基于LabVIEW与Proteus的测控仿真实验系统设计.docx

基于 LabVIEW 与 Proteus 的测控仿真实验系统设计周春明【摘 要】 A method of design of measurement and control simulation experiment system based on LabVIEW and Proteus was proposed with the remote temperature controlling system as an example. AT89C51 in Proteus was used as the slave computer to achieve the functions of temperature acquisition, A/D conversion and data transmis-sion to the host computer. LabVIEW was employed to construct the master system to achieve the PID control of the received temperature. It transmitted the PID adjustment data to SCM in order to adjust its PWM wave s duty rati -o. So the working state of“OVEN” could be controlled and the purpose of the remote temperature controlling could be achieved. The master system communicated with the slave computer by a pair of virtual serial ports constructed by Virtual Serial Port Driver 6 . 9 . Simulation results demonstrated the validity of the methods of design of measure-ment and control system. It has a practicability in the field of experiment teaching and project development.%以单片机远程温度控制系统为例，给出了一种基于 LabVIEW 与 Proteus 的测控仿真实验系统的设计方法，利用 Proteus 中的 AT89 C51 单片机仿真下位机运行，实现温度的采集、 A/D 转换器的控制及向上位机传 输数据等功能。利用 LabVIEW 仿真上位机运行，对接收的温度信息进行 PID 控制， 将 PID 调整量输出给单片机，使其输出占空比可调的 PWM 波，以控制 OVEN 的 工作状态，达到远程控制系统温度的目的。 LabVIEW 设计的监控界面直观地实现 了对温度信号的实时监控和仿真参数的设置。两软件利用 Virtual Serial PortDriver 6.9 虚拟的一对串口进行 RS-232 的串行通信。仿真结果表明，该方法可以 有效地验证测控系统设计的正确性，对于测控实验教学与工程项目开发的前期实验， 具有很好的实用性。【期刊名称】 辽东学院学报(自然科学版)【年(卷),期】 2016(023)004【总页数】 5 页(P261-265)【关键词】 远程温度控制;虚拟串口;PWM;PID;LabVIEW;OVEN【作 者】 周春明【作者单位】 辽东学院 机械电子工程学院，辽宁 丹东 118003【正文语种】 中 文【中图分类】 TP311目前大多数国内高等院校都在全面推进现代应用技术大学的建设，在实践教学方面 进行了很多有益的尝试，有的学校为学生创造了属于自己的实践空间，可以使学生 自主学习并进行独立思考，有效的提高了实践教学的效果。在此背景下，测控专业 的实践教学也成为本专业高校教师所关注的重心，测控系统设计涉及的内容广泛， 实践性强，更新速度快，使实验、实训环境条件远远不能满足应用及发展的需要。 