基于LabVIEW 的電機實驗自助平臺設計

許麗川， 宋翔宇， 唐凱飛， 梁永春， 白連生， 叢培強， 李逢春

(電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都611731)

0 引 言

隨著計算機技術和網絡技術的迅速發展，各類信息化手段，諸如實驗項目信息化、實驗預約系統、實驗教學輔助系統、開放式實驗預習系統、演示的實驗系統、虛擬實驗項目以及遠程實驗系統等在高校實驗教學中得到廣泛和多樣的應用［1］。東南大學通過實驗教學信息資源與管理平臺建設，創建并推廣了計算機TA 教學模式，推進了實驗教學過程的網絡管理［2］。

實驗項目的信息化是對傳統常規實驗手段的重大創新，主要表現為兩種取向:數字化和虛擬化［3］。

虛擬實驗系統是利用虛擬技術，為師生提供一個和計算機進行交互操作的環境來模擬實際的實驗操作。湘南學院設計了計算機組成原理虛擬實驗系統，實現了實驗電路的仿真運行，支持自主電路設計，應用于實驗教學，有良好的教學效果［4］。四川大學電氣信息學院研究了基于LabVIEW 和Matlab 的虛擬實驗室，實現了軟件仿真及虛擬實驗室的Web 發布［5］。湖南農業大學信息科學技術學院在《信號與系統》實驗教學改革中，設計開發了虛擬實驗系統，使學生可以方便地更改實驗參數、設計實驗步驟、創設實驗情境進行“研究式”和“協作式”的學習［6］。華東師范大學設計和開發了“溫度傳感器特性的研究”虛擬實驗項目，并應用于大學物理實驗教學［7］。

數字實驗系統是由傳感器、數據采集設備、計算機系統及配套軟件構成的，有助于實驗結果的數字化和精確化測量與顯示。國內常見的數字化實驗系統有基于LabVIEW 和聲卡數據采集的中學物理實驗儀器系統、江蘇艾迪生數字實驗室和朗威數字化實驗系統等［3］。其中，隨著虛擬儀器技術的發展，LabVIEW 在實驗或實踐教學中的應用也逐漸廣泛和多樣。

LabVIEW 軟件是一個高效的圖形化設計軟件，它具有強大地硬件驅動和圖形顯示能力、完備的高級數學分析庫、便捷快速的程序設計過程，為實驗室研究和自動化應用提供了一個直接高效的設計環境。

LabVIEW 集成化的環境與現實世界的信號相連，進行數據分析，獲取實用信息，極大地提高了數據采集與控制系統的效率［8-9］。四川大學的羅建、雷勇等設計了一款基于多功能數據采集卡的數據采集系統，實現了對64 路重載列車制動試驗的實時檢測及處理［10］。洛陽工業高等專科學校火長躍、付春仙等人利用虛擬儀器技術對液位實時控制系統進行了仿真設計，系統具有軟硬件開放，兼容性好等特點［11］。武漢大學自動化系謝建軍、薛平貞設計了一種基于NIDAQ 板卡和LabVIEW 軟件的液位控制系統，為先進的控制算法研究和實際應用提供了非常好的試驗平臺［12］。

LabVIEW 軟件既能與NI 模塊化的硬件相結合，又能與各種工業處理器，例如單片機、PLC、智能調節儀等，進行實時通信，因此可以應用在許多不同種類的實驗項目中。LabVIEW 編程既能方便地進行實驗數據的處理，也能對實驗信息進行存儲、提取和顯示，因此，基于LabVIEW 設計的實驗平臺在實驗系統信息化中有很好的擴展性。

電機實驗是理工科院校廣泛開設的基礎性實驗，將其納入自助實驗平臺，可以簡化實驗過程，大大縮短實驗時間，提高實驗的效果。

1 基于LabVIEW 的自助實驗平臺結構

自助實驗平臺主要包括三個模塊:開始模塊、實驗模塊和報告生成模塊，其總體結構如圖1 所示。

圖1 自助實驗平臺總體結構圖

開始模塊主要包括主程序模塊、登陸模塊和仿真實驗模型。其功能包括:在實驗前進行必要的初始化工作，如登錄填寫個人信息、選擇端口號等;在離線條件下，可以起動仿真模型，進行仿真實驗。其中，仿真模型需要根據不同的實驗項目進行設計，由于程序采用模塊化結構，因此可以方便地鏈接不同的仿真模型。主程序模塊設置了進入具體實驗項目的入口，采用了一個事件結構［13］處理按鍵產生的事件和超時事件。

