02-基于虚拟仪器技术的小车测控系统

基于虚拟仪器技术的小车测控系统一、应用背景作为虚拟仪器软件开发平台，Labview在数据采集、显示、信号处理和数据传输等方面具有强大的功能。鉴于目前很多的自动化仪表都是采用模拟仪表盘进行显示，数据的采集、处理过程都要通过复杂的电路实现；整个采集和显示系统价格很高。比如汽车上的速度、里程、油量仪表盘。因此，可以考虑采用现在的虚拟仪器技术来实现这种需要。虚拟仪器技术的出现是测控领域的一个巨大变革。虚拟仪器突破了传统仪器的物理结构和功能的限制，其强大的软件功能使得用户能够根据测试任务的需要随心所欲的组建自己的仪器或系统，或进行仪器的功能扩充、升级。在无需改变电路硬件的情况下，只需应用模块化的软件重新搭配，便可构建具有新的功能的新的虚拟仪器。本课题的研究对象是一个遥控小车，要开发一个测控系统，其中包括一个虚拟仪器：它除了具有常用测试显示功能外，而且还具有控制功能，即通过对仪器的操作来达到对小车的控制。二、结构和测控原理的概述2.1小车结构小车为一个普通四轮遥控玩具小车，遥控器上有一个控制芯片（统一称为控制器），小车车体上也有一个作为接收信号并驱动小车的芯片（姑且把它叫做接收器）。遥控器上有两个扳手，可以动作四个开关，这四个开关分别用来控制小车的左转、右转、前进、后腿。遥控小车的动作是这样完成的：当操作遥控器的扳手分别闭合其中各个开关时，遥控器芯片上晶体管振荡器以不同的频率振荡，共产生四种不同频率的电磁波并通过天线发射出去;而小车的接收器根据接收到频率的不同，接收电路通过其中的控制芯片选通不同电路，从而接通两个电机进行正转或反转;其中一个电机控制前后转，另一个控制左右方向。小车的动力供应是由电池提供，控制器右单节9v电池供电，接收器端由6节1.5v五号电池串联供电。另外，控制器上还有一个控制启用的总开关。2.2测控原理本测控系统分为两大部份：小车速度采集部分和小车控制部分。速度采集部分，是将小车车轮速度信号通过转速传感器采集后，经一个连接器接入插在计算机主机箱扩展槽内的DAQ（数据采集卡）板卡，由计算机软件对数据进行分析处理和显示。小车控制部分：由可分为速度控制和方向控制，基本思想是，对于这样一个采用发射和接收电磁波来进行控制的系统，考虑到可以不改变原有遥控中波的类型，因而也可以不改变原装置中产生、发射和接收此种波的电路，这样原有控制芯片和接收器芯片都可以得到利用。控制的实现是通过在Labview平台上开发的虚拟仪器来进行的。在速度控制方面：由计算机程序控制输出一个合适的电压信号，经过电流放大，然后将它接入接收器的电源输入位置，代替原来小车的电池电源。在不超过接收器芯片的额定电流电压的情况下，在程序中改变输出的电压就可实现小车转速的改变。在放大电路确定不变的情况下，计算机的输出电压与小车的转速存在某种对应关系。根据这种对应关系，我们就可以通过控制输出的电流的大小来达到控制转速的目的。在方向控制方面，由计算机程序输出一种开关量来控制继电器的开闭，继电器动作就代替了原来需要手动来操作扳手进行开闭开关的动作，继电器闭合后，控制器的芯片相应电路的开关打开，电路导通，这样就可发射相应的电磁波对接收器进行控制，接收器接到相应的信号进行相应的方向动作，这样就实现了通过计算机上的虚拟仪器进行方向控制的要求。三、测控系统的设计基于原有芯片基础上的测控系统在结构上分为硬件设计和软件设计两部分。3.1硬件设计硬件部分的连接示意图如图1所示。前面已提到，本课题的研究对象是小车，结构上分为速度采集过程和控制过程，而后者又分为速度控制和方向控制。图1中计算机是控制中心和数据采集站。在进行速度控制时，计算机程序发出一指令，输出一个大小适当的模拟电压信号，经过放大电路将其电流放大后，输送到小车的接收器电源输入端，作为电源；此时打开控制器，即可控制车轮进行前后转，在不超过小车接收器的额定电压和电流的条件下，通过程序调节输出电流的大小，可以改变小车的转速。在进行方向控制时，计算机程序在通过DAQ板卡的数字输出端口，可输出几个线的开关量（在这里总共5线，可同时输出3线），其中一个线用于控制开闭控制器上总开关的继电器，其他几线分别用于开闭控制方向的继电器。此时，只要在计算机中的虚拟仪器控制面板中打开总开关控制键，再操作其他几个方向控制键，即可进行方向控制。需要再说明一点的事，对小车的前后转控制实际上是和小车的速度控制相结合进行的。因为小车要进行前转或后转时，计算机必须输出一个电压让小车以一定速度转动。相应的，图1中的继电器组是由五个继电器组成，分别由上述的5线开关量控制，由每个继电器开闭来导通控制器上相应的电路，使控制器进行不同的工作。图1硬件部分的连接示意图图1中的传感器采用的为霍尔传感器。由于这种传感器灵敏度高，不易受工作条件的限制，故而采用它。