1、基于虛擬儀儀器技術(shù)的的小車測控控系統(tǒng)一、應(yīng)用背背景作為虛擬儀儀器軟件開開發(fā)平臺，LLabviiew在數(shù)數(shù)據(jù)采集、顯示、信信號處理和和數(shù)據(jù)傳輸輸?shù)确矫婢呔哂袕姶蟮牡墓δ?。鑒鑒于目前很很多的自動動化儀表都都是采用模模擬儀表盤盤進行顯示示，數(shù)據(jù)的的采集、處處理過程都都要通過復(fù)復(fù)雜的電路路實現(xiàn)；整整個采集和和顯示系統(tǒng)統(tǒng)價格很高高。比如汽汽車上的速速度、里程程、油量儀儀表盤。因因此，可以以考慮采用用現(xiàn)在的虛虛擬儀器技技術(shù)來實現(xiàn)現(xiàn)這種需要要。虛擬儀器技技術(shù)的出現(xiàn)現(xiàn)是測控領(lǐng)領(lǐng)域的一個個巨大變革革。虛擬儀儀器突破了了傳統(tǒng)儀器器的物理結(jié)結(jié)構(gòu)和功能能的限制，其其強大的軟軟件功能使使得用戶能能夠根據(jù)測測試任務(wù)的的需

2、要隨心心所欲的組組建自己的的儀器或系系統(tǒng)，或進進行儀器的的功能擴充充、升級。在無需改改變電路硬硬件的情況況下，只需需應(yīng)用模塊塊化的軟件件重新搭配配，便可構(gòu)構(gòu)建具有新新的功能的的新的虛擬擬儀器。本課題的研研究對象是是一個遙控控小車，要要開發(fā)一個個測控系統(tǒng)統(tǒng)，其中包包括一個虛虛擬儀器：它除了具具有常用測測試顯示功功能外，而而且還具有有控制功能能，即通過過對儀器的的操作來達達到對小車車的控制。二、結(jié)構(gòu)和和測控原理理的概述2.1 小小車結(jié)構(gòu)小車為一個個普通四輪輪遙控玩具具小車，遙遙控器上有有一個控制制芯片（統(tǒng)統(tǒng)一稱為控控制器），小小車車體上上也有一個個作為接收收信號并驅(qū)驅(qū)動小車的的芯片（姑姑且把它叫叫

3、做接收器器）。遙控控器上有兩兩個扳手，可可以動作四四個開關(guān)，這這四個開關(guān)關(guān)分別用來來控制小車車的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前前進、后腿腿。遙控小小車的動作作是這樣完完成的：當(dāng)當(dāng)操作遙控控器的扳手手分別閉合合其中各個個開關(guān)時，遙遙控器芯片片上晶體管管振蕩器以以不同的頻頻率振蕩，共共產(chǎn)生四種種不同頻率率的電磁波波并通過天天線發(fā)射出出去;而小小車的接收收器根據(jù)接接收到頻率率的不同，接接收電路通通過其中的的控制芯片片選通不同同電路，從從而接通兩兩個電機進進行正轉(zhuǎn)或或反轉(zhuǎn);其其中一個電電機控制前前后轉(zhuǎn)，另另一個控制制左右方向向。小車的的動力供應(yīng)應(yīng)是由電池池提供，控控制器右單單節(jié)9v電電池供電，接接收器端由由6節(jié)1.5

4、v五號號電池串聯(lián)聯(lián)供電。另另外，控制制器上還有有一個控制制啟用的總總開關(guān)。2.2 測控原理理本測控系統(tǒng)統(tǒng)分為兩大大部份：小小車速度采采集部分和和小車控制制部分。速速度采集部部分，是將將小車車輪輪速度信號號通過轉(zhuǎn)速速傳感器采采集后，經(jīng)經(jīng)一個連接接器接入插插在計算機機主機箱擴擴展槽內(nèi)的的DAQ（數(shù)數(shù)據(jù)采集卡卡）板卡 ，由計算算機軟件對對數(shù)據(jù)進行行分析處理理和顯示。小車控制部部分：由可可分為速度度控制和方方向控制，基基本思想是是，對于這這樣一個采采用發(fā)射和和接收電磁磁波來進行行控制的系系統(tǒng)，考慮慮到可以不不改變原有有遙控中波波的類型，因因而也可以以不改變原原裝置中產(chǎn)產(chǎn)生、發(fā)射射和接收此此種波的電電路

