部德才

(大連大學 物理科學與技術(shù)學院, 遼寧 大連 116622)

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RLC電路實驗遠程接線的實現(xiàn)

部德才

(大連大學 物理科學與技術(shù)學院, 遼寧 大連 116622)

為探討遠程實驗電路接線問題,研制一套RLC電路遠程接線裝置。以AT89C51單片機為核心,根據(jù)RLC電路實驗中各接線端子間的所有可能組合,構(gòu)建接線陣列,每兩個接線端子間用繼電器控制其接通或斷開,繼電器的狀態(tài)由單片機根據(jù)各自的接線控制碼決定,單片機通過串行口接收上位機發(fā)送的繼電器控制碼。在LabVIEW環(huán)境下的遠程客戶端通過點擊操作面板上器件端子按鈕,生成相應(yīng)的繼電器控制碼,經(jīng)裝置硬件電路實現(xiàn)對任意器件端子間的接線操作。在RLC電路遠程實驗中應(yīng)用表明,該裝置結(jié)構(gòu)簡單,可靠性好,可實現(xiàn)對RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過程、并聯(lián)電路暫態(tài)過程等多個實驗遠程接線,適合在遠程實驗中應(yīng)用。該方法也可擴展到其他遠程實驗使用。

遠程實驗; RLC電路; 單片機; LabVIEW

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠程教育[1-3]的發(fā)展,近年來出現(xiàn)了利用網(wǎng)絡(luò)的共享功能通過傳送數(shù)據(jù)來完成實驗的遠程實驗教學方式[4-6],而且越來越受到人們的重視。目前多數(shù)遠程實驗系統(tǒng)除實現(xiàn)對實驗參數(shù)的控制外[7-8],主要著重于實驗數(shù)據(jù)采集、處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫鎇9-10]。為使遠程實驗更具真實性和靈活性,還應(yīng)實現(xiàn)實驗電路的接線控制,在遠程客戶端對實驗儀器和器件進行模擬手工連接線路[11],在實驗者提高動手能力的同時,也可達到用同一套遠程實驗裝置進行多個實驗項目的目的。本文針對電磁學中“RLC電路特性的研究”實驗,研制了一套遠程接線裝置,對電路器件各個接線端子之間加裝繼電器陣列,通過單片機控制繼電器狀態(tài),使各個端子間接通或斷開,從而能進行任意器件端子間的線路連接。再結(jié)合虛擬儀器技術(shù)[12]和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),使得在遠程客戶機上通過點擊虛擬面板上的相應(yīng)按鈕,實現(xiàn)實驗電路的連接,以適合不同RLC電路的遠程實驗。

1 實驗裝置硬件組成及原理

RLC電路特性的研究實驗主要包括RLC電路暫態(tài)過程、串聯(lián)電路及并聯(lián)電路的相頻特性和幅頻特性研究。為使實驗裝置具有更為普遍的應(yīng)用性,根據(jù)RLC電路中各元件與信號發(fā)生器和示波器的所有可能組合,構(gòu)建接線陣列,接線陣列中每兩個接線端子間用繼電器控制其接通或斷開,利用2片ATMEL公司的AT89C51單片機分別控制繼電器組,如圖1所示。單片機與上位機通過串行口通信,接收計算機發(fā)送的接線控制碼。每片單片機的串行發(fā)送端和串行接收端分別并聯(lián)后與上位機連接,利用上位機發(fā)送程序控制字的高2位對單片機進行片選操作[13],不會導致單片機的工作發(fā)生混亂。在單片機與上位機之間采用美國美信公司(MAXIM)的串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232完成RS232與TTL電平的轉(zhuǎn)換。服務(wù)器與客戶機之間采用TCP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通信。

圖1 實驗裝置硬件組成

實現(xiàn)計算機控制接線的關(guān)鍵是要使電路中各個接線端子之間能任意連線。在RLC電路實驗的各種電路中,主要包括電阻器、電容器、電感器、信號發(fā)生器以及示波器。對于這些元件和儀器的各種接線,設(shè)計由單片機并行口線控制繼電器陣列實現(xiàn)任意兩端子間接通或斷開,繼電器的狀態(tài)由單片機根據(jù)各自的接線控制碼決定,如表1所示。其中R1a、R1b、Ca、Cb、La、Lb分別表示電阻器、電容器和電感器的接線端子,R0a、R0b表示RLC并聯(lián)電路中的固定電阻接線端子,S、Y1、Y2分別表示信號發(fā)生器、示波器1通道和示波器2通道接線端子,G表示信號發(fā)生器和示波器的公共地線接線端子。表1中每個十六進制控制碼代表了一種接線組合,單片機接收來自上位機的某個接線控制碼后,改變其相應(yīng)的繼電器狀態(tài),即完成對該組合的接線或拆線操作?？紤]到相同元件2個接線端子具有同等效果,而且公共接地端與信號發(fā)生器和示波器之間不能互相連接以防止短路,繼電器組有部分冗余(如表1中“×”所示)。為便于程序的編寫,使軟件盡可能簡化,電阻器、電容器與電感器的接線陣列由單片機1控制,信號發(fā)生器與示波器接線陣列由單片機2控制。

