测试测量技术是当代科学技术发展的一个重要标志,它与通信技术、计算机技术一起构成信息科学的三大支柱,是当代信息技术的关键和基础。测试和测量系统负责信息的采集、数据处理和分析,是自然和生产领域中获取信息数据的基本途径和重要手段。本实验教材是为测试系统综合实验课程编写的,主要内容包括传感器测量基础实验、传感器信号分析实验、大气参数实验以及无线传感器网络实验。通过实验课的方案讨论、详细设计和操作训练,使学生掌握和熟悉测试测量问题的一般处理方法,积累和提高实验技能,培养学生的独立分析问题、解决问题的能力;通过实验训练,培养严肃、严格、严密的科学态度和工作作风;通过实验设计、验证和研究探讨,巩固理论知识,加深对知识应用的理解,并从中获得新的知识和实践经验,养成创新意识。
本教材的特点:重点突出应用性和工程性,同时具备航空航天特色(如引入了包括机载大气数据采集系统实验、飞行器大气参数解算实验等具有航空航天特色的测试测量实验)。教材内容的设置既保证了北京航空航天大学在航空航天领域杰出人才的培养力,又可满足培养时代发展需求的一流工程人才的需求。同时,在教材的编写过程中,还补充了测试测量领域反映新概念、新原理、新技术的内容(如物联网、无线传感器网络等实验内容),力求使学生了解测试测量领域新的科技和产业的发展。本教材的具体内容包括:传感器基础知识、传感器信号分析基础实验、压力计系统静态特性校准实验、温度传感器实验、电感式传感器实验、应变传感器实验、超声传感器实验、电容式传感器实验、电涡流传感器实验、光纤光电传感器实验、霍尔传感器实验、航空压力传感器静态校准实验、大气数据系统飞行参数解算实验、基于无线片上系统的数字I/O 实验、基于无线片上系统的定时器实验、基于无线片上系统的外部中断实验、基于无线片上系统的串口通信实验、基于无线片上系统的A/D 转换实验、基于无线片上系统的光强度测量实验、基于无线片上系统的集成温湿度测量实验、基于ZigBee的星形无线传感网络综合实验和基于ZigBee的Mesh无线传感网络综合实验。
本教材系统地包括了传感器测量基础性实验和测量信号分析实验,并在此基础上引入了面向航空航天应用、嵌入式应用和物联网应用的测试系统综合实验内容。实验内容的安排由浅入深,由基础到综合,侧重强化学生测试测量领域知识的运用和实践能力的培养,兼顾提升学生面向未来的适应能力。通过对本教材的学习,可以使学生进一步加深对测试测量基础知识的理解,掌握传感器动静态特性标定的方法,掌握传感器信号的分析方法和数据处理方法;可以使学生运用所学的专业知识对实验数据进行正确的分析与处理,进而掌握航空航天测试测量系统的实现方法,具备到相关研究领域从事科学研究的基本技能。
本教材由北京航空航天大学的崔勇和董韶鹏共同编写。其中第1章、第2章和第3章由董韶鹏编写,第4章、第5章和第6章由崔勇编写,全书由崔勇统稿。北京航空航天大学的富立教授担任了主审,并提出了许多中肯的意见与建议,在此致以衷心的感谢! 北京航空航天大学自动化与电气工程学院的张军香、宋晓、王秋生、袁海文等老师为编写本教材做了大量的准备工作,再次一并致以衷心的感谢。
在本教材的编写过程中,张茜、漆旭平、王琛、严守道等多位研究生也做了大量辛苦的工作,在此表示深深的谢意。
本书参考了一些书目、文献及TI公司、NI公司的数据手册和产品手册,在此向这些文献的作者和相关公司表示诚挚的感谢。
本实验教材是作者十余年来实践教学的总结,由于作者学识与水平有限,书中错误与不妥之处在所难免,恳请读者批评指正。
作 者
2019年3月
第1章 传感器基础和实验须知……………………………………………………… 1
1.1 传感器基础 …………………………………………………………………… 1
1.1.1 传感器分类 ……………………………………………………………… 1
1.1.2 传感器的静态特性 ……………………………………………………… 1
1.2 实验须知 ……………………………………………………………………… 3
1.2.1 实验室注意事项 ………………………………………………………… 3
1.2.2 预习要求 ………………………………………………………………… 4
1.2.3 出勤要求 ………………………………………………………………… 4
1.2.4 实验报告要求 …………………………………………………………… 5
第2章 传感器测量基础实验………………………………………………………… 6
2.1 传感器实验平台 ……………………………………………………………… 6
2.1.1 实验设备简介 …………………………………………………………… 6
2.1.2 实验设备操作说明 ……………………………………………………… 7
2.2 传感器测量信号处理软件…………………………………………………… 10
2.2.1 波形的产生……………………………………………………………… 10
2.2.2 波形的显示……………………………………………………………… 11
2.2.3 快速傅里叶变换………………………………………………………… 12
2.2.4 相关运算………………………………………………………………… 12
2.2.5 m文件 ………………………………………………………………… 13
2.3 传感器信号分析基础实验…………………………………………………… 14
2.4 活塞压力计系统静态特性校准实验………………………………………… 18
2.5 温度传感器实验……………………………………………………………… 23
2.6 电感式传感器实验…………………………………………………………… 29
2.7 应变传感器实验……………………………………………………………… 37
