输入的交流信号相位测试电路；

用于外部实验信号输入的交流信号幅值测试电路；

用于外部实验信号输入的交流信号频率测试电路；

用于外部实验信号输入的信号采样保持电路；

用于外部实验信号输入的信号滤波电路；

用于外部实验信号输入的信号频率/电压转换电路；

用于外部实验信号输入的信号电流/电压转换电路；

用于外部实验信号输入的信号AD转换电路。

4、根据权利要求1所述的基于网络技术的电类实验过程监测终端装置，其特征在于：与所述中央处理单元连接，用于信息表达的人机接口电路，人机接口特征包括：

连接在所述中央处理单元，用于显示所述中央处理单元的当前执行的控制命令并为用户提供控制界面的触摸屏；

连接在所述中央处理单元的输入端，用于输入操作信息的数字与功能按键；

连接在所述中央处理单元的输出端，用于显示操作过程等信息的LCD显示电路；

连接在所述中央处理单元的输出端，用于中央处理单元以及通信网络的状态指示以及功能指示的LED显示电路；

连接在所述中央处理单元的输出端，用于产生光报警信号或声音报警信号的声光报警电路。

5、根据权利要求1所述的基于网络技术的电类实验过程监测终端装置，其特征在于，与所述中央处理单元连接，所述网络接口集成了用于传送报文的RS485总线、CAN总线、LIN总线等通讯网络收发单元。

6、根据权利要求1至5任何一项所述的基于网络技术的电类实验过程监测终端装置，其特征在于：所述中央处理单元可以是MCU、DSP、ARM处理器以及PLD处理单元。

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