實驗模塊是系統的核心部分，主要包括實驗內容模塊和一些通用的功能模塊。實驗內容模塊根據不同的實驗項目進行設計，如水箱液位測量和控制實驗、電機特性實驗等。對于驗證性實驗，可以設計好這部分，實驗者直接運行程序、觀察現象、記錄數據即可;對于綜合性或設計性實驗，實驗者可以自行設計界面、算法等內容。通用功能模塊實現實驗過程中的“運行”、“暫停”、“數據保存”、“數據回放”、“退出”等功能。實驗模塊使用了標準狀態機［14］和事件狀態機結合的方法，將事件和動作分離，由事件結構和CASE 結構分別處理。

報告生成模塊的主要功能是從文件中選擇需要的數據完成實驗報告數據和圖表的填寫，實驗者需要自行補充填寫實驗分析結論和實驗心得體會。

為保證實驗有序地進行，程序規定了各模塊的調用方向和數據傳送方向，如圖1 中箭頭所示。線型箭頭代表程序引用方向，只有箭頭首端的程序才能引用箭頭末端的數據;方框型的箭頭代表了數據的傳遞方向，雙向箭頭表示數據發生了雙向傳遞;在仿真模型和實驗模塊中，使用了虛線的數據箭頭，表示這些數據可能發生(離線仿真演示運行)也可能不發生(在線運行)。

2 電機實驗監測平臺設計

電機實驗監測平臺既可以處在整個平臺的“實驗模塊”中，在運行自助平臺時，就可以實現電機實驗的自助進行;也可以單獨運行，實現用戶在友好的界面下通過點擊鼠標即能完成實驗并生成實驗報告的自助功能。電機實驗主要包括:直流電機實驗、交流電機實驗和變壓器實驗，需要根據實驗要求來完成平臺設計。

2.1 實驗平臺邏輯結構設計

實驗平臺邏輯結構設計為橫向邏輯結構與縱向邏輯結構。橫向邏輯結構定義了平臺的廣度，設計了電機實驗的類型的劃分及實驗類型的擴展;縱向邏輯結構定義平臺的深度，設計了每一個實驗的功能模塊及其性能擴展。

2.1.1 橫向邏輯結構

實驗平臺的橫向邏輯劃分如圖2(a)所示。其中，一級劃分條件為電源類型，二級劃分條件為實驗類型。采用層進式條件邏輯編程實現，當需要擴展實驗類型時，只需從上至下按照邏輯結構找到該實驗應處于的位置，增加一種條件即可。

圖2 實驗平臺邏輯結構

2.1.2 縱向邏輯結構

實驗平臺縱向邏輯劃分如圖2(b)所示。每個實驗都需要波形顯示、數據采集、數據處理、生成實驗報告等功能模塊，因此，可以采用模塊化編程方式實現。每個功能模塊在各實驗中的處理方式略有差異，針對實驗監測平臺的功能擴展，程序設計中為部分功能模塊預留或預設了功能優化。

2.2 實驗平臺界面設計

實驗平臺界面設計遵循“親密性”，“對齊性”，“重復性”，“對比性”四大原則［15］，在保證界面一致性的前提下，根據交直流實驗各自的特點有重點的分布各顯示操控模塊。

界面主要包括顯示模塊和操作模塊兩大部分，顯示模塊分為波形顯示和文本/數值顯示。波形顯示分為左側的通用顯示和右側的“特別關注”顯示;文本/數值顯示針對直交流界面有所不同，其中交流界面為空載/短路/工作特性及機械特性試驗參數的數值顯示。操作模塊包括“停止”、“幫助”、“關于”、“開始”、“數據采集”、“數據處理”、“生成報告”等用戶常用操作的按鈕。

2.3 實驗平臺功能模塊設計

2.3.1 數據初步處理

實驗所采集的數據主要有:直流電壓，直流電流，交流電壓，交流電流和轉速。這些數據經過調理電路和數據采集卡，以數組的形式進入軟件。數據的初步處理主要包括:將采樣得到數據進行預處理，實現以時間為橫軸的波形顯示，如圖3(a)所示;將交流實驗中采樣的交流瞬時值變換為電壓有效值、電流有效值和平均功率如圖3(b)、(c)所示。

