CN102610135A - 一种flash电气自动控制视觉仿真科教系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统，利用专用的FLASH动画播放软件和利用Adobe FLASH制作的动画媒体文件结合单片机为核心组成的接口电路，在计算机上模拟仿真电气自动控制各类对象、环境及动作过程，仿真系统作为所有的可编程控制器PLC或其他嵌入式单片机控制器的模拟控制对象，实现自动控制视觉实时仿真。

Description

一种FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统

技术领域

本发明涉及一种利用专用的FLASH动画播放软件和利用Adobe FLASH制作的动画媒体文件结合单片机为核心组成的接口电路，在计算机上模拟仿真电气自动控制各类对象、环境及动作过程，仿真系统作为所有的可编程控制器PLC或其他嵌入式单片机控制器的模拟控制对象，实现自动控制视觉实时仿真，主要应用于自动化控制教学和科研领域。

背景技术

工业电气自动控制领域主要核心控制器为可编程控制器PLC和嵌入式单片机控制器，仿真是这些控制器开发设计过程中一个重要环节，特别是在高危、高风险项目中，仿真是必不可少的。目前，针对这些控制器的仿真系统主要分为三类：一、以可编程控制器PLC厂商提供的针对自家PLC的专用仿真软件；二、嵌入式单片机厂家提供的专用仿真软件；三、以第三方提供的可编程控制器PLC组态软件。仿真系统在高校工业电气自动控制课程的教学实验中应用越来越广泛，教学的仿真系统也主要是这三类。这些仿真通过控制器进行边界扫描获取端口数据，存储在内部存储器，以特定的通讯协议输出，达到跟踪程序运行过程的目的，属于程序调试仿真，而且对控制目标的状态需要人为输入，不能自动仿真全过程。第一类和第二类软件只能对该厂商提供的控制器进行仿真，仅在数据窗口直接显示端口数据，没有直观的图像显示被控设备状态和动作。第二类软件主要用于人机界面设计和集中管理，只能以简单图像显示设备状态和动作，而且不能仿真单片机控制器。由于应用的侧重点不同和通用项目中控制对象的多样性，这类软件的图像动态过程显示相对简单，缺乏生动的视觉动态过程，再加上这些软件操作相对复杂，在教学领域应用这些仿真系统存在较多的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于工业自动控制课程中教学实验的实时视觉仿真系统。利用FLASH动画播放软件和Adobe FLASH制作的动画媒体文件结合单片机为核心组成的接口电路，在计算机上模拟仿真自动控制对象元件(如：电机、电磁阀、继电器、加热电阻丝等)及环境(如：温度、湿度、行程开关等)，仿真系统作为可编程控制器PLC或其他单片机嵌入式控制器的模拟控制对象，借助FLASH超强的动画表现能力，实现自动控制全自动视觉实时仿真，以直观和接近实际应用的方式来检验可编程控制器PLC或其他单片机嵌入式系统控制程序的设计及运行情况。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统，其特征在于：它由FLASH播放软件和仿真接口硬件模块两大部分构成，FLASH播放软件运行于基于Windows xp平台的PC机上，PC机通过USB口与仿真接口硬件模块通讯接口相连，仿真接口硬件模块上的开关量输入/输出口和模拟量输入/输出口分别与仿真目标控制器上的开关量输出/输入口和模拟量输出/输入口相连。

所述仿真接口硬件模块由电源电路，单片机核心电路，USB、RS485通讯电路，开关量输入电路，开关量输出电路，模拟量输入电路，模拟量输出电路组成。

所述电源电路是整个仿真接口硬件模块的供电电路；所述单片机核心电路是仿真接口模块的核心电路；所述USB、RS485通讯电路是仿真接口模块与PC机通讯的桥梁；所述开关量(Di)输入电路用于采集开关信号；所述开关量(Do)输出电路用于输出开关量信号；所述模拟量输入(Ai)电路用于采集模拟量数据；所述模拟量输出(Ao)电路用于输出模拟量数据。

所述的一种FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统，其特征在于：该系统软件由两部分构成，①是运行于PC机Windows XP平台的软件；②是运行于仿真接口模块的单片机嵌入式平台软件，该系统的数据采集和输出具体步骤如下：

