基于LabVIEW的半實物虛擬仿真實驗平臺

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)

基金項目：西安工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(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，實驗儀器設(shè)備緊張的情況，本文設(shè)計并制作了基于LabVIEW的半實物虛擬仿真實驗平臺。硬件系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為主控單元，設(shè)計了無刷直流電機(jī)信號采集模塊、輸出驅(qū)動模塊和溫度監(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。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定，誤差在設(shè)計允許范圍內(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算機(jī)上完成。運(yùn)用計算機(jī)，使用數(shù)據(jù)采集卡，利用軟件在計算機(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)時間短、集成功能優(yōu)秀等特點。

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

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

　　本設(shè)計中，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)計算處理后，實現(xiàn)與上位機(jī)的通信。同時，來自上位機(jī)的信號經(jīng)RS232總線傳輸?shù)讲杉?jié)點，驅(qū)動數(shù)據(jù)采集?；贚abVIEW的半實物虛擬仿真平臺系統(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)動電路通過隔離電路達(dá)到弱電控制強(qiáng)電，從而驅(qū)動電機(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)點通過RS232總線與上位機(jī)通訊，實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲和越限報警等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)控制部分

　　MSP430系列單片機(jī)有獨(dú)特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，包括兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和 FLL+)時鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。由時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時鐘，這些時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)動模塊

　　BLD-300B直流無刷電機(jī)驅(qū)動器是針對中功率低壓直流無刷電機(jī)的高性能無刷驅(qū)動產(chǎn)品。該直流無刷電機(jī)驅(qū)動器采用高性價比的解決方案設(shè)計而成，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。同時該驅(qū)動器具備大轉(zhuǎn)矩啟動、快速啟動及制動、正反轉(zhuǎn)切換、手動及自動調(diào)速相結(jié)合、異常報警信號輸出等特點。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)可以在兩個方向上傳送，但通信雙方不能同時收發(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，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，通信雙方都能在同一時刻進(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)同時在兩個方向上傳輸。全雙工方式無須進(jìn)行方向的切換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計要求，系統(tǒng)軟件程序主要實現(xiàn)功能為：2項被測數(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)行處理并存儲在MSP430內(nèi)部設(shè)計的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算方法。在選擇波特率的時候需要考慮兩點：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，確定通信的頻率范圍。然后需要考慮通信時鐘誤差。使用同一晶振頻率在選擇不同的通信速率時通信時鐘誤差會有很大差別。為了通信的穩(wěn)定，我們應(yīng)該盡量選擇時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)行下一步動作。

　　(3)硬件連接

　　進(jìn)行串行通訊時要滿足一定的條件，例如計算機(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電平轉(zhuǎn)換電路。

　　(4)通信數(shù)據(jù)顯示

　　為了能夠在計算機(jī)端看到單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，我們必須借助一個WINDOWS軟件進(jìn)行觀察，這里利用一個免費(fèi)計算機(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

　　上位機(jī)要實現(xiàn)與下位機(jī)的通信，實現(xiàn)不同節(jié)點的選擇，參數(shù)數(shù)據(jù)的上傳，數(shù)據(jù)的實時顯示，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。