基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真實(shí)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)應用。

摘要：針對目前教學(xué)儀器昂貴，實(shí)驗儀器設備緊張的情況，本文設計并制作了基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真實(shí)驗平臺。硬件系統以MSP430單片機為主控單元，設計了無(wú)刷直流電機信號采集模塊、輸出驅動(dòng)模塊和溫度監測模塊。軟件系統包含MSP430單片機測控程序和基于LabVIEW的虛擬儀器應用程序。系統能夠完成無(wú)刷直流電機相關(guān)的測試、測量和控制。實(shí)驗結果表明：系統工作穩定，誤差在設計允許范圍內。

引言

　　傳統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果的表達與輸出模塊這三大功能模塊組成。傳統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上完成。運用計算機，使用數據采集卡，利用軟件在計算機中生成儀器面板，并利用軟件進(jìn)行信號的分析與處理。相對于傳統儀器，虛擬儀器具有性能高、擴展性強、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、集成功能優(yōu)秀等特點(diǎn)。

　　隨著(zhù)經(jīng)濟持續快速發(fā)展，各個(gè)高校對實(shí)驗室的要求也不斷提高，然而，現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)驗條件?；谝陨媳尘?，本文設計了基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真平臺，它采用虛擬儀器和實(shí)物相結合，將一些實(shí)物平臺用虛擬儀器來(lái)代替，既節省了在儀器上的投入，也可以達到實(shí)驗目的。

1 基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真平臺系統總體方案設計

　　本設計中，各種被測信號經(jīng)過(guò)傳感器、放大整形濾波、現場(chǎng)單片機(MSP430)采集緩存等處理后，輸送到單片機中，通過(guò)單片機計算處理后，實(shí)現與上位機的通信。同時(shí)，來(lái)自上位機的信號經(jīng)RS232總線(xiàn)傳輸到采集節點(diǎn)，驅動(dòng)數據采集?；贚abVIEW的半實(shí)物虛擬仿真平臺系統整體結構框圖如圖1所示。

　　其中電源電路使用24V穩壓電源，保障電源的穩定，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轉換器轉換成數字量。驅動(dòng)電路通過(guò)隔離電路達到弱電控制強電，從而驅動(dòng)電機。溫度傳感器輸出的是數字量，直接被MSP430采集，采集到的數據緩存供單片機調用。采集節點(diǎn)通過(guò)RS232總線(xiàn)與上位機通訊，實(shí)現各項數據的實(shí)時(shí)顯示、存儲和越限報警等功能。

2 系統硬件設計

2.1 單片機控制部分

　　MSP430系列單片機有獨特的時(shí)鐘系統設計，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統：基本時(shí)鐘系統和鎖頻環(huán)(FLL和 FLL+)時(shí)鐘系統或DCO數字振蕩器時(shí)鐘系統。由時(shí)鐘系統產(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(kāi)或關(guān)閉，從而使單片機執行相應的程序，達到控制目的。

2.2 電機驅動(dòng)模塊

　　BLD-300B直流無(wú)刷電機驅動(dòng)器是針對中功率低壓直流無(wú)刷電機的高性能無(wú)刷驅動(dòng)產(chǎn)品。該直流無(wú)刷電機驅動(dòng)器采用高性?xún)r(jià)比的解決方案設計而成，適用于功率為48V、440W，或24V、300W的三相直流無(wú)刷電機的轉速調節。BLD-300B可提供內置電位器RV調速、外接電位器調速、外部模擬電壓調速、上位機(PLC，單片機等)PWM調速等功能。同時(shí)該驅動(dòng)器具備大轉矩啟動(dòng)、快速啟動(dòng)及制動(dòng)、正反轉切換、手動(dòng)及自動(dòng)調速相結合、異常報警信號輸出等特點(diǎn)。輸入電壓為DC 18~52V，輸出電流為0~35A，適用電機轉速為0~20000rmp，霍爾信號電壓為4.5~5.5V，霍爾驅動(dòng)電流20mA，外接調速電位器10kΩ。輸出信號如圖2所示。

2.3 信號傳輸模塊

　　串口通訊對單片機而言意義重大，且其所需電纜線(xiàn)少，接線(xiàn)簡(jiǎn)單，所以廣泛應用于遠距離傳輸中。如圖3所示。

　　在串行通信中，數據通常是在兩個(gè)站之間傳送，按照數據在通信線(xiàn)路上的傳送方向可分為3種基本的傳送方式：?jiǎn)喂?、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線(xiàn)，信號的傳送方和接收方有明確的方向性。也就是說(shuō)，通信只在一個(gè)方向上進(jìn)行。

　　若使用同一根傳輸線(xiàn)既作為接收線(xiàn)路，又作為發(fā)送線(xiàn)路，雖然數據可以在兩個(gè)方向上傳送，但通信雙方不能同時(shí)收發(fā)數據，這樣的傳送方式稱(chēng)為半雙工。采用半雙工方式時(shí)，通信系統每一端的發(fā)送器和接收器通過(guò)收發(fā)開(kāi)關(guān)分時(shí)轉接到通信線(xiàn)上進(jìn)行方向的切換。

　　當數據的發(fā)送和接收分別由兩根不同的傳輸線(xiàn)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，通信系統的每一端都設置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數據同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸。全雙工方式無(wú)須進(jìn)行方向的切換。

3 系統軟件設計

3.1 軟件總體設計

　　根據系統總體方案的設計要求，系統軟件程序主要實(shí)現功能為：2項被測數據的檢測、處理和傳輸。軟件結構框圖如圖5所示。

　　系統選用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，程序設計首先對傳感器、單片機和上位機顯示等進(jìn)行初始化。MSP430控制啟動(dòng)數據采集，進(jìn)行AD轉換，轉換完成后進(jìn)行處理并存儲在MSP430內部設計的RAM中，單片機讀取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(shuō)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(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(shí)候需要考慮兩點(diǎn)：首先需要考慮系統需要的通信速率。這要根據系統的運作特點(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。為了通信的穩定，我們應該盡量選擇時(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)議是通信設備在通信前的約定。單片機、計算機有了協(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(mǎn)足一定的條件，例如計算機的串口是RS232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉換電路。

　　(4)通信數據顯示

　　為了能夠在計算機端看到單片機發(fā)出的數據，我們必須借助一個(gè)WINDOWS軟件進(jìn)行觀(guān)察，這里利用一個(gè)免費計算機串口調試軟件(串口調試助手)來(lái)觀(guān)察。

3.3 上位機顯示程序設計

　　上位機要實(shí)現與下位機的通信，實(shí)現不同節點(diǎn)的選擇，參數數據的上傳，數據的實(shí)時(shí)顯示，以及不同參數的趨勢圖繪制。上位機的工作流程如圖7所示。