專利名稱：一種flash電氣自動(dòng)控制視覺(jué)仿真科教系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用專用的FLASH動(dòng)畫播放軟件和利用Adobe FLASH制作的動(dòng)畫媒體文件結(jié)合單片機(jī)為核心組成的接口電路，在計(jì)算機(jī)上模擬仿真電氣自動(dòng)控制各類對(duì)象、環(huán)境及動(dòng)作過(guò)程，仿真系統(tǒng)作為所有的可編程控制器PLC或其他嵌入式單片機(jī)控制器的模擬控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制視覺(jué)實(shí)時(shí)仿真，主要應(yīng)用于自動(dòng)化控制教學(xué)和科研領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
工業(yè)電氣自動(dòng)控制領(lǐng)域主要核心控制器為可編程控制器PLC和嵌入式單片機(jī)控制器，仿真是這些控制器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，特別是在高危、高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目中，仿 真是必不可少的。目前，針對(duì)這些控制器的仿真系統(tǒng)主要分為三類一、以可編程控制器PLC廠商提供的針對(duì)自家PLC的專用仿真軟件；二、嵌入式單片機(jī)廠家提供的專用仿真軟件；三、以第三方提供的可編程控制器PLC組態(tài)軟件。仿真系統(tǒng)在高校工業(yè)電氣自動(dòng)控制課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，教學(xué)的仿真系統(tǒng)也主要是這三類。這些仿真通過(guò)控制器進(jìn)行邊界掃描獲取端口數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器，以特定的通訊協(xié)議輸出，達(dá)到跟蹤程序運(yùn)行過(guò)程的目的，屬于程序調(diào)試仿真，而且對(duì)控制目標(biāo)的狀態(tài)需要人為輸入，不能自動(dòng)仿真全過(guò)程。第一類和第二類軟件只能對(duì)該廠商提供的控制器進(jìn)行仿真，僅在數(shù)據(jù)窗口直接顯示端口數(shù)據(jù)，沒(méi)有直觀的圖像顯示被控設(shè)備狀態(tài)和動(dòng)作。第二類軟件主要用于人機(jī)界面設(shè)計(jì)和集中管理，只能以簡(jiǎn)單圖像顯示設(shè)備狀態(tài)和動(dòng)作，而且不能仿真單片機(jī)控制器。由于應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)不同和通用項(xiàng)目中控制對(duì)象的多樣性，這類軟件的圖像動(dòng)態(tài)過(guò)程顯示相對(duì)簡(jiǎn)單，缺乏生動(dòng)的視覺(jué)動(dòng)態(tài)過(guò)程，再加上這些軟件操作相對(duì)復(fù)雜，在教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用這些仿真系統(tǒng)存在較多的局限性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種適用于工業(yè)自動(dòng)控制課程中教學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)視覺(jué)仿真系統(tǒng)。利用FLASH動(dòng)畫播放軟件和Adobe FLASH制作的動(dòng)畫媒體文件結(jié)合單片機(jī)為核心組成的接口電路，在計(jì)算機(jī)上模擬仿真自動(dòng)控制對(duì)象元件(如電機(jī)、電磁閥、繼電器、加熱電阻絲等)及環(huán)境(如溫度、濕度、行程開(kāi)關(guān)等)，仿真系統(tǒng)作為可編程控制器PLC或其他單片機(jī)嵌入式控制器的模擬控制對(duì)象，借助FLASH超強(qiáng)的動(dòng)畫表現(xiàn)能力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制全自動(dòng)視覺(jué)實(shí)時(shí)仿真，以直觀和接近實(shí)際應(yīng)用的方式來(lái)檢驗(yàn)可編程控制器PLC或其他單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為一種FLASH電氣自動(dòng)控制視覺(jué)仿真科教系統(tǒng)，其特征在于它由FLASH播放軟件和仿真接口硬件模塊兩大部分構(gòu)成，F(xiàn)LASH播放軟件運(yùn)行于基于Windows xp平臺(tái)的PC機(jī)上，PC機(jī)通過(guò)USB 口與仿真接口硬件模塊通訊接口相連，仿真接口硬件模塊上的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出口和模擬量輸入/輸出口分別與仿真目標(biāo)控制器上的開(kāi)關(guān)量輸出/輸入口和模擬量輸出/輸入口相連。所述仿真接口硬件模塊由電源電路，單片機(jī)核心電路，USB、RS485通訊電路，開(kāi)關(guān)量輸入電路，開(kāi)關(guān)量輸出電路，模擬量輸入電路，模擬量輸出電路組成。本實(shí)用新型的有益效果是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制全自動(dòng)視覺(jué)實(shí)時(shí)仿真，以直觀和接近實(shí)際應(yīng)用的方式來(lái)檢驗(yàn)可編程控制器PLC或其他單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況。

