基于LabVIEW 的电机实验自助平台设计

2015-12-23许丽川宋翔宇唐凯飞梁永春白连生丛培强李逢春

实验室研究与探索 2015年9期

许丽川，宋翔宇，唐凯飞，梁永春，白连生，丛培强，李逢春

(电子科技大学机械电子工程学院，四川成都611731)

0 引言

随着计算机技术和网络技术的迅速发展，各类信息化手段，诸如实验项目信息化、实验预约系统、实验教学辅助系统、开放式实验预习系统、演示的实验系统、虚拟实验项目以及远程实验系统等在高校实验教学中得到广泛和多样的应用［1］。东南大学通过实验教学信息资源与管理平台建设，创建并推广了计算机TA 教学模式，推进了实验教学过程的网络管理［2］。

实验项目的信息化是对传统常规实验手段的重大创新，主要表现为两种取向:数字化和虚拟化［3］。

虚拟实验系统是利用虚拟技术，为师生提供一个和计算机进行交互操作的环境来模拟实际的实验操作。湘南学院设计了计算机组成原理虚拟实验系统，实现了实验电路的仿真运行，支持自主电路设计，应用于实验教学，有良好的教学效果［4］。四川大学电气信息学院研究了基于LabVIEW 和Matlab 的虚拟实验室，实现了软件仿真及虚拟实验室的Web 发布［5］。湖南农业大学信息科学技术学院在《信号与系统》实验教学改革中，设计开发了虚拟实验系统，使学生可以方便地更改实验参数、设计实验步骤、创设实验情境进行“研究式”和“协作式”的学习［6］。华东师范大学设计和开发了“温度传感器特性的研究”虚拟实验项目，并应用于大学物理实验教学［7］。

数字实验系统是由传感器、数据采集设备、计算机系统及配套软件构成的，有助于实验结果的数字化和精确化测量与显示。国内常见的数字化实验系统有基于LabVIEW 和声卡数据采集的中学物理实验仪器系统、江苏艾迪生数字实验室和朗威数字化实验系统等［3］。其中，随着虚拟仪器技术的发展，LabVIEW 在实验或实践教学中的应用也逐渐广泛和多样。

LabVIEW 软件是一个高效的图形化设计软件，它具有强大地硬件驱动和图形显示能力、完备的高级数学分析库、便捷快速的程序设计过程，为实验室研究和自动化应用提供了一个直接高效的设计环境。

LabVIEW 集成化的环境与现实世界的信号相连，进行数据分析，获取实用信息，极大地提高了数据采集与控制系统的效率［8-9］。四川大学的罗建、雷勇等设计了一款基于多功能数据采集卡的数据采集系统，实现了对64 路重载列车制动试验的实时检测及处理［10］。洛阳工业高等专科学校火长跃、付春仙等人利用虚拟仪器技术对液位实时控制系统进行了仿真设计，系统具有软硬件开放，兼容性好等特点［11］。武汉大学自动化系谢建军、薛平贞设计了一种基于NIDAQ 板卡和LabVIEW 软件的液位控制系统，为先进的控制算法研究和实际应用提供了非常好的试验平台［12］。

LabVIEW 软件既能与NI 模块化的硬件相结合，又能与各种工业处理器，例如单片机、PLC、智能调节仪等，进行实时通信，因此可以应用在许多不同种类的实验项目中。LabVIEW 编程既能方便地进行实验数据的处理，也能对实验信息进行存储、提取和显示，因此，基于LabVIEW 设计的实验平台在实验系统信息化中有很好的扩展性。

电机实验是理工科院校广泛开设的基础性实验，将其纳入自助实验平台，可以简化实验过程，大大缩短实验时间，提高实验的效果。

1 基于LabVIEW 的自助实验平台结构

自助实验平台主要包括三个模块:开始模块、实验模块和报告生成模块，其总体结构如图1 所示。

图1 自助实验平台总体结构图

开始模块主要包括主程序模块、登陆模块和仿真实验模型。其功能包括:在实验前进行必要的初始化工作，如登录填写个人信息、选择端口号等;在离线条件下，可以起动仿真模型，进行仿真实验。其中，仿真模型需要根据不同的实验项目进行设计，由于程序采用模块化结构，因此可以方便地链接不同的仿真模型。主程序模块设置了进入具体实验项目的入口，采用了一个事件结构［13］处理按键产生的事件和超时事件。

实验模块是系统的核心部分，主要包括实验内容模块和一些通用的功能模块。实验内容模块根据不同的实验项目进行设计，如水箱液位测量和控制实验、电机特性实验等。对于验证性实验，可以设计好这部分，实验者直接运行程序、观察现象、记录数据即可;对于综合性或设计性实验，实验者可以自行设计界面、算法等内容。通用功能模块实现实验过程中的“运行”、“暂停”、“数据保存”、“数据回放”、“退出”等功能。实验模块使用了标准状态机［14］和事件状态机结合的方法，将事件和动作分离，由事件结构和CASE 结构分别处理。

报告生成模块的主要功能是从文件中选择需要的数据完成实验报告数据和图表的填写，实验者需要自行补充填写实验分析结论和实验心得体会。

为保证实验有序地进行，程序规定了各模块的调用方向和数据传送方向，如图1 中箭头所示。线型箭头代表程序引用方向，只有箭头首端的程序才能引用箭头末端的数据;方框型的箭头代表了数据的传递方向，双向箭头表示数据发生了双向传递;在仿真模型和实验模块中，使用了虚线的数据箭头，表示这些数据可能发生(离线仿真演示运行)也可能不发生(在线运行)。

