02-基于虛擬儀器技術的小車測控系統(tǒng)

1、基于虛擬儀器技術的小車測控系統(tǒng)一、應用背景作為虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，Labview在數(shù)據(jù)采集、顯示、信號處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢哂袕姶蟮墓δ堋ｈb于目前很多的自動化儀表都是采用模擬儀表盤進行顯示，數(shù)據(jù)的采集、處理過程都要通過復雜的電路實現(xiàn)；整個采集和顯示系統(tǒng)價格很高。比如汽車上的速度、里程、油量儀表盤。因此，可以考慮采用現(xiàn)在的虛擬儀器技術來實現(xiàn)這種需要。虛擬儀器技術的出現(xiàn)是測控領域的一個巨大變革。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器的物理結構和功能的限制，其強大的軟件功能使得用戶能夠根據(jù)測試任務的需要隨心所欲的組建自己的儀器或系統(tǒng)，或進行儀器的功能擴充、升級。在無需改變電路硬件的情況下，只需應用模塊化的軟件重新

2、搭配，便可構建具有新的功能的新的虛擬儀器。本課題的研究對象是一個遙控小車，要開發(fā)一個測控系統(tǒng)，其中包括一個虛擬儀器：它除了具有常用測試顯示功能外，而且還具有控制功能，即通過對儀器的操作來達到對小車的控制。二、結構和測控原理的概述2.1 小車結構小車為一個普通四輪遙控玩具小車，遙控器上有一個控制芯片（統(tǒng)一稱為控制器），小車車體上也有一個作為接收信號并驅動小車的芯片（姑且把它叫做接收器）。遙控器上有兩個扳手，可以動作四個開關，這四個開關分別用來控制小車的左轉、右轉、前進、后腿。遙控小車的動作是這樣完成的：當操作遙控器的扳手分別閉合其中各個開關時，遙控器芯片上晶體管振蕩器以不同的頻率振蕩，共產(chǎn)生四種

3、不同頻率的電磁波并通過天線發(fā)射出去;而小車的接收器根據(jù)接收到頻率的不同，接收電路通過其中的控制芯片選通不同電路，從而接通兩個電機進行正轉或反轉;其中一個電機控制前后轉，另一個控制左右方向。小車的動力供應是由電池提供，控制器右單節(jié)9v電池供電，接收器端由6節(jié)1.5v五號電池串聯(lián)供電。另外，控制器上還有一個控制啟用的總開關。2.2 測控原理本測控系統(tǒng)分為兩大部份：小車速度采集部分和小車控制部分。速度采集部分，是將小車車輪速度信號通過轉速傳感器采集后，經(jīng)一個連接器接入插在計算機主機箱擴展槽內(nèi)的DAQ（數(shù)據(jù)采集卡）板卡 ，由計算機軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理和顯示。小車控制部分：由可分為速度控制和方向控制，

4、基本思想是，對于這樣一個采用發(fā)射和接收電磁波來進行控制的系統(tǒng)，考慮到可以不改變原有遙控中波的類型，因而也可以不改變原裝置中產(chǎn)生、發(fā)射和接收此種波的電路，這樣原有控制芯片和接收器芯片都可以得到利用。控制的實現(xiàn)是通過在Labview平臺上開發(fā)的虛擬儀器來進行的。在速度控制方面：由計算機程序控制輸出一個合適的電壓信號，經(jīng)過電流放大，然后將它接入接收器的電源輸入位置，代替原來小車的電池電源。在不超過接收器芯片的額定電流電壓的情況下，在程序中改變輸出的電壓就可實現(xiàn)小車轉速的改變。在放大電路確定不變的情況下，計算機的輸出電壓與小車的轉速存在某種對應關系。根據(jù)這種對應關系，我們就可以通過控制輸出的電流的大小

5、來達到控制轉速的目的。在方向控制方面，由計算機程序輸出一種開關量來控制繼電器的開閉，繼電器動作就代替了原來需要手動來操作扳手進行開閉開關的動作，繼電器閉合后，控制器的芯片相應電路的開關打開，電路導通，這樣就可發(fā)射相應的電磁波對接收器進行控制，接收器接到相應的信號進行相應的方向動作，這樣就實現(xiàn)了通過計算機上的虛擬儀器進行方向控制的要求。三、測控系統(tǒng)的設計基于原有芯片基礎上的測控系統(tǒng)在結構上分為硬件設計和軟件設計兩部分。3.1 硬件設計硬件部分的連接示意圖如圖1所示。前面已提到，本課題的研究對象是小車，結構上分為速度采集過程和控制過程，而后者又分為速度控制和方向控制。圖1中計算機是控制中心和數(shù)據(jù)采

