楊建華+袁彪+胡曉嬌+馮蕾

摘要：針對(duì)目前教學(xué)儀器昂貴，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備緊張的情況，本文設(shè)計(jì)并制作了基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。硬件系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為主控單元，設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)信號(hào)采集模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊和溫度監(jiān)測(cè)模塊。軟件系統(tǒng)包含MSP430單片機(jī)測(cè)控程序和基于LabVIEW的虛擬儀器應(yīng)用程序。系統(tǒng)能夠完成無刷直流電機(jī)相關(guān)的測(cè)試、測(cè)量和控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定，誤差在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：IabVIEW虛擬儀器：MSP430單片機(jī)：無刷直流電機(jī)

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.009

引言

傳統(tǒng)儀器主要由信號(hào)采集與控制模塊、分析與處理模塊以及測(cè)量結(jié)果的表達(dá)與輸出模塊這三大功能模塊組成。傳統(tǒng)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(jì)算機(jī)上完成。運(yùn)用計(jì)算機(jī)，使用數(shù)據(jù)采集卡，利用軟件在計(jì)算機(jī)中生成儀器面板，并利用軟件進(jìn)行信號(hào)的分析與處理。相對(duì)于傳統(tǒng)儀器，虛擬儀器具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短、集成功能優(yōu)秀等特點(diǎn)。

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，各個(gè)高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室的要求也不斷提高，然而，現(xiàn)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(yàn)條件。基于以上背景，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)，它采用虛擬儀器和實(shí)物相結(jié)合，將一些實(shí)物平臺(tái)用虛擬儀器末代替，既節(jié)省了在儀器上的投入，也可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1 基于LabVIEW的半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，各種被測(cè)信號(hào)經(jīng)過傳感器、放大整形濾波、現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)（MSP430）采集緩存等處理后，輸送到單片機(jī)中，通過單片機(jī)計(jì)算處理后，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。同時(shí)，來自上位機(jī)的信號(hào)經(jīng)RS232總線傳輸?shù)讲杉?jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集?；贚abVIEW的半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其中電源電路使用24V穩(wěn)壓電源，保障電源的穩(wěn)定，霍爾傳感器的輸出脈沖信號(hào)要先進(jìn)行放大濾波處理后再送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。驅(qū)動(dòng)電路通過隔離電路達(dá)到弱電控制強(qiáng)電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)。溫度傳感器輸出的是數(shù)字量，直接被MSP430采集，采集到的數(shù)據(jù)緩存供單片機(jī)調(diào)用。采集節(jié)點(diǎn)通過RS232總線與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和越限報(bào)警等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制部分

MSP430系列單片機(jī)有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。由時(shí)鐘系統(tǒng)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或關(guān)閉，從而使單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，達(dá)到控制目的。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

BLD-300B直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是針對(duì)中功率低壓直流無刷電機(jī)的高性能無刷驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。該直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用高性價(jià)比的解決方案設(shè)計(jì)而成，適用于功率為48V、440W，或24V、300W的三相直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。BLD-300B可提供內(nèi)置電位器RV調(diào)速、外接電位器調(diào)速、外部模擬電壓調(diào)速、上位機(jī)（PLC，單片機(jī)等）PWM調(diào)速等功能。同時(shí)該驅(qū)動(dòng)器具備大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)、快速啟動(dòng)及制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)切換、手動(dòng)及自動(dòng)調(diào)速相結(jié)合、異常報(bào)警信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)速為0-20000rmp，霍爾信號(hào)電壓為4.5-5.5V，霍爾驅(qū)動(dòng)電流20mA，外接調(diào)速電位器lOkΩ。輸出信號(hào)如圖2所示。

2.3 信號(hào)傳輸模塊

串口通訊對(duì)單片機(jī)而言意義重大，且其所需電纜線少，接線簡(jiǎn)單，所以廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離傳輸中。如圖3所示。

在串行通信中，數(shù)據(jù)通常是在兩個(gè)站之間傳送，按照數(shù)據(jù)在通信線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(dǎo)線，信號(hào)的傳送方和接收方有明確的方向性。也就是說，通信只在一個(gè)方向上進(jìn)行。

若使用同一根傳輸線既作為接收線路，又作為發(fā)送線路，雖然數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，這樣的傳送方式稱為半雙工。采用半雙工方式時(shí)，通信系統(tǒng)每一端的發(fā)送器和接收器通過收發(fā)開關(guān)分時(shí)轉(zhuǎn)接到通信線上進(jìn)行方向的切換。

當(dāng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別由兩根不同的傳輸線傳送時(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(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸。全雙工方式無須進(jìn)行方向的切換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)軟件程序主要實(shí)現(xiàn)功能為：2項(xiàng)被測(cè)數(shù)據(jù)的檢測(cè)、處理和傳輸。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

系統(tǒng)選用C語言編寫程序，程序設(shè)計(jì)首先對(duì)傳感器、單片機(jī)和上位機(jī)顯示等進(jìn)行初始化。MSP430控制啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行處理并存儲(chǔ)在MSP430內(nèi)部設(shè)計(jì)的RAM中，單片機(jī)讀取RAM中的信號(hào)并顯示。具體流程如圖6所示。

