Tổ chức một phòng thí nghiệm ảo Đo lường- lý thuyết mạch

Tổ chức một phòng thí nghiệm ảo Đo lường- lý thuyết mạch

1 Lời nói đầu Khi xây dựng một phòng thí nghiệm cho sinh viên học tập nghiên cứu, cần phải trang bị khá nhiều thiết bị hiện đại và chuyên dụng. Trong thực tế, do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nên các hệ thống thiết bị phục vụ cho bài toán kỹ thuật luôn đợc phát triển không ngừng và vì sự hạn chế về kinh phí nên các phòng thí nghiệm nhà trờng khó có thể trang bị đầy đủ và kịp thời các thiết bị thực để đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu. Đây là một trong những nguyên nhân khiến cho các sinh viên khi ra trờng lúng túng, bỡ ngỡ trong các thao tác thực hành và vì thế hiệu quả công việc giảm đi rất nhiều. Có thể khắc phục hạn chế này bằng cách xây dựng một phòng thí nghiệm ảo có đủ các trang thiết bị hiện đại với mục đích giúp các sinh viên có thể làm quen với mặt máy, thao tác trên các núm nút, đọc chỉ số thiết bị đo một cách thành thạo trớc khi làm việc với các thiết bị thật. Thiết bị ảo có những lợi thế rất lớn về giá cả, chỉ tiêu chất lợng và tính linh hoạt so với thiết bị thực. Do vậy, việc xây dựng một phòng thí nghiệm ảo bao gồm các thiết bị đo lờng hiện đại cùng các panel thí nghiệm tổng hợp tạo ra một hiệu quả đáng kể về kinh tế và có ý nghĩa rất lớn trong công tác đào tạo, giảng dạy và nghiên cứu tại các nhà trờng. Với mục đích nghiên cứu, xây dựng một phòng thí nghiệm ảo Lý thuyết mạch trên cơ sở mạng máy tính và các thiết bị ảo chuyên dụng phục vụ cho công tác đào tạo giảng day môn học Lý thuyết mạch , đồ án của em bao gồm các nội dung chính nh sau: - Chơng 1: Trình bày về ngôn ngữ lập trình LabVIEW trong các bài toán điều khiển, ghép nối, mô phỏng thiết bị ảo và các kỹ thuật lập trình tạo thiết bị ảo trên LabVIEW. 2 - Chơng 2: Trình bày lu đồ thuật toán và các bớc thiết kế xây dựng thiết bị ảo cho phòng thí nghiệm Đo lờng - Lý thuyết mạch. - Chơng 3: Trình bày về phần mềm EWB trong mô phỏng nguyên lý hoạt động của mạch điện tử và các bớc xây dựng một bài thí nghiệm Lý thuyết mạch trên EWB. - Chơng 4: Sử dụng kết quả nghiên cứu của các chơng trớc để tổ chức xây dựng một phòng thí nghiệm ảo Đo lờng - Lý thuyết mạch. Do hạn chế về thời gian và trình độ nên đồ án không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận đợc các ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các thầy giáo và các bạn đồng nghiệp. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TSKH Nguyễn Công Định, KS Cao Hữu Tình, các thầy giáo trong khoa Kỹ thuật Điều khiển và Trung tâm Công nghệ Mô phỏng - HVKTQS đã quan tâm và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đồ án của mình. Xin chân thành cảm ơn Tác giả 3 Chơng 1: Kỹ thuật lập trình hỗ trợ tạo thiết bị ảo trên LabVIEW 1.1. Khái niệm về phần mềm đồ hoạ LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Istrument Engineerring Worbench) là một chơng trình ứng dụng phát triển, dựa trên cơ sở ngôn ngữ lập trình đồ hoạ G, thờng đợc sử dụng cho mục đích đo lờng, xử lý, điều khiển tham số và mô phỏng