基于Proteus的磁滞回线测试仪仿真

张明长，田益民

(北京印刷学院 基础部,北京 102600)

动态磁滞回线实验仪器由实验仪和测试仪两部分组成，再配合示波器，成为一个完整的实验装置。实验仪面板提供铁磁物质样品，励磁电压和电流取样电阻及测量磁感应强度B的积分电路。

B和H的实验数据在测试仪显示窗口用八段数码管显示，如图1所示。

图1 磁滞回线测量装

经过简单的连线，就是一个完整磁滞回线实验仪，该实验仪输出模拟信号UB和UH是正比于磁感应强度B和磁场强度H的电压信号，将UB和UH两路信号送入示波器，在示波器的X-Y模式下就能够显示出一个完整的磁滞回线；将该两路电压信号送入测试仪进行采样、计算等数据处理就获得磁感应强度B和磁场强度H的实验数据[1]。

TH-MHC型磁滞回线测试仪与实验仪组合使用，能够定量、准确、快速地测量铁磁物质的磁场强度、磁感应强度、剩磁、矫顽力、磁滞损耗等相关参数。此测试仪是一台单片微型计算机(其CPU是MCS-51)及一些外围的数据采样、放大、信号转换、数据存储、显示等功能组成，如图2所示。并且还附有RS-232串行输出通讯接口，能够与计算机的串口相连，在计算机上读取采集处理的数据信号，将实验数据保存在硬盘上，并且可以在计算机显示屏上显示磁滞回线，还可以进行数据、曲线打印等。

图2 测试仪原理图

1 磁滞回线测试仪信息显示

测试仪通过两个各有5位的八段数码管显示窗口显示信息[2]，实验者通过操作5个按键控制测试仪，实现人机之间的信息交流互动。

磁滞回线实验是采用计算机测试，其特点是对数据进行采样、加工计算等处理，获得需要的数据在显示屏上显示,或者直接在显示屏上画出实验曲线等等。当今，绝大多数计算机控制测试，使用的并非是多功能电脑，而是单一功能的计算机，这种单一功能的计算机就是工业上用得最多的单片机。单片机是单一功能的计算机，开发者编写一些有限的软件驱动程序，植入芯片实现测量控制，完成特定的专项任务。早期的单片机绝大部分是用数码管显示信息，随着科技的发展，液晶屏技术不断完善，价格急剧降低，使用越来越普及，近几年工业控制单片机多数采用液晶屏进行显示信息。

数码管的优点是显示0～9这几个数字清晰漂亮，给人很直观的感觉，但是显示其他字符信息就有很大困难，使人难以理解。由于笔者实验室的磁滞回线实验仪是2003年购置，属于早期产品，数码管窗口显示信息除了0～9这几个数字外，还要显示一些特定的英文字符。使用数码管显示英文字符的确有些难度，给程序员提出很大挑战，但是对于实实在在的八段数码管这种电子元器件，通过点亮不同的段码(LED)方式显示字符也只能这样了。Proteus仿真[3-5]显示电路如图3所示。

图3 仿真显示部分电路图

2 磁滞回线测试仪信息交流仿真

测试仪通过数码管显示信息，实验者通过操作5个按键控制测试仪，实现人机之间的信息互动。其按键功能说明如下：

功能键：用于选取不同的功能，每按一次键，将在数码显示窗口上显示出相应的功能。

确认键：当选定某一功能后，再按此键，即可进入此功能的执行程序。

数位键：在选定某一位数码管为数据输入位后，连续按动此键，使小数点右移至所选定的数据输入位处，此时小数点呈闪烁状态。

数据键：连续按动此键，可以改变小数点闪烁位的显示数字。

复位键：在测试过程中可能由于外来干扰信号影响或操作错误出现死机、需要重复测量某一参量时，按此键，使仪器恢复正常进入工作状态。

课堂实验中，学生操作的主要是功能键和确认键，需要重复测量或异常时还用到复位键。

(1)开机状态或按复位键后：显示窗口显示P…8…P…8…P…8…P…8

图4 显示开机、复位信息

(2)显示测试样品的N和L值：按功能键显示

图5 显示样品的N和L值信息

这里显示的N=50匝、L=60 mm为仪器事先的设定值。

(3)显示所测样品的n与S值：按功能键显示：

图6 显示样品的n与S值信息

这里显示的n=150匝，S=80 mm2为仪器事先设定值。

(4)电阻R1值和H、B值的倍数代号：继续按功能键显示

图7 显示电阻值R1值和H、B值的倍数信息

这里显示的R1=2.5 Ω，H、B的倍数(倍数是指其显示值需乘倍数)代号3是仪器事先设定值，亦可以修改，不同倍数由表1给出。H、B值是计算获得的数值，编写程序时，为了给实验者提供更多的有效数字，有意地将数量级进行隐含。