6、集站。在進行速度控制時，計算機程序發(fā)出一指令，輸出一個大小適當?shù)哪M電壓信號，經(jīng)過放大電路將其電流放大后，輸送到小車的接收器電源輸入端，作為電源；此時打開控制器，即可控制車輪進行前后轉，在不超過小車接收器的額定電壓和電流的條件下，通過程序調(diào)節(jié)輸出電流的大小，可以改變小車的轉速。在進行方向控制時，計算機程序在通過DAQ板卡的數(shù)字輸出端口，可輸出幾個線的開關量（在這里總共5線，可同時輸出3線），其中一個線用于控制開閉控制器上總開關的繼電器，其他幾線分別用于開閉控制方向的繼電器。此時，只要在計算機中的虛擬儀器控制面板中打開總開關控制鍵，再操作其他幾個方向控制鍵，即可進行方向控制。需要再說明一點的事，

7、對小車的前后轉控制實際上是和小車的速度控制相結合進行的。因為小車要進行前轉或后轉時，計算機必須輸出一個電壓讓小車以一定速度轉動。相應的，圖1中的繼電器組是由五個繼電器組成，分別由上述的5線開關量控制，由每個繼電器開閉來導通控制器上相應的電路，使控制器進行不同的工作。放大電路變壓器原有控制芯片繼電器組(5個）小車傳感器計算機DAQDAQ5V9V15V圖1 硬件部分的連接示意圖圖1中的傳感器采用的為霍爾傳感器。由于這種傳感器靈敏度高，不易受工作條件的限制，故而采用它。安裝傳感器時，先在小車車棚上固定了一個支架，傳感器固定在支架上并伸進到車輪輪轂內(nèi)凹處，輪芯上環(huán)輪轂的一個圓周上均布了4個磁鋼，當車輪

8、旋轉時，傳感器上的探頭經(jīng)過每個磁鋼的磁場時，由于霍爾效應，傳感器內(nèi)產(chǎn)生并輸出一個電脈沖。這種信號通過連接器輸入到DAQ板卡，在由虛擬儀器處理后即可得到頻率，再換算一下即可得到轉速。圖1中的變壓器將220VAC轉化為15VDC，9VDC和5VDC三路電壓，分別給放大電路的集電極、控制器芯片和霍爾傳感器提供電源。放大電路作用是將從計算機輸出的電壓信號進行電流放大后，給小車接收器提供驅動電源。放大電路采用單管共集放大電路，晶體管采用能承受Ic電流較大的D313型晶體管，并給它加裝散熱器。在本課題中，放大電路、變壓器電路、繼電器組被集成在一個電路板中，由于原有的控制芯片仍可利用，故可將它與新電路板并在

9、一起共同封裝在一個自制的控制盒中?？刂坪猩涎b有220VAC電源插座，各路輸入輸出的線路的接線插座。采集和控制過程都要通過此控制盒來進行?？刂坪兄须娐穲D如下圖（圖）所示：圖2 控制盒中電路圖3.2 軟件設計軟件開發(fā)使用的是美國國家儀器公司（NI公司）的Labview。這是一個基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行程序的虛擬儀器開發(fā)平臺。與硬件結構相對應，軟件系統(tǒng)在結構上也分為三個模塊：即速度采集模塊、速度控制模塊和方向控制模塊。下圖（圖3）是這個虛擬儀器的總控制面板。該面板上部中央有一個速度控制旋鈕，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。左邊有一個速度表盤，這是用來顯示根據(jù)速度與電壓對應關系理論上應該得到輸出轉速值。速度表盤下邊

10、是一個示波器，用于顯示實際輸出的電壓隨時間的變化情況。右邊還有兩個數(shù)字顯示框，用于以數(shù)字的形式分別顯示改變后的輸出電壓和理論輸出速度。面板右下部有一個開關盒，其內(nèi)部有5個開關，是用來開閉前面提到的5個繼電器的。遙控開關控制的是控制器芯片上的總開關，其他四個為方向控制鍵。面板右下角是一個速度采集的控制按鈕，在程序運行時按下此按鈕，會彈出速度采集的面板，并且速度采集程序正處于運行狀態(tài)。圖4是速度采集的面板，通過采集可以獲得真實的車輪轉速。圖中的車輪轉速采用了三種方式來顯示。圖中可以顯示采集的方波的頻率，并增加了一個超速報警的裝置。圖3 虛擬儀器的總控制面板圖圖4 速度采集的面板圖圖5是對應于圖3