thiết bị. Là một ngôn ngữ lập trình đa năng, giống nh C hoặc BASIC, LabVIEW có các th viện hàm cho các nhiệm vụ khác nhau. Với mục đích xây dựng một ngôn ngữ chuyên dụng cho các bài toán khoa học kỹ thuật, các th viện hàm đợc cung cấp bởi LabVIEW rất mạnh, phong phú và luôn đợc phát triển để tơng thích với sự phát triển của phần cứng và của các yêu cầu thực tiễn. Có thể kể ra một số th viện hàm sau: - Analysis VIs: Bao gồm các hàm phân tích và xử lý tín hiệu. - Communication VIs: Cung cấp các hàm dùng để kết nối và trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng trên nền WINDOWS. - Control & Simulation Toolkit: Dùng cho các bài toán mô phỏng và điều khiển. Khác với ngôn ngữ lập trình thông thờng (ngôn ngữ dòng lệnh) LabVIEW sử dụng ngôn ngữ lập trình G ngôn ngữ lập trình đồ hình - để tạo các chơng trình ở dạng sơ đồ khối. Do đó ngời lập trình có thể thiết kế một giao diện mô phỏng theo panel của các thiết bị vật lý thực. Nó còn tạo ra một cái nhìn trực quan trong việc xây dựng mã nguồn, giúp ngời lập trình trong thiết kế hệ thống, gỡ rối và kiểm tra chơng trình. 1.2. Kỹ thuật lập trình cơ bản trên LabVIEW 1.2.1. Cấu trúc chơng trình 4 Các chơng trình xây dựng trên LabVIEW (VIs) tơng tự nh các function của một ngôn ngữ lập trình dòng lệnh. Một VI gồm có ba phần: Giao diện với ngời sử dụng Front Panel, lu đồ cung cấp mã nguồn Block Diagram, và biểu tợng kết nối Icon/Conector. - Front Panel: Là nơi giao tiếp giữa ngời dùng và chơng trình. Nó tơng tự nh một panel của các thiết bị vật lý, bao gồm các nút bật, công tắc chuyển mạch, bộ hiển thị, Với Front Panel bạn có thể nhập số liệu từ bàn phím (hoặc chuột) và xem kết quả từ màn hình. Hình 1.1 minh hoạ một Front Panel của chơng trình. - Block Diagram: VI nhận lệnh từ block diagram. Đây là một phơng thức đợc sử dụng trong G ngôn ngữ đồ hình. Block diagram thờng có các đối tợng, các hàm và SubVI, đợc kết nối với nhau theo một quy tắc nhất định để cung cấp mã nguồn đồ hình cho VI thực hiện. Block diagram gồm có các terminal, node và wire. Terminal là cổng truyền dữ liệu giữa block diagram với front panel hoặc giữa các node trong cùng một block diagram. Để hiển thị các terminal của hàm hoặc VI, kích chuột phải vào icon của chúng rồi chọn menu: Show>>Terminal. Node là các phần tử thực hiện Hình 1.1: Front Panel của chơng trình 5 chơng trình. Chúng tơng tự nh các mệnh đề, toán tử, hàm hoặc chơng trình con ở trong các ngôn ngữ lập trình dòng lệnh. Wire giống nh các bus truyền dữ liệu giữa các node. Hình 1.2 minh hoạ một Block Diagram của chơng trình. - Icon và Connector: VI có thể thực hiện một cách độc lập hoặc đợc một VI khác gọi tới nh một chơng trình con (SubVI). Để làm điều này LabVIEW đa ra khái niệm icon và connector. Icon là biểu tợng của một VI, đợc dùng khi sử dụng VI này nh một SubVI trong một VI khác. Một VI gọi tới một VI khác bằng cách đa icon của nó vào block diagram. Connector là một phần tử của terminal dùng để kết nối các đầu vào hoặc đầu ra của một SubVI với các node khác trong block diagram của VI gọi nó. M ỗi VI có một icon mặc định hiển thị trong bảng Icon ở góc trên bên phải của cửa sổ Front Panel hoặc Block Diagram (hình 1.3). Hình 1.2: Block Diagram của chơng trình Hình 1.3: Icon của chơng trình 6 Để hiển thị connector của một VI trên front panel, kích chuột phải vào icon và chọn menu: Show>>Connector. 