一种基于LabVIEW和Matlab的电气工程专业虚拟实验系统构建方法

摘要

本发明涉及一种基于LabVIEW和Matlab的电气工程专业虚拟实验系统构建方法，包括以下过程：通过Verstand与Matlab的仿真库相交互，得到LabVIEW可以识别的DLL文件以达到Matlab与LabVIEW之间的交互，搭建虚拟实验系统的基础底层；通过LabVIEW来达成上位机与下位机之间的交互，实现虚拟实验系统的虚实结合；通过DataSocket技术来完成服务机和用户机之间的远程通信工作，实现虚拟实验系统的远程连接。本发明通过Matlab和LabVIEW共同使用来完成软件的整个运算的核心，可快速得到准确实验数据，减少运行计算的时间。

说明书

技术领域

本发明涉及电气工程专业实验系统技术领域，具体是涉及一种基于LabVIEW和Matlab的电气工程专业虚拟实验系统构建方法。

背景技术

电气学科是现代科学中的核心学科，要求掌握电机学、电力电子技术、电力系统基础、高电压技术、供配电与用电技术等知识领域的核心内容，而实验室对电气工程本科教学和科研尤为关键。

目前在国内已经有公司构建了完整的可商用的虚拟仿真实验室软件，但主要集中在医学、化工、环境以及动植物专业，仅有的相关虚拟实验系统本身数量较少且无法推广到电气工程专业。而在少部分电气工程专业的仿真实验系统中，其所面对对象又是企业相关人员，大部分内容对大学本科阶段学生基本无法接触，无法适用于本科阶段教学、科研。同时，现有的电气工程专业虚拟实验系统大多是完全的虚拟仿真，没有与实际相结合，而教学过程中，理论联系实际十分重要。而且，当下网络教学兴起，故急需搭建一个虚实结合、便于远程操作、面向电气工程专业本科学生的虚拟实验系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于LabVIEW和Matlab的电气工程专业虚拟实验系统构建方法，以克服上述不足。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：一种基于LabVIEW和Matlab的电气工程专业虚拟实验系统构建方法，包括以下过程：

通过Verstand与Matlab的仿真库相交互，得到LabVIEW可以识别的DLL文件以达到Matlab与LabVIEW之间的交互，搭建虚拟实验系统的基础底层；

通过LabVIEW来达成上位机与下位机之间的交互，实现虚拟实验系统的虚实结合；

通过DataSocket技术来完成服务机和用户机之间的远程通信工作，实现虚拟实验系统的远程连接。

在上述方案基础上，上位机与下位机之间交互过程：

上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备，下位机不时读取设备状态数据，转换成数字信号反馈给上位机。

在上述方案基础上，选择PC为上位机，在PC中运行LabVIEW的编程环境，选择变频器作为下位机，中间通过串口进行上位机与下位机之间的通讯，通讯使用USS通讯协议控制变频器，实现用上位机控制下位机的功能。

在上述方案基础上，其特征是，服务机和用户机之间远程通信：

通过一个LabVIEW程序向DataSocket服务器发布数据，而读数据的两个订阅器则分别为LabVIEW程序和WEB浏览器；完成服务器配置后，选择远程控制面板或浏览器方式访问服务器，对服务器进行交互远程操作，从而达到LabVIEW之间远程通信。

在上述方案基础上，在Matlab中搭建电气系统模型，同时，分别通过应用Veristand来实现Matlab与LabVIEW之前的交互，使用Datasocket服务器来实现服务器与用户机之间通信。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：(1)通过Matlab和LabVIEW的共同使用来完成软件的整个运算的核心，可以同时做到快速得到准确的实验数据，进而设计得到美观、友好的使用平台。同时Matlab能够快速按照LabVIEW的所给数据计算出相应的运行结果，减少运行计算的时间，以便更快，更好地进行实验。(2)使用USS通讯协议的方法来解决负载与主机之间的交互问题；(3)使用NI公司开发的DataSocket技术来完成服务机和用户机之间的远程通信工作。

附图说明

图1为本发明虚拟实验系统的设计方案与运行模式图；

图2为本发明虚拟实验系统通讯设计流程图；

图3为本发明虚拟实验系统远程连接流程设计图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

电气工程实验网络教育平台涉及多方面技术问题，如基础模型与界面搭建、软件交互、虚拟平台构建、主客机远程连接。为了让网络平台的功能更稳定、更快速，软件界面更精美，软件内容更形象、丰富，就需要结合各个软件的优缺点，来调节系统中每个模块之间的交互、运行关系。

