測試測量技術是當代科學技術發(fā)展的一個重要標志,它與通信技術、計算機技術一起構成信息科學的三大支柱,是當代信息技術的關鍵和基礎。測試和測量系統(tǒng)負責信息的采集、數(shù)據(jù)處理和分析,是自然和生產(chǎn)領域中獲取信息數(shù)據(jù)的基本途徑和重要手段。本實驗教材是為測試系統(tǒng)綜合實驗課程編寫的,主要內(nèi)容包括傳感器測量基礎實驗、傳感器信號分析實驗、大氣參數(shù)實驗以及無線傳感器網(wǎng)絡實驗。通過實驗課的方案討論、詳細設計和操作訓練,使學生掌握和熟悉測試測量問題的一般處理方法,積累和提高實驗技能,培養(yǎng)學生的獨立分析問題、解決問題的能力;通過實驗訓練,培養(yǎng)嚴肅、嚴格、嚴密的科學態(tài)度和工作作風;通過實驗設計、驗證和研究探討,鞏固理論知識,加深對知識應用的理解,并從中獲得新的知識和實踐經(jīng)驗,養(yǎng)成創(chuàng)新意識。
本教材的特點:重點突出應用性和工程性,同時具備航空航天特色(如引入了包括機載大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗、飛行器大氣參數(shù)解算實驗等具有航空航天特色的測試測量實驗)。教材內(nèi)容的設置既保證了北京航空航天大學在航空航天領域杰出人才的培養(yǎng)力,又可滿足培養(yǎng)時代發(fā)展需求的一流工程人才的需求。同時,在教材的編寫過程中,還補充了測試測量領域反映新概念、新原理、新技術的內(nèi)容(如物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡等實驗內(nèi)容),力求使學生了解測試測量領域新的科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本教材的具體內(nèi)容包括:傳感器基礎知識、傳感器信號分析基礎實驗、壓力計系統(tǒng)靜態(tài)特性校準實驗、溫度傳感器實驗、電感式傳感器實驗、應變傳感器實驗、超聲傳感器實驗、電容式傳感器實驗、電渦流傳感器實驗、光纖光電傳感器實驗、霍爾傳感器實驗、航空壓力傳感器靜態(tài)校準實驗、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)飛行參數(shù)解算實驗、基于無線片上系統(tǒng)的數(shù)字I/O 實驗、基于無線片上系統(tǒng)的定時器實驗、基于無線片上系統(tǒng)的外部中斷實驗、基于無線片上系統(tǒng)的串口通信實驗、基于無線片上系統(tǒng)的A/D 轉換實驗、基于無線片上系統(tǒng)的光強度測量實驗、基于無線片上系統(tǒng)的集成溫濕度測量實驗、基于ZigBee的星形無線傳感網(wǎng)絡綜合實驗和基于ZigBee的Mesh無線傳感網(wǎng)絡綜合實驗。
本教材系統(tǒng)地包括了傳感器測量基礎性實驗和測量信號分析實驗,并在此基礎上引入了面向航空航天應用、嵌入式應用和物聯(lián)網(wǎng)應用的測試系統(tǒng)綜合實驗內(nèi)容。實驗內(nèi)容的安排由淺入深,由基礎到綜合,側重強化學生測試測量領域知識的運用和實踐能力的培養(yǎng),兼顧提升學生面向未來的適應能力。通過對本教材的學習,可以使學生進一步加深對測試測量基礎知識的理解,掌握傳感器動靜態(tài)特性標定的方法,掌握傳感器信號的分析方法和數(shù)據(jù)處理方法;可以使學生運用所學的專業(yè)知識對實驗數(shù)據(jù)進行正確的分析與處理,進而掌握航空航天測試測量系統(tǒng)的實現(xiàn)方法,具備到相關研究領域從事科學研究的基本技能。
本教材由北京航空航天大學的崔勇和董韶鵬共同編寫。其中第1章、第2章和第3章由董韶鵬編寫,第4章、第5章和第6章由崔勇編寫,全書由崔勇統(tǒng)稿。北京航空航天大學的富立教授擔任了主審,并提出了許多中肯的意見與建議,在此致以衷心的感謝! 北京航空航天大學自動化與電氣工程學院的張軍香、宋曉、王秋生、袁海文等老師為編寫本教材做了大量的準備工作,再次一并致以衷心的感謝。
在本教材的編寫過程中,張茜、漆旭平、王琛、嚴守道等多位研究生也做了大量辛苦的工作,在此表示深深的謝意。
本書參考了一些書目、文獻及TI公司、NI公司的數(shù)據(jù)手冊和產(chǎn)品手冊,在此向這些文獻的作者和相關公司表示誠摯的感謝。
本實驗教材是作者十余年來實踐教學的總結,由于作者學識與水平有限,書中錯誤與不妥之處在所難免,懇請讀者批評指正。
作 者
2019年3月
第1章 傳感器基礎和實驗須知……………………………………………………… 1