圖I為本實(shí)用新型FLASH電氣自動(dòng)控制仿真科教系統(tǒng)應(yīng)用原理圖；圖2為本實(shí)用新型中仿真接口硬件模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖3為本實(shí)用新型中硬件模塊的電源電路；圖4為本實(shí)用新型中硬件模塊的單片機(jī)核心電路；圖5為本實(shí)用新型中硬件模塊的USB和RS485通訊電路；圖6為本實(shí)用新型中硬件模塊的開(kāi)關(guān)量(Di)輸入電路；圖7為本實(shí)用新型中硬件模塊的開(kāi)關(guān)量輸出(Do)電路；圖8為本實(shí)用新型中硬件模塊的模擬量輸入(Ai)電路；圖9為本實(shí)用新型中硬件模塊的模擬量輸出(Ao)電路；圖10為本實(shí)用新型中軟件結(jié)構(gòu)框架圖。
具體實(shí)施方式
為了詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型FLASH電氣自動(dòng)控制視覺(jué)仿真科教系統(tǒng)的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、以下結(jié)合實(shí)施方式并配合附圖作進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)用新型應(yīng)用原理如圖I所示由FLASH播放軟件和仿真接口硬件模塊兩大部分構(gòu)成。FLASH播放軟件是針對(duì)本仿真系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的專用播放器，在基于WINDOWS XP平臺(tái)的PC微型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，F(xiàn)LASH播放軟件主要功能其一，管理播放FLASH動(dòng)畫媒體文件；其二，建立起FLASH動(dòng)畫文件與單片機(jī)接口電路之間數(shù)據(jù)通訊的橋梁；其三，建立FLASH動(dòng)畫媒體文件與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)通訊的橋梁。單片機(jī)接口電路以美國(guó)ATMEL ATMEGA64單片機(jī)或其它單片機(jī)為核心，與外圍接口電路構(gòu)成，具備32路開(kāi)關(guān)量輸入和輸出，8路模擬量輸入輸出，同時(shí)預(yù)留了 TTL電平兼容的RS232擴(kuò)展接口，以增加輸入、輸出端口數(shù)量，適應(yīng)更大規(guī)模的仿真。單片機(jī)接口電路包括電源電路、單片機(jī)核心電路、USB/RS485通訊電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路。通過(guò)對(duì)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)掃描接口板的輸入輸出端口，將接口板的開(kāi)關(guān)量輸入輸出端口、模擬量輸入輸出端口的數(shù)據(jù)通過(guò)USB或者RS485通訊接口以特定的協(xié)議與FLASH播放軟件雙工通訊，F(xiàn)LASH播放軟件再通過(guò)內(nèi)部SOCKET與FLASH動(dòng)畫媒體文件交換數(shù)據(jù)，這樣仿真接口模塊的所有開(kāi)關(guān)量、模擬量輸入輸出端口就與FLASH動(dòng)畫文件中的模擬對(duì)象元件建立起一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將可編程控制器PLC或其他單片機(jī)嵌入式控制器的開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入、輸出端口連接仿真系統(tǒng)接口板的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸出、輸入端口，運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)LASH動(dòng)畫中模擬對(duì)象元件會(huì)根據(jù)端口的狀態(tài)和數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的動(dòng)畫動(dòng)作，同時(shí)根據(jù)模擬對(duì)象的需要控制端口輸出數(shù)據(jù)反饋給可編程控制器PLC或其他單片機(jī)嵌入式控制器，達(dá)到視覺(jué)實(shí)時(shí)仿真的效果。如圖I所示，F(xiàn)LASH電氣自動(dòng)控制視覺(jué)仿真科教系統(tǒng)由FLASH播放軟件和仿真接口硬件模塊兩大部分構(gòu)成，F(xiàn)LASH播放軟件運(yùn)行于基于Windows xp平臺(tái)的PC機(jī)上，PC機(jī)通過(guò)USB 口與仿真接口硬件模塊通訊接口相連。