基于虚拟仪器的自动控制实验室系统设计分析

摘  要：针对基于传统仪器的自动控制实验模型的不足，阐述了虚拟仪器的发展及虚拟仪器技术在自动控制教学中应用的重要性。介绍了一种基于虚拟仪器技术的自动控制实验系统及其组成部分的建立方案。该系统采用SoC系统对电机进行控制，并利用其自身的USB接口实现虚拟仪器与控制系统之间的数据交换。本文介绍了一种基于虚拟仪器技术的自动控制系统实验教学过程，该系统具有二次开发能力，使教学内容与科技发展的结合更加便利。与传统教学相比，成本低，实验设计更灵活，对仪器的依赖性降低，教学效率大大提高。

关键词：USB;虚拟仪器;自动控制

实验教学在高校教学环节中占有重要地位。它是素质教育、创新、培养学生实践能力和创造性思维的重要手段和手段。通常，基于传统仪器的教学和实验室设备数量有限，成本高，灵活性差。因此，建立虚拟仪器系统，加强高校实验室建设是仪器发展的新趋势。虚拟仪器概念的实质是以计算机为仪器的硬件支撑，充分利用计算机的智能功能和传统仪器的专业功能等智能控制、操作、存储、回放、调用、显示等智能功能，为了与计算机集成，充分利用计算机资源，实现新仪器系统的智能化。随着计算机技术和电子技术的发展，借助计算机建立的虚拟机不仅能发挥传统仪器的功能，而且能集成实验系统的控制功能，具有成本低、实用性强的特点，虚拟仪器实验系统已不可避免地成为高校实验系统发展的一部分。自动控制方法教学的主要功能是演示控制算法及其在控制参数变化时的不同控制效果。本文介绍的基于虚拟仪器的自动控制实验系统可以通过计算机实时改变控制参数，并实时显示控制结果，从而灵活有效地达到实验目的。

1.实验系统构成

实验系统的组成如图1所示。教学实验的自动控制系统采用直流执行单元，驱动系统的负载由弹性轴和转子组成。弹性轴主要模拟实际传动系统的弹性连杆，圆盘模拟实际负载，因此模拟实际系统的效果更好;电机控制采用PWM（脉宽调制），电机驱动控制，计算机与pc机usb连接为单片机实验系统。通过该系统，一定数量的单片机系统可以构成一个完整的实验系统。本文介绍了一种实用的单片机实验系统的设计，该系统可根据需要建立。

2.实验系统设计

实验系统是一个集成在单晶混合系统中的高速SOC（系统板载）C8051F320设备。核心8051的运行速度是普通8051的12倍。在该芯片中，528字节的Taran和2048字节的xram提供了足够的数据缓冲和程序执行空间，扩展了功能模块。用该单片机设计的电机实验控制系统外围电路相对简单[1]。

实验系统采用单片机PCA 0可编程计数器阵列建立电机控制的PVM信号源，通过调制电路将a/D转换成单片机，完成单片机的数字电流和双速闭环控制。C8051F320内置全/低速USB功能控制器。Usb-0由SIE（串行接口引擎）、Usb接收器（包括电阻匹配和可调拉伸电阻）、1KBBIOS存储器和时间恢复电路（可能不是晶体）组成，无需外部元件，以及符合USB功能控制器和收发器符合USB规范2.0版。

2.1USB接口

使用C8051F320作为控制处理器简化了USB硬件组件的设计和与节点的连接。

USB硬件接口非常简单，但软件接口的开发要复杂得多，这也是USB应用程序设计的难点。其应用软件主要由三部分组成：内置USB模块、主机操作系统驱动程序和主机软件。Cygnal开发的软件包包括固件程序和驱动程序，这使得开发更加困难。根据实验系统的要求，USB传输方式采用传输中断方式。这种模式对于传输的暂时中断没有实际意义。它只发生在设备被轮询时，传输速度没有保证，但可以保证传输不超过固定时间，因此在设计单片机和主机的应用时必须考虑这一点。USB时钟源使用内置可编程内置振荡器，当USB全速运行时，该振荡器提供单个摄像头和USB工作时间，并在USB运行后使用其内部时钟乘法器执行4倍的频率。