5、，這樣樣原有控制制芯片和接接收器芯片片都可以得得到利用?？刂频膶崒崿F(xiàn)是通過過在Labbvieww平臺上開開發(fā)的虛擬擬儀器來進進行的。在在速度控制制方面：由由計算機程程序控制輸輸出一個合合適的電壓壓信號，經(jīng)經(jīng)過電流放放大，然后后將它接入入接收器的的電源輸入入位置，代代替原來小小車的電池池電源。在在不超過接接收器芯片片的額定電電流電壓的的情況下，在在程序中改改變輸出的的電壓就可可實現(xiàn)小車車轉(zhuǎn)速的改改變。在放放大電路確確定不變的的情況下，計計算機的輸輸出電壓與與小車的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速存在某某種對應(yīng)關(guān)關(guān)系。根據(jù)據(jù)這種對應(yīng)應(yīng)關(guān)系，我我們就可以以通過控制制輸出的電電流的大小小來達到控控制轉(zhuǎn)速的的目的。在在方向控制制

6、方面，由由計算機程程序輸出一一種開關(guān)量量來控制繼繼電器的開開閉，繼電電器動作就就代替了原原來需要手手動來操作作扳手進行行開閉開關(guān)關(guān)的動作，繼繼電器閉合合后，控制制器的芯片片相應(yīng)電路路的開關(guān)打打開，電路路導(dǎo)通，這這樣就可發(fā)發(fā)射相應(yīng)的的電磁波對對接收器進進行控制，接接收器接到到相應(yīng)的信信號進行相相應(yīng)的方向向動作，這這樣就實現(xiàn)現(xiàn)了通過計計算機上的的虛擬儀器器進行方向向控制的要要求。三、測控系系統(tǒng)的設(shè)計計基于原有芯芯片基礎(chǔ)上上的測控系系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)構(gòu)上分為硬硬件設(shè)計和和軟件設(shè)計計兩部分。3.1 硬硬件設(shè)計硬件部分的的連接示意意圖如圖11所示。前前面已提到到，本課題題的研究對對象是小車車，結(jié)構(gòu)上上分為速度度

7、采集過程程和控制過過程，而后后者又分為為速度控制制和方向控控制。圖1中計算算機是控制制中心和數(shù)數(shù)據(jù)采集站站。在進行行速度控制制時，計算算機程序發(fā)發(fā)出一指令令，輸出一一個大小適適當(dāng)?shù)哪M擬電壓信號號，經(jīng)過放放大電路將將其電流放放大后，輸輸送到小車車的接收器器電源輸入入端，作為為電源；此此時打開控控制器，即即可控制車車輪進行前前后轉(zhuǎn)，在在不超過小小車接收器器的額定電電壓和電流流的條件下下，通過程程序調(diào)節(jié)輸輸出電流的的大小，可可以改變小小車的轉(zhuǎn)速速。在進行行方向控制制時，計算算機程序在在通過DAAQ板卡的的數(shù)字輸出出端口，可可輸出幾個個線的開關(guān)關(guān)量（在這這里總共55線，可同同時輸出33線），其其中一

8、個線線用于控制制開閉控制制器上總開開關(guān)的繼電電器，其他他幾線分別別用于開閉閉控制方向向的繼電器器。此時，只只要在計算算機中的虛虛擬儀器控控制面板中中打開總開開關(guān)控制鍵鍵，再操作作其他幾個個方向控制制鍵，即可可進行方向向控制。需需要再說明明一點的事事，對小車車的前后轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)控制實際際上是和小小車的速度度控制相結(jié)結(jié)合進行的的。因為小小車要進行行前轉(zhuǎn)或后后轉(zhuǎn)時，計計算機必須須輸出一個個電壓讓小小車以一定定速度轉(zhuǎn)動動。相應(yīng)的的，圖1中中的繼電器器組是由五五個繼電器器組成，分分別由上述述的5線開開關(guān)量控制制，由每個個繼電器開開閉來導(dǎo)通通控制器上上相應(yīng)的電電路，使控控制器進行行不同的工工作。放大電路變壓器原有

