RLC電路實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程接線的實(shí)現(xiàn)

部德才

(大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116622)

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RLC電路實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程接線的實(shí)現(xiàn)

部德才

(大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116622)

為探討遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)電路接線問題,研制一套RLC電路遠(yuǎn)程接線裝置。以AT89C51單片機(jī)為核心,根據(jù)RLC電路實(shí)驗(yàn)中各接線端子間的所有可能組合,構(gòu)建接線陣列,每兩個(gè)接線端子間用繼電器控制其接通或斷開,繼電器的狀態(tài)由單片機(jī)根據(jù)各自的接線控制碼決定,單片機(jī)通過串行口接收上位機(jī)發(fā)送的繼電器控制碼。在LabVIEW環(huán)境下的遠(yuǎn)程客戶端通過點(diǎn)擊操作面板上器件端子按鈕,生成相應(yīng)的繼電器控制碼,經(jīng)裝置硬件電路實(shí)現(xiàn)對任意器件端子間的接線操作。在RLC電路遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用表明,該裝置結(jié)構(gòu)簡單,可靠性好,可實(shí)現(xiàn)對RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過程、并聯(lián)電路暫態(tài)過程等多個(gè)實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程接線,適合在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用。該方法也可擴(kuò)展到其他遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)使用。

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn); RLC電路; 單片機(jī); LabVIEW

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程教育[1-3]的發(fā)展,近年來出現(xiàn)了利用網(wǎng)絡(luò)的共享功能通過傳送數(shù)據(jù)來完成實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式[4-6],而且越來越受到人們的重視。目前多數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)參數(shù)的控制外[7-8],主要著重于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫鎇9-10]。為使遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)更具真實(shí)性和靈活性,還應(yīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)電路的接線控制,在遠(yuǎn)程客戶端對實(shí)驗(yàn)儀器和器件進(jìn)行模擬手工連接線路[11],在實(shí)驗(yàn)者提高動手能力的同時(shí),也可達(dá)到用同一套遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的。本文針對電磁學(xué)中“RLC電路特性的研究”實(shí)驗(yàn),研制了一套遠(yuǎn)程接線裝置,對電路器件各個(gè)接線端子之間加裝繼電器陣列,通過單片機(jī)控制繼電器狀態(tài),使各個(gè)端子間接通或斷開,從而能進(jìn)行任意器件端子間的線路連接。再結(jié)合虛擬儀器技術(shù)[12]和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),使得在遠(yuǎn)程客戶機(jī)上通過點(diǎn)擊虛擬面板上的相應(yīng)按鈕,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)電路的連接,以適合不同RLC電路的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置硬件組成及原理

RLC電路特性的研究實(shí)驗(yàn)主要包括RLC電路暫態(tài)過程、串聯(lián)電路及并聯(lián)電路的相頻特性和幅頻特性研究。為使實(shí)驗(yàn)裝置具有更為普遍的應(yīng)用性,根據(jù)RLC電路中各元件與信號發(fā)生器和示波器的所有可能組合,構(gòu)建接線陣列,接線陣列中每兩個(gè)接線端子間用繼電器控制其接通或斷開,利用2片ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)分別控制繼電器組,如圖1所示。單片機(jī)與上位機(jī)通過串行口通信,接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的接線控制碼。每片單片機(jī)的串行發(fā)送端和串行接收端分別并聯(lián)后與上位機(jī)連接,利用上位機(jī)發(fā)送程序控制字的高2位對單片機(jī)進(jìn)行片選操作[13],不會導(dǎo)致單片機(jī)的工作發(fā)生混亂。在單片機(jī)與上位機(jī)之間采用美國美信公司(MAXIM)的串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232完成RS232與TTL電平的轉(zhuǎn)換。服務(wù)器與客戶機(jī)之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置硬件組成

實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制接線的關(guān)鍵是要使電路中各個(gè)接線端子之間能任意連線。在RLC電路實(shí)驗(yàn)的各種電路中,主要包括電阻器、電容器、電感器、信號發(fā)生器以及示波器。對于這些元件和儀器的各種接線,設(shè)計(jì)由單片機(jī)并行口線控制繼電器陣列實(shí)現(xiàn)任意兩端子間接通或斷開,繼電器的狀態(tài)由單片機(jī)根據(jù)各自的接線控制碼決定,如表1所示。其中R1a、R1b、Ca、Cb、La、Lb分別表示電阻器、電容器和電感器的接線端子,R0a、R0b表示RLC并聯(lián)電路中的固定電阻接線端子,S、Y1、Y2分別表示信號發(fā)生器、示波器1通道和示波器2通道接線端子,G表示信號發(fā)生器和示波器的公共地線接線端子。表1中每個(gè)十六進(jìn)制控制碼代表了一種接線組合,單片機(jī)接收來自上位機(jī)的某個(gè)接線控制碼后,改變其相應(yīng)的繼電器狀態(tài),即完成對該組合的接線或拆線操作。考慮到相同元件2個(gè)接線端子具有同等效果,而且公共接地端與信號發(fā)生器和示波器之間不能互相連接以防止短路,繼電器組有部分冗余(如表1中“×”所示)。為便于程序的編寫,使軟件盡可能簡化,電阻器、電容器與電感器的接線陣列由單片機(jī)1控制,信號發(fā)生器與示波器接線陣列由單片機(jī)2控制。