1.2.2. Các công cụ hỗ trợ lập trình - Tools palette: Bao gồm các chế độ làm việc của chuột. Các công cụ có trong tools palette đợc sử dụng để soạn thảo hoặc chạy chơg trình. Để truy cập vào Tools palette chọn menu: Window>>Show Tools palette. Khi này xuất hiện một bảng công cụ nh minh hoạ ở hình 1.4. - Controls palette: L à bảng chứa các bộ điều khiển và chỉ thị đợc sử dụng trên front panel của các VI. Controls là các terminal đầu vào, dùng để cung cấp dữ liệu cho VI còn Indicators là các terminal đầu ra dùng để hiển thị dữ liệu do VI tạo đợc. Để truy cập vào controls panel ta chọn menu: Window>>Show Controls palette. Khi này xuất hiện bảng controls nh minh hoạ ở hình 1.5. Có thể tham khảo [10] hoặc xem help của phần mềm để có thông tin chi tiết hơn về các điều khiển trong controls palette. Hình 1.4: Tools palette Hình 1.5: Controls Palette 7 - Functions palette: Functions là các node cơ bản trong ngôn ngữ lập trình G, nó tơng tự các toán tử hoặc các hàm trong ngôn ngữ thông thờng. Functions có biểu tợng màu vàng, không có front panel và block diagram (do chúng không phải là các VIs). Có thể truy nhập các functions từ Window>>Functions palette. Hình 1.6 minh hoạ một Functions Palette. Functions đợc sử dụng để xây dựng block diagram. LabVIEW có th viện hàm rất mạnh và phong phú để xử lý kết quả cũng nh điều khiển và mô phỏng thiết bị nh: các hàm xử lý toán học - Numeric Functions, các hàm biến đổi logic - Boolean Functions, các hàm xử lý mảng và ma trận - Array Functions. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật mà các th viện hàm trên LabVIEW luôn đợc Hình 1.6: Functions Palette 8 phát triển và chuyên dụng hoá để ngời dùng có thể cập nhật và sử dụng hiệu quả cho mục đích công việc của mình. 1.2.3. Các bớc xây dựng chơng trình trên LabVIEW Sau khi đã tìm hiểu đặc điểm của ngôn ngữ, công cụ hỗ trợ và điều khiển chơng trình ta sẽ bắt tay vào xây dựng một VI. Để xây dựng một chơng trình trên LabVIEW cần tuân thủ theo các bớc sau: - Thiết kế giao diện trên Fronl panel: Tạo một VI mới bằng cách chọn New VI từ hộp hội thoại hoặc từ menu: File>>New. Đặt các Control và Indicator cần thiết lên Front Panel bằng công cụ positioning tool. Pop-up lên từng đối tợng để lựa chọn cách hiển thị và thay đổi thuộc tính của chúng. - Xây dựng mã nguồn trên Block Diagram: Chọn Windows>> Show Block Diagram (phím tắt là Ctrl+E) để hiện Block Diagram của VI. Thao tác tơng tự bớc 1 để xây dựng các cấu trúc và hàm cần thiết cho chơng trình. Chọn công cụ Wiring tool để liên kết các đối tợng trong Block Diagram. Trở lại front panel chọn công cụ Operating tool để nhập giá trị đầu vào và kích hoạt cho VI hoạt động để kiểm tra lỗi và đánh giá thuật toán. - Sao lu chơng trình: Ghi chơng trình lên đĩa với tên mở rộng là *.VI bằng cách chọn New >>Save (Ctrl+S) hoặc New>>Save As. 1.2.4. Khái niệm và cách xây dựng một SubVI Trong lập trình ta thờng gặp hai vấn đề: - Có một số đoạn mã đợc lặp lại mà việc viết chúng khiến chơng trình trở nên cồng kềnh nên cần phải tập hợp vào một modul để khi chơng trình có yêu cầu thì chỉ cần gọi modul này. - Với một chơng trình lớn cần phải chia thành các modul nhỏ cho nhiều ngời cùng xây dựng (kiểu top-down) mà các modul này có 9 thể hoạt động độc lập song cũng có thể kết hợp lại trong một modul mức đỉnh để thực hiện các yêu cầu đặt ra. Để giải quyết vấn đề này, LabVIEW đa ra khái niệm SubVI. SubVI là một VI đợc bổ sung thêm biểu tợng (icon) và đầu nối (connector) để có thể sử dụng trong VI khác. Việc sử dụng SubVI giúp chơng trình dễ hiểu, dễ gỡ rối và có thể phân chia một nhiệm vụ phức tạp thành nhiều modul để nhiều ngời cùng tham gia hoàn thành. Trong LabVIEW có hai cách cơ bản để xây dựng một SubVI: Xây dựng từ một VI và xây dựng từ một phần của VI. Để xây dựng SubVI từ một VI ta làm theo các bớc sau: - Thiết kế front panel và xây dựng mã nguồn trên block diagram: Bớc này tơng tự nh các bớc tạo một VI mà ta đã trình bày ở trên. - Tạo biểu tợng cho SubVI: Để tạo biểu tợng của VI cần cho hiện cửa sổ Icon Editor. Có thể gọi cửa sổ này bằng cách kích đúp chuột vào ô biểu tợng ở góc bên phải hoặc kích chuột phải và chọn mục Edit Icon. Khi đó cửa sổ sẽ hiện lên nh minh hoạ dới hình 1.12. Sử dụng các công cụ ở bên trái cửa sổ để thiết kế biểu tợng theo ý muốn. Hình 1.12: Icon Editor 10 - Xác định các mẫu connector terminal: Để có thể nhận hay truyền dữ liệu bạn cần phải có các connector. LabVIEW có rất nhiều mẫu conector mà ta có thể chọn bằng cách pop-up trên icon và chọn Pattern. Khi này một bảng mẫu của connector sẽ xuất hiện nh hình 1.13. Ta có thể thêm một terminal vào mẫu (Add Terminal), bỏ một terminal (Remove Terminal) hoặc thay đổi không gian sắp xếp (Flip Horizontal, Flip Vertical, Rotage 90 degrees). Hình 1.13: Pattern Icon Hình 1.14: Gán Terminal cho Controls [...]... nh một terminal trong một mạng thiết bị ảo Điều này còn cho phép ngời sử dụng thao tác với các thiết bị ảo một cách độc lập với nhau làm tăng tính thời gian thực của hệ thống phòng thí nghiệm ảo Khi này phòng thí nghiệm ảo sẽ đợc xây dựng nh một mạng của các thiết bị đo lờng và panel thí nghiệm, kết nối và trao đổi dữ liệu với nhau thông qua một mạng cục bộ Hình 2.1 minh hoạ một mạng thiết bị thí nghiệm. .. thiết bị ảo Sau đây em xin trình bày chi tiết quá trình xây dựng các thiết bị ảo trong phòng thí nghiệm Đo lờng - Lý thuyết mạch 2.1 Xây dựng máy tạo tín hiệu chuẩn ảo Máy phát tín hiệu chuẩn là một thiết bị không thể thiếu trong phòng thí nghiệm Đo lờng - Lý thuyết mạch Thiết bị này đợc dùng để tạo ra các tín hiệu đầu vào chuẩn hình sin hoặc xung vuông cho các bài thí nghiệm Trong th viện thiết bị ảo chuyên... mạch - nhiệm vụ chính của đồ án 23 Chơng 2: Xây dựng các thiết bị ảo cho phòng thí nghiệm Đo lờng - Lý thuyết mạch Đối với các thiết bị ảo trong phòng thí nghiệm Đo lờng - Lý thuyết mạch, chúng ta có thể xây dựng theo các hớng sau: - Xây dựng