基于虛擬儀器的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘? 要：針對基于傳統(tǒng)儀器的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟蛔悖U述了虛擬儀器的發(fā)展及虛擬儀器技術(shù)在自動(dòng)控制教學(xué)中應(yīng)用的重要性。介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其組成部分的建立方案。該系統(tǒng)采用SoC系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行控制，并利用其自身的USB接口實(shí)現(xiàn)虛擬儀器與控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。本文介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，該系統(tǒng)具有二次開發(fā)能力，使教學(xué)內(nèi)容與科技發(fā)展的結(jié)合更加便利。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，成本低，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更靈活，對儀器的依賴性降低，教學(xué)效率大大提高。

關(guān)鍵詞：USB;虛擬儀器;自動(dòng)控制

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校教學(xué)環(huán)節(jié)中占有重要地位。它是素質(zhì)教育、創(chuàng)新、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)造性思維的重要手段和手段。通常，基于傳統(tǒng)儀器的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)量有限，成本高，靈活性差。因此，建立虛擬儀器系統(tǒng)，加強(qiáng)高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是儀器發(fā)展的新趨勢。虛擬儀器概念的實(shí)質(zhì)是以計(jì)算機(jī)為儀器的硬件支撐，充分利用計(jì)算機(jī)的智能功能和傳統(tǒng)儀器的專業(yè)功能等智能控制、操作、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示等智能功能，為了與計(jì)算機(jī)集成，充分利用計(jì)算機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)新儀器系統(tǒng)的智能化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，借助計(jì)算機(jī)建立的虛擬機(jī)不僅能發(fā)揮傳統(tǒng)儀器的功能，而且能集成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制功能，具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已不可避免地成為高校實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)展的一部分。自動(dòng)控制方法教學(xué)的主要功能是演示控制算法及其在控制參數(shù)變化時(shí)的不同控制效果。本文介紹的基于虛擬儀器的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)改變控制參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示控制結(jié)果，從而靈活有效地達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成如圖1所示。教學(xué)實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用直流執(zhí)行單元，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載由彈性軸和轉(zhuǎn)子組成。彈性軸主要模擬實(shí)際傳動(dòng)系統(tǒng)的彈性連桿，圓盤模擬實(shí)際負(fù)載，因此模擬實(shí)際系統(tǒng)的效果更好;電機(jī)控制采用PWM（脈寬調(diào)制），電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)與pc機(jī)usb連接為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，一定數(shù)量的單片機(jī)系統(tǒng)可以構(gòu)成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文介紹了一種實(shí)用的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可根據(jù)需要建立。

2.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)集成在單晶混合系統(tǒng)中的高速SOC（系統(tǒng)板載）C8051F320設(shè)備。核心8051的運(yùn)行速度是普通8051的12倍。在該芯片中，528字節(jié)的Taran和2048字節(jié)的xram提供了足夠的數(shù)據(jù)緩沖和程序執(zhí)行空間，擴(kuò)展了功能模塊。用該單片機(jī)設(shè)計(jì)的電機(jī)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)外圍電路相對簡單[1]。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用單片機(jī)PCA 0可編程計(jì)數(shù)器陣列建立電機(jī)控制的PVM信號源，通過調(diào)制電路將a/D轉(zhuǎn)換成單片機(jī)，完成單片機(jī)的數(shù)字電流和雙速閉環(huán)控制。C8051F320內(nèi)置全/低速USB功能控制器。Usb-0由SIE（串行接口引擎）、Usb接收器（包括電阻匹配和可調(diào)拉伸電阻）、1KBBIOS存儲(chǔ)器和時(shí)間恢復(fù)電路（可能不是晶體）組成，無需外部元件，以及符合USB功能控制器和收發(fā)器符合USB規(guī)范2.0版。

2.1USB接口

使用C8051F320作為控制處理器簡化了USB硬件組件的設(shè)計(jì)和與節(jié)點(diǎn)的連接。

USB硬件接口非常簡單，但軟件接口的開發(fā)要復(fù)雜得多，這也是USB應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。其應(yīng)用軟件主要由三部分組成：內(nèi)置USB模塊、主機(jī)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序和主機(jī)軟件。Cygnal開發(fā)的軟件包包括固件程序和驅(qū)動(dòng)程序，這使得開發(fā)更加困難。根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求，USB傳輸方式采用傳輸中斷方式。這種模式對于傳輸?shù)臅簳r(shí)中斷沒有實(shí)際意義。它只發(fā)生在設(shè)備被輪詢時(shí)，傳輸速度沒有保證，但可以保證傳輸不超過固定時(shí)間，因此在設(shè)計(jì)單片機(jī)和主機(jī)的應(yīng)用時(shí)必須考慮這一點(diǎn)。USB時(shí)鐘源使用內(nèi)置可編程內(nèi)置振蕩器，當(dāng)USB全速運(yùn)行時(shí)，該振蕩器提供單個(gè)攝像頭和USB工作時(shí)間，并在USB運(yùn)行后使用其內(nèi)部時(shí)鐘乘法器執(zhí)行4倍的頻率。