(a)运行于PC上的软件以Windows XP为平台，以FLASH播放软件为中心，管理播放FLASH动画媒体文件，与数据库交换数据，与USB/RS232接口通讯；

(b)、FLASH播放的FLASH动画媒体文件使用美国Adobe公司提供的AdobeFlash动画软件设计，每一个FLASH动画媒体文件对应一个仿真模型，因FLASH设计的动画媒体文件本身不具备数据库读写和USB/RS232通讯的能力，这些就由FLASH播放软件来完成；

(c)、FLASH播放软件使用美国Borland C++Builder设计，具备强大的数据库管理和计算机硬件通讯管理能力；FLASH设计的动画媒体文件与FLASH播放软件通过内部SOCKET以特定的协议双向通讯并交换数据。FLASH播放软件除了管理和播放动画媒体文件外，还是动画媒体文件与数据库、USB/RS232接口之间通讯的桥梁；

(d)、运行于单片机嵌入式平台的软件使用C语言设计，包括：主程序；RS232通讯管理子程序；数据管理子程序；扩展通讯管理子程序；开关量采集子程序；开关量输出子程序；模拟量采集子程序；模拟量输出子程序；

(e)、主程序完成单片机初始化后，循环调用开关量采集子程序、模拟量采集子程序、开关量输出子程序、模拟量输出子程序这四个子程序，采集子程序采集仿真接口模块上输入端口数据后调用数据管理子程序将数据存放在片外存储器指定地址中，输出子程序调用数据管理子程序读取存储在片外存储器中的PC端发来的数据，并输出到仿真接口模块的对应输出端口；

(f)、RS232通讯管理子程序采用中断服务方式运行，主要负责与PC之间进行，当PC通过发出数据请求指令时，RS232通讯管理子程序响应中断，接收指令，根据指令要求将存储在片外存储器的开关量模拟量数据按照协议规定格式发送给PC，或者将PC传送过来的开关量模拟量数据存储到片外存储器中，等待开关量输出子程序和模拟量输出子程序调用输出到仿真接口模块的外部端口，如此循环不断以完成数据采集和输出。

本发明的有益效果是：实现自动控制全自动视觉实时仿真，以直观和接近实际应用的方式来检验可编程控制器PLC或其他单片机嵌入式系统控制程序的设计及运行情况。

附图说明

图1为本发明FLASH电气自动控制仿真科教系统应用原理图；

图2为本发明中仿真接口硬件模块内部结构图；

图3为本发明中硬件模块的电源电路；

图4为本发明中硬件模块的单片机核心电路；

图5为本发明中硬件模块的USB和RS485通讯电路；

图6为本发明中硬件模块的开关量(Di)输入电路；

图7为本发明中硬件模块的开关量输出(Do)电路；

图8为本发明中硬件模块的模拟量输入(Ai)电路；

图9为本发明中硬件模块的模拟量输出(Ao)电路；

图10为本发明中软件结构框架图。

具体实施方式

为了详细说明本发明FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统的技术内容、构造特征、以下结合实施方式并配合附图作进一步说明。

本发明应用原理如图1所示：由FLASH播放软件和仿真接口硬件模块两大部分构成。FLASH播放软件是针对本仿真系统特点设计的专用播放器，在基于WINDOWS XP平台的PC微型计算机上运行，FLASH播放软件主要功能：其一，管理播放FLASH动画媒体文件；其二，建立起FLASH动画文件与单片机接口电路之间数据通讯的桥梁；其三，建立FLASH动画媒体文件与数据库数据通讯的桥梁。单片机接口电路以美国ATMEL ATMEGA64单片机或其它单片机为核心，与外围接口电路构成，具备32路开关量输入和输出，8路模拟量输入输出，同时预留了TTL电平兼容的RS232扩展接口，以增加输入、输出端口数量，适应更大规模的仿真。单片机接口电路包括：电源电路、单片机核心电路、USB/RS485通讯电路、开关量输入电路、开关量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路。通过对单片机软件设计，实时扫描接口板的输入输出端口，将接口板的开关量输入输出端口、模拟量输入输出端口的数据通过USB或者RS485通讯接口以特定的协议与FLASH播放软件双工通讯，FLASH播放软件再通过内部SOCKET与FLASH动画媒体文件交换数据，这样仿真接口模块的所有开关量、模拟量输入输出端口就与FLASH动画文件中的模拟对象元件建立起一一对应关系。实验时，将可编程控制器PLC或其他单片机嵌入式控制器的开关量和模拟量输入、输出端口连接仿真系统接口板的开关量和模拟量的输出、输入端口，运行时，FLASH动画中模拟对象元件会根据端口的状态和数据作出相应的动画动作，同时根据模拟对象的需要控制端口输出数据反馈给可编程控制器PLC或其他单片机嵌入式控制器，达到视觉实时仿真的效果。