表1 繼電器接線控制碼

2 軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式,通過TCP/IP協(xié)議傳送數(shù)據(jù)?？蛻魴C(jī)與服務(wù)器程序均利用LabVIEW編程[14]。LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品,基于圖形化編程語言G語言的開發(fā)環(huán)境,具有簡單、直觀、便于使用的特點(diǎn)?？蛻魴C(jī)程序的前面板完全仿照真實(shí)的儀器面板,信號發(fā)生器和示波器采用自行開發(fā)的虛擬儀器[15]。用戶用鼠標(biāo)單擊任一接線端子,然后再單擊其他接線端子,程序向單片機(jī)發(fā)送該連線組合的代碼,由單片機(jī)控制相應(yīng)繼電器的通斷,完成這2個(gè)接線端子間連線,同時(shí)在客戶機(jī)面板上顯示連線結(jié)果。再次單擊已經(jīng)連線的接線端子將會拆除該連線。

根據(jù)表1所示接線陣列,客戶機(jī)程序?qū)γ總€(gè)接線端子編號,建立各端子間連線的數(shù)據(jù)表,根據(jù)面板上接線端子的點(diǎn)擊情況,由程序產(chǎn)生相應(yīng)的控制碼。圖2為接線控制程序的流程圖。對于接線控制碼的產(chǎn)生和發(fā)送,程序設(shè)計(jì)由變量N指示接線端子的點(diǎn)擊次數(shù),只有N等于2時(shí)才將接線控制碼發(fā)送到服務(wù)器,保證點(diǎn)擊端子和實(shí)際接線操作相對應(yīng),其他情況則向服務(wù)器發(fā)送標(biāo)志碼255,表示此時(shí)不進(jìn)行接線操作。用另外2個(gè)變量Row和Line分別表示第一次和第二次點(diǎn)擊的端子代碼,當(dāng)完成兩次點(diǎn)擊時(shí)將二者組合出接線碼,由TCP Write結(jié)點(diǎn)發(fā)送至服務(wù)器。

圖2 接線控制程序流程圖

當(dāng)用戶進(jìn)行接線操作時(shí),在客戶機(jī)前面板上應(yīng)能清楚地了解其接線情況。將LabVIEW前面板控件中的Square LED拉長變形后連接在各端子之間,并設(shè)置LED的初始狀態(tài)為邏輯假值。在接線控制碼成功發(fā)送的同時(shí),將對應(yīng)的LED點(diǎn)亮,即可實(shí)時(shí)顯示接線狀態(tài)。

由于在實(shí)驗(yàn)過程中接線操作并不頻繁,為避免上位機(jī)和單片機(jī)之間的重復(fù)通信,在服務(wù)器程序中增加一Case結(jié)構(gòu),只有在虛擬面板上完成一次成功的連線時(shí)才通過串口將接線控制碼傳送至單片機(jī)。由TCP Read結(jié)點(diǎn)接收來自客戶機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),判斷該數(shù)據(jù)如果不等于標(biāo)志碼255,則調(diào)用VISA Write結(jié)點(diǎn)將該數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送至單片機(jī)中,繼而控制對應(yīng)繼電器的通斷,最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接線的功能。

3 在RLC電路遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

圖3 RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過程接線圖

圖4 RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過程uR的波形

4 結(jié)束語

為探討遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中電路接線的問題,研制了RLC電路遠(yuǎn)程接線裝置,通過構(gòu)建繼電器接線陣列,利用單片機(jī)控制繼電器的接通或斷開實(shí)現(xiàn)對電路的接線操作。設(shè)計(jì)基于LabVIEW的虛擬操作界面,實(shí)驗(yàn)者點(diǎn)擊元件端子相應(yīng)按鈕,程序?qū)⑸傻目刂拼a通過串口發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)而控制繼電器狀態(tài)。在RLC電路遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用表明,該裝置結(jié)構(gòu)簡單,可靠性好,適合在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中應(yīng)用。對接線陣列的設(shè)計(jì),提供了在任意器件端子間進(jìn)行接線的可能性,只需設(shè)計(jì)出相應(yīng)的軟件和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺,即可將該裝置應(yīng)用于其他類似傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。因此,這種方法解決了在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中電路接線的問題,可以廣泛應(yīng)用于各種遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中。

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Implementation of remote connection in RLC circuit experiment

Bu Decai

(College of Physical Science and Technology,Dalian University,Dalian 116622,China)

To discuss the problem of circuit connection in a remote experiment,a set of control device for the remote connection in the RLC circuit experiment is designed and developed.It employs the microcontroller AT89C51 as the core,establishes a relays array for the connection based on all the possibilities of connection between terminals of all the experimental apparatus.The connection or disconnection between any two terminals is controlled by relays whose status is confirmed by control codes which the microcontroller receives from the supervisory computer through serial interface.Due to the hardware circuit of this device,the connection between any two terminals can be implemented on the remote client computer based on LabVIEW when the buttons of terminals are clicked.Its application to the remote experiment of the RLC circuit demonstrates that the device with its simple structure is highly reliable and suitable for remote experiments such as the transient process of RLC series circuit and the transient process of RLC parallel circuit as it makes it possible to connect many specific RLC circuits remotely.Moreover,this method can also be extensively applied to other similar traditional experiments that therefore can be modified as remote experiments.

remote experiment; RLC circuit; microcontroller; LabVIEW

2014- 06- 26 修改日期：2014- 09- 18

2012年遼寧省教育廳教改項(xiàng)目(937)；大連大學(xué)教改項(xiàng)目(2013G3-139)

部德才(1972—)，男，黑龍江寧安，博士研究生，講師，主要從事遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

E-mail：caizi1108@163.com

TP273;G434

A

1002-4956(2015)2- 0107- 03