CN115202232A - 基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟仿真系统技术领域，公开了一种基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法，该系统包括上位机软件的开发、虚拟串口的搭建和虚拟下位机的开发，上位机软件的开发包括串口模块、显示模块、数据处理模块和提示模块，虚拟下位机包括设备建模模块、串口模块、数据处理模块、显示模块和动作模块。该基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法，其技术构思是利用基于虚拟串口的虚拟下位机仿真系统与上位机软件进行实验的仿真系统和实现方法，该构思不仅仅局限于基于虚拟串口这一技术，还可基于其它通信技术，包括无线网络通信、远程通信控制等，把下位机实验系统作为虚拟系统来进行仿真，可应用于工业生活各领域。

Description

基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及虚拟仿真系统技术领域，具体涉及一种基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法。

背景技术

目前，用于上位机软件串口通信功能验证的方法主要有两种：一种是通过软件，主要是用串口调试助手来快速检验上位机软件的串口通信状态；另一种是直接通过上位机软件与下位机设备进行串口通信，从而进行对应功能的调试。

其中，第一种方法，通过软件的串口调试助手虽然操作简单方便，但是只能单纯地检验上位机软件串口的通信是否有效，缺乏特定下位机及实验数据的针对性，无法通过特定的下位机进行针对性的数据传输，达不到上位机软件的其它功能调试的目标，并且无法保证在后期一定能顺利实现特定下位机的串口通信功能。第二种方法则由于与下位机设备的通信是后期的工作，如果前期两者间的串口通信功能未事先调试成功，则不利于下位机开发过程中其它功能的调试以及上位机软件其它功能的调试。而且开发过程中有些下位机设备成本较高，或者难以按照工程计划及时取得，甚至有些设备的实验操作过于复杂或者过于危险，有些设备实验过程中对环境的影响较大，不利于开发调试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统，其包括上位机软件、搭建的虚拟串口和虚拟下位机；所述上位机软件的开发包括串口模块、显示模块、数据处理模块和提示模块，虚拟下位机的开发包括设备建模模块、串口模块、数据处理模块、显示模块和动作模块。

优选的，所述上位机软件可接收下位机经过串口传输的数据，并将数据以某种图形或表格方式直观地显示，具备数据存储及回放功能。

优选的，所述虚拟串口是用虚拟串口软件搭建虚拟串口，模拟物理串行接口，完全复制了硬件COM接口的功能，并且将被操作系统和串行应用程序识别为真实端口。

优选的，所述虚拟下位机针对某种实验或工程目的需求，用现有的软件平台或自行开发的软件平台快速方便地开发并搭建虚拟下位机设备系统，涉及各个物理设备的建模。

优选的，所述串口模块包括波特率、数据位、奇偶校验、停止位、流控制等参数的设置，所述显示模块具备下位机实验数据的显示功能，显示方式包括波形图、仪表盘、量位图、显示框等，所述数据处理模块，通过串口实时接收下位机的数据或实时发送控制命令给下位机，所述提示模块，对数据设置报警限。

优选的，所述设备建模模块根据实验系统确定所需的下位机及外围设备型号，根据各个所选的单元设备型号的实验数据手册开发设备模型以及设置对应的模型参数，使模型具有真实的物理化学特性，所述串口模块包括通讯协议、波特率、数据位、奇偶校验、停止位、流控制等参数的设置，所述数据处理模块对于本系统仿真的数据，采用合适的算法进行模拟数据的加工，所述提示模块具备虚拟下位机实验数据以及特定设备模型关键参数的显示功能，所述动作模块的基础是设备建模模块。

一种基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统实现方法，包括以下步骤：

S1：上位机软件与虚拟下位机的串口参数的设置，与搭建的虚拟串口进行连接并进行通信功能的验证。

S2：按照实验原理图进行下位机设备系统的连接，配电等，连接无误后启动仿真系统，配置环境参数和设备参数，加载对应的数据量，操作对应的按钮、旋钮、滚动条等调节工具进行实验参数的调节，观察实验仿真数据和结果，直至产生可靠的模拟数据，然后进行后续相关的实验操作。