安装传感器时，先在小车车棚上固定了一个支架，传感器固定在支架上并伸进到车轮轮毂内凹处，轮芯上环轮毂的一个圆周上均布了4个磁钢，当车轮旋转时，传感器上的探头经过每个磁钢的磁场时，由于霍尔效应，传感器内产生并输出一个电脉冲。这种信号通过连接器输入到DAQ板卡，在由虚拟仪器处理后即可得到频率，再换算一下即可得到转速。图1中的变压器将220VAC转化为15VDC，9VDC和5VDC三路电压，分别给放大电路的集电极、控制器芯片和霍尔传感器提供电源。放大电路作用是将从计算机输出的电压信号进行电流放大后，给小车接收器提供驱动电源。放大电路采用单管共集放大电路，晶体管采用能承受Ic电流较大的D313型晶体管，并给它加装散热器。在本课题中，放大电路、变压器电路、继电器组被集成在一个电路板中，由于原有的控制芯片仍可利用，故可将它与新电路板并在一起共同封装在一个自制放大电路变压器原有控制芯片继电器组(5个）小车传感器计算机DAQDAQ5V9V15V的控制盒中。控制盒上装有220VAC电源插座，各路输入输出的线路的接线插座。采集和控制过程都要通过此控制盒来进行。控制盒中电路图如下图（图２）所示：图2控制盒中电路图3.2软件设计软件开发使用的是美国国家仪器公司（NI公司）的Labview。这是一个基于图形开发、调试和运行程序的虚拟仪器开发平台。与硬件结构相对应，软件系统在结构上也分为三个模块：即速度采集模块、速度控制模块和方向控制模块。下图（图3）是这个虚拟仪器的总控制面板。该面板上部中央有一个速度控制旋钮，用于调节输出电压。左边有一个速度表盘，这是用来显示根据速度与电压对应关系理论上应该得到输出转速值。速度表盘下边是一个示波器，用于显示实际输出的电压随时间的变化情况。右边还有两个数字显示框，用于以数字的形式分别显示改变后的输出电压和理论输出速度。面板右下部有一个开关盒，其内部有5个开关，是用来开闭前面提到的5个继电器的。遥控开关控制的是控制器芯片上的总开关，其他四个为方向控制键。面板右下角是一个速度采集的控制按钮，在程序运行时按下此按钮，会弹出速度采集的面板，并且速度采集程序正处于运行状态。图4是速度采集的面板，通过采集可以获得真实的车轮转速。图中的车轮转速采用了三种方式来显示。图中可以显示采集的方波的频率，并增加了一个超速报警的装置。图3虚拟仪器的总控制面板图图4速度采集的面板图图5是对应于图3面板的程序框图的一部分。这里要解决一个问题，就是输出电压时，当给定电压突然改变时，不会导致输出电压产生一个巨大的冲击，而是有渐变的过程。在框图程序中，采用了一个改进的PID算法。这种算法是采用一前置滤波器对给定值W进行修改，使进入控制算法的给定值U不变，而是有一定惯性延迟的缓变量，其数字化算法可表示为:Ui=a×Ui-1+(1-a)×W其中：a=exp(-t/TF),TF为滤波器的时间常数。图5对应于图3面板的部分程序框图在图3的面板上有设定时间常数的控件，还有电压变化前后电压的数字显示控件。此外，程序框图中还解决了如何控制小车的速度到目标值的问题。本课题研究对象采用的是一个玩具小车，由于小车内部机械构造的问题，在恒定的电源驱动下，转速波动也较大，所以对小车宜采用开环控制。在放大电路确定，其他条件都不变的情况下，改变程序的输出电压，再测出相应的转速值，从获得的多组数据中拟合出电压与转速的关系曲线。当要获得所要的转速值时，根据这种函数关系，可以知道应该给小车加多大的电压。四、实验结果通过由Labview开发的虚拟仪器，能够很方便的采集、处理信号数据并显示。与杭州高联传感器公司生产的实验平台上的专用数显表（可显示频率、转速、典压）相比较，虚拟仪器在数据的处理和显示方面更快捷实时，而且更准确。这是说明虚拟仪器技术促进了测试技术发展的又一个事实。Labview图形化语言编程使得基于其上的虚拟仪器具有开发简单直观、界面逼真易学易用、硬件支持结构开放、分析方法功能强大的特点，它是检测仪器发展的一个趋势。本测控系统，是由虚拟仪器进行控制，实验中能够完成所要求的控制功能。转速控制过程中，实际的转速与控制所要求的转速基本一致；在方向控制中，控制的效果也特别好。这说明由虚拟仪器平台，不仅可以开发出在测试方面具备强大功能的虚拟仪器，而且可以开发出在控制方面也具有很强功能的虚拟仪器。相信随着虚拟仪器技术的提高，以及开发程序人员水平的提高，虚拟仪器在测试和控制方面都会有更加广泛的应用。参考文献1.谢剑英.微型机算机控制技术(第二版).国防工业出版社1991.42.丁镇生.传感器即传感技术应用.电子工业出版社1998.83.李刚,林凌.LabVIEW—易学易用的计算机图形化编程语言.北京航天航空大学出版社.2001.104.童诗白.模拟电子技术基础.高等教育出版社.1988.5