基于LabVIEW的仿真系统的设计
0引言
随着现代科学技术的进步，现在设备结构越来越复杂、智能化程度也越来越高、操作规程要求严格，对操作人员的水平要求很高。若结合实际装备进行训练则受到场地、经费和装备自身维护保养情况的限制。而模拟训练以安全、经济、可控、可多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间的限制，因而设计一套适用于操作训练的模拟仿真系统是十分必要的。但是由于许多设备的特定仪表，不容易购买，使用其他的仪表造成外形的误差及功能差距，但是随着美国国家仪器公司NI(NationalInstruments)提出的虚拟测量仪器(VI)概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义,而用户无法改变的局面[1]。LabVIEW是NI公司研制的图形化编程软件,是目前最为成功、应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境[2]。LabVIEW是一个技术领先的图形化编程语言和开发环境，应用范围覆盖了从产品设计到制造的整个开发过程，被誉为“工程师的语言”[3]。虚拟仪器系统总体上由硬件和软件2个部分组成[4]。硬件部分由计算机、模块化功能硬件组成,根据其模块化功能硬件的不同,有多种构成方式。软件部分是以仪器驱动、接口软件和应用程序为基础,控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能。我们可以自主的设计各种类型的虚拟仪表及显示界面。实际的仿真系统中包括数据采集系统、数据传输协议、数据解析及数据显示等部分。
1数据的采集
在实际的采集系统中，交流电流或电压互感器的二次输出信号一般都要经整流变为直流信号。采用二极管直接整流方式由于二极管的正向压降会影响低端精度。所以在要求较高的场合采取有源整流方式。本文采用的有源整流方案电路图如图1所示。R1为取样电阻根据互感器技术指标选取。二级管型号为IN4148，IC为LM324工作电源为±5V，P1、P2接口接互感器。
图1有源整流电路图
本系统的交流电压互感器使用北京耀华德昌电子有限公司的TV16E型环氧灌封精密电压互感器;交流电流互感器使用北京耀华德昌电子有限公司的TA3523FT型环氧灌封四量程电流互感器;直流电流互感器采集使用成都晶峰电子有限公司生产的JT0.01T19型电流互感器。
2数据的传输与解析
互感器采集的数据经采集板变成0~5V的直流信号，然后经过控制采集板，该电路板高精度的A/D转换芯片可以实现模拟信号到数字信号的转换，数字信号进入到高精度AVR单片机中进行数据处理，通过可靠的UART串口通信方式将数据实时的传送到上位机，然后产生一系列字符串。通过不断读取采集板采集到的数据，然后数据通过网卡实现与LabVIEW的通信。
由于UDP协议的传输数据前源端和终端不需要建立连接，因而不需要维护连接状态，包括收发状态，所以一台服务器可同时向多个客户机传输相同的消息。尽管UDP传输性能不可靠，但在数据传输的实时性和准确性要求不是很严格的场合下，UDP是广播信息的一个理想协议[5]。本系统要求整体能实时显示，UDP完全可以完全满足使用。
由于本系统使用的是显示，采用的是使用UDP协议接收数据程序，如图2主要包括打开UDP、读取UDP数据和关闭UDP三部分。
图2UDP协议接收数据程序
在接收数据前首先打开一个UDP端口，将端口(指定本地主机要创建UDP套接字连接的端口)设置为6350，网络地址，连接ID不用设置，应用一个while循环实现数据接收。UDPRead是接收数据的核心函数，最大值设置为400，超时等待时间为1毫秒。关闭UDP的端口依次与读取UDP数据中的端口相连。
通过UDP协议将数据传输到LabVIEW中，通过编写的解析程序，如图3所示，将接收到的字符串解析成各个虚拟仪表需要显示的数据，然后通过虚拟仪表显示出来。
图3数据解析程序
3数据的显示
由于选择的仪器的特殊形状与特殊性能，没有现成的虚拟仪表，仿真时需要自己制作。
3.1虚拟仪表的制作
选择要用的仪表的照片，用Photoshop画出来。打开LabVIEW，然后点击“编辑”至“导如图片至剪切板”中，然后ctrl+v复制到LabVIEW前面板，如图4(a)所示;在数值控件中，选择“量表”，然后将量程选择到合适的位置，如图4(b)所示;点击右键到“标尺”选择“样式”中空白的那一个，然后再打开工具选板，将表盘及表框颜色改为透明色，将指针改变成需要的颜色(黑色)如图4(c)所示;将量表与指针结合，将图片移动至前面，然后将三者锁定在一起。这样一个合适的虚拟仪表界面就做出来了如图4(d)所示。其余的仪表依照此总做法。
图4虚拟仪表的制作过程
从图4(a)中发现，表盘的读数不是线性的，要构建面板的数学模型，实践表明采用分段函数进行表示是一种方便、简洁、高效的方法，图4中电流表在程序框图中的部分程序如图5所示。
图5非线性仪表的部分程序
以此我们可以运用数学运算给出表盘的函数表达式，然后运用条件语句分段(部分)表示出来。这样我们可以准确、形象的驱动指针的动作。
3.2、显示界面的实现与显示
将所有制做的虚拟仪表组合到一个前面板上，将UDP协议数据接收程序、仪表程序、数据解析程序等整合到一个程序框图中。数据经过数据采集板采集变换、工控机控制采集、UART串口通信方式将数据实时的传送到上位机，然后产生一系列字符串进入程序，运行程序后的情况如图6所示。
图6电源车仿真设备的运行显示界面
结束语
本系统应用于某半实物电源车仿真系统中，外观上美观大方、与原机器适配;运行中系统稳定、数据丢包少、显示准确。为应用LabVIEW做显示界面提供参考