2 电机实验监测平台设计

电机实验监测平台既可以处在整个平台的“实验模块”中，在运行自助平台时，就可以实现电机实验的自助进行;也可以单独运行，实现用户在友好的界面下通过点击鼠标即能完成实验并生成实验报告的自助功能。电机实验主要包括:直流电机实验、交流电机实验和变压器实验，需要根据实验要求来完成平台设计。

2.1 实验平台逻辑结构设计

实验平台逻辑结构设计为横向逻辑结构与纵向逻辑结构。横向逻辑结构定义了平台的广度，设计了电机实验的类型的划分及实验类型的扩展;纵向逻辑结构定义平台的深度，设计了每一个实验的功能模块及其性能扩展。

2.1.1 横向逻辑结构

实验平台的横向逻辑划分如图2(a)所示。其中，一级划分条件为电源类型，二级划分条件为实验类型。采用层进式条件逻辑编程实现，当需要扩展实验类型时，只需从上至下按照逻辑结构找到该实验应处于的位置，增加一种条件即可。

图2 实验平台逻辑结构

2.1.2 纵向逻辑结构

实验平台纵向逻辑划分如图2(b)所示。每个实验都需要波形显示、数据采集、数据处理、生成实验报告等功能模块，因此，可以采用模块化编程方式实现。每个功能模块在各实验中的处理方式略有差异，针对实验监测平台的功能扩展，程序设计中为部分功能模块预留或预设了功能优化。

2.2 实验平台界面设计

实验平台界面设计遵循“亲密性”，“对齐性”，“重复性”，“对比性”四大原则［15］，在保证界面一致性的前提下，根据交直流实验各自的特点有重点的分布各显示操控模块。

界面主要包括显示模块和操作模块两大部分，显示模块分为波形显示和文本/数值显示。波形显示分为左侧的通用显示和右侧的“特别关注”显示;文本/数值显示针对直交流界面有所不同，其中交流界面为空载/短路/工作特性及机械特性试验参数的数值显示。操作模块包括“停止”、“帮助”、“关于”、“开始”、“数据采集”、“数据处理”、“生成报告”等用户常用操作的按钮。

2.3 实验平台功能模块设计

2.3.1 数据初步处理

实验所采集的数据主要有:直流电压，直流电流，交流电压，交流电流和转速。这些数据经过调理电路和数据采集卡，以数组的形式进入软件。数据的初步处理主要包括:将采样得到数据进行预处理，实现以时间为横轴的波形显示，如图3(a)所示;将交流实验中采样的交流瞬时值变换为电压有效值、电流有效值和平均功率如图3(b)、(c)所示。

图3 数据的初步处理模块

2.3.2 实验数据求解与重组

实验数据求解与重组就是根据电机实验原理，求解实验数据，并把不同的数据进行组合，作为每一个具体实验的数据输出。

以直流电动机实验为例，将经过初步处理得到的电枢电压Ua、电枢电流Ia、转速n 等送入公式节点进行运算，输出输入功率P1，电枢铜损pCua，电磁功率PM，电磁转矩TM，输出功率P2，效率η 等参数。然后，根据不同的实验进行数据的重组，例如直流电动机工作特性实验需要输入功率P1、电枢铜损pCua、电磁功率PM、电磁转矩TM、输出功率P2、效率η、转速n 和电枢电流Ia8 个参数。直流电动机工作特性实验的数据求解与重组程序框图如图4 所示。

图4 直流电动机工作特性实验数据求解、重组及显示

2.3.3 波形显示

波形显示主要包含两部分:通用波形显示以及“特别关注”波形显示。

特别关注波形显示针对不同实验选择特别关注的参数进行显示。例如直流电动机工作特性实验，主要参数包括电压、电流、功率、转速、输出功率、电磁功率、电磁转矩等，实验监测平台不对每一个参数提供一个示波器，而是采用同一示波器显示不同参数。通过“关注参数”的下拉列表，即可以选择该实验希望显示的参数进行波形输出。

2.3.4 实验报告生成

实验报告的前面板可以根据各高校的标准模板进行设计，主要包括信息区、模板选择区、数据区和结论区几部分，各部分的顺序与标准实验报告一致。

实验数据是实验中最关键的部分，因此程序主要集中于这部分数据的导入和排版。

实验报告的产生需要先将实验数据整合到一个实验文档中，供生成图片和实验报告所用，本实验文档支持文本文档格式保存，方便随时查看。生成实验数据文档的程序框图如图5(a)所示。

对于每一个实验，在改变参数测量之后，得到各个工作点的实验数据，最终将这些点的实验数据连接起来，形成工作特性曲线等实验曲线。使用创建的实验数据文档，生成以当前时间加实验简写拼音为文件名的图片，既可以方便随时调用，又可以插入到生成的实验报告中，如图5(b)所示。实验报告的自动生成，将新建一个Word 文档，将实验数据文档以表格的形式插入，并将图片插入到Word 相应位置，并完善用户信息，生成一份完整的实验报告［16］，其程序框图如图5(c)所示。