S3：进行上位机软件的配置，根据实验需求，设置对应的图形显示形式或仪表盘参数或量位图以及显示框，实时显示接收的虚拟下位机实验数据，设置数据的存储格式和回放格式等，在操作过程中根据实验需求操作控制命令工具，如按钮、旋钮、滚动条等，将控制命令发送给虚拟下位机，执行一定的动作或返回响应数据。

S4：实验过程中根据需求和目的不断进行实验的调试，直至结果正确或可靠，最后完成实验目的，验证实验系统的可靠性，后续可根据仿真系统进行实际系统开发和实验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法，与直接实物下位机实验相比，利用基于虚拟串口的虚拟下位机仿真系统进行实验，节约了系统开发的实物设备成本，仿真调试避免了实物调试的复杂操作过程，如无需进行模拟量与数字量之间的实际转换，可在实物开发阶段再独立进行，节省精力，提高了实验或工程效率。两者间的串口通信功能在原理上事先调试成功，有利于下位机开发过程中其它功能的调试以及上位机软件其它功能的调试。仿真实验避免了一些实验过程的危险性，提高后期实物开发的安全性；对于环境代价或能源消耗大的一些实验，起到环境保护和能源节约的作用。

2.该基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法，与利用串口调试助手相比，具有特定下位机及实验数据的针对性，通过特定的下位机进行针对性的数据传输，达到上位机软件的其它功能调试的目标，并且可以一定程度上保证在后期能顺利实现特定下位机的串口通信功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例实现方法的整体流程示意图；

图2为本发明实施例的上位机软件的开发流程框图；

图3为本发明实施例的串口模块结构及流程示意图；

图4为本发明实施例的显示模块结构及流程示意图；

图5为本发明实施例的数据处理模块结构及流程示意图；

图6为本发明实施例的虚拟下位机的模块结构及开发流程示意图；

图7为本发明实施例的设备建模模块结构及流程示意图；

图8为本发明实施例的提示模块结构及示意图；

图9为本发明实施例的仿真实验流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参阅图1-9，本发明实施例提供的基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法，包括上位机软件、搭建的虚拟串口和虚拟下位机；所述上位机软件的开发根据实验或工程需求而开发的上位机软件，其具备串口通讯功能的程序而能与下位机设备进行通讯，并且可以根据用户需要而具备一些人机交互功能。一般地，此上位机软件可接收下位机经过串口传输的数据，并将数据以某种图形或表格方式直观地显示。具备数据存储及回放功能，能够按年、月、日、时、分、秒的方式分时段浏览历史数据及其曲线。可对数据设置报警限，超限可以声光形式报警。可实现数据的双向传输，即除了接收下位机数据外，还可向下位机发送命令，下位机收到命令可执行一定动作或返回响应数据。实际中可针对实验或工程目的而添置其它功能。

虚拟串口部分，用虚拟串口软件搭建虚拟串口，模拟物理串行接口，它完全复制了硬件COM接口的功能，并且将被操作系统和串行应用程序识别为真实端口。此模块为上位机软件与虚拟下位机通讯提供了桥梁，上位机软件可通过搭建的虚拟串口向虚拟下位机发送控制命令，虚拟下位机也可通过虚拟串口向上位机软件实时发送仿真实验数据，进行对应的数据显示、数据存储以及数据处理等操作。

虚拟下位机，针对某种实验或工程目的需求，用现有的软件平台或自行开发的软件平台快速方便地开发并搭建虚拟下位机设备系统，涉及各个物理设备的建模，系统中的各个虚拟设备模块与实际实验中所需设备具有一致的功能，包括实验条件的配置、实验过程的操作、实验数据的获取和产生等，能进行一个实际下位机及其外围设备实验的仿真。对于本系统仿真的数据，能根据实验对象或工程类型中涉及的工作原理以及公式，采用合适的算法进行模拟数据的加工。具备虚拟下位机实验数据以及特定设备模型关键参数的显示功能，当对应的数据超过或低于设置的阈值时，具有对应的提示功能，表现为声光的形式。其具备串口通讯功能的程序而能与上位机软件进行通讯。可实现数据的双向传输，即除了向上位机软件发送数据外，还可接收上位机软件发送的控制命令，虚拟下位机系统收到命令可执行一定的仿真动作或返回响应数据。