主要存在以下问题： (1)实验台相对封闭，很难猎涉到测控系统的元器件和芯片， 对其性能及应用也很难掌握，达不到培养工程综合设计能力的目的； (2)实验类型 单调，设计性实验很难开设，限制了对学生创新意识和创新能力的培养； (3)工具 环境单一，很难贴近工程实践环境。将虚拟仿真软件引入实验室构建虚拟实验系统 能够很好地解决上述问题，这也正是当前高等院校人才培养的一个发展方向1。在测控系统的设计开发中，将 LabVIEW 软件与 Proteus 软件相结合已被越来越多 的学者所采用2-7 ，同时在高等院校的教学中，应用二者的联合仿真，弥补了硬 件实验室实验的诸多不足8,9。利用这两种软件构造教学虚拟实验室，可以虚拟 构造大量的实验设备、实验器材，仿真构造各种实验环境、实验过程，得到精确的 实验结果10。同时在测控系统设计开发前阶段，利用纯软件仿真系统进行工程项 目预期结果的验证，可以有效地降低项目开发成本，缩短开发周期，提高开发效率 11。文章以该仿真系统中的典型实例远程温度控制系统的设计为例，介绍基于 LabVIEW 与 Proteus 的测控仿真实验系统的设计过程，旨在验证该设计方法的可 行性和实用性。仿真结果表明，利用本系统的设计方法构建虚拟实验系统，解决了 传统实验室设备昂贵、更新复杂、实验项目类别有限，实验时空局限性等缺点。该 仿真实验系统将为相关专业课程教学提供一个方便有效的实验系统，同时为师生进 行科研及校企合作项目提供技术支持。该远程温度控制系统主要包括上位机和下位机，总体设计结构如图 1 所示。其中， 上位机采用 LabVIEW2014 软件对接收到的实时温度和给定温度进行比较，同时 启动 PID 控制并输出 PID 调整量给下位机12,13。此外， LabVIEW 软件利用输 入输出控件设计系统的监控界面，实现实时温度的显示、串口的设置、 PID 控制的 参数设置等功能。下位机采用 Ptoteus 中的 AT89C51 ，控制 ADC0808 对采集到 的加热炉温度实现 A/D 转换，计算出实时温度并将其传输到上位机，同时根据接 收到的 PID 调整量调节输出的 PWM 波占空比，以达到调节温度的目的。系统中 的加热炉采用 Proteus 中的 OVEN ，其外观、工作状态及功能均接近于实际的加 热设备。由于所用计算机物理串口数量的限制，上位机和下位机之间借助虚拟串口 进行串行通信。LabVIEW 程序开发包括前面板设计和后面板程序框图的构建，前面板是由输入控件和显示控件编程实现，为用户提供一个人机交流的窗口，方便用户对程序的运行 进行监控。程序框图是以图形表示的 LabVIEW 程序源代码，是实现程序功能的核 心部分8。本系统即利用 LabVIEW 软件完成了远程温度控制系统监控界面的设计， 同时完成了系统所要求的 PID 控制算法、温度数据的采集及处理、仿真参数的设 置等功能的编程。系统监控界面的设计如图 2 所示，其中显示模块包括给定温度 曲线、实时温度曲线和 PID 输出曲线三部分。仿真时可明显观察到实时温度曲线 在 PID 调整量的控制下逐渐贴近给定温度曲线，实现了预期的效果。串口资源配 置模块和 PID 控制模块的设计如下：2.1 串口资源配置模块本模块主要完成串口资源的选择和串行通信参数的设置，是由 VISA 模块编程实现 的。 VISA 模块是 LabVIEW 的一个子模块，该模块一共有 8 个节点，可以对串口 的初始化、读写、中断以及关闭等功能进行编程。使用时，首先串口初始化，利用 VISA 配置串口节点设定与下位机相一致的一系列参数，以保证与下位机正确通信。 本系统设置如下：串口端口号为“COM3”，波特率为“57 600”，传输数据位 为“8”，停止位为“1”，奇偶校验位为“None”。其次进行串口读写 ，该功 能由“VISA Read”节点和“VISA Write”节点实现。最后关闭串口，停止所有 读写操作。2.2 PID 控制模块PID 控制器的原理是对系统被控对象的实时测量值与给定值之间的偏差进行比例、 积分和微分运算，最终得出对被控对象的控制量12。常规的 PID 控制系统的原 理如图 3 所示：PID 控制部分如虚线框内所示，其中， r(t)为被控对象的给定值， y(t)为实时控制 量， e(t)为 PID 控制部分的输入，三者关系为：e(t)=r(t)-y(t)u(t)为 PID 控制部分的输出，其线性表达式如下：式中包含了对 e(t)的比例(P)、积分(I)和微分(D)运算，比例系数 KP、积分时间常 数 TI 和微分时间常数 TD。