本实施例提供了一种基于LabVIEW和Matlab的电气工程专业虚拟实验系统构建方法，如图1所示。

首先，利用LabVIEW设计程序，对一个虚拟仪器进行设计。在LabVIEW中搭建了一个简单的差分放大电路的界面，同时也做了电路的底层程序。

使用LabVIEW提供的修饰库可以制作出一个直观的实验电路图，方便看到系统图时直接去理解系统的原理以及构成，同时也方便进行模拟实验的操作。但由于LabVIEW在底层模型的搭建时所具有的局限性，这里采用拥有强大仿真模拟库的Matlab来实现底层模型的搭建。通过Matlab和LabVIEW的共同使用来完成软件的整个运算的核心，可以同时做到快速得到准确的实验数据，进而设计得到美观、友好的使用平台。同时Matlab能够快速按照LabVIEW的所给数据计算出相应的运行结果，减少运行计算的时间，以便更快，更好地进行实验。

为了实现LabVIEW与Matlab/Simulink的仿真模型之间的同步通讯，使用SIT虚拟仿真工具包按以下步骤进行操作：

(1)在Simulink环境中创建一个仿真模型。首先启动Matlab软件，SITServer自动运行。然后在Simulink平台上建立一个仿真模型，并将仿真接口工具包的信号探针SignalProbe模块添加至仿真模型中，当仿真模型运行时，便能实现与LabVIEW的通信。

(2)设置仿真环境参数。选择Simulation>ConfigurationParameters，调用ConfigurationParameters对话框，可根据需要对仿真步长、仿真终止时间等参数进行设置。

(3)创建LabVIEW用户界面。为了能够与Simulink中的仿真模型进行数据交换，需要利用LabVIEW建立一个用户界面。启动LabVIEW软件，新建一个VI，根据需要在VI的前面板上放置控制和显示控件，利用LabVIEW界面修饰工具对前面进行规划，使界面显得更加友好。

(4)建立用户界面与仿真模型之间的连接。首先在新建的LabVIEW用户界面工具栏上，选择Tool>SITConnectionManager，打开SITConnectionManager对话框。选择ModelandHost选项卡，在该选项卡中，可以指定SITServer的运行位置以及要建立连接的仿真模型文件的路径。选择Mappings选项卡，在该选项卡中可以定义前面板中的控制和显示控件与仿真模型的参数的一一对应关系，并且还能设定从仿真模型中读取数据的频率。这样就建立了LabVIEW用户界面与Simulink仿真模型的连接关系，通过用户界面就可控制仿真模型的运行。

但是由于在LabVIEW2012之后的版本就不再支持SIT仿真接口工具包，这里选择使用MIT仿真接口工具包来实现两个软件的交互。使用MIT模型接口工具箱，能够方便的将Simulink模型代码生成为DLL文件，并导入到LabVIEW中调用，安装LabVIEW以及Veristand，模型接口工具箱安装包位于Veristand中，同时要注意在选择Veristand时要去ni.com去确认Veristand与LabVIEW的版本，确实Veristand可以兼容LabVIEW以及Matalab的使用版本。安装好Veristand后打开Matlab。

Matlab的命令行窗口出现：

“NIVeristand2018SP1ModelFramework

###Successfullyinitializedcomponents”

这两行代码时，即代表Matlab已经与Veristand实现了关联，然后建立所需的系统的Simulink模型，这里同样使用差分放大电路来做为预演。同时Simulink中自带可以将小系统模块化的功能，更方便在以后做相关系统是进行底层模型的搭建。

在Simulink的界面，点击ModelConfigurationParameters，进入对话框，进行配置。在Solver选项卡中把Stoptime设置改为inf，Type设置为Fixed-step在CodeGeneration选项卡内，TargetSelection选区中，Systemtargetfile选择NI Veristand.tlc目标。点击Build，使其生成包含DLL文件的文件包。

当在DiagnosticViewer窗口的最下面显示：

“Buildprocesscompletedsuccessfully”

表明Math-works，Simulink中的模型成功生成了NIVeristand兼容的DLL文件。

因MIT仿真工具包在NIVeristand中，故NIVeristand就相当于一个连接Simulink和LabVIEW的桥梁。一方面，当Matlab和Veristand关联成功后，在Simulink中会有一个模块组NlVerstandBlocks，模块组中包含NIVeristandInl和NIVeristandOut1，这两个模块分别对应Simulink中硬件电路的输入和输出，无具体数值﹐需要在LabVIEW中利用数组连接到MIT上，进行相关数值或图形的输入和输出。另一方面﹐在LabVIEW中，NIVeristand的MIT为Simulink的硬件电路提供了模型接口，Simulink硬件电路模型生成的DLL文件通过文件I/O选板的路径常量连接到MIT上，从而形成一个闭环。