所述上位机软件的开发包括串口模块、显示模块、数据处理模块和提示模块，如图2所示。

串口模块包括波特率、数据位、奇偶校验、停止位、流控制等参数的设置。波特率的设置有两个分别可以上下调节数值大小的按钮，也可以直接在数值显示框中键入修改。数据位的设置可以通过下拉按钮进行选择，数据位大小共有4种选择：5、6、7、8。奇偶检验的设置可以通过下拉按钮进行选择，分别为：无、奇校验、偶校验。停止位的设置可以通过下拉按钮进行选择，数值大小共有3种选择：1、1.5、2。流控制的设置可以通过下拉按钮进行选择，共有6种选择：无、XON/XOFF、RTS/CTS、XON/XOFF&RTS/CTS、DTR/DSR、XON/XOFF&DTR/DSR。具备一个串口打开/关闭的按钮，选择是否打开串口通讯。具有一个串口号选择框，通过下拉按钮进行串口的选择，如图3所示。

显示模块具备下位机实验数据的显示功能，显示方式包括波形图、仪表盘、量位图、显示框等。波形图根据实验需求设置对应的X/Y轴及其单位，X轴单位一般设置为时间，其中X/Y轴的间隔可以自定义设置。设置的曲线类型有直线、点画线，可以调节曲线粗细，选择曲线的颜色。下位机发送过来的数据在波形图中以曲线形式动态地随X轴的时间或其他变量而推移，曲线到达波形图右边界后开始不断向左推移，X轴变量也不断向左推移。仪表盘根据实验需求设置单位以及刻度范围和刻度间隔，可设置刻度线的颜色，一般为黑色刻度线，个别阶段刻度线可设置为其它颜色，指示线为红色。量位图以直观的液位显示容量的动态剩余度，剩余容量的颜色可根据设置的阈值变化。显示框实时显示对应的数据以及单位。如图4所示。

数据处理模块，通过串口实时接收下位机的数据或实时发送控制命令给下位机，具有各个功能对应的算法，对接收到的数据进行处理，得到对应的输出。同时可进行数据的自动存储，按照一定的格式以文本文件保存在系统文件中。进行实验数据回放时，能够按年、月、日、时、分、秒的方式分时段浏览历史数据及其曲线。其功能如图5所示。

提示模块，对数据设置报警限，当接收到的数据超限时以声光形式报警，即系统模拟一个报警器，进行特定声音报警以及闪烁灯提示。

虚拟下位机的开发包括设备建模模块、串口模块、数据处理模块、显示模块和动作模块。如图6所示。

设备建模模块，根据实验系统确定所需的下位机及外围设备型号，根据各个所选的单元设备型号的实验数据手册开发设备模型以及设置对应的模型参数，使模型具有真实的物理化学特性。模型结构根据真实单元设备构建，鼠标双击模型特定的部位可弹出对应的参数设置窗口，窗口具有各个特性的参数设置或选择框以及模型的各个功能设置。模型可根据设备物理特性而具有热域、电域等，属于相同域的设备模型接口可直接通过域线进行连接建立联系，不属于相同域的设备模型接口不能连接建立联系。物理模型与数字模型之间进行信号传递需要用到信号转换器先进行信号转换。单片机类的模型可以加载程序进行仿真，传感器类的模型可以加载现有实验数据进行模拟环境数据的采集，电化学储能的模型可以加载现有实验数据进行模拟对应数据的产生从而与其它模块进行仿真处理。模型在实验过程中具备一定的动作响应过程，达到仿真其对上位机软件的控制命令的响应或自身在实验过程中因变量而动作的特性。模型构建完成后可选择将其存储到开发软件的系统库中，逐步构建在本研究领域的一个设备库，供以后相关实验需要时调用通用的设备模型直接或根据需求基于模型修改某些参数后进行系统的搭建，提高开发效率。构建好的模型也可上传共享，方便他人提高实验效率。如图7所示。

