測(cè)試測(cè)量技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志,它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成信息科學(xué)的三大支柱,是當(dāng)代信息技術(shù)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息的采集、數(shù)據(jù)處理和分析,是自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中獲取信息數(shù)據(jù)的基本途徑和重要手段。本實(shí)驗(yàn)教材是為測(cè)試系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)課程編寫的,主要內(nèi)容包括傳感器測(cè)量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、傳感器信號(hào)分析實(shí)驗(yàn)、大氣參數(shù)實(shí)驗(yàn)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)課的方案討論、詳細(xì)設(shè)計(jì)和操作訓(xùn)練,使學(xué)生掌握和熟悉測(cè)試測(cè)量問題的一般處理方法,積累和提高實(shí)驗(yàn)技能,培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立分析問題、解決問題的能力;通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,培養(yǎng)嚴(yán)肅、嚴(yán)格、嚴(yán)密的科學(xué)態(tài)度和工作作風(fēng);通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和研究探討,鞏固理論知識(shí),加深對(duì)知識(shí)應(yīng)用的理解,并從中獲得新的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),養(yǎng)成創(chuàng)新意識(shí)。
本教材的特點(diǎn):重點(diǎn)突出應(yīng)用性和工程性,同時(shí)具備航空航天特色(如引入了包括機(jī)載大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、飛行器大氣參數(shù)解算實(shí)驗(yàn)等具有航空航天特色的測(cè)試測(cè)量實(shí)驗(yàn))。教材內(nèi)容的設(shè)置既保證了北京航空航天大學(xué)在航空航天領(lǐng)域杰出人才的培養(yǎng)力,又可滿足培養(yǎng)時(shí)代發(fā)展需求的一流工程人才的需求。同時(shí),在教材的編寫過程中,還補(bǔ)充了測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域反映新概念、新原理、新技術(shù)的內(nèi)容(如物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容),力求使學(xué)生了解測(cè)試測(cè)量領(lǐng)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(chǔ)知識(shí)、傳感器信號(hào)分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、壓力計(jì)系統(tǒng)靜態(tài)特性校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、溫度傳感器實(shí)驗(yàn)、電感式傳感器實(shí)驗(yàn)、應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)、超聲傳感器實(shí)驗(yàn)、電容式傳感器實(shí)驗(yàn)、電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)、光纖光電傳感器實(shí)驗(yàn)、霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)、航空壓力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)飛行參數(shù)解算實(shí)驗(yàn)、基于無線片上系統(tǒng)的數(shù)字I/O 實(shí)驗(yàn)、基于無線片上系統(tǒng)的定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、基于無線片上系統(tǒng)的外部中斷實(shí)驗(yàn)、基于無線片上系統(tǒng)的串口通信實(shí)驗(yàn)、基于無線片上系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、基于無線片上系統(tǒng)的光強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)、基于無線片上系統(tǒng)的集成溫濕度測(cè)量實(shí)驗(yàn)、基于ZigBee的星形無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)和基于ZigBee的Mesh無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)。
本教材系統(tǒng)地包括了傳感器測(cè)量基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和測(cè)量信號(hào)分析實(shí)驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上引入了面向航空航天應(yīng)用、嵌入式應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的測(cè)試系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排由淺入深,由基礎(chǔ)到綜合,側(cè)重強(qiáng)化學(xué)生測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域知識(shí)的運(yùn)用和實(shí)踐能力的培養(yǎng),兼顧提升學(xué)生面向未來的適應(yīng)能力。通過對(duì)本教材的學(xué)習(xí),可以使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)測(cè)試測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)的理解,掌握傳感器動(dòng)靜態(tài)特性標(biāo)定的方法,掌握傳感器信號(hào)的分析方法和數(shù)據(jù)處理方法;可以使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的分析與處理,進(jìn)而掌握航空航天測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,具備到相關(guān)研究領(lǐng)域從事科學(xué)研究的基本技能。
本教材由北京航空航天大學(xué)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(xué)的富立教授擔(dān)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(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)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(zhǔn)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(yán)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(xiàn)及TI公司、NI公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)和產(chǎn)品手冊(cè),在此向這些文獻(xiàn)的作者和相關(guān)公司表示誠摯的感謝。
本實(shí)驗(yàn)教材是作者十余年來實(shí)踐教學(xué)的總結(jié),由于作者學(xué)識(shí)與水平有限,書中錯(cuò)誤與不妥之處在所難免,懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
作 者
2019年3月
第1章 傳感器基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)須知……………………………………………………… 1
1.1 傳感器基礎(chǔ) …………………………………………………………………… 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(shí)驗(yàn)須知 ……………………………………………………………………… 3
1.2.1 實(shí)驗(yàn)室注意事項(xiàng) ………………………………………………………… 3
1.2.2 預(yù)習(xí)要求 ………………………………………………………………… 4
1.2.3 出勤要求 ………………………………………………………………… 4