2.8 超声传感器实验……………………………………………………………… 41
2.9 电容式传感器实验…………………………………………………………… 44
2.10 电涡流传感器实验 ………………………………………………………… 46
2.11 光纤光电传感器实验 ……………………………………………………… __________49
2.12 霍尔传感器实验 …………………………………………………………… 53
参考文献 …………………………………………………………………………… 55
第3章 飞行大气数据系统实验 …………………………………………………… 56
3.1 飞行大气数据实验平台……………………………………………………… 56
3.1.1 基于计算机的大气数据实验系统……………………………………… 56
3.1.2 基于嵌入式的大气数据实验系统……………………………………… 59
3.1.3 大气数据实验系统软件………………………………………………… 60
3.1.4 飞行大气参数解算公式………………………………………………… 62
3.2 大气压力开环控制实验……………………………………………………… 63
3.3 飞行大气参数解算综合实验………………………………………………… 64
参考文献 …………………………………………………………………………… 67
第4章 无线片上系统 ……………………………………………………………… 68
4.1 无线片上系统的特点………………………………………………………… 68
4.2 典型的无线片上系统………………………………………………………… 69
4.2.1 第一代无线片上系统CC2430
…………………………………… 69
4.2.2 第二代无线片上系统CC2530
…………………………………… 71
4.2.3 基于SimpleLink的无线片上系统平台 ……………………………… 74
4.2.4 多协议无线片上系统CC2652R
………………………………… 76
4.3 基于CC2530的无线片上系统实验平台 …………………………………… 79
4.4 无线片上系统嵌入式软件集成开发环境…………………………………… 81
参考文献 …………………………………………………………………………… 90
第5章 无线片上系统实验 ………………………………………………………… 91
5.1 基于无线片上系统的数字I/O实验 ……………………………………… 91
5.2 基于无线片上系统的外部中断实验………………………………………… 96
5.3 基于无线片上系统的定时器实验 ………………………………………… 101
5.4 基于无线片上系统的串口通信实验 ……………………………………… 106
5.5 基于无线片上系统的A/D实验…………………………………………… 115
5.6 基于无线片上系统的光强测量实验 ……………………………………… 119
5.7 基于无线片上系统的温湿度测量实验 …………………………………… 124
参考文献…………………………………………………………………………… 132
第6章 基于ZigBee无线传感器网络实验
……………………………………… 133
6.1 物联网介绍 ………………………………………………………………… 133
6.1.1 物联网的基本定义 …………………………………………………… 133
6.1.2 物联网概念的产生与发展 …………………………………………… 135
6.1.3 政策战略引导 ………………………………………………………… 136
6.1.4 物联网的基本框架 …………………………………………………… 137
6.1.5 物联网的基本特征 …………………………………………………… 139
6.1.6 物联网元素 …………………………………………………………… 140
6.1.7 物联网驱动技术 ……………………………………………………… 141
6.1.8 物联网的应用 ………………………………………………………… 143
6.1.9 物联网与泛在网络、传感网的关系…………………………………… 144
6.1.10 物联网体系架构的互联……………………………………………… 145
6.1.11 物联网研究与开发面临的挑战……………………………………… 146
6.2 无线传感器网络介绍 ……………………………………………………… 148
6.2.1 无线传感器网络概述 ………………………………………………… 148
6.2.2 传感器节点结构 ……………………………………………………… 150
6.2.3 传感器网络协议栈 …………………………………………………… 150
6.2.4 传感器网络的特点 …………………………………………………… 150
6.2.5 无线传感器网络的应用 ……………………………………………… 151
6.2.6 传感器网络研究中的热点问题 ……………………………………… 152
6.2.7 无线通信技术 ………………………………………………………… 157
6.2.8 无线传感器网络中的安全问题 ……………………………………… 159
6.3 基于无线传感器网络的实验平台介绍 …………………………………… 160
6.3.1 基于ZigBee的星形无线传感器网络综合实验……………………… 161
6.3.2 基于ZigBee的 Mesh无线传感器网络综合实验 …………………… 167
参考文献…………………………………………………………………………… 177__
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