串口模块包括通讯协议、波特率、数据位、奇偶校验、停止位、流控制等参数的设置。给虚拟下位机系统设置一种通讯协议进行数据的传输。在虚拟下位机用户界面上，波特率的设置有两个分别可以上下调节数值大小的按钮，也可以直接在数值显示框中键入修改。数据位的设置可以通过下拉按钮进行选择，数据位大小共有4种选择：5、6、7、8。奇偶检验的设置可以通过下拉按钮进行选择，分别为：无、奇校验、偶校验。停止位的设置可以通过下拉按钮进行选择，数值大小共有3种选择：1、1.5、2。流控制的设置可以通过下拉按钮进行选择，共有6种选择：无、XON/XOFF、RTS/CTS、XON/XOFF&RTS/CTS、DTR/DSR、XON/XOFF&DTR/DSR。具备一个串口打开/关闭的按钮，选择是否打开串口通讯。具有一个串口号选择框，通过下拉按钮进行串口的选择。如图3所示。

数据处理模块，对于本系统仿真的数据，根据实验对象或工程类型中涉及的工作原理以及公式，采用合适的算法进行模拟数据的加工，其中模拟数据可以是传感器类的模型或电化学储能的模型或其它类型的模型所产生的数据，达到模型设备的数据处理功能仿真，最后方能模拟真实目标数据发送给上位机软件。对于上位机软件发送的控制命令数据，本虚拟下位机能进行模式识别，从而可执行一定动作或返回响应数据。

提示模块，具备虚拟下位机实验数据以及特定设备模型关键参数的显示功能，显示方式包括波形图、仪表盘、量位图、显示框等。波形图根据实验需求设置对应的X/Y轴及其单位，X轴单位一般设置为时间，其中X/Y轴的间隔可以自定义设置。设置的曲线类型有直线、点画线，可以调节曲线粗细，选择曲线的颜色。虚拟下位机实验数据以及特定设备模型关键参数在波形图中以曲线形式动态地随X轴的时间或其他变量而推移，曲线到达波形图右边界后开始不断向左推移，X轴变量也不断向左推移。仪表盘根据实验需求设置单位以及刻度范围和刻度间隔，可设置刻度线的颜色，一般为黑色刻度线，个别阶段刻度线可设置为其它颜色，指示线为红色。量位图以直观地液位显示容量的动态剩余度，剩余容量的颜色可根据设置的阈值变化。显示框实时显示对应的数据以及单位。当对应的数据超过或低于设置的阈值时，具有对应的报警功能，表现为声光的形式，进行特定声音报警以及闪烁灯提示，或以设备模型的整体颜色闪烁变化为提示。在某些数据显示方面，提示模块可起到与上位机软件显示模块的对比校验作用。如图8所示。

动作模块，动作模块的基础是设备建模模块，即步骤L1，各种设备的动作过程和响应形式在设备建模阶段完成，在仿真过程中，当仿真数据达到动作条件时，启动动作模块，执行一定动作或返回响应数据。

完成上位机软件与虚拟下位机仿真系统后，用合适的虚拟串口软件或自行开发的虚拟串口软件搭建一对虚拟COM端口，作为上位机软件与虚拟下位机进行串口通信仿真的桥梁。

一种基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统实现方法，包括以下步骤：

S1：上位机软件与虚拟下位机的串口参数的设置，与搭建的虚拟串口进行连接并进行通信功能的验证。

S2：按照实验原理图进行下位机设备系统的连接，配电等，连接无误后启动仿真系统，配置环境参数和设备参数，加载对应的数据量，操作对应的按钮、旋钮、滚动条等调节工具进行实验参数的调节，观察实验仿真数据和结果，直至产生可靠的模拟数据，然后进行后续相关的实验操作。

S3：进行上位机软件的配置，根据实验需求，设置对应的图形显示形式或仪表盘参数或量位图以及显示框，实时显示接收的虚拟下位机实验数据，设置数据的存储格式和回放格式等，在操作过程中根据实验需求操作控制命令工具，如按钮、旋钮、滚动条等，将控制命令发送给虚拟下位机，执行一定的动作或返回响应数据。