在LabVIEW中进行交互模型的搭建，并且执行。这样就实现了Matlab和LabVIEW的交互，这种方法能够通过LabVIEW对Simulink的仿真结果实时动态显示，显示结果与Simulink单独运行时相同；能够通过LabVIEW修改Simulink硬件电路中各元件的参数，各个参数和仿真结果同时在LabVIEW前面板界面显示，实现对系统状态的实时监测与显示；能够通过Simulink和LabVIEW的联合仿真实现自动控制，使操作简单易行。

虚拟实验系统虚实结合的构建方案：

集中-分散系统是上位机集中、下位机分散的系统。上位机采用PC，屏幕上显示各种信号变化，如液压、水位、温度等。下位机直接控制设备获取设备状况，也即被服务者的计算机，一般是PLC/单片机之类。

上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据(一般为模拟量)，转换成数字信号反馈给上位机。

RS-232是现在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

(1)接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3—-15V；逻辑“0”：+3—+15V，噪声容限为2V。即要求接收器能识别高于+3V的信号作为逻辑“0”，低于-3V的信号作为逻辑“1”，TTL电平为5V为逻辑正，0为逻辑负。与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

(2)传输速率较低，在异步传输时，比特率为20Kbps；因此在51CPLD开发板中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。

(3)接口使用一根信号线和一根信号返回线与地线构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

(4)传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。

RS485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

USS协议主要有如下几个特点：支持多点通信，物理层可使用RS485网络；采用主-从的通信方式，网络中最多可以有1个主站(Master)和31个从站(Slave)；单双工通信方式，可发送和接收，但不能同时进行；报文简单可靠，数据长度可变；

具体虚拟实验系统通讯设计，如图2所示。

选择PC为上位机，在PC中运行LabVIEW的编程环境，选择西门子变频器mm440作为下位机，中间通过(RS232转RS485)串口进行上位机与下位机之间的通讯，通讯使用USS通讯协议控制变频器，最终实现用上位机控制下位机的功能。

而关于LabVIEW的编程是由四个子程序组成：

(1)PC读取从变频器传回的数据。

(2)处理用户的指令。

(3)通过USS协议使PC与mm440通讯。

(4)处理mm440变频器回传的数据报文。

关于USS协议的使用，先使用LabVIEW的VISA程序配置串口模块，对所有用到的串口进行配置，使各项数据与变频器的参数设置一致，通过串口发出数据给mm440变频器，再由变频器来控制负载的运行。

LabVIEW之间的远程通信：现如今LabVIEW所支持的通信协议包括TCP/IP、UDP、串口通信协议、无线网络协议和邮件传输协议；其中TCP/IP协议体系是目前最成功，使用最频繁的Internet协议，有着良好的实用性和开放性。这里选用了同为NI公司开发的DataSocket技术来完成服务机和用户机之间的远程通信工作。

DataSocket技术是一种面向测控领域的网上实时数据交换编程技术，DataSocket技术基于Microsoft的COM和ActiveX技术，对TCP/IP协议进行高度封装，它包括了DataSocketServerManager、DataSocketServer和DataSocketAPI这几个工具软件，以及DSTP(DataSocketTransferProtocol)协议、通用资源定位符URL(UniformResourceLocator)和文件格式等技术规范。它能大大简化Internet网上计算机之间测控数据交换的编程工作。

通过一个LabVIEW程序(发布器)向DataSocket服务器发布数据，而读数据的两个订阅器则分别为LabVIEW程序和WEB浏览器。这种方式进行的远程通信的优点在于——发布器并不直接向订阅器写数据，而是通过DataSocket服务器，这种分层体系使我们可以灵活的设计应用系统的结构，例如让DataSocket服务器单独运行于一台机器上，以提升其性能。

具体的设计过程中需要通过DataSocketServerManager这一独立运行的应用程序创建或读写数据项即DataSocketServer中的数据文件，同时还可以设置DataSocketServer可连接的客户端程序的最大数目和可创建的数据项的最大数目、设置用户和用户组以及设置用户可创建数据项和读写数据项的权限。

远程访问：用户机的远程访问包含远程面板控制以及客户端浏览器访问，而这两种方式都需要对服务器进行配置。整体远程连接流程设计如图3。

配置服务器包括3部分：服务器目录与日志配置、客户端可见VI配置和客户端访问权限配置。用户机在LabVIEW中选择“工具→选项”即可打开参数配置框，左侧分别可见“Web服务器：配置”、“Web服务器：浏览器访问”。其中“Web服务器：配置”是用来配置服务器目录和日志属性、“Web服务器：可见VI”用来配置服务器根目录下可见的VI程序，也即对客户端可操作的VI程序。“Web服务器：浏览器访问”用来设置客户端的访问权限。完成服务器配置以后，即可以选择远程控制面板或浏览器方式访问服务器、对服务器进行交互远程操作等，从而达到LabVIEW之间远程通信的目的。