基于LabVIEW的仿真系統的設計
0引言
隨著現代科學技術的進步，現在設備結構越來越復雜、智能化程度也越來越高、操作規程要求嚴格，對操作人員的水平要求很高。若結合實際裝備進行訓練則受到場地、經費和裝備自身維護保養情況的限制。而模擬訓練以安全、經濟、可控、可多次重復、無風險、不受氣候條件和場地空間的限制，因而設計一套適用于操作訓練的模擬仿真系統是十分必要的。但是由于許多設備的特定儀表，不容易購買，使用其他的儀表造成外形的誤差及功能差距，但是隨著美國國家儀器公司NI(NationalInstruments)提出的虛擬測量儀器(VI)概念，引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，徹底打破了傳統儀器只能由生產廠家定義,而用戶無法改變的局面[1]。LabVIEW是NI公司研制的圖形化編程軟件,是目前最為成功、應用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發環境[2]。LabVIEW是一個技術領先的圖形化編程語言和開發環境，應用范圍覆蓋了從產品設計到制造的整個開發過程，被譽為“工程師的語言”[3]。虛擬儀器系統總體上由硬件和軟件2個部分組成[4]。硬件部分由計算機、模塊化功能硬件組成,根據其模塊化功能硬件的不同,有多種構成方式。軟件部分是以儀器驅動、接口軟件和應用程序為基礎,控制實現數據采集、分析、處理、顯示等功能。我們可以自主的設計各種類型的虛擬儀表及顯示界面。實際的仿真系統中包括數據采集系統、數據傳輸協議、數據解析及數據顯示等部分。
1數據的采集
在實際的采集系統中，交流電流或電壓互感器的二次輸出信號一般都要經整流變為直流信號。采用二極管直接整流方式由于二極管的正向壓降會影響低端精度。所以在要求較高的場合采取有源整流方式。本文采用的有源整流方案電路圖如圖1所示。R1為取樣電阻根據互感器技術指標選取。二級管型號為IN4148，IC為LM324工作電源為±5V，P1、P2接口接互感器。
圖1有源整流電路圖
本系統的交流電壓互感器使用北京耀華德昌電子有限公司的TV16E型環氧灌封精密電壓互感器;交流電流互感器使用北京耀華德昌電子有限公司的TA3523FT型環氧灌封四量程電流互感器;直流電流互感器采集使用成都晶峰電子有限公司生產的JT0.01T19型電流互感器。
2數據的傳輸與解析
互感器采集的數據經采集板變成0~5V的直流信號，然后經過控制采集板，該電路板高精度的A/D轉換芯片可以實現模擬信號到數字信號的轉換，數字信號進入到高精度AVR單片機中進行數據處理，通過可靠的UART串口通信方式將數據實時的傳送到上位機，然后產生一系列字符串。通過不斷讀取采集板采集到的數據，然后數據通過網卡實現與LabVIEW的通信。
由于UDP協議的傳輸數據前源端和終端不需要建立連接，因而不需要維護連接狀態，包括收發狀態，所以一臺服務器可同時向多個客戶機傳輸相同的消息。盡管UDP傳輸性能不可靠，但在數據傳輸的實時性和準確性要求不是很嚴格的場合下，UDP是廣播信息的一個理想協議[5]。本系統要求整體能實時顯示，UDP完全可以完全滿足使用。
由于本系統使用的是顯示，采用的是使用UDP協議接收數據程序，如圖2主要包括打開UDP、讀取UDP數據和關閉UDP三部分。
圖2UDP協議接收數據程序
在接收數據前首先打開一個UDP端口，將端口(指定本地主機要創建UDP套接字連接的端口)設置為6350，網絡地址，連接ID不用設置，應用一個while循環實現數據接收。UDPRead是接收數據的核心函數，最大值設置為400，超時等待時間為1毫秒。關閉UDP的端口依次與讀取UDP數據中的端口相連。
通過UDP協議將數據傳輸到LabVIEW中，通過編寫的解析程序，如圖3所示，將接收到的字符串解析成各個虛擬儀表需要顯示的數據，然后通過虛擬儀表顯示出來。
圖3數據解析程序
3數據的顯示
由于選擇的儀器的特殊形狀與特殊性能，沒有現成的虛擬儀表，仿真時需要自己制作。
3.1虛擬儀表的制作
選擇要用的儀表的照片，用Photoshop畫出來。打開LabVIEW，然后點擊“編輯”至“導如圖片至剪切板”中，然后ctrl+v復制到LabVIEW前面板，如圖4(a)所示;在數值控件中，選擇“量表”，然后將量程選擇到合適的位置，如圖4(b)所示;點擊右鍵到“標尺”選擇“樣式”中空白的那一個，然后再打開工具選板，將表盤及表框顏色改為透明色，將指針改變成需要的顏色(黑色)如圖4(c)所示;將量表與指針結合，將圖片移動至前面，然后將三者鎖定在一起。這樣一個合適的虛擬儀表界面就做出來了如圖4(d)所示。其余的儀表依照此總做法。
圖4虛擬儀表的制作過程
從圖4(a)中發現，表盤的讀數不是線性的，要構建面板的數學模型，實踐表明采用分段函數進行表示是一種方便、簡潔、高效的方法，圖4中電流表在程序框圖中的部分程序如圖5所示。
圖5非線性儀表的部分程序
以此我們可以運用數學運算給出表盤的函數表達式，然后運用條件語句分段(部分)表示出來。這樣我們可以準確、形象的驅動指針的動作。
3.2、顯示界面的實現與顯示
將所有制做的虛擬儀表組合到一個前面板上，將UDP協議數據接收程序、儀表程序、數據解析程序等整合到一個程序框圖中。數據經過數據采集板采集變換、工控機控制采集、UART串口通信方式將數據實時的傳送到上位機，然后產生一系列字符串進入程序，運行程序后的情況如圖6所示。
圖6電源車仿真設備的運行顯示界面
結束語
本系統應用于某半實物電源車仿真系統中，外觀上美觀大方、與原機器適配;運行中系統穩定、數據丟包少、顯示準確。為應用LabVIEW做顯示界面提供參考。