2.2电机控制

利用PCA模块（可编程计数器阵列）在单片机上进行捕获/比较，可以配置8位脉宽调制器的工作模式。PCA脉宽8位调制器的电路图，每个采集/比较模块可以在相应的CEX端口生成PWM输出。PWM输出信号的频率取决于PCA的时基，主要由功率设备中的开关频率需求决定。这些设备捕获/匹配CPA 0cp，以确定PWM输出部分在空位数中的比例，并控制电机电流，通过控制功率设备与最终空位数之间的比较，当PCA值0等于PCA值0cpn时，CEX输出设置为“1”。当PCA 0溢出时，cexn输出设置为“0”。PCA 0cp的系统控制模块可以实时更新，以获得可变空间的PWM输出信号，确保对电机的控制[1]。

2.3控制软件设计

有关以前驱动程序的MCU程序和驱动程序，请参见单片机应用程序，实现电机控制和数据采集，并完成与上位机的数据共享。实验设备自动控制的主要任务是通过改变控制参数来启动演示系统。因此，MCU软件通过USB接口接收高级机床的指令和参数，并确保其离散化（速度、电流等）。经典的电机双环控制。虚线控制算法在单片机上实现。各种控制算法被编程并加载到单片机中。通过USB获取虚拟仪器数据作为控制参数，并通过USB将反馈数据（速度、电流等中间控制变量）传输到虚拟仪器，以达到实验目的。

即使USB采用传输中断，也不能保证及时传输。因此，发动机的实时控制是在单片机上进行的。要注意单片机与上位机之间的数据交换。简单的数据传输会导致数据丢失，利用单片机中的ram模拟FIFO进行数据缓存，避免了有效数据的丢失。有关传输过程。

用VC++开发的顶层软件提供了三种与硬件交换数据的功能：读文件、写文件和设备控制。通过简单的上位机虚拟机控制界面和虚拟仪器控制界面传输不同速度控制回路参数所获得的各种控制结果[2]。

数据处理和显示模块。研究发现，由于卡的隔离度很高，采样信号几乎不被中断，并且程序中不包括滤波。计算离散值的参数包括：通过搜索所有采样值获得的最大值、最大重新调整和调整时间。在前一小组中，结果表明需要足够的采样时间来确保这些指标的准确性。为了便于跟踪采样曲线，在“显示曲线”字段中添加了两个光标（按下上一面板上的键以控制光标的显示和隐藏），允许光标始终附着到数据曲线或数據点，移动光标的坐标显示在上一面板中。为了方便图像保存，添加曲线保存功能，点击上一面板中的“保存”按钮，将当前24位BMP曲线保存到用户指定的路径，方便数据记录。

结束语：

综上所述，将基于虚拟仪器自动控制原理的实验系统引入实验教学。实践表明，该系统性能良好，功能数据的显示和处理大大加强了传统的实验方法，操作界面更友好，实验更方便省时，学生在学习时间内完成了实验内容，从而提高了教学质量，提高了实验教学效果，在实验系统中引入了软件概念，使系统更易于获取，使个人计算机上的计算机和数据采集卡充当多台传统仪器的功能。

参考文献：

[1] 袁浩， 朱畅， 陈志敏. 基于LabVIEW的自动控制仿真系统设计[J]. 实验室研究与探索， 2006， 25（4）：4.

[2] 陈桂， 万其. 基于虚拟仪器的自动控制实验室系统设计[J]. 电子工程师， 2008， 34（005）：13-14.

宋琳 （1986-12-11）籍贯;陕西省富平县人，民族：汉族   职称：工程师，学历：本科，研究方向：测试技术研究。