表1 繼電器接線控制碼

2 軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)通信采用客戶機/服務(wù)器模式,通過TCP/IP協(xié)議傳送數(shù)據(jù)?？蛻魴C與服務(wù)器程序均利用LabVIEW編程[14]。LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品,基于圖形化編程語言G語言的開發(fā)環(huán)境,具有簡單、直觀、便于使用的特點?？蛻魴C程序的前面板完全仿照真實的儀器面板,信號發(fā)生器和示波器采用自行開發(fā)的虛擬儀器[15]。用戶用鼠標單擊任一接線端子,然后再單擊其他接線端子,程序向單片機發(fā)送該連線組合的代碼,由單片機控制相應(yīng)繼電器的通斷,完成這2個接線端子間連線,同時在客戶機面板上顯示連線結(jié)果。再次單擊已經(jīng)連線的接線端子將會拆除該連線。

根據(jù)表1所示接線陣列,客戶機程序?qū)γ總€接線端子編號,建立各端子間連線的數(shù)據(jù)表,根據(jù)面板上接線端子的點擊情況,由程序產(chǎn)生相應(yīng)的控制碼。圖2為接線控制程序的流程圖。對于接線控制碼的產(chǎn)生和發(fā)送,程序設(shè)計由變量N指示接線端子的點擊次數(shù),只有N等于2時才將接線控制碼發(fā)送到服務(wù)器,保證點擊端子和實際接線操作相對應(yīng),其他情況則向服務(wù)器發(fā)送標志碼255,表示此時不進行接線操作。用另外2個變量Row和Line分別表示第一次和第二次點擊的端子代碼,當完成兩次點擊時將二者組合出接線碼,由TCP Write結(jié)點發(fā)送至服務(wù)器。

圖2 接線控制程序流程圖

當用戶進行接線操作時,在客戶機前面板上應(yīng)能清楚地了解其接線情況。將LabVIEW前面板控件中的Square LED拉長變形后連接在各端子之間,并設(shè)置LED的初始狀態(tài)為邏輯假值。在接線控制碼成功發(fā)送的同時,將對應(yīng)的LED點亮,即可實時顯示接線狀態(tài)。

由于在實驗過程中接線操作并不頻繁,為避免上位機和單片機之間的重復(fù)通信,在服務(wù)器程序中增加一Case結(jié)構(gòu),只有在虛擬面板上完成一次成功的連線時才通過串口將接線控制碼傳送至單片機。由TCP Read結(jié)點接收來自客戶機發(fā)送的數(shù)據(jù),判斷該數(shù)據(jù)如果不等于標志碼255,則調(diào)用VISA Write結(jié)點將該數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送至單片機中,繼而控制對應(yīng)繼電器的通斷,最終實現(xiàn)遠程接線的功能。

3 在RLC電路遠程實驗中的應(yīng)用

圖3 RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過程接線圖

圖4 RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過程uR的波形

4 結(jié)束語

為探討遠程實驗中電路接線的問題,研制了RLC電路遠程接線裝置,通過構(gòu)建繼電器接線陣列,利用單片機控制繼電器的接通或斷開實現(xiàn)對電路的接線操作。設(shè)計基于LabVIEW的虛擬操作界面,實驗者點擊元件端子相應(yīng)按鈕,程序?qū)⑸傻目刂拼a通過串口發(fā)送給單片機進而控制繼電器狀態(tài)。在RLC電路遠程實驗中應(yīng)用表明,該裝置結(jié)構(gòu)簡單,可靠性好,適合在遠程實驗系統(tǒng)中應(yīng)用。對接線陣列的設(shè)計,提供了在任意器件端子間進行接線的可能性,只需設(shè)計出相應(yīng)的軟件和遠程實驗平臺,即可將該裝置應(yīng)用于其他類似傳統(tǒng)實驗。因此,這種方法解決了在遠程實驗中電路接線的問題,可以廣泛應(yīng)用于各種遠程實驗中。

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Implementation of remote connection in RLC circuit experiment

Bu Decai

(College of Physical Science and Technology,Dalian University,Dalian 116622,China)

To discuss the problem of circuit connection in a remote experiment,a set of control device for the remote connection in the RLC circuit experiment is designed and developed.It employs the microcontroller AT89C51 as the core,establishes a relays array for the connection based on all the possibilities of connection between terminals of all the experimental apparatus.The connection or disconnection between any two terminals is controlled by relays whose status is confirmed by control codes which the microcontroller receives from the supervisory computer through serial interface.Due to the hardware circuit of this device,the connection between any two terminals can be implemented on the remote client computer based on LabVIEW when the buttons of terminals are clicked.Its application to the remote experiment of the RLC circuit demonstrates that the device with its simple structure is highly reliable and suitable for remote experiments such as the transient process of RLC series circuit and the transient process of RLC parallel circuit as it makes it possible to connect many specific RLC circuits remotely.Moreover,this method can also be extensively applied to other similar traditional experiments that therefore can be modified as remote experiments.

remote experiment; RLC circuit; microcontroller; LabVIEW

2014- 06- 26 修改日期：2014- 09- 18

2012年遼寧省教育廳教改項目(937)；大連大學教改項目(2013G3-139)

部德才(1972—)，男，黑龍江寧安，博士研究生，講師，主要從事遠程實驗教學研究.

E-mail：caizi1108@163.com

TP273;G434

A

1002-4956(2015)2- 0107- 03