9、控制芯片繼電器組(5個）小車傳感器計算機DAQDAQ5V9V15V圖1 硬硬件部分的的連接示意意圖圖1中的傳傳感器采用用的為霍爾爾傳感器。由于這種種傳感器靈靈敏度高，不不易受工作作條件的限限制，故而而采用它。安裝傳感感器時，先先在小車車車棚上固定定了一個支支架，傳感感器固定在在支架上并并伸進到車車輪輪轂內(nèi)內(nèi)凹處，輪輪芯上環(huán)輪輪轂的一個個圓周上均均布了4個個磁鋼，當(dāng)當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時，傳感感器上的探探頭經(jīng)過每每個磁鋼的的磁場時，由由于霍爾效效應(yīng)，傳感感器內(nèi)產(chǎn)生生并輸出一一個電脈沖沖。這種信信號通過連連接器輸入入到DAQQ板卡，在在由虛擬儀儀器處理后后即可得到到頻率，再再換算一下下即可得到到轉(zhuǎn)速。圖1

10、中的變變壓器將2220VAAC轉(zhuǎn)化為為15VDDC，9VVDC和55VDC三三路電壓，分分別給放大大電路的集集電極、控控制器芯片片和霍爾傳傳感器提供供電源。放大電路作作用是將從從計算機輸輸出的電壓壓信號進行行電流放大大后，給小小車接收器器提供驅(qū)動動電源。放放大電路采采用單管共共集放大電電路，晶體體管采用能能承受Ic電流較大的的D3133型晶體管管，并給它它加裝散熱熱器。在本課題中中，放大電電路、變壓壓器電路、繼電器組組被集成在在一個電路路板中，由由于原有的的控制芯片片仍可利用用，故可將將它與新電電路板并在在一起共同同封裝在一一個自制的的控制盒中中?？刂坪泻猩涎b有2220VAAC電源插插座，各路

11、路輸入輸出出的線路的的接線插座座。采集和和控制過程程都要通過過此控制盒盒來進行。控制盒中中電路圖如如下圖（圖圖）所示示：圖2 控控制盒中電電路圖3.2 軟軟件設(shè)計軟件開發(fā)使使用的是美美國國家儀儀器公司（NNI公司）的的Labviiew。這這是一個基基于圖形開開發(fā)、調(diào)試試和運行程程序的虛擬擬儀器開發(fā)發(fā)平臺。與與硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)相對應(yīng)，軟軟件系統(tǒng)在在結(jié)構(gòu)上也也分為三個個模塊：即即速度采集集模塊、速速度控制模模塊和方向向控制模塊塊。下圖（圖圖3）是這這個虛擬儀儀器的總控控制面板。該面板上上部中央有有一個速度度控制旋鈕鈕，用于調(diào)調(diào)節(jié)輸出電電壓。左邊邊有一個速速度表盤，這這是用來顯顯示根據(jù)速速度與電壓壓對應(yīng)關(guān)

12、系系理論上應(yīng)應(yīng)該得到輸輸出轉(zhuǎn)速值值。速度表表盤下邊是是一個示波波器，用于于顯示實際際輸出的電電壓隨時間間的變化情情況。右邊邊還有兩個個數(shù)字顯示示框，用于于以數(shù)字的的形式分別別顯示改變變后的輸出出電壓和理理論輸出速速度。面板板右下部有有一個開關(guān)關(guān)盒，其內(nèi)內(nèi)部有5個個開關(guān)，是是用來開閉閉前面提到到的5個繼繼電器的。遙控開關(guān)關(guān)控制的是是控制器芯芯片上的總總開關(guān)，其其他四個為為方向控制制鍵。面板板右下角是是一個速度度采集的控控制按鈕，在在程序運行行時按下此此按鈕，會會彈出速度度采集的面面板，并且且速度采集集程序正處處于運行狀狀態(tài)。圖4是速度度采集的面面板，通過過采集可以以獲得真實實的車輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。圖中中