随着现代科学技术的进步，现在设备结构越来越复杂、智能化程度也越来越高、操作规程要求严格，对操作人员的水平要求很高。若结合实际装备进行训练则受到场地、经费和装备自身维护保养情况的限制。而模拟训练以安全、经济、可控、可多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间的限制，因而设计一套适用于操作训练的模拟仿真系统是十分必要的。但是由于许多设备的特定仪表，不容易购买，使用其他的仪表造成外形的误差及功能差距，但是随着美国国家仪器公司NI(NationalInstruments)提出的虚拟测量仪器(VI)概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义,而用户无法改变的局面[1]。LabVIEW是NI公司研制的图形化编程软件,是目前最为成功、应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境[2]。LabVIEW是一个技术领先的图形化编程语言和开发环境，应用范围覆盖了从产品设计到制造的整个开发过程，被誉为“工程师的语言”[3]。虚拟仪器系统总体上由硬件和软件2个部分组成[4]。硬件部分由计算机、模块化功能硬件组成,根据其模块化功能硬件的不同,有多种构成方式。软件部分是以仪器驱动、接口软件和应用程序为基础,控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能。我们可以自主的设计各种类型的虚拟仪表及显示界面。实际的仿真系统中包括数据采集系统、数据传输协议、数据解析及数据显示等部分。
1数据的采集
在实际的采集系统中，交流电流或电压互感器的二次输出信号一般都要经整流变为直流信号。采用二极管直接整流方式由于二极管的正向压降会影响低端精度。所以在要求较高的场合采取有源整流方式。本文采用的有源整流方案电路图如图1所示。R1为取样电阻根据互感器技术指标选取。二级管型号为IN4148，IC为LM324工作电源为±5V，P1、P2接口接互感器。
图1有源整流电路图
本系统的交流电压互感器使用北京耀华德昌电子有限公司的TV16E型环氧灌封精密电压互感器;交流电流互感器使用北京耀华德昌电子有限公司的TA3523FT型环氧灌封四量程电流互感器;直流电流互感器采集使用成都晶峰电子有限公司生产的JT0.01T19型电流互感器。
2数据的传输与解析
互感器采集的数据经采集板变成0~5V的直流信号，然后经过控制采集板，该电路板高精度的A/D转换芯片可以实现模拟信号到数字信号的转换，数字信号进入到高精度AVR单片机中进行数据处理，通过可靠的UART串口通信方式将数据实时的传送到上位机，然后产生一系列字符串。通过不断读取采集板采集到的数据，然后数据通过网卡实现与LabVIEW的通信。
由于UDP协议的传输数据前源端和终端不需要建立连接，因而不需要维护连接状态，包括收发状态，所以一台服务器可同时向多个客户机传输相同的消息。尽管UDP传输性能不可靠，但在数据传输的实时性和准确性要求不是很严格的场合下，UDP是广播信息的一个理想协议[5]。本系统要求整体能实时显示，UDP完全可以完全满足使用。
由于本系统使用的是显示，采用的是使用UDP协议接收数据程序，如图2主要包括打开UDP、读取UDP数据和关闭UDP三部分。
图2UDP协议接收数据程序
在接收数据前首先打开一个UDP端口，将端口(指定本地主机要创建UDP套接字连接的端口)设置为6350，网络地址，连接ID不用设置，应用一个while循环实现数据接收。UDPRead是接收数据的核心函数，最大值设置为400，超时等待时间为1毫秒。关闭UDP的端口依次与读取UDP数据中的端口相连。
通过UDP协议将数据传输到LabVIEW中，通过编写的解析程序，如图3所示，将接收到的字符串解析成各个虚拟仪表需要显示的数据，然后通过虚拟仪表显示出来。
图3数据解析程序
3数据的显示
由于选择的仪器的特殊形状与特殊性能，没有现成的虚拟仪表，仿真时需要自己制作。
3.1虚拟仪表的制作
选择要用的仪表的照片，用Photoshop画出来。打开LabVIEW，然后点击“编辑”至“导如图片至剪切板”中，然后ctrl+v复制到LabVIEW前面板，如图4(a)所示;在数值控件中，选择“量表”，然后将量程选择到合适的位置，如图4(b)所示;点击右键到“标尺”选择“样式”中空白的那一个，然后再打开工具选板，将表盘及表框颜色改为透明色，将指针改变成需要的颜色(黑色)如图4(c)所示;将量表与指针结合，将图片移动至前面，然后将三者锁定在一起。这样一个合适的虚拟仪表界面就做出来了如图4(d)所示。其余的仪表依照此总做法。
图4虚拟仪表的制作过程
从图4(a)中发现，表盘的读数不是线性的，要构建面板的数学模型，实践表明采用分段函数进行表示是一种方便、简洁、高效的方法，图4中电流表在程序框图中的部分程序如图5所示。
图5非线性仪表的部分程序
以此我们可以运用数学运算给出表盘的函数表达式，然后运用条件语句分段(部分)表示出来。这样我们可以准确、形象的驱动指针的动作。
3.2、显示界面的实现与显示
将所有制做的虚拟仪表组合到一个前面板上，将UDP协议数据接收程序、仪表程序、数据解析程序等整合到一个程序框图中。数据经过数据采集板采集变换、工控机控制采集、UART串口通信方式将数据实时的传送到上位机，然后产生一系列字符串进入程序，运行程序后的情况如图6所示。
图6电源车仿真设备的运行显示界面
结束语
本系统应用于某半实物电源车仿真系统中，外观上美观大方、与原机器适配;运行中系统稳定、数据丢包少、显示准确。为应用LabVIEW做显示界面提供参考
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