趙建勇，盧慧芬，潘再平

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

電氣裝備的計(jì)算機(jī)控制是當(dāng)今工業(yè)控制發(fā)展的一個(gè)主流方向，該技術(shù)涵蓋了微電子、機(jī)械、信息、自動(dòng)控制、傳感測(cè)試、電力電子等專業(yè)知識(shí)［1－3］，學(xué)習(xí)該課程能夠拓寬學(xué)生的專業(yè)知識(shí)面，提高綜合運(yùn)行各學(xué)科知識(shí)的能力。所以浙江大學(xué)電氣學(xué)院為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)了“電氣裝備的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程。該課程是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的專業(yè)課程，必須有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。一套符合學(xué)生實(shí)際需要且具有創(chuàng)新性開(kāi)發(fā)功能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠使學(xué)生更加深入地理解其所學(xué)課程的理論知識(shí)，并且能提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合動(dòng)手能力［4－6］。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為多個(gè)掛箱，便于維護(hù)，同時(shí)也易于學(xué)生理解其結(jié)構(gòu)原理。硬件模塊緊密結(jié)合學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)，整個(gè)系統(tǒng)涵蓋了課程的主要內(nèi)容，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)課堂所學(xué)的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)有直觀的理解。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件部分則可以使學(xué)生充分發(fā)揮其想象力，通過(guò)編寫不同的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)掛箱以及供電部分均設(shè)有保護(hù)裝置，具有較高的安全性，適合學(xué)生操作。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件是由計(jì)算機(jī)、接口電路、外部設(shè)備等模塊組成，是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。軟件能夠完成對(duì)其接口和外部設(shè)備的控制，完成對(duì)信息的處理，軟件包括主機(jī)工作的系統(tǒng)軟件和為完成控制而進(jìn)行信息處理的應(yīng)用軟件兩大部分。

該系統(tǒng)中，操作臺(tái)為人機(jī)交互界面，學(xué)生在操作臺(tái)編寫程序或加入相應(yīng)的指令時(shí)，該指令由計(jì)算機(jī)CPU讀取后送到機(jī)箱中安裝的數(shù)據(jù)采集卡處理，然后經(jīng)過(guò)D／A及D／O通道將模擬信號(hào)輸出到被控對(duì)象，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。被控對(duì)象部分包含了各種傳感測(cè)試儀器，傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D及D／I通道將數(shù)據(jù)送到采集卡，然后在人機(jī)交互界面顯示。根據(jù)學(xué)生編寫指令的不同，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作以及返回的數(shù)據(jù)也都各不相同，因此可以實(shí)現(xiàn)多種控制功能。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件組成

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生使用，所以選擇了三相異步電機(jī)作為控制對(duì)象。控制系統(tǒng)主要硬件包括PCI－1202數(shù)據(jù)采集卡、模擬輸入輸出端子板DB－1825、隔離數(shù)字量I／O端子板DB－16P、隔離數(shù)字量I／O端子板、DB－16R數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)箱、繼電接觸控制實(shí)驗(yàn)掛箱、三相供電電源等。

PCI－1202數(shù)據(jù)采集卡見(jiàn)圖2。

圖2 PCI－1202數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集以傳感器、信號(hào)測(cè)量與處理、微型計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)用型很強(qiáng)。通過(guò)對(duì)信號(hào)的測(cè)量（數(shù)據(jù)獲?。?、處理、控制及管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)、控、管自動(dòng)化與一體化。在電氣裝備的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)中具有十分重要的地位。

PCI－1202為12位PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，有：16通道單端／8通道差分模擬輸入，可擴(kuò)展到256通道；16個(gè)數(shù)字量輸入通道和16個(gè)數(shù)字量輸出通道；兩通道12位D／A輸出通道；16位計(jì)數(shù)／定時(shí)器［7］。它的采集分辨率高，同時(shí)編程簡(jiǎn)單，適合學(xué)生使用，而且它具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，符合學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的要求。

DB－1825用于PCI－1202系列的37針電纜連接口的螺栓連接端子板 （32通道單端，16通道差動(dòng)）。它具備斷路檢測(cè)、低通濾波、電流電壓轉(zhuǎn)換等功能。

DB－16P板卡如圖3所示，它是一塊帶隔離的16通道數(shù)字輸入卡，用于PCI總線的多功能卡。它的光隔輸入由雙向光電耦合器帶一個(gè)電流檢測(cè)電阻組成?？梢杂盟鼇?lái)檢測(cè)從TTL電平到24V的直流信號(hào)，也可以用來(lái)檢測(cè)寬范圍的交流信號(hào)，還可以用此卡來(lái)隔離計(jì)算機(jī)和工業(yè)環(huán)境中常發(fā)生的共模電壓、地環(huán)流以及電壓尖峰。

圖3 模擬輸入輸出端子板DB－16P

DB－16R是一塊由16個(gè)C型繼電器組成的繼電器輸出板，如圖4所示。它用于可編程控制的有效的負(fù)載切換。其插頭定義和板卡性能與785系列完全兼容，只是使用了工業(yè)型的接線端子塊。DB－16R能與PCI－1202板卡配合使用。通過(guò)20芯扁平電纜接頭傳過(guò)來(lái)的5V電壓信號(hào)會(huì)使對(duì)應(yīng)的繼電器處于工作狀態(tài)。16個(gè)表明狀態(tài)的LED與16個(gè)繼電器一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)它所對(duì)應(yīng)的繼電器工作時(shí)，該LED就會(huì)發(fā)光。為了避免PC機(jī)電源過(guò)載，該卡還提供螺釘端子用于外接電源［8－9］。