13、的車輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速采用了了三種方式式來顯示。圖中可以以顯示采集集的方波的的頻率，并并增加了一一個超速報報警的裝置置。圖3 虛擬擬儀器的總總控制面板板圖圖4 速速度采集的的面板圖圖5是對應(yīng)應(yīng)于圖3 面板的程程序框圖的的一部分。這里要解解決一個問問題，就是是輸出電壓壓時，當(dāng)給給定電壓突突然改變時時，不會導(dǎo)導(dǎo)致輸出電電壓產(chǎn)生一一個巨大的的沖擊，而而是有漸變變的過程。在框圖程程序中，采采用了一個個改進的PPID算法法。這種算算法是采用用一前置濾濾波器對給給定值W進進行修改，使使進入控制制算法的給給定值U不不變，而是是有一定慣慣性延遲的的緩變量，其其數(shù)字化算算法可表示示為: Ui=aUi-1+(1-a)W其中

14、：a=exp(-t/TTF) , TF為濾波器器的時間常常數(shù)。圖5 對應(yīng)應(yīng)于圖3 面板的部部分程序框框圖在圖3的面面板上有設(shè)設(shè)定時間常常數(shù)的控件件，還有電電壓變化前前后電壓的的數(shù)字顯示示控件。此外，程序序框圖中還還解決了如如何控制小小車的速度度到目標(biāo)值值的問題。本課題研研究對象采采用的是一一個玩具小小車，由于于小車內(nèi)部部機械構(gòu)造造的問題，在在恒定的電電源驅(qū)動下下，轉(zhuǎn)速波波動也較大大，所以對對小車宜采采用開環(huán)控控制。在放放大電路確確定，其他他條件都不不變的情況況下，改變變程序的輸輸出電壓，再再測出相應(yīng)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值值，從獲得得的多組數(shù)數(shù)據(jù)中擬合合出電壓與與轉(zhuǎn)速的關(guān)關(guān)系曲線。當(dāng)要獲得得所要的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速值時

15、，根根據(jù)這種函函數(shù)關(guān)系，可可以知道應(yīng)應(yīng)該給小車車加多大的的電壓。四、實驗結(jié)結(jié)果通過由Laabvieew開發(fā)的的虛擬儀器器，能夠很很方便的采采集、處理理信號數(shù)據(jù)據(jù)并顯示。與杭州高高聯(lián)傳感器器公司生產(chǎn)產(chǎn)的實驗平平臺上的專專用數(shù)顯表表（可顯示示頻率、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、典壓壓）相比較較，虛擬儀儀器在數(shù)據(jù)據(jù)的處理和和顯示方面面更快捷實實時，而且且更準(zhǔn)確。這是說明明虛擬儀器器技術(shù)促進進了測試技技術(shù)發(fā)展的的又一個事事實。Laabvieew圖形化化語言編程程使得基于于其上的虛虛擬儀器具具有開發(fā)簡簡單直觀、界面逼真真易學(xué)易用用、硬件支支持結(jié)構(gòu)開開放、分析析方法功能能強大的特特點，它是是檢測儀器器發(fā)展的一一個趨勢。本測控系統(tǒng)統(tǒng)，是由虛虛擬儀器進進行控制，實實驗中能夠夠完成所要要求的控制制功能。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速控制過過程中，實實際的轉(zhuǎn)速速與控制所所要求的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速基本一一致；在方方向控制中中，控制的的效果也特特別好。這這說明由虛虛擬儀器平平臺，不僅僅可以開發(fā)發(fā)出在測試試方面具備備強大功能能的虛擬儀儀器，而且且可以開發(fā)發(fā)出在控制制方面也具具有很強功功能的虛擬擬儀器。相信隨著虛虛擬儀器技技術(shù)