实际工程控制中，需要合理调整、 KPTD 三个参数保证 系统的稳定性，以达到理想的控制效果11。美国国家仪器公司(简称 NI)提供了在 LabVIEW 中使用的 PID 控制工具包，使用时， 在“函数选板”上选择“控制与仿真”即可看到该工具包。系统即设计了一个简单 的 PID 控制模块来对实时温度值与给定温度值的差值进行 PID 控制运算，该控制 模块选用工具包内最基本的“ PID.vi”来搭建，其输出为对被控温度的 PID 调整量， 仿真时输出范围设置为-99,9911。实验中，为得到理想的仿真结果，需要对 LabVIEW 的仿真参数进行反复调试。系统实际仿真时，经过多次试探最终确定 PID 的系数为 0.5、 0.001、 0 ，温度给定值为 30。 C ，图 4 为 LabVIEW 程序框图。 3.1 硬件设计本系统的下位机 AT89C51 是由 Proteus 7.8 软件仿真设计而得，电路主要分为温 度控制模块、数据采集及转换模块和主控模块，硬件电路如图 5 所示。单片机的 晶振频率设置为 1.8432MHZ。3.1.1 温度控制模块如图 5 所示，本模块包括三极管、继电器和加热装置三部分。其中加热装置是利 用 Proteus 中的 U 形加热炉“OVEN”来模拟的，该器件两端加一定的电压便开 始加热，温度上升；电压反接时则开始制冷，温度下降。加热炉为红色时表示正在 加热，为绿色时表示正在制冷，工作状态比较直观。 T 端输出的是电压，温度越高， 电压就越高。电路实际仿真时，发现当“OVEN”两端正向电压接近零时即可使其 进入加热工作状态，所以实际连接时将“OVEN”左侧电源端接地。单片机的 P3.4 引脚输出的 PWM 波控制三极管工作状态， PWM 波高电平状态时三极管导 通，继电器线圈得电，使“OVEN”右侧电源端接地，开始加热。反之，当 PWM波为低电平状态时三极管截止，继电器线圈失电，使“OVEN”右侧电源端接 5V 电源，开始制冷。所以实际仿真时，需要根据环境温度调节 PWM 波占空比，从 而实现对加热炉加热和制冷工作时间的调整。仿真时，将“OVEN”的 T 端接到 ADC0808 的 IN0 脚，其输出的电压值经过 A/D 转换后送入单片机。实际的温度 测控系统中，温度采集部分和温度控制部分可以是相互独立的。该模块无论是外观 还是功能，都达到了实物调试的效果，能够很好地为实验教学和项目研发前期实验 提供技术支持。3.1.2 数据采集及转换模块本模块采用我们教学中经常采用的典型芯片 ADC0808 构成一个简单的温度采集系 统。 ADC0808 是 8 位 8 通道逐次逼近式的 A/D 转换器，是简化版的 ADC0809， 二者可互相替代。硬件仿真电路中的 A/D 转换器通常选用 Proteus 中的 ADC0808 芯片，而实际电路应用时则多采用 ADC0809 芯片。如图 5，IN0 通道 采集电压信号， P0 口低三位接 ADC0808 的地址输入端，用于确定采集模拟量的 输入通道，数字量输出端与单片机 P1 口连接。该模块还可以应用于其他传感器的 模拟量采集及转换，例如：湿度、压力、距离等。3.1.3 主控模块本模块以 AT89C51 为主控元件，实现对其他两个模块的控制。主要包括:根据上 位机的 PID 输出调节 PWM 波占空比实现对加热设备的控制、控制 A/D 转换器实 现数据的转换并对其产生的数字量进行数据处理，计算出实时的温度并上传给上位 机 LabVIEW。 Proteus 中的虚拟串口模型“COMPIM”能够将 TTL 电平转换为 RS-232 电平，因此单片机可以直接利用“COMPIM”模型与上位机实现串行通 信。仿真时，只需将单片机的 RXD 引脚和 TXD 引脚分别与“COMPIM”模型的 2 脚和 3 脚相连。利用该虚拟串口下位机可以将很多相关数据的运算交给上位机， 例如： PID 控制量的计算。实际仿真时，“COMPIM”串口设置如下：串口端口号为“COM3”、波特率为“57600”、传输数据位为“8”、停止位为“1”、 无奇偶校验位。