表1 倍数代号对应倍数及单位

(5)显示电阻R2、电容C2值：继续按功能键显示：

图8 显示电阻R2、电容C2值信息

这里显示的电阻R2=10 Ω、电容C2=20 μf为仪器事先的设定值。

(6)定标参数显示(仅调试用)：继续按功能键显示

图9 显示定标参数询问信息

按确认键，将显示UHC和UBC电压值。

(7)显示每周期采样的总点数和测试信号频率：继续按功能键显示

图10 显示每周期采样总点数和测试频率

按确认键，将显示出每周期采样的总点数n和测试信号的频率f。

图11 显示采样总点数和测试信号频率值

窗口显示的是测量数据总点数和曲线的频率值，他告诉我们，测量这么多数据点花掉的时间是频率的倒数。从计算机测试来说，计算机只认识时间，测量这么多数据点只用了一个周期的时间，并且计算机记录数据是根据时间的推移来取点。实验时，将单相市电经过降压变换成需要幅值的电压，我国使用的电压信号频率是50 Hz，周期为20 ms，即测量这么多点数据，花掉的时间是20 ms。可见，计算机测量数据速度是多么的快。

(8)数据采样：继续按功能键将显示

图12 显示数据采样询问信息

该窗口显示意在询问要测量数据吗，按确认键表示认可，将按照(7)所确定的点数对磁滞回线进行自动采样，窗口显示

图13 显示采样过程信息

若测试系统正常，稍等片刻后(>20 ms)，显示器将显示“GOOD”,表明采样成功，即可进入后续操作；如果显示“BAD”，表明系统采样失败，需要查明原因并修复后，重新按“功能”键，程序将返回到数据采样状态，再次进行数据采样。

图14 显示采样成功信息

不是前面已经提到，采样一个周期的时间是20 ms，为什么在这儿又说大于20 ms呢？这是因为当发出测试指令后，先进行相位检测，花掉一部分时间，再进行采样测量花掉20 ms的时间，还有51单片机CPU和数据存储器是分开的，将CPU计算结果转入存储器，在运输到存储器的线路上花掉绝大部分时间，结果是从发出测试指令到确认测试成功的时间远大于20 ms。

(9)显示磁滞回线采样点H和B的值：继续按功能键显示

图15 询问显示磁滞回线采样点信息

接着每按2次确认键，将显示曲线上一点的H和B值，第一次按确认键显示采样点序号，相当于Excel表的行号；第二次按确认键显示出该行记录的H和B值，相当于行号对应行的数值(通过该操作可以很好地理解计算机中数据存储方式,数据存储器就是看不见的Excel数据表格。)，采样总点数参见(7)，H和B值的倍数参见(4)。显示磁滞回线上的点是依第4、1、2、3象限的顺序进行(该仪器测量磁滞回线发出指令test后，先进行相位检测，在3π/2时开始记录数据。)。从示波器上可以观察到磁滞回线是闭合的非对称曲线，实验数据记录一定要体现出曲线的封闭性、非对称性；非对称曲线上有部分数据点又是关于原点对称，比较特殊，以特定的名字给予命名(矫顽力、剩磁和磁饱和点)。调节示波器，使封闭曲线的中心处在坐标原点，可以看到，曲线长度在1、3象限几乎相等，2、4象限亦几乎相等，曲线长度代表了测量点数的多少，可知采样点数1、3象限占了数据的绝大多数，2、4象限数据相对较少。

若在进行(8)步序测量中，只按功能键而未按确认键(表明未完成数据采样，没有获得实验数据，相当于没有填写隐形的Excel数据表格)，此时按确认键将显示：“NO DATA”,表示操作有误。

图16 显示出错信息

(10)显示磁滞回线的矫顽力HC和剩磁Br：继续按功能键显示

图17 显示磁滞回线矫顽力和剩磁的询问信息

按确认键，将显示出矫顽力HC和剩磁Br之值(前面所确定的倍数)。

(11)显示样品的磁滞损耗：按功能键显示

图18 显示磁滞损耗询问信息

按确认键，将显示样品的磁滞损耗。

磁滞损耗的计算公式：

同样，若在进行(8)步序测量中，只按功能键而未按确认键(表明未完成数据采样，没有获得实验数据)，此时按确认键亦将显示：“NO DATA”,表示操作有误。

(12)显示H与B的最大值Hm与Bm：继续按功能键显示

图19 显示磁饱和点询问信息

按确认键，将显示出Hm与Bm之值，这就是不同励磁电压下磁饱和点数值。

Hm、Bm的下标m是maximum的首字符，因为m有3个竖杠，八段数码管只有2个竖杠，八段数码管无法显示m,只能用n来代替m了。

其他显示内容及按键操作，由于没有涉及到实验教学的直观现象，在此就不再展示说明。实验数据是计算机采样电压信号后计算获得的，有关数据采样过程需要和实物连接，仿真时没有直观现象展示，可以参阅有关A/D，D/A转换书籍。本实验需要同时采样2路电压信号，采取分时进行采样法处理，具体涉及计算机方面的知识，可以参阅相关书[6-8]。

3 结 语

实验课教学中，数码管显示屏显示这些不完整的英文字符，给学生有稀奇古怪、难以理解之惑，操作上常常出现选择“功能”错误，导致记录数据张冠李戴。笔者在实验课教学中，采用Proteus实时仿真功能，编写驱动程序，进行仿真讲解，展示数码管的显示机理，加深学生的课堂理解，减少实验出错概率；同时仿真过程是实时动态展示过程，能够吸引学生的眼球，激发学生的实验兴趣。在实验课教学过程中，创造机会引导学生研究实验仪器，探讨仪器的设计制作，更深层次地学习理解物理实验课。