11、面板的程序框圖的一部分。這里要解決一個問題，就是輸出電壓時，當給定電壓突然改變時，不會導致輸出電壓產(chǎn)生一個巨大的沖擊，而是有漸變的過程。在框圖程序中，采用了一個改進的PID算法。這種算法是采用一前置濾波器對給定值W進行修改，使進入控制算法的給定值U不變，而是有一定慣性延遲的緩變量，其數(shù)字化算法可表示為: Ui=aUi-1+(1-a)W其中：a=exp(-t/TF) , TF為濾波器的時間常數(shù)。圖5 對應于圖3 面板的部分程序框圖在圖3的面板上有設定時間常數(shù)的控件，還有電壓變化前后電壓的數(shù)字顯示控件。此外，程序框圖中還解決了如何控制小車的速度到目標值的問題。本課題研究對象采用的是一個玩具小車，由

12、于小車內(nèi)部機械構造的問題，在恒定的電源驅動下，轉速波動也較大，所以對小車宜采用開環(huán)控制。在放大電路確定，其他條件都不變的情況下，改變程序的輸出電壓，再測出相應的轉速值，從獲得的多組數(shù)據(jù)中擬合出電壓與轉速的關系曲線。當要獲得所要的轉速值時，根據(jù)這種函數(shù)關系，可以知道應該給小車加多大的電壓。四、實驗結果通過由Labview開發(fā)的虛擬儀器，能夠很方便的采集、處理信號數(shù)據(jù)并顯示。與杭州高聯(lián)傳感器公司生產(chǎn)的實驗平臺上的專用數(shù)顯表（可顯示頻率、轉速、典壓）相比較，虛擬儀器在數(shù)據(jù)的處理和顯示方面更快捷實時，而且更準確。這是說明虛擬儀器技術促進了測試技術發(fā)展的又一個事實。Labview圖形化語言編程使得基于其

13、上的虛擬儀器具有開發(fā)簡單直觀、界面逼真易學易用、硬件支持結構開放、分析方法功能強大的特點，它是檢測儀器發(fā)展的一個趨勢。本測控系統(tǒng)，是由虛擬儀器進行控制，實驗中能夠完成所要求的控制功能。轉速控制過程中，實際的轉速與控制所要求的轉速基本一致；在方向控制中，控制的效果也特別好。這說明由虛擬儀器平臺，不僅可以開發(fā)出在測試方面具備強大功能的虛擬儀器，而且可以開發(fā)出在控制方面也具有很強功能的虛擬儀器。相信隨著虛擬儀器技術的提高，以及開發(fā)程序人員水平的提高，虛擬儀器在測試和控制方面都會有更加廣泛的應用。參考文獻1. 謝劍英. 微型機算機控制技術(第二版). 國防工業(yè)出版社 1991.4 2. 丁鎮(zhèn)生. 傳感

14、器即傳感技術應用. 電子工業(yè)出版社 1998.83. 李剛, 林凌. LabVIEW易學易用的計算機圖形化編程語言. 北京航天航空大學出版社. 2001.104. 童詩白. 模擬電子技術基礎. 高等教育出版社. 1988.5附錄資料：不需要的可以自行刪除 VIW虛擬因特網(wǎng)教室概述（ ）因特網(wǎng)教室，是一個在局域網(wǎng)環(huán)境中模擬因特網(wǎng)的教學系統(tǒng)，它采用多種先進的網(wǎng)絡技術，把因特網(wǎng)帶進校園，讓學校的師生在校園網(wǎng)中即可模擬上因特網(wǎng)，無須撥號，也不必通過代理服務器，只要在任一瀏覽器中敲入所需網(wǎng)址，就可完成恰似在因特網(wǎng)上才能實現(xiàn)的全部功能，從而實現(xiàn)信息的交換、發(fā)布與檢索。這樣，學生和老師在花費極少的校園網(wǎng)環(huán)境

15、中就可遨游樂趣無窮的：搜索瀏覽自己感興趣的網(wǎng)站，查詢收集與課題相關的信息以輔助教學或學習，使用電子郵件進行交流與溝通，在上貼帖子，對某些問題發(fā)表自己獨特的見解，在談天說地中暢所欲言，大侃特侃，在下載專區(qū)中下載各種軟件，在留言板中提出你的意見等等，讓師生們在校園局域網(wǎng)中充分過把上癮。提供了包羅萬象的 網(wǎng)站和功能強大的系統(tǒng)管理程序。此網(wǎng)站中的因特網(wǎng)基礎知識一欄，為學生們進入上好第一堂入門課。為緊密配合教學，還集成了十多個與教學有關的網(wǎng)站，使你幾乎在瞬間便可瀏覽眾多網(wǎng)站。同時，在下載專區(qū)里提供了一系列流行的常用軟件工具，讓你快速下載到本地計算機上。另外， 還展示了五花八門的網(wǎng)頁特技， 讓你耳目一新，

