基于虛擬儀器的自動控制實驗室系統設計分析

摘? 要：針對基于傳統儀器的自動控制實驗模型的不足，闡述了虛擬儀器的發展及虛擬儀器技術在自動控制教學中應用的重要性。介紹了一種基于虛擬儀器技術的自動控制實驗系統及其組成部分的建立方案。該系統采用SoC系統對電機進行控制，并利用其自身的USB接口實現虛擬儀器與控制系統之間的數據交換。本文介紹了一種基于虛擬儀器技術的自動控制系統實驗教學過程，該系統具有二次開發能力，使教學內容與科技發展的結合更加便利。與傳統教學相比，成本低，實驗設計更靈活，對儀器的依賴性降低，教學效率大大提高。

關鍵詞：USB;虛擬儀器;自動控制

實驗教學在高校教學環節中占有重要地位。它是素質教育、創新、培養學生實踐能力和創造性思維的重要手段和手段。通常，基于傳統儀器的教學和實驗室設備數量有限，成本高，靈活性差。因此，建立虛擬儀器系統，加強高校實驗室建設是儀器發展的新趨勢。虛擬儀器概念的實質是以計算機為儀器的硬件支撐，充分利用計算機的智能功能和傳統儀器的專業功能等智能控制、操作、存儲、回放、調用、顯示等智能功能，為了與計算機集成，充分利用計算機資源，實現新儀器系統的智能化。隨著計算機技術和電子技術的發展，借助計算機建立的虛擬機不僅能發揮傳統儀器的功能，而且能集成實驗系統的控制功能，具有成本低、實用性強的特點，虛擬儀器實驗系統已不可避免地成為高校實驗系統發展的一部分。自動控制方法教學的主要功能是演示控制算法及其在控制參數變化時的不同控制效果。本文介紹的基于虛擬儀器的自動控制實驗系統可以通過計算機實時改變控制參數，并實時顯示控制結果，從而靈活有效地達到實驗目的。

1.實驗系統構成

實驗系統的組成如圖1所示。教學實驗的自動控制系統采用直流執行單元，驅動系統的負載由彈性軸和轉子組成。彈性軸主要模擬實際傳動系統的彈性連桿，圓盤模擬實際負載，因此模擬實際系統的效果更好;電機控制采用PWM（脈寬調制），電機驅動控制，計算機與pc機usb連接為單片機實驗系統。通過該系統，一定數量的單片機系統可以構成一個完整的實驗系統。本文介紹了一種實用的單片機實驗系統的設計，該系統可根據需要建立。

2.實驗系統設計

實驗系統是一個集成在單晶混合系統中的高速SOC（系統板載）C8051F320設備。核心8051的運行速度是普通8051的12倍。在該芯片中，528字節的Taran和2048字節的xram提供了足夠的數據緩沖和程序執行空間，擴展了功能模塊。用該單片機設計的電機實驗控制系統外圍電路相對簡單[1]。

實驗系統采用單片機PCA 0可編程計數器陣列建立電機控制的PVM信號源，通過調制電路將a/D轉換成單片機，完成單片機的數字電流和雙速閉環控制。C8051F320內置全/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拉伸電阻）、1KBBIOS存儲器和時間恢復電路（可能不是晶體）組成，無需外部元件，以及符合USB功能控制器和收發器符合USB規范2.0版。

2.1USB接口

使用C8051F320作為控制處理器簡化了USB硬件組件的設計和與節點的連接。

USB硬件接口非常簡單，但軟件接口的開發要復雜得多，這也是USB應用程序設計的難點。其應用軟件主要由三部分組成：內置USB模塊、主機操作系統驅動程序和主機軟件。Cygnal開發的軟件包包括固件程序和驅動程序，這使得開發更加困難。根據實驗系統的要求，USB傳輸方式采用傳輸中斷方式。這種模式對于傳輸的暫時中斷沒有實際意義。它只發生在設備被輪詢時，傳輸速度沒有保證，但可以保證傳輸不超過固定時間，因此在設計單片機和主機的應用時必須考慮這一點。USB時鐘源使用內置可編程內置振蕩器，當USB全速運行時，該振蕩器提供單個攝像頭和USB工作時間，并在USB運行后使用其內部時鐘乘法器執行4倍的頻率。

2.2電機控制

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

2.3控制軟件設計

有關以前驅動程序的MCU程序和驅動程序，請參見單片機應用程序，實現電機控制和數據采集，并完成與上位機的數據共享。實驗設備自動控制的主要任務是通過改變控制參數來啟動演示系統。因此，MCU軟件通過USB接口接收高級機床的指令和參數，并確保其離散化（速度、電流等）。經典的電機雙環控制。虛線控制算法在單片機上實現。各種控制算法被編程并加載到單片機中。通過USB獲取虛擬儀器數據作為控制參數，并通過USB將反饋數據（速度、電流等中間控制變量）傳輸到虛擬儀器，以達到實驗目的。

即使USB采用傳輸中斷，也不能保證及時傳輸。因此，發動機的實時控制是在單片機上進行的。要注意單片機與上位機之間的數據交換。簡單的數據傳輸會導致數據丟失，利用單片機中的ram模擬FIFO進行數據緩存，避免了有效數據的丟失。有關傳輸過程。

用VC++開發的頂層軟件提供了三種與硬件交換數據的功能：讀文件、寫文件和設備控制。通過簡單的上位機虛擬機控制界面和虛擬儀器控制界面傳輸不同速度控制回路參數所獲得的各種控制結果[2]。

數據處理和顯示模塊。研究發現，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。計算離散值的參數包括：通過搜索所有采樣值獲得的最大值、最大重新調整和調整時間。在前一小組中，結果表明需要足夠的采樣時間來確保這些指標的準確性。為了便于跟蹤采樣曲線，在“顯示曲線”字段中添加了兩個光標（按下上一面板上的鍵以控制光標的顯示和隱藏），允許光標始終附著到數據曲線或數據點，移動光標的坐標顯示在上一面板中。為了方便圖像保存，添加曲線保存功能，點擊上一面板中的“保存”按鈕，將當前24位BMP曲線保存到用戶指定的路徑，方便數據記錄。

結束語：

綜上所述，將基于虛擬儀器自動控制原理的實驗系統引入實驗教學。實踐表明，該系統性能良好，功能數據的顯示和處理大大加強了傳統的實驗方法，操作界面更友好，實驗更方便省時，學生在學習時間內完成了實驗內容，從而提高了教學質量，提高了實驗教學效果，在實驗系統中引入了軟件概念，使系統更易于獲取，使個人計算機上的計算機和數據采集卡充當多臺傳統儀器的功能。

參考文獻：

[1] 袁浩， 朱暢， 陳志敏. 基于LabVIEW的自動控制仿真系統設計[J]. 實驗室研究與探索， 2006， 25（4）：4.

[2] 陳桂， 萬其. 基于虛擬儀器的自動控制實驗室系統設計[J]. 電子工程師， 2008， 34（005）：13-14.

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