智能检测与控制系统课程设计指导

瞿圆媛 张铃炜

摘  要 为丰富测控技术与仪器专业培养中关于计算机控制的综合设计训练素材，以实现某实验台磁场状态过程的实时监测与自动控制为目的，提出基于LabVIEW NXG的监控软件上位机、基于FPGA的下位机结构，展示一套基于计算机技术的智能检测与控制系统软、硬件架构。

关键词 智能检测与控制;LabVIEW NXG;FPGA

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）24-0096-03

Design Guidance of an Intelligent Detection and Control System//QU Yuanyuan， ZHANG Lingwei

Abstract In order to enrich the training materials about computer control in the major of measurement and control technology & in-strument， a set of monitoring software based on LabVIEW NXG together with hardware based on FPGA are proposed， to realize the real-time monitoring and automatic control of the magnetic field state of a certain experimental platform. It shows a general software and hardware architecture of intelligent detection and control system based on computer technology.

Key words intelligent detection and control system; LabVIEW NXG;FPGA

1 前言

现代测试/测量技术、现场可编程器件FPGA/单片機/嵌入式原理及应用等相关课程是测控技术与仪器专业本科培养方案中不可或缺的内容，目的是引导学生利用新型传感器技术、信息处理技术、自动控制技术、单片机和计算机测控技术开发智能化仪器仪表及由其集成的高效测控系统。但在实际教学过程中，往往学生专注于各门课程独立的知识点，很少能自主去了解它们背后的应用联系，因此，基于实例的综合设计训练极为必要和重要。

本文针对某基于磁场变控的测试实验台，以实现其磁场状态过程的实时监测与自动控制为目的，通过分析测试信息及控制参数的实际需求，提出基于LabVIEW NXG的监控软件上位机、基于FPGA的下位机结构，展示一套基于计算机技术的智能检测与控制系统软、硬件架构，一定程度上为帮助学生理解测控系统设计丰富了素材。

自动检控制系统一般包含检测与控制两部分。检测直接依赖于各式各样的传感器，负责采集被检测物理量或控制参量的信息，主要技术指标有灵敏度、重复性、稳定性等[1]，以及其他针对不同应用场合的特殊指标。检测到的信息将按一定的要求获得处理，如直接比较或函数换算，最终给出检测结果。控制部分依据该检测结果，判断并生成控制指令，传递给执行机构。这一环节多有微机处理器的参与，最好附有显示和记录装置甚至报警装置，是检测系统和控制系统的核心部分。

针对上述典型测控集成化专用实验台，本设计的重难点在于搭建其上位机监控软件以及与其匹配的下位机通信处理模块，以实现对磁场的实时监测和有效控制。

2 实验台监控总体方案设计

本文涉及的监控方案设计包含硬件电路程序模块以及监控软件两部分，总体的结构方案如图1所示。其中，硬件电路及程序模块基于Xilinx spantan-6系列的XC6SLX9-2FTG256C，在FPGA内部采用Verilog HDL硬件描述语言实现串口通信模块。监控软件采用LabVIEW NXG进行上位机的编写，与FPGA通过串口进行通信，实现对磁场控制系统的参数设置和实时监测。

实验台监控软件设计  NI公司推出的LabVIEW NXG软件开发平台，较原版LabVIEW软件具有较大的技术革新——以配置取代编程，大大提升了编程效率[2]。本方案基于LabVIEW NXG软件平台进行实验台监控软件开发，总体的结构图如图2所示。

1）控制参数下发模块。在监控软件上位机中，控制参数下发模块主要完成两个任务：一是FPGA与上位机的串口自动匹配;二是相关配置参数修改后实时下发。设计上位机运行伊始自动搜索空闲串口并轮询，发送指定指令，根据FPGA各串口响应的特定字符串不同来自动匹配串口。运行后，在上位机显示界面对磁场控制过程中调制解调、PID闭环控制等模块相应参数进行修改。当上位机监测到该输入控件值改变时，就将改变后的值按照数据类型不同，如滤波器参数、频率控制字、相位控制字、使能参数等，进行相应转换，然后加帧头、帧尾、地址位等打包，以区分数据来源，方便精准控制，提高传输准确率，最后通过串口下发。

2）数据采集处理模块。上位机监控软件通过四路串口接收FPGA上传的关键数据，接收到这些数据后，首先通过数据解包子VI将一帧数据拆分成帧头、地址位、帧尾等部分，通过帧头、帧尾进行数据有效性的判断，通过地址位将数据送入相应的处理程序，以备后续使用。

3）数据波形显示与存储模块。数据波形显示模块将从上位机接收到的数据根据需求通过LabVIEW NXG中的“图形”和“图表”控件进行动态化显示，也可以将数据以一定的格式存储到相应的文本文件中，供数据后续的处理利用。