智能檢測(cè)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)

瞿圓媛 張鈴煒

摘? 要 為豐富測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)培養(yǎng)中關(guān)于計(jì)算機(jī)控制的綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練素材，以實(shí)現(xiàn)某實(shí)驗(yàn)臺(tái)磁場(chǎng)狀態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制為目的，提出基于LabVIEW NXG的監(jiān)控軟件上位機(jī)、基于FPGA的下位機(jī)結(jié)構(gòu)，展示一套基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能檢測(cè)與控制系統(tǒng)軟、硬件架構(gòu)。

關(guān)鍵詞 智能檢測(cè)與控制;LabVIEW NXG;FPGA

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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

現(xiàn)代測(cè)試/測(cè)量技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)可編程器件FPGA/單片機(jī)/嵌入式原理及應(yīng)用等相關(guān)課程是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)本科培養(yǎng)方案中不可或缺的內(nèi)容，目的是引導(dǎo)學(xué)生利用新型傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)開(kāi)發(fā)智能化儀器儀表及由其集成的高效測(cè)控系統(tǒng)。但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，往往學(xué)生專注于各門課程獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)，很少能自主去了解它們背后的應(yīng)用聯(lián)系，因此，基于實(shí)例的綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練極為必要和重要。

本文針對(duì)某基于磁場(chǎng)變控的測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)其磁場(chǎng)狀態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制為目的，通過(guò)分析測(cè)試信息及控制參數(shù)的實(shí)際需求，提出基于LabVIEW NXG的監(jiān)控軟件上位機(jī)、基于FPGA的下位機(jī)結(jié)構(gòu)，展示一套基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能檢測(cè)與控制系統(tǒng)軟、硬件架構(gòu)，一定程度上為幫助學(xué)生理解測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)豐富了素材。

自動(dòng)檢控制系統(tǒng)一般包含檢測(cè)與控制兩部分。檢測(cè)直接依賴于各式各樣的傳感器，負(fù)責(zé)采集被檢測(cè)物理量或控制參量的信息，主要技術(shù)指標(biāo)有靈敏度、重復(fù)性、穩(wěn)定性等[1]，以及其他針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合的特殊指標(biāo)。檢測(cè)到的信息將按一定的要求獲得處理，如直接比較或函數(shù)換算，最終給出檢測(cè)結(jié)果。控制部分依據(jù)該檢測(cè)結(jié)果，判斷并生成控制指令，傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這一環(huán)節(jié)多有微機(jī)處理器的參與，最好附有顯示和記錄裝置甚至報(bào)警裝置，是檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的核心部分。

針對(duì)上述典型測(cè)控集成化專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)，本設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)在于搭建其上位機(jī)監(jiān)控軟件以及與其匹配的下位機(jī)通信處理模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效控制。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控總體方案設(shè)計(jì)

本文涉及的監(jiān)控方案設(shè)計(jì)包含硬件電路程序模塊以及監(jiān)控軟件兩部分，總體的結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。其中，硬件電路及程序模塊基于Xilinx spantan-6系列的XC6SLX9-2FTG256C，在FPGA內(nèi)部采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)串口通信模塊。監(jiān)控軟件采用LabVIEW NXG進(jìn)行上位機(jī)的編寫，與FPGA通過(guò)串口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)? NI公司推出的LabVIEW NXG軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，較原版LabVIEW軟件具有較大的技術(shù)革新——以配置取代編程，大大提升了編程效率[2]。本方案基于LabVIEW NXG軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)，總體的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1）控制參數(shù)下發(fā)模塊。在監(jiān)控軟件上位機(jī)中，控制參數(shù)下發(fā)模塊主要完成兩個(gè)任務(wù)：一是FPGA與上位機(jī)的串口自動(dòng)匹配;二是相關(guān)配置參數(shù)修改后實(shí)時(shí)下發(fā)。設(shè)計(jì)上位機(jī)運(yùn)行伊始自動(dòng)搜索空閑串口并輪詢，發(fā)送指定指令，根據(jù)FPGA各串口響應(yīng)的特定字符串不同來(lái)自動(dòng)匹配串口。運(yùn)行后，在上位機(jī)顯示界面對(duì)磁場(chǎng)控制過(guò)程中調(diào)制解調(diào)、PID閉環(huán)控制等模塊相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改。當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)到該輸入控件值改變時(shí)，就將改變后的值按照數(shù)據(jù)類型不同，如濾波器參數(shù)、頻率控制字、相位控制字、使能參數(shù)等，進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，然后加幀頭、幀尾、地址位等打包，以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源，方便精準(zhǔn)控制，提高傳輸準(zhǔn)確率，最后通過(guò)串口下發(fā)。

2）數(shù)據(jù)采集處理模塊。上位機(jī)監(jiān)控軟件通過(guò)四路串口接收FPGA上傳的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，接收到這些數(shù)據(jù)后，首先通過(guò)數(shù)據(jù)解包子VI將一幀數(shù)據(jù)拆分成幀頭、地址位、幀尾等部分，通過(guò)幀頭、幀尾進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性的判斷，通過(guò)地址位將數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的處理程序，以備后續(xù)使用。

3）數(shù)據(jù)波形顯示與存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)波形顯示模塊將從上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)需求通過(guò)LabVIEW NXG中的“圖形”和“圖表”控件進(jìn)行動(dòng)態(tài)化顯示，也可以將數(shù)據(jù)以一定的格式存儲(chǔ)到相應(yīng)的文本文件中，供數(shù)據(jù)后續(xù)的處理利用。