1.1 傳感器基礎 …………………………………………………………………… 1
1.1.1 傳感器分類 ……………………………………………………………… 1
1.1.2 傳感器的靜態(tài)特性 ……………………………………………………… 1
1.2 實驗須知 ……………………………………………………………………… 3
1.2.1 實驗室注意事項 ………………………………………………………… 3
1.2.2 預習要求 ………………………………………………………………… 4
1.2.3 出勤要求 ………………………………………………………………… 4
1.2.4 實驗報告要求 …………………………………………………………… 5
第2章 傳感器測量基礎實驗………………………………………………………… 6
2.1 傳感器實驗平臺 ……………………………………………………………… 6
2.1.1 實驗設備簡介 …………………………………………………………… 6
2.1.2 實驗設備操作說明 ……………………………………………………… 7
2.2 傳感器測量信號處理軟件…………………………………………………… 10
2.2.1 波形的產(chǎn)生……………………………………………………………… 10
2.2.2 波形的顯示……………………………………………………………… 11
2.2.3 快速傅里葉變換………………………………………………………… 12
2.2.4 相關運算………………………………………………………………… 12
2.2.5 m文件 ………………………………………………………………… 13
2.3 傳感器信號分析基礎實驗…………………………………………………… 14
2.4 活塞壓力計系統(tǒng)靜態(tài)特性校準實驗………………………………………… 18
2.5 溫度傳感器實驗……………………………………………………………… 23
2.6 電感式傳感器實驗…………………………………………………………… 29
2.7 應變傳感器實驗……………………………………………………………… 37
2.8 超聲傳感器實驗……………………………………………………………… 41
2.9 電容式傳感器實驗…………………………………………………………… 44
2.10 電渦流傳感器實驗 ………………………………………………………… 46
2.11 光纖光電傳感器實驗 ……………………………………………………… __________49
2.12 霍爾傳感器實驗 …………………………………………………………… 53
參考文獻 …………………………………………………………………………… 55
第3章 飛行大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)實驗 …………………………………………………… 56
3.1 飛行大氣數(shù)據(jù)實驗平臺……………………………………………………… 56
3.1.1 基于計算機的大氣數(shù)據(jù)實驗系統(tǒng)……………………………………… 56
3.1.2 基于嵌入式的大氣數(shù)據(jù)實驗系統(tǒng)……………………………………… 59
3.1.3 大氣數(shù)據(jù)實驗系統(tǒng)軟件………………………………………………… 60
3.1.4 飛行大氣參數(shù)解算公式………………………………………………… 62
3.2 大氣壓力開環(huán)控制實驗……………………………………………………… 63
3.3 飛行大氣參數(shù)解算綜合實驗………………………………………………… 64
參考文獻 …………………………………………………………………………… 67
第4章 無線片上系統(tǒng) ……………………………………………………………… 68
4.1 無線片上系統(tǒng)的特點………………………………………………………… 68
4.2 典型的無線片上系統(tǒng)………………………………………………………… 69
4.2.1 第一代無線片上系統(tǒng)CC2430
…………………………………… 69
4.2.2 第二代無線片上系統(tǒng)CC2530
…………………………………… 71
4.2.3 基于SimpleLink的無線片上系統(tǒng)平臺 ……………………………… 74
4.2.4 多協(xié)議無線片上系統(tǒng)CC2652R
………………………………… 76
4.3 基于CC2530的無線片上系統(tǒng)實驗平臺 …………………………………… 79