如图1所示，FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统由FLASH播放软件和仿真接口硬件模块两大部分构成，FLASH播放软件运行于基于Windows xp平台的PC机上，PC机通过USB口与仿真接口硬件模块通讯接口相连。仿真接口硬件模块上的开关量输入/输出口和模拟量输入/输出口分别与仿真目标控制器上的开关量输出/输入口和模拟量输出/输入口相连。

如图2所示，仿真接口硬件模块由七部分构成：即电源电路、单片机核心电路、USB/RS485通讯电路、开关量输入电路、开关量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路。

如图3所示，电源电路是整个仿真接口硬件模块的供电电路，仿真接口模块需要5V和9V两种电源，目前PLC控制器大多使用直流24V供电，单片机嵌入式控制器使用直流12V供电，仿真接口模块直接使用相同电源。因此，电源电路需要将这两种电源电压转换，电源电路如图3所示，直流24V电源经IC1(LM2576S)、C1、C2、DZ1、L1、R1、R2、C3、C4组成的开关稳压电路将电压降为12V，DC-DC为12V-12V隔离电路，IC2(LM7809)、C5、C6、C7、C8组成9V稳压电路将12V降为9V，IC3(LM7805)、C9、C10、C11组成5V稳压电路将9V降为5V。JP1为24V或12V选择开关，当2-3相连时，选择24V电源，当1-2相连时，选择12V电源。

如图4所示，单片机核心电路是仿真接口模块的核心电路，单片机使用美国ATMEL的ATMEGA64，晶振T1和C4、C5组成单片机振荡电路，R1、C1、C2、IC5(MAX690A)组成看门狗低电平复位电路，IC3(74HC573)和IC4(FM1808)组成总线制32K Bytes片外扩展存储器，使用FM1808可以实现掉电存储。模拟量采集直接使用ATMEGA64内部ADC电路，PF0-PF3四个管脚用于4路AD采集，由R2、R3、R4、C6、C7、IC2(TL431)构成精密5V基准电压源连接AREF，5V电源经L1、C8滤波电路连接AVCC，给内部ADC电路供电。R5和RUN构成单片机运行状态指示电路，C3、C8、C9、C10是IC集成电路的旁路电容，用于降低电路干扰。EXPORT连接+5V，GND，RX1、TX1、PD4-PD7、PF4-PF7构成扩展接口电路。SDA、SCL脚经R6、R7上拉电阻和CS脚一起连接模拟量输出电路中串行数模转换IC(MAX5741)，控制数模转换。PE0、PE1脚连接USB和RS485通讯电路的RX0、TX0；PE7、PE6、PB0连接开关量输入电路的DS1、CP、PL；PB2-PB6连接开关量输出电路的DS2、OE、ST、SH、MR。

如图5所示，USB和RS485通讯电路是仿真接口模块与PC机通讯的桥梁，该电路提供USB和RS485两种转换电路，由JP1跳线选择，1-2、5-6连接时选择USB通讯，3-4、7-8连接时选择RS485通讯。ACT、R1组成USB状态指示，IC1(CH340T)L1、C1、C2、C4、C5、T1组成232转USB电路经PORT1与PC机USB连接；IC2(MAX485)、R2-R9、TVS1、TVS2、C7、Q1组成232转RS485电路经PORT2与外部RS485口连接。

