基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

作者/ 楊建華 袁彪 胡曉嬌 馮蕾 西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院(陜西 西安 710032)

基金項(xiàng)目：西安工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號：201510702065)

楊建華(1980-)，男，博士生，講師，研究方向：控制理論與控制工程，電子技術(shù)應(yīng)用。

摘要：針對目前教學(xué)儀器昂貴，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備緊張的情況，本文設(shè)計(jì)并制作了基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。硬件系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為主控單元，設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)信號采集模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊和溫度監(jiān)測模塊。軟件系統(tǒng)包含MSP430單片機(jī)測控程序和基于LabVIEW的虛擬儀器應(yīng)用程序。系統(tǒng)能夠完成無刷直流電機(jī)相關(guān)的測試、測量和控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定，誤差在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

引言

　　傳統(tǒng)儀器主要由信號采集與控制模塊、分析與處理模塊以及測量結(jié)果的表達(dá)與輸出模塊這三大功能模塊組成。傳統(tǒng)儀器的這些功能都是以硬件(或固化的軟件)形式存在的。而虛擬儀器則是將這些功能移植到計(jì)算機(jī)上完成。運(yùn)用計(jì)算機(jī)，使用數(shù)據(jù)采集卡，利用軟件在計(jì)算機(jī)中生成儀器面板，并利用軟件進(jìn)行信號的分析與處理。相對于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短、集成功能優(yōu)秀等特點(diǎn)。

　　隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，各個(gè)高校對實(shí)驗(yàn)室的要求也不斷提高，然而，現(xiàn)在各種精密儀器的昂貴價(jià)格增加了學(xué)校的壓力，也使一些學(xué)生得不到良好的實(shí)驗(yàn)條件?；谝陨媳尘?，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)，它采用虛擬儀器和實(shí)物相結(jié)合，將一些實(shí)物平臺(tái)用虛擬儀器來代替，既節(jié)省了在儀器上的投入，也可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1 基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中，各種被測信號經(jīng)過傳感器、放大整形濾波、現(xiàn)場單片機(jī)(MSP430)采集緩存等處理后，輸送到單片機(jī)中，通過單片機(jī)計(jì)算處理后，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。同時(shí)，來自上位機(jī)的信號經(jīng)RS232總線傳輸?shù)讲杉?jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集。基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　其中電源電路使用24V穩(wěn)壓電源，保障電源的穩(wěn)定，霍爾傳感器的輸出脈沖信號要先進(jìn)行放大濾波處理后再送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。驅(qū)動(dòng)電路通過隔離電路達(dá)到弱電控制強(qiáng)電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。溫度傳感器輸出的是數(shù)字量，直接被MSP430采集，采集到的數(shù)據(jù)緩存供單片機(jī)調(diào)用。采集節(jié)點(diǎn)通過RS232總線與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和越限報(bào)警等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制部分

　　MSP430系列單片機(jī)有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和 FLL+)時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時(shí)鐘，這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而使單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，達(dá)到控制目的。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　BLD-300B直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是針對中功率低壓直流無刷電機(jī)的高性能無刷驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。該直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用高性價(jià)比的解決方案設(shè)計(jì)而成，適用于功率為48V、440W，或24V、300W的三相直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。BLD-300B可提供內(nèi)置電位器RV調(diào)速、外接電位器調(diào)速、外部模擬電壓調(diào)速、上位機(jī)(PLC，單片機(jī)等)PWM調(diào)速等功能。同時(shí)該驅(qū)動(dòng)器具備大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)、快速啟動(dòng)及制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)切換、手動(dòng)及自動(dòng)調(diào)速相結(jié)合、異常報(bào)警信號輸出等特點(diǎn)。輸入電壓為DC 18~52V，輸出電流為0~35A，適用電機(jī)轉(zhuǎn)速為0~20000rmp，霍爾信號電壓為4.5~5.5V，霍爾驅(qū)動(dòng)電流20mA，外接調(diào)速電位器10kΩ。輸出信號如圖2所示。

2.3 信號傳輸模塊

　　串口通訊對單片機(jī)而言意義重大，且其所需電纜線少，接線簡單，所以廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸中。如圖3所示。

　　在串行通信中，數(shù)據(jù)通常是在兩個(gè)站之間傳送，按照數(shù)據(jù)在通信線路上的傳送方向可分為3種基本的傳送方式：單工、半雙工和全雙工，通訊方式如圖4所示。

　　單工通信使用一根導(dǎo)線，信號的傳送方和接收方有明確的方向性。也就是說，通信只在一個(gè)方向上進(jìn)行。

　　若使用同一根傳輸線既作為接收線路，又作為發(fā)送線路，雖然數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向上傳送，但通信雙方不能同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，這樣的傳送方式稱為半雙工。采用半雙工方式時(shí)，通信系統(tǒng)每一端的發(fā)送器和接收器通過收發(fā)開關(guān)分時(shí)轉(zhuǎn)接到通信線上進(jìn)行方向的切換。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別由兩根不同的傳輸線傳送時(shí)，通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送和接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工傳送方式。在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸。全雙工方式無須進(jìn)行方向的切換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)軟件程序主要實(shí)現(xiàn)功能為：2項(xiàng)被測數(shù)據(jù)的檢測、處理和傳輸。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

　　系統(tǒng)選用C語言編寫程序，程序設(shè)計(jì)首先對傳感器、單片機(jī)和上位機(jī)顯示等進(jìn)行初始化。MSP430控制啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行處理并存儲(chǔ)在MSP430內(nèi)部設(shè)計(jì)的RAM中，單片機(jī)讀取RAM中的信號并顯示。具體流程如圖6所示。

3.2 串口通信

　　以下對串口通信中一些需要注意的地方作一點(diǎn)說明：

　　(1)波特率選擇

　　波特率(Boud Rate)就是在串口通信中每秒能夠發(fā)送的位數(shù)(bits/second)。MSP430串行端口在四種工作模式下有不同的波特率計(jì)算方法。在選擇波特率的時(shí)候需要考慮兩點(diǎn)：首先需要考慮系統(tǒng)需要的通信速率。這要根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)作特點(diǎn)，確定通信的頻率范圍。然后需要考慮通信時(shí)鐘誤差。使用同一晶振頻率在選擇不同的通信速率時(shí)通信時(shí)鐘誤差會(huì)有很大差別。為了通信的穩(wěn)定，我們應(yīng)該盡量選擇時(shí)鐘誤差最小的頻率進(jìn)行通信。

　　(2)通信協(xié)議的使用

　　通信協(xié)議是通信設(shè)備在通信前的約定。單片機(jī)、計(jì)算機(jī)有了協(xié)議這種約定，通信雙方才能明白對方的意圖，以進(jìn)行下一步動(dòng)作。

　　(3)硬件連接

　　進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，例如計(jì)算機(jī)的串口是RS232電平的，而單片機(jī)的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路。

　　(4)通信數(shù)據(jù)顯示

　　為了能夠在計(jì)算機(jī)端看到單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，我們必須借助一個(gè)WINDOWS軟件進(jìn)行觀察，這里利用一個(gè)免費(fèi)計(jì)算機(jī)串口調(diào)試軟件(串口調(diào)試助手)來觀察。

3.3 上位機(jī)顯示程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)要實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)的選擇，參數(shù)數(shù)據(jù)的上傳，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，以及不同參數(shù)的趨勢圖繪制。上位機(jī)的工作流程如圖7所示。