圖3 數據的初步處理模塊

2.3.2 實驗數據求解與重組

實驗數據求解與重組就是根據電機實驗原理，求解實驗數據，并把不同的數據進行組合，作為每一個具體實驗的數據輸出。

以直流電動機實驗為例，將經過初步處理得到的電樞電壓Ua、電樞電流Ia、轉速n 等送入公式節點進行運算，輸出輸入功率P1，電樞銅損pCua，電磁功率PM，電磁轉矩TM，輸出功率P2，效率η 等參數。然后，根據不同的實驗進行數據的重組，例如直流電動機工作特性實驗需要輸入功率P1、電樞銅損pCua、電磁功率PM、電磁轉矩TM、輸出功率P2、效率η、轉速n 和電樞電流Ia8 個參數。直流電動機工作特性實驗的數據求解與重組程序框圖如圖4 所示。

圖4 直流電動機工作特性實驗數據求解、重組及顯示

2.3.3 波形顯示

波形顯示主要包含兩部分:通用波形顯示以及“特別關注”波形顯示。

特別關注波形顯示針對不同實驗選擇特別關注的參數進行顯示。例如直流電動機工作特性實驗，主要參數包括電壓、電流、功率、轉速、輸出功率、電磁功率、電磁轉矩等，實驗監測平臺不對每一個參數提供一個示波器，而是采用同一示波器顯示不同參數。通過“關注參數”的下拉列表，即可以選擇該實驗希望顯示的參數進行波形輸出。

2.3.4 實驗報告生成

實驗報告的前面板可以根據各高校的標準模板進行設計，主要包括信息區、模板選擇區、數據區和結論區幾部分，各部分的順序與標準實驗報告一致。

實驗數據是實驗中最關鍵的部分，因此程序主要集中于這部分數據的導入和排版。

實驗報告的產生需要先將實驗數據整合到一個實驗文檔中，供生成圖片和實驗報告所用，本實驗文檔支持文本文檔格式保存，方便隨時查看。生成實驗數據文檔的程序框圖如圖5(a)所示。

對于每一個實驗，在改變參數測量之后，得到各個工作點的實驗數據，最終將這些點的實驗數據連接起來，形成工作特性曲線等實驗曲線。使用創建的實驗數據文檔，生成以當前時間加實驗簡寫拼音為文件名的圖片，既可以方便隨時調用，又可以插入到生成的實驗報告中，如圖5(b)所示。實驗報告的自動生成，將新建一個Word 文檔，將實驗數據文檔以表格的形式插入，并將圖片插入到Word 相應位置，并完善用戶信息，生成一份完整的實驗報告［16］，其程序框圖如圖5(c)所示。

圖5 實驗報告生成

3 直流電動機工作特性曲線測試實驗

直流電動機工作特性曲線實驗中，測量電樞電壓、電樞電流、轉速等參數，將每次實驗的輸入數據進行運算處理后得到輸出數據，輸出數據再進行處理后放入實驗文檔，利用實驗文檔中的數據生成實驗報告中的數據，實驗報告中的數據以表格和圖形的形式展示。

直流電動機工作特性曲線實驗測量數據如表1 所示，人工計算的數據如表2 所示。

兩者相比，輸入功率相差0.53%，電樞銅耗相差0.48%，電磁功率相差0.53%，電磁轉矩相差0.28%，輸出功率相差0.77%，效率相差0.31%。

實驗報告中生成的轉速特性曲線和效率特性曲線如圖6(a)、(b)所示。直流電動機轉速特性曲線中，橫軸為直流電流，從1.8 A 升至7.6 A，縱軸為轉速，從1 583 r/min 降至1 373 r/min。每一個數據點都用紅色小圓圈標出。

表1 直流電動機工作特性曲線實驗測量數據表

表2 直流電動機工作特性曲線實驗手工計算測量數據表

圖6 直流電動機工作特性曲線

直流電動機效率特性曲線中，橫軸為直流電流，從1.8 A 升至7.6 A，縱軸為效率從48.9%升至82.9%。每一個數據點都用藍色小圓圈標出。

4 結 語

基于LabVIEW 的電機實驗自助平臺，完成了直流電動機的工作特性實驗，現場載入模擬測量數據，生成了電子檔的實驗報告。

實驗過程中所涉及的實驗參數計算，都屬于用戶的實驗內容部分，在程序沒有被運行的情況下，從文件夾打開這些程序，就可以修改源代碼。完成修改并保存后，通過主程序調用即可以實現新的實驗運算。因此，對于不同的實驗，可以有不同的實驗內容設計，使得平臺具有一定的通用性。

基于LabVIEW 的自助實驗平臺同樣可以加入其他類型的實驗模塊，作為基于LabVIEW 的一個開放的實驗平臺，可以借鑒更多的前人經驗，不斷擴大完善，以更加適應現代實驗教學信息化的需要。

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