如图6所示，开关量(Di)输入电路用于采集开关信号。R1-1、R1-2、R1-3、C1-1、C1-2、光电耦合器U1组成1路输入信号隔离转换电路，这样相同的16个电路可获取16路输入隔离转换信号，接入由两片8路并行数据转串行数据IC(74HC165)级联组成的16路信号采集电路，DS1、CP、PL串行信号线经R0-17、R0-18、R0-19三个电阻上拉后，连接到单片机MCU相应的DS1、CP、PL端。LED1～LED16、R0-1～R0-16组成16个端口状态指示。C0-1、C0-2为旁路电容。

如图7所示，开关量(Do)输出电路用于输出开关量信号。R1-1、R1-2、光电耦合器U1-1、U1-2组成1路开关信号隔离输出电路，这样这样相同的16个电路可组成16路输出隔离开关信号，输出控制由两片8路串行数据转并行数据IC(74HC595)级联，经ULN2803反向输出。MR、SH、ST、OE、DS2串行信号线及控制线经R0-17～R0-21六个电阻上拉后，连接到单片机MCU相应的MR、SH、ST、OE、DS2端。LED1～LED16、R0-1～R0-16组成16个输出端口状态指示。R0-22是级联上拉电阻。C0-1、C0-2为旁路电容。

如图8所示模拟量输入(Ai)电路用于采集模拟量数据。由R1-1、R1-2、R2-1、R2-2、R3-1、R3-2、R4-1、R4-2、C1-1、C2-1、C3-1、C4-1八个电阻四个电容和轨到轨运放IC1(OPA4348)组成4个电压跟随器，进行缓冲滤波后连接单片机MCU的AD1～AD4脚，利用单片机内部10位精度的AD模数转换单元完成4通道模数转换，实现4路模拟量数据采集。C0-1为IC旁路电容。

如图9所示，模拟量输出(Ao)电路用于输出模拟量数据。R0-1、R0-2、R0-3、C0-3、C0-4、IC2(TL431)组成精密5V基准电压源，连接4通道串行数模转换IC1(MAX5741)REF脚，提供5V精密基准电压源，R1-1、R1-2、R2-1、R2-2、R3-1、R3-2、R4-1、R4-2和轨到轨运放IC1(OPA4348)组成4个电压跟随器，进行缓冲输出。IC1的串行数据线CS、SDA、SCL脚连接单片机MCU相应的CS、SDA、SCL脚，通过单片机控制实现4路模拟量数据输出。C0-1、C0-2为IC旁路电容。

本发明软件的结构如图10所示，软件由两部分构成，①是运行于PC机Windows XP平台的软件；②是运行于仿真接口模块的单片机嵌入式平台软件。该系统的数据采集和输出具体步骤如下：

(a)运行于PC上的软件以Windows XP为平台，以FLASH播放软件为中心，管理播放FLASH动画媒体文件，与数据库交换数据，与USB/RS232接口通讯；

(b)、FLASH播放的FLASH动画媒体文件使用美国Adobe公司提供的AdobeFlash动画软件设计，每一个FLASH动画媒体文件对应一个仿真模型，因FLASH设计的动画媒体文件本身不具备数据库读写和USB/RS232通讯的能力，这些就由FLASH播放软件来完成；

(c)、FLASH播放软件使用美国Borland C++Builder设计，具备强大的数据库管理和计算机硬件通讯管理能力；FLASH设计的动画媒体文件与FLASH播放软件通过内部SOCKET以特定的协议双向通讯并交换数据。FLASH播放软件除了管理和播放动画媒体文件外，还是动画媒体文件与数据库、USB/RS232接口之间通讯的桥梁；

(d)、运行于单片机嵌入式平台的软件使用C语言设计，包括：主程序；RS232通讯管理子程序；数据管理子程序；扩展通讯管理子程序；开关量采集子程序；开关量输出子程序；模拟量采集子程序；模拟量输出子程序；

(e)、主程序完成单片机初始化后，循环调用开关量采集子程序、模拟量采集子程序、开关量输出子程序、模拟量输出子程序这四个子程序，采集子程序采集仿真接口模块上输入端口数据后调用数据管理子程序将数据存放在片外存储器指定地址中，输出子程序调用数据管理子程序读取存储在片外存储器中的PC端发来的数据，并输出到仿真接口模块的对应输出端口；