數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)箱如圖5所示，包含3個(gè)交直流電壓傳感器、3個(gè)交直流電流傳感器及DB－1825接線端子板，面板上分別引出電流、電壓傳感器原邊及弱電側(cè)電流、電壓信號(hào)（0～±10V）［10］。

圖5 數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)箱

繼電接觸控制實(shí)驗(yàn)掛箱如圖6所示，包含2個(gè)主接觸器（交流220V）及對(duì)應(yīng)的3對(duì)主觸點(diǎn)及4對(duì)輔助觸點(diǎn)，1個(gè)中間繼電器（直流24V）及對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)，熱繼電器和時(shí)間繼電器各1個(gè)，還有3個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)及指示燈。

圖6 繼電接觸控制實(shí)驗(yàn)掛箱

除以上硬件裝置外，三相供電電源以及三相異步電機(jī)均采用浙江大學(xué)電氣學(xué)院機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室原有電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該裝置已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，性能可靠穩(wěn)定，安全性高，配合使用后更能保證新搭建平臺(tái)的安全性和穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件調(diào)試環(huán)境

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的人機(jī)交互部分采用了Borland C＋＋Builder。它是基于C＋＋語(yǔ)言的快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，是最先進(jìn)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的組件思想和面向?qū)ο蟮母咝дZ(yǔ)言C＋＋融合的產(chǎn)物。C＋＋Builder充分利用了已經(jīng)發(fā)展成熟的Delphi的可視化組件庫(kù)（visual component library，VCL），吸 收 了 Borland C＋＋這個(gè)優(yōu)秀編譯器的諸多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合了先進(jìn)的基于組件的程序設(shè)計(jì)技術(shù)，成熟的可視化組件庫(kù)和優(yōu)秀編譯器、調(diào)試器。目前C＋＋Builder已經(jīng)成為一個(gè)非常成熟的可視化應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，功能強(qiáng)大而且效率高［11］。其可視化界面如圖7所示。

圖7 C＋＋Builder組件界面

電氣工程專業(yè)學(xué)生均有過(guò)C＋＋或者C語(yǔ)言學(xué)習(xí)經(jīng)歷，因此對(duì)于該軟件的使用能夠較快地掌握和應(yīng)用。同時(shí)其可視化界面更加有利于人機(jī)交互，可以直觀地觀察計(jì)算機(jī)采集的各種電氣參數(shù)及波形，發(fā)送和接收指令快捷，符合電氣裝備計(jì)算機(jī)控制的基本要求。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用說(shuō)明

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以根據(jù)硬件電路連接的不同以及編寫程序的不同而組成多種實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)現(xiàn)不同的功能。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本硬件接線如圖8所示。

該平臺(tái)采用的PCI－1202數(shù)據(jù)采集卡自身帶有一個(gè)demo庫(kù)，學(xué)生首次實(shí)驗(yàn)時(shí)可以在連接好基本硬件電路后先調(diào)用PCI－1202采集卡自帶的某個(gè)庫(kù)文件到C＋＋Builder［12］，對(duì)該程序編譯運(yùn)行后即可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的簡(jiǎn)單控制功能，如電機(jī)啟動(dòng)、電機(jī)電壓電流信號(hào)單組采集等。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中便可以讓學(xué)生自主創(chuàng)新，根據(jù)自己設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行硬件或者軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的功能。

圖8 數(shù)據(jù)采集控制電路接線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

“電氣裝備計(jì)算機(jī)控制”創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建，豐富了“電氣裝備的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論知識(shí)有了更深的理解，真正明白了計(jì)算機(jī)控制硬件、弱電控制強(qiáng)電的物理概念。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的靈活性為學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了良好的平臺(tái)，高年級(jí)本科生以及研究生均可通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行某些探索實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)類似科研活動(dòng)，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和科研素質(zhì)具有較大的作用，所以該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有很大的意義。

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［1］黃進(jìn).電氣裝備的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2004.

［2］盧慧芬，邱建琪，潘再平.電氣裝備設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探討［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（12）：148－150.

［3］吳跨宇.計(jì)算機(jī)控制的電機(jī)型式試驗(yàn)系統(tǒng)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［4］付明明.基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.石家莊：河北科技大學(xué)，2011.

［5］周立，蔣天發(fā).C＋＋Builder中DELL的創(chuàng)建及調(diào)用 ［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（16）：73－75.

［6］裴立德，張大玉，陳家瓏，等.綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2001，18（3）：4－6.

［7］丁澤剛，劉海波.新體制雷達(dá)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建 ［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（1）：59－61.

［8］李林法，張英香.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22（7）：11－14.

［9］陳仲.“電力電子裝置及控制”課程教學(xué)設(shè)計(jì)的研究與探索［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（7）：34－41.

［10］高金源.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：理論、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［11］楊耕，羅應(yīng)立.電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［12］趙文敏，胡華，周怡.開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與探討［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006（25）：1117－1119.