16、躍躍欲試。在基于操作系統(tǒng)的服務器上，增加了系統(tǒng)管理主程序（該程序還可在網(wǎng)站管理頻道中直接調(diào)用），包括用戶管理與網(wǎng)站管理，規(guī)定了有哪些用戶創(chuàng)建，維護哪些站點等等，師生們可以在這里創(chuàng)建與維護各年級、各教研室、各班級、甚至個人的網(wǎng)站，從而把校園的信息發(fā)布到中去，達到資源共享，二次開發(fā)的目的。系統(tǒng)要求硬件配置. 服務器最低配置標準配置最佳配置 以上 以上 以上內(nèi)存以上以上以上硬盤以上剩余空間以上剩余空間以上剩余空間網(wǎng)卡以上帶寬以上帶寬以上帶寬. 工作站最低配置標準配置最佳配置 以上 以上以上內(nèi)存以上以上以上顯示卡以上顯存以上顯存以上顯存網(wǎng)卡以上帶寬以上帶寬以上帶寬聲卡 全雙工聲卡(可選) 全雙工聲卡(

17、可選) 全雙工聲卡軟件配置. 服務器 服務器系統(tǒng)， 服務器軟件，因特網(wǎng)教室軟件。 工作站 、 、 或 ，通訊協(xié)議，瀏覽器（推薦使用以上的瀏覽器）。產(chǎn)品功能因特網(wǎng)基礎知識的學習電子郵件的收發(fā)網(wǎng)站搜索資料的下載網(wǎng)上留言網(wǎng)上聊天網(wǎng)上公告網(wǎng)上資料庫的管理因特網(wǎng)網(wǎng)頁制作特技網(wǎng)站的管理產(chǎn)品特色因特網(wǎng)教室具有以下特點：安裝簡便，由于采用性能優(yōu)越的架構，服務器端僅需裝網(wǎng)絡操作系統(tǒng)與因特網(wǎng)教室系統(tǒng)管理主程序，客戶端安裝任意類型的瀏覽器即可 。穩(wěn)定性強，由于服務器端基于大型網(wǎng)絡應用平臺，該平臺具有強大的技術后盾，可靠性強、安全性高。經(jīng)濟實惠，由于在局域網(wǎng)中操作，沒有電話費，也沒有上網(wǎng)費，極大減少了教學成本。兼容性

18、強，客戶端支持 ， 和 操作系統(tǒng)和任意類型的瀏覽器。操作簡易，模擬上網(wǎng)極其簡單，無須撥號，也不必通過代理服務器，只要在校園網(wǎng)任一瀏覽器中敲入所要網(wǎng)址即可。效率高，由于網(wǎng)站實際是在本地服務器上，所以上網(wǎng)相當于全部在寬頻網(wǎng)絡上高速運行，你盡可瞬時一覽無遺。功能全，濃縮了的全部功能，只要互聯(lián)網(wǎng)有的，這里都可以找到。中還集成了十多個與教學有關的網(wǎng)站，使你呆在校園里便知天下事。同時，還可以把其它網(wǎng)站的信息下載到本地服務器中，由網(wǎng)站系統(tǒng)管理員經(jīng)過篩選來進行統(tǒng)一管理，達到減少上網(wǎng)次數(shù)與資源共享的目的。中增加的教學示范，比如因特網(wǎng)基礎知識、電子郵件、網(wǎng)頁特技、 資料庫管理示范等，讓學生們邊學習、邊實踐，是一本

19、不可多得的百科全書。 在中的用戶管理與網(wǎng)站管理程序，讓師生們積極創(chuàng)建與維護各個站點，完全調(diào)動了他們的主動性，激發(fā)了他們的創(chuàng)造力， 從而讓校園在大舞臺上充分展示自己的風采。適應范圍校園網(wǎng)培訓教室多媒體教室企業(yè)內(nèi)局域網(wǎng)產(chǎn)品安裝和設置產(chǎn)品包含：藍點系統(tǒng)盤、 主程序光盤、范例網(wǎng)站光盤； 產(chǎn)品使用手冊一本； 網(wǎng)卡一塊；安裝與啟動因特網(wǎng)教室采用性能優(yōu)越的架構，服務器端必須在功能強大的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)下運行，而客戶端（僅需安裝瀏覽器）可任意在、 、 操作系統(tǒng)上執(zhí)行，且支持所有類型的瀏覽器。安裝服務器端服務器端必須安裝網(wǎng)絡操作系統(tǒng)（含服務器）、因特網(wǎng)教室。安裝網(wǎng)絡操作系統(tǒng)關于安裝網(wǎng)絡操作系統(tǒng)， 請參閱的安裝手冊。在安裝過程中，選擇定制安裝后，出現(xiàn)待安裝軟件列表，建議安裝該列表中的全部軟件。安裝完后，在服務器上用命令來設置網(wǎng)絡，出現(xiàn)網(wǎng)絡設定窗口，進行一些配置：在客戶端工作區(qū)域里，用上下箭頭鍵選擇主機基本資料選項，然后按回