S4：实验过程中根据需求和目的不断进行实验的调试，直至结果正确或可靠，最后完成实验目的。验证实验系统的可靠性，后续可根据仿真系统进行实际系统开发和实验。

仿真实验流程如图9所示。与直接实物下位机实验相比，利用基于虚拟串口的虚拟下位机仿真系统进行实验，节约了系统开发的实物设备成本，仿真调试避免了实物调试的复杂操作过程，如无需进行模拟量与数字量之间的实际转换，可在实物开发阶段再独立进行，节省精力，提高了实验或工程效率。两者间的串口通信功能在原理上事先调试成功，有利于下位机开发过程中其它功能的调试以及上位机软件其它功能的调试。仿真实验避免了一些实验过程的危险性，提高后期实物开发的安全性；对于环境代价或能源消耗大的一些实验，起到环境保护和能源节约的作用。

与利用串口调试助手相比，本发明具有特定下位机及实验数据的针对性，通过特定的下位机进行针对性的数据传输，达到上位机软件的其它功能调试的目标，并且可以一定程度上保证在后期能顺利实现特定下位机的串口通信功能。

本发明上述实施例提供的基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统及其实现方法，重点是利用基于虚拟串口的虚拟下位机仿真系统与上位机软件进行实验，这是一种创新性系统和实现方法，这一技术构思不仅仅局限于基于虚拟串口这一技术，还可基于其它通信技术，包括无线网络通信、远程通信控制等，把下位机实验系统作为虚拟系统来进行仿真，可应用于工业生活各领域。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统，其特征在于：包括上位机软件、搭建的虚拟串口和虚拟下位机；所述上位机软件的开发包括串口模块、显示模块、数据处理模块和提示模块，虚拟下位机的开发包括设备建模模块、串口模块、数据处理模块、显示模块和动作模块。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统，其特征在于：所述上位机软件可接收下位机经过串口传输的数据，并将数据以某种图形或表格方式直观地显示，具备数据存储及回放功能。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统，其特征在于：所述虚拟串口是用虚拟串口软件搭建虚拟串口，模拟物理串行接口，完全复制了硬件COM接口的功能，并且将被操作系统和串行应用程序识别为真实端口。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统，其特征在于：所述虚拟下位机针对某种实验或工程目的需求，用现有的软件平台或自行开发的软件平台快速方便地开发并搭建虚拟下位机设备系统，涉及各个物理设备的建模。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统，其特征在于：所述串口模块包括波特率、数据位、奇偶校验、停止位、流控制等参数的设置，所述显示模块具备下位机实验数据的显示功能，显示方式包括波形图、仪表盘、量位图、显示框等，所述数据处理模块，通过串口实时接收下位机的数据或实时发送控制命令给下位机，所述提示模块，对数据设置报警限。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统，其特征在于：所述设备建模模块根据实验系统确定所需的下位机及外围设备型号，根据各个所选的单元设备型号的实验数据手册开发设备模型以及设置对应的模型参数，使模型具有真实的物理化学特性，所述串口模块包括通讯协议、波特率、数据位、奇偶校验、停止位、流控制等参数的设置，所述数据处理模块对于本系统仿真的数据，采用合适的算法进行模拟数据的加工，所述提示模块具备虚拟下位机实验数据以及特定设备模型关键参数的显示功能，所述动作模块的基础是设备建模模块。

7.一种基于虚拟串口的上位机与下位机仿真系统实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：上位机软件与虚拟下位机的串口参数的设置，与搭建的虚拟串口进行连接并进行通信功能的验证；

S2：按照实验原理图进行下位机设备系统的连接，配电等，连接无误后启动仿真系统，配置环境参数和设备参数，加载对应的数据量，操作对应的按钮、旋钮、滚动条等调节工具进行实验参数的调节，观察实验仿真数据和结果，直至产生可靠的模拟数据，然后进行后续相关的实验操作；

S3：进行上位机软件的配置，根据实验需求，设置对应的图形显示形式或仪表盘参数或量位图以及显示框，实时显示接收的虚拟下位机实验数据，设置数据的存储格式和回放格式等，在操作过程中根据实验需求操作控制命令工具，如按钮、旋钮、滚动条等，将控制命令发送给虚拟下位机，执行一定的动作或返回响应数据；

S4：实验过程中根据需求和目的不断进行实验的调试，直至结果正确或可靠，最后完成实验目的，验证实验系统的可靠性，后续可根据仿真系统进行实际系统开发和实验。

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