3.2 软件设计本系统的下位机程序设计流程图如图 6 所示，单片机首先将初始温度与给定温度 信息传送给上位机，上位机 LabVIEW 根据实时温度与给定温度的差值进行 PID 控 制运算，求出输出的 PID 调整量，并将其传送给单片机。单片机根据接收到的 PID 调整量调节 PWM 波占空比，并将其输出控制加热炉工作，同时控制 ADC0808 对加热炉输出的温度进行 A/D 转换。 P1 口接收到的数字量温度值进行 运算后得到新的实时温度，再继续被传送给上位机。如此循环，最终实现对温度的 监测与控制。上位机 LabVIEW 和下位机 Proteus 之间是借助串口进行通信的。由于计算机只有 一个或者没有物理串口，本系统在仿真环境下通过虚拟串口实现了上下位机的数据 串行通信。虚拟串口的设计是通过虚拟软件 Virtual Serial Port Driver 6.9 实现的。 用户可以根据设计需要，利用该软件产生多对连接好的虚拟串口，使用时和真实串 口一样，只需将串口对分配给需要通信的上位机和下位机。双击虚拟串口软件，即 可显示虚拟串口的设计界面，如图 7。图中左侧浏览界面显示了所用计算机的物理串口 COM1 ，已连接好的虚拟串口对 (COM2,COM3)和(COM4,COM5)。 Manage ports 面板用于设计新的虚拟串口对， 如选择图中的 COM6 和 COM7 ，点击 Add pair ，则创建了新的虚拟串口，使用 前可以用串口助手软件检验二者是否连接成功。点击 Delete pair,即可删除已选中 的虚拟串口。本系统将 COM2 和 COM3 分配给 Proteus 和 LabVIEW ，然后将上 位机和下位机设置成相同的串口参数，即可实现本系统的串行通信。本文结合远程温度控制系统的设计实例，详细阐述了基于 LabVIEW 与 Proteus 的 测控仿真实验系统的设计过程。仿真结果表明，本设计可以直观地对温度进行监控，满足系统的设计要求，也可以将其应用于其他对象的监控。因此可以看出，将这两 种软件结合构建测控仿真实验系统，可以节省实验者大量花费在实验设备搭建上的 时间，克服了实验中硬件固定不能更改的局限性。在项目实际开发前期，利用该实 验系统对测控系统进行调试、测试和验证，能够得到和实际工程应用相接近的效果。【相关文献】1张丹，黄惟公. 基于 LabVIEW 与 Proteus 的教学测控系统设计J.上海计量测试， 2008(205) ： 14-16.2刘艳.基于 LabVIEW 和 Proteus 的单片机数据采集系统设计J.现代电子技术， 2013,36(9) ： 102-104.3王亮，陈静静.利用 Proteus 与 LabVIEW 仿真数据采集J. 山东轻工业学院学报， 2010 ，24(1) ： 69-72.4吴海峰，邓世建，李红. 基于 LabVIEW 和 Proteus 的单片机数据采集系统仿真J.矿山机械， 2008,36(24)： 18-21.5胡天水，陈其工，魏利胜，等. 基于 LabVIEW 温湿度监测系统的设计与仿真J.安徽工程大学学 报， 2014 ，29(2)： 57-59.6乔有田. 基于 LabVIEW 和 Proteus 的温度测控系统的设计J.扬州职业大学学报， 2010,14(3) ： 38-40.7邢鹏康，刘彦华. 基于 Proteus 和 LabVIEW 软件的温度采集系统的设计与仿真J.河北软件职业 技术学院学报， 2011,13(2) 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LabVIEW2010 基础教程M.北京：中国铁道出版社， 2012. 9徐爱钧.单片机原理与应用基于 Proteus 虚拟仿真技术M.北京：机械工业出版社， 2010. 10张力，林卫共. LabVIEW 及 Proteus 软件环境下单片机串行通讯的仿真方法J.电子测量技术， 2010,33(4) ：87-90.11周志欣，武丽. 基于 LabVIEW 和 Proteus 的直流电机调速系统仿真设计J.工业控制计算机， 2011,24(9)：41-43.12高静.基于 LabVIEW 图形化编程的 PID 控制算法J.软件导刊， 2012,11(4)： 51-53. 13李扬，谢晖，陈侃. 基于 LabVIEW 的 PID 控制系统设计与实现J.中国测试技术， 2008,34(3) ： 74-76.