2.2電機(jī)控制

利用PCA模塊（可編程計(jì)數(shù)器陣列）在單片機(jī)上進(jìn)行捕獲/比較，可以配置8位脈寬調(diào)制器的工作模式。PCA脈寬8位調(diào)制器的電路圖，每個(gè)采集/比較模塊可以在相應(yīng)的CEX端口生成PWM輸出。PWM輸出信號的頻率取決于PCA的時(shí)基，主要由功率設(shè)備中的開關(guān)頻率需求決定。這些設(shè)備捕獲/匹配CPA 0cp，以確定PWM輸出部分在空位數(shù)中的比例，并控制電機(jī)電流，通過控制功率設(shè)備與最終空位數(shù)之間的比較，當(dāng)PCA值0等于PCA值0cpn時(shí)，CEX輸出設(shè)置為“1”。當(dāng)PCA 0溢出時(shí)，cexn輸出設(shè)置為“0”。PCA 0cp的系統(tǒng)控制模塊可以實(shí)時(shí)更新，以獲得可變空間的PWM輸出信號，確保對電機(jī)的控制[1]。

2.3控制軟件設(shè)計(jì)

有關(guān)以前驅(qū)動(dòng)程序的MCU程序和驅(qū)動(dòng)程序，請參見單片機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集，并完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)共享。實(shí)驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)控制的主要任務(wù)是通過改變控制參數(shù)來啟動(dòng)演示系統(tǒng)。因此，MCU軟件通過USB接口接收高級機(jī)床的指令和參數(shù)，并確保其離散化（速度、電流等）。經(jīng)典的電機(jī)雙環(huán)控制。虛線控制算法在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)。各種控制算法被編程并加載到單片機(jī)中。通過USB獲取虛擬儀器數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)，并通過USB將反饋數(shù)據(jù)（速度、電流等中間控制變量）傳輸?shù)教摂M儀器，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

即使USB采用傳輸中斷，也不能保證及時(shí)傳輸。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制是在單片機(jī)上進(jìn)行的。要注意單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。簡單的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，利用單片機(jī)中的ram模擬FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，避免了有效數(shù)據(jù)的丟失。有關(guān)傳輸過程。

用VC++開發(fā)的頂層軟件提供了三種與硬件交換數(shù)據(jù)的功能：讀文件、寫文件和設(shè)備控制。通過簡單的上位機(jī)虛擬機(jī)控制界面和虛擬儀器控制界面?zhèn)鬏敳煌俣瓤刂苹芈穮?shù)所獲得的各種控制結(jié)果[2]。

數(shù)據(jù)處理和顯示模塊。研究發(fā)現(xiàn)，由于卡的隔離度很高，采樣信號幾乎不被中斷，并且程序中不包括濾波。計(jì)算離散值的參數(shù)包括：通過搜索所有采樣值獲得的最大值、最大重新調(diào)整和調(diào)整時(shí)間。在前一小組中，結(jié)果表明需要足夠的采樣時(shí)間來確保這些指標(biāo)的準(zhǔn)確性。為了便于跟蹤采樣曲線，在“顯示曲線”字段中添加了兩個(gè)光標(biāo)（按下上一面板上的鍵以控制光標(biāo)的顯示和隱藏），允許光標(biāo)始終附著到數(shù)據(jù)曲線或數(shù)據(jù)點(diǎn)，移動(dòng)光標(biāo)的坐標(biāo)顯示在上一面板中。為了方便圖像保存，添加曲線保存功能，點(diǎn)擊上一面板中的“保存”按鈕，將當(dāng)前24位BMP曲線保存到用戶指定的路徑，方便數(shù)據(jù)記錄。

結(jié)束語：

綜上所述，將基于虛擬儀器自動(dòng)控制原理的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)性能良好，功能數(shù)據(jù)的顯示和處理大大加強(qiáng)了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，操作界面更友好，實(shí)驗(yàn)更方便省時(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)完成了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而提高了教學(xué)質(zhì)量，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中引入了軟件概念，使系統(tǒng)更易于獲取，使個(gè)人計(jì)算機(jī)上的計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡充當(dāng)多臺傳統(tǒng)儀器的功能。

參考文獻(xiàn)：

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宋琳 （1986-12-11）籍貫;陜西省富平縣人，民族：漢族? ?職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：測試技術(shù)研究。