(f)、RS232通讯管理子程序采用中断服务方式运行，主要负责与PC之间进行，当PC通过发出数据请求指令时，RS232通讯管理子程序响应中断，接收指令，根据指令要求将存储在片外存储器的开关量模拟量数据按照协议规定格式发送给PC，或者将PC传送过来的开关量模拟量数据存储到片外存储器中，等待开关量输出子程序和模拟量输出子程序调用输出到仿真接口模块的外部端口，如此循环不断以完成数据采集和输出。

以上所揭露仅为本发明优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统，其特征在于：它由FLASH播放软件和仿真接口硬件模块两大部分构成，所述FLASH播放软件运行于基于Windows xp平台的PC机上，PC机通过USB口与仿真接口硬件模块通讯接口相连，仿真接口硬件模块上的开关量输入/输出口和模拟量输入/输出口分别与仿真目标控制器上的开关量输出/输入口和模拟量输出/输入口相连。

2.根据权利要求1所述的FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统，其特征在于：所述仿真接口硬件模块由电源电路，单片机核心电路，USB、RS485通讯电路，开关量输入电路，开关量输出电路，模拟量输入电路，模拟量输出电路组成。

3.根据权利要求1所述的FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统，其特征在于：所述电源电路是整个仿真接口硬件模块的供电电路；所述单片机核心电路是仿真接口模块的核心电路；所述USB、RS485通讯电路是仿真接口模块与PC机通讯的桥梁；所述开关量(Di)输入电路用于采集开关信号；所述开关量(Do)输出电路用于输出开关量信号；所述模拟量输入(Ai)电路用于采集模拟量数据；所述模拟量输出(Ao)电路用于输出模拟量数据。

4.根据权利要求1所述的一种FLASH电气自动控制视觉仿真科教系统，其特征在于：该系统软件由两部分构成，①是运行于PC机Windows XP平台的软件；②是运行于仿真接口模块的单片机嵌入式平台软件，该系统的数据采集和输出具体步骤如下：

(a)运行于PC上的软件以Windows XP为平台，以FLASH播放软件为中心，管理播放FLASH动画媒体文件，与数据库交换数据，与USB/RS232接口通讯；

(b)、FLASH播放的FLASH动画媒体文件使用美国Adobe公司提供的AdobeFlash动画软件设计，每一个FLASH动画媒体文件对应一个仿真模型，因FLASH设计的动画媒体文件本身不具备数据库读写和USB/RS232通讯的能力，这些就由FLASH播放软件来完成；

(c)、FLASH播放软件使用美国Borland C++Builder设计，具备强大的数据库管理和计算机硬件通讯管理能力；FLASH设计的动画媒体文件与FLASH播放软件通过内部SOCKET以特定的协议双向通讯并交换数据。FLASH播放软件除了管理和播放动画媒体文件外，还是动画媒体文件与数据库、USB/RS232接口之间通讯的桥梁；

(d)、运行于单片机嵌入式平台的软件使用C语言设计，包括：主程序；RS232通讯管理子程序；数据管理子程序；扩展通讯管理子程序；开关量采集子程序；开关量输出子程序；模拟量采集子程序；模拟量输出子程序；

(e)、主程序完成单片机初始化后，循环调用开关量采集子程序、模拟量采集子程序、开关量输出子程序、模拟量输出子程序这四个子程序，采集子程序采集仿真接口模块上输入端口数据后调用数据管理子程序将数据存放在片外存储器指定地址中，输出子程序调用数据管理子程序读取存储在片外存储器中的PC端发来的数据，并输出到仿真接口模块的对应输出端口；

(f)、RS232通讯管理子程序采用中断服务方式运行，主要负责与PC之间进行，当PC通过发出数据请求指令时，RS232通讯管理子程序响应中断，接收指令，根据指令要求将存储在片外存储器的开关量模拟量数据按照协议规定格式发送给PC，或者将PC传送过来的开关量模拟量数据存储到片外存储器中，等待开关量输出子程序和模拟量输出子程序调用输出到仿真接口模块的外部端口，如此循环不断以完成数据采集和输出。

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