3.2 串口通信

以下對(duì)串口通信中一些需要注意的地方作一點(diǎn)說明：

（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(shù)（bits/second）。MSP430串行端口在四種工作模式下有不同的波特率計(jì)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(tǒng)需要的通信速率。這要根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)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(wěn)定，我們應(yīng)該盡量選擇時(shí)鐘誤差最小的頻率進(jìn)行通信。endprint

（2）通信協(xié)議的使用

通信協(xié)議是通信設(shè)備在通信前的約定。單片機(jī)、計(jì)算機(jī)有了協(xié)議這種約定，通信雙方才能明白對(duì)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)要滿足一定的條件，例如計(jì)算機(jī)的串口是RS232電平的，而單片機(jī)的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路。

（4）通信數(shù)據(jù)顯示

為了能夠在計(jì)算機(jī)端看到單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，我們必須借助一個(gè)WINDOWS軟件進(jìn)行觀察，這里利用一個(gè)免費(fèi)計(jì)算機(jī)串口調(diào)試軟件（串口調(diào)試助手）來觀察。

3.3 上位機(jī)顯示程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)要實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)的選擇，參數(shù)數(shù)據(jù)的上傳，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，以及不同參數(shù)的趨勢(shì)圖繪制。上位機(jī)的工作流程如圖7所示。

3.4 PID控制

虛擬控制采用LabVIEW的虛擬仿真功能得到理想的PID圖像的部分前面板如圖8所示。在前面板中設(shè)置PID的輸入控件，分別為比例參數(shù)、積分參數(shù)、微分參數(shù)和轉(zhuǎn)速目標(biāo)參數(shù)。參數(shù)經(jīng)過PID子VI的運(yùn)算得到輸出值，通過LabVIEW的仿真波形圖來顯示模擬的PID圖像。

在實(shí)物平臺(tái)上采用位置式PID控制來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。使用MSP430單片機(jī)的定時(shí)器的比較模式輸出經(jīng)過PID調(diào)節(jié)所得到的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)實(shí)物的PID控制。在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為：

式中，P（t）為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，e（t）為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差，K_p為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，K₁為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間，TK_D為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。

在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（1）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。

PID調(diào)節(jié)器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的作用：

（1）比例環(huán)節(jié)：及時(shí)成比例的反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差。

（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除誤差，以提高系統(tǒng)無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。

（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)早期的有效修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

模擬信號(hào)r（f）、e（t）、u（t）、c（t）在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用r（n）、e（n）、u（n）、c（n）表示，于是有e（n）=r（n）一c（n）。

從而可以推導(dǎo)出數(shù)字PID算法：

將此式代入程序中調(diào)節(jié)好K_p、K₁、K_D這三個(gè)參數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)PWM使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字PID算法的積分項(xiàng)可能會(huì)引起飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致帶幅度的超調(diào)，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為了消除飽和積分的影響，我們采用遇限削弱積分法：一旦控制量進(jìn)入飽和區(qū)，則停止進(jìn)行增大積分的運(yùn)算。

3.5 LabVIEW的編制及界面

上位機(jī)數(shù)據(jù)的采集通過一個(gè)獨(dú)立的子VI完成，通過子VI把串口的數(shù)據(jù)處理分類，用兩個(gè)輸出將數(shù)據(jù)送給下一個(gè)子VI，設(shè)置的串口參數(shù)必須匹配連接儀器或設(shè)備的參數(shù)“讀數(shù)”參數(shù)可指定串口讀取的字節(jié)數(shù)。如果端口字節(jié)超過指定的字節(jié)數(shù)，超出部分將不會(huì)被讀取。如果端口字節(jié)數(shù)少于指定的字節(jié)數(shù)，將返回超時(shí)錯(cuò)誤。

上一個(gè)子VI輸出的數(shù)據(jù)被下一個(gè)子VI獲取，通過LabVIEW的波形圖示實(shí)時(shí)的顯示采集的數(shù)據(jù)。其部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖9所示。

在虛擬平臺(tái)的編制上我們使用了LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，把實(shí)物用數(shù)據(jù)的形式模擬出來。設(shè)置參數(shù)和期望值，通過PID子VI模擬出圖像顯示出來。

對(duì)于電機(jī)虛擬圖像，可通過前面板設(shè)計(jì)設(shè)置理想轉(zhuǎn)速、PID參數(shù)，如圖10所示。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)行誤差分析。 誤差分析表示當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速的差值，如圖11所示。

4 結(jié)論

本文米用MSP430單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，充分利用了單片機(jī)的高速性和高可靠性，從而解決了傳統(tǒng)的單片機(jī)控制速度較慢的問題。該系統(tǒng)成功采集到各項(xiàng)數(shù)據(jù)并得到數(shù)據(jù)圖像，是一套比較完整的虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)，通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)儀器功能，具有較好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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