một thiết bị mô phỏng bán tự nhiên trên máy tính, bao gồm một card ADC ghép với máy tính, và một phần mềm điều khiển, ghép nối để giao tiếp với card Theo hớng... đi kèm thiết bị để xây dựng một th viện điều khiển tuỳ biến phục vụ cho thiết kế các thiết bị ảo của phòng thí nghiệm Đo lờng - Lý thuyết mạch 25 - Kết nối và trao đổi dữ liệu: Trong phòng thí nghiệm Đo lờng Lý thuyết mạch, chức năng chính của các thiết bị là phát các tín hiệu với dạng chuẩn hoặc thu và hiển thị các tín hiệu Nh vậy, một cách tự nhiên khi xây dựng thiết bị ảo, chúng ta sẽ nghĩ ngay đến... vuông cho các bài thí nghiệm Trong th viện thiết bị ảo chuyên dụng phục vụ cho việc xây dựng phòng thí nghiệm Đo lờng - Lý thuyết mạch, em đã xây dựng thiết bị LS27A, một máy phát tín hiệu sin và xung vuông do hãng LEADER chế tạo, đợc sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm Đo lờng - Lý thuyết mạch 2.1.1 Nguyên lý làm việc và các đặc tính kỹ thuật LS27A là thiết bị phát tín hiệu tần số thấp Các đặc tính... dựng các thiết bị ảo cho phòng thí nghiệm ảo Đo lờng - Lý thuyết mạch Quá trình xây dựng một thiết bị ảo trên LabVIEW sẽ bao gồm các vấn đề sau: - Xây dựng giao diện cho thiết bị mô phỏng: Để thiết bị ảo có hiệu quả cao nhất thì ngoài việc xây dựng mã nguồn mô tả phơng trình động lực học của thiết bị thực, cần phải xây dựng cho thiết bị ảo một giao diện sử dụng giống nh thiết bị vật lý đợc mô phỏng Để... nút, chuyển mạch để thay đổi tần số, biên độ, dạng tín hiệu của máy phát tín hiệu chuẩn LS27A để phát tín hiệu vào mạng thí nghiệm ảo cho các bài thí nghiệm Đo lờng Lý thuyết mạch 2.2 Phân tích nguyên lý và xây dựng máy hiện sóng ảo LS1020 Máy hiện sóng Oscilloscope là thiết bị đo vạn năng dùng để quan sát dạng tín hiệu và đo các tham số tín hiệu điện (biên độ, tần số, pha, ) Kết quả đo hiển thị... phân tích, xử lý cũng nh lu trữ trên máy tính - Thiết kế một thiết bị ảo, mô phỏng nguyên lý hoạt động và giao diện sử dụng theo một thiết bị vật lý thực Khi này có thể xây dựng một hệ thống thiết bị ảo theo các thiết bị vật lý hiện đại, cho phép ngời sử dụng làm quen với thiết bị cũng nh cách sử dụng chúng Với hớng tiếp cận thứ hai, một thiết bị ảo cần thoả mãn các yêu cầu sau: - Thiết bị ảo phải đợc... oscilloscope một tia, hai tia, song với tính chất thực tiễn của thiết bị, ở đây ta chỉ xem xét máy hiện sóng điện tử loại hai tia là thiết bị đợc sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm Đo lờng - Lý thuyết mạch hiện nay Trong đồ án của mình, em đã xây dựng máy hiện sóng ảo mô phỏng theo thiết bị LS1020 - một oscilloscope hai tia của hãng LEADER 2.2.1 Nguyên lý hoạt động của máy hiện sóng ảo LS1020... luận chơng 1 LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình rất mạnh và chuyên dụng cho các bài toán điều khiển, ghép nối và mô phỏng thiết bị ảo Sử dụng LabVIEW trong bài toán mô phỏng rất hiệu quả về mặt kinh tế Trong chơng này, em đã trình bày đặc điểm, kỹ thuật lập trình cơ bản cũng nh nâng cao trên LabVIEW để làm cơ sở cho việc xây dựng các thiết bị ảo và phòng thí nghiệm ảo Lý thuyết mạch - nhiệm vụ chính của