4.4 無線片上系統(tǒng)嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境…………………………………… 81
參考文獻 …………………………………………………………………………… 90
第5章 無線片上系統(tǒng)實驗 ………………………………………………………… 91
5.1 基于無線片上系統(tǒng)的數(shù)字I/O實驗 ……………………………………… 91
5.2 基于無線片上系統(tǒng)的外部中斷實驗………………………………………… 96
5.3 基于無線片上系統(tǒng)的定時器實驗 ………………………………………… 101
5.4 基于無線片上系統(tǒng)的串口通信實驗 ……………………………………… 106
5.5 基于無線片上系統(tǒng)的A/D實驗…………………………………………… 115
5.6 基于無線片上系統(tǒng)的光強測量實驗 ……………………………………… 119
5.7 基于無線片上系統(tǒng)的溫濕度測量實驗 …………………………………… 124
參考文獻…………………………………………………………………………… 132
第6章 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡實驗
……………………………………… 133
6.1 物聯(lián)網(wǎng)介紹 ………………………………………………………………… 133
6.1.1 物聯(lián)網(wǎng)的基本定義 …………………………………………………… 133
6.1.2 物聯(lián)網(wǎng)概念的產(chǎn)生與發(fā)展 …………………………………………… 135
6.1.3 政策戰(zhàn)略引導 ………………………………………………………… 136
6.1.4 物聯(lián)網(wǎng)的基本框架 …………………………………………………… 137
6.1.5 物聯(lián)網(wǎng)的基本特征 …………………………………………………… 139
6.1.6 物聯(lián)網(wǎng)元素 …………………………………………………………… 140
6.1.7 物聯(lián)網(wǎng)驅動技術 ……………………………………………………… 141
6.1.8 物聯(lián)網(wǎng)的應用 ………………………………………………………… 143
6.1.9 物聯(lián)網(wǎng)與泛在網(wǎng)絡、傳感網(wǎng)的關系…………………………………… 144
6.1.10 物聯(lián)網(wǎng)體系架構的互聯(lián)……………………………………………… 145
6.1.11 物聯(lián)網(wǎng)研究與開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)……………………………………… 146
6.2 無線傳感器網(wǎng)絡介紹 ……………………………………………………… 148
6.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡概述 ………………………………………………… 148
6.2.2 傳感器節(jié)點結構 ……………………………………………………… 150
6.2.3 傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 …………………………………………………… 150
6.2.4 傳感器網(wǎng)絡的特點 …………………………………………………… 150
6.2.5 無線傳感器網(wǎng)絡的應用 ……………………………………………… 151
6.2.6 傳感器網(wǎng)絡研究中的熱點問題 ……………………………………… 152
6.2.7 無線通信技術 ………………………………………………………… 157
6.2.8 無線傳感器網(wǎng)絡中的安全問題 ……………………………………… 159
6.3 基于無線傳感器網(wǎng)絡的實驗平臺介紹 …………………………………… 160
6.3.1 基于ZigBee的星形無線傳感器網(wǎng)絡綜合實驗……………………… 161
6.3.2 基于ZigBee的 Mesh無線傳感器網(wǎng)絡綜合實驗 …………………… 167
參考文獻…………………………………………………………………………… 177__
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