1.2.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 …………………………………………………………… 5
第2章 傳感器測(cè)量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)………………………………………………………… 6
2.1 傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái) ……………………………………………………………… 6
2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡介 …………………………………………………………… 6
2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作說明 ……………………………………………………… 7
2.2 傳感器測(cè)量信號(hào)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(guān)運(yùn)算………………………………………………………………… 12
2.2.5 m文件 ………………………………………………………………… 13
2.3 傳感器信號(hào)分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)…………………………………………………… 14
2.4 活塞壓力計(jì)系統(tǒng)靜態(tài)特性校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)………………………………………… 18
2.5 溫度傳感器實(shí)驗(yàn)……………………………………………………………… 23
2.6 電感式傳感器實(shí)驗(yàn)…………………………………………………………… 29
2.7 應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)……………………………………………………………… 37
2.8 超聲傳感器實(shí)驗(yàn)……………………………………………………………… 41
2.9 電容式傳感器實(shí)驗(yàn)…………………………………………………………… 44
2.10 電渦流傳感器實(shí)驗(yàn) ………………………………………………………… 46
2.11 光纖光電傳感器實(shí)驗(yàn) ……………………………………………………… __________49
2.12 霍爾傳感器實(shí)驗(yàn) …………………………………………………………… 53
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………… 55
第3章 飛行大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) …………………………………………………… 56
3.1 飛行大氣數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)……………………………………………………… 56
3.1.1 基于計(jì)算機(jī)的大氣數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)……………………………………… 56
3.1.2 基于嵌入式的大氣數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)……………………………………… 59
3.1.3 大氣數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)……………………………………………………… 63
3.3 飛行大氣參數(shù)解算綜合實(shí)驗(yàn)………………………………………………… 64
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………… 67
第4章 無線片上系統(tǒng) ……………………………………………………………… 68
4.1 無線片上系統(tǒng)的特點(diǎn)………………………………………………………… 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(tái) ……………………………… 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(shí)驗(yàn)平臺(tái) …………………………………… 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(xiàn) …………………………………………………………………………… 90
第5章 無線片上系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) ………………………………………………………… 91
5.1 基于無線片上系統(tǒng)的數(shù)字I/O實(shí)驗(yàn) ……………………………………… 91
5.2 基于無線片上系統(tǒng)的外部中斷實(shí)驗(yàn)………………………………………… 96
5.3 基于無線片上系統(tǒng)的定時(shí)器實(shí)驗(yàn) ………………………………………… 101
5.4 基于無線片上系統(tǒng)的串口通信實(shí)驗(yàn) ……………………………………… 106
5.5 基于無線片上系統(tǒng)的A/D實(shí)驗(yàn)…………………………………………… 115
5.6 基于無線片上系統(tǒng)的光強(qiáng)測(cè)量實(shí)驗(yàn) ……………………………………… 119
5.7 基于無線片上系統(tǒng)的溫濕度測(cè)量實(shí)驗(yàn) …………………………………… 124
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 132
第6章 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)
……………………………………… 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(dǎo) ………………………………………………………… 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(qū)動(dòng)技術(shù) ……………………………………………………… 141
6.1.8 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用 ………………………………………………………… 143
6.1.9 物聯(lián)網(wǎng)與泛在網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)的關(guān)系…………………………………… 144
6.1.10 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)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(luò)介紹 ……………………………………………………… 148
6.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 ………………………………………………… 148
6.2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) ……………………………………………………… 150
6.2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 …………………………………………………… 150
6.2.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) …………………………………………………… 150
6.2.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 ……………………………………………… 151
6.2.6 傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點(diǎn)問題 ……………………………………… 152
6.2.7 無線通信技術(shù) ………………………………………………………… 157
6.2.8 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的安全問題 ……………………………………… 159
6.3 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹 …………………………………… 160
6.3.1 基于ZigBee的星形無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)……………………… 161
6.3.2 基于ZigBee的 Mesh無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn) …………………… 167
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 177__
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