仿真接口硬件模塊上的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出口和模擬量輸入/輸出口分別與仿真目標(biāo)控制器上的開(kāi)關(guān)量輸出/輸入口和模擬量輸出/輸入口相連。如圖2所示，仿真接口硬件模塊由七部分構(gòu)成即電源電路、單片機(jī)核心電路、USB/RS485通訊電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路。如圖3所示，電源電路是整個(gè)仿真接口硬件模塊的供電電路，仿真接口模塊需要5V和9V兩種電源，目前PLC控制器大多使用直流24V供電，單片機(jī)嵌入式控制器使用直流12V供電，仿真接口模塊直接使用相同電源。因此，電源電路需要將這兩種電源電壓轉(zhuǎn)換，電源電路如圖3所示，直流24V電源經(jīng)ICl (LM2576S)、Cl、C2、DZ1、LI、Rl、R2、C3、C4組成的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路將電壓降為12V，DC-DC為12V-12V隔離電路，IC2 (LM7809)、C5、C6、C7、C8組 成9V穩(wěn)壓電路將12V降為9V，IC3 (LM7805)、C9、CIO、Cll組成5V穩(wěn)壓電路將9V降為5V。JPl為24V或12V選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)2-3相連時(shí)，選擇24V電源，當(dāng)1_2相連時(shí)，選擇12V電源。如圖4所示，單片機(jī)核心電路是仿真接口模塊的核心電路，單片機(jī)使用美國(guó)ATMEL的ATMEGA64，晶振Tl和C4、C5組成單片機(jī)振蕩電路，R1、C1、C2、IC5 (MAX690A)組成看門狗低電平復(fù)位電路，IC3(74HC573)和IC4(FM1808)組成總線制32K Bytes片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，使用FM1808可以實(shí)現(xiàn)掉電存儲(chǔ)。模擬量采集直接使用ATMEGA64內(nèi)部ADC電路，PF0-PF3四個(gè)管腳用于4路AD采集，由R2、R3、R4、C6、C7、IC2 (TL431)構(gòu)成精密5V基準(zhǔn)電壓源連接AREF, 5V電源經(jīng)L1、C8濾波電路連接AVCC，給內(nèi)部ADC電路供電。R5和RUN構(gòu)成單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示電路，C3、C8、C9、ClO是IC集成電路的旁路電容，用于降低電路干擾。EXPORT連接 +5V，GND, RXl、TX1、PD4-PD7、PF4-PF7 構(gòu)成擴(kuò)展接口 電路。SDA、SCL 腳經(jīng) R6、R7 上拉電阻和CS腳一起連接模擬量輸出電路中串行數(shù)模轉(zhuǎn)換IC(MAX5741)，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換。ΡΕ0、PEl腳連接USB和RS485通訊電路的RXO、TXO ;PE7、PE6、PBO連接開(kāi)關(guān)量輸入電路的DSl、CP、PL ；PB2-PB6連接開(kāi)關(guān)量輸出電路的DS2、0E、ST、SH、MR。如圖5所示，USB和RS485通訊電路是仿真接口模塊與PC機(jī)通訊的橋梁，該電路提供USB和RS485兩種轉(zhuǎn)換電路，由JPl跳線選擇，1-2,5-6連接時(shí)選擇USB通訊，3-4,7-8連接時(shí)選擇 RS485 通訊。ACT、Rl 組成 USB 狀態(tài)指示，ICl (CH340T) LI、Cl、C2、C4、C5、Tl 組成 232 轉(zhuǎn) USB 電路經(jīng) PORTl 與 PC 機(jī) USB 連接；IC2 (MAX485)、R2-R9、TVSU TVS2、C7、Ql 組成232轉(zhuǎn)RS485電路經(jīng)P0RT2與外部RS485 口連接。如圖6所示，開(kāi)關(guān)量(Di)輸入電路用于采集開(kāi)關(guān)信號(hào)。Rl-I、Rl-2、Rl_3、Cl-UC1-2、光電耦合器Ul組成I路輸入信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換電路，這樣相同的16個(gè)電路可獲取16路輸入隔離轉(zhuǎn)換信號(hào)，接入由兩片8路并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行數(shù)據(jù)IC(74HC165)級(jí)聯(lián)組成的16路信號(hào)采集電路，DS1、CP、PL串行信號(hào)線經(jīng)R0-17、R0-18、R0-19三個(gè)電阻上拉后，連接到單片機(jī)MCU相應(yīng)的DS1、CP、PL端。LEDl LED16、R0-1 R0-16組成16個(gè)端口狀態(tài)指示。CO-UC0-2為旁路電容。如圖7所不,開(kāi)關(guān)量(Do)輸出電路用于輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)。R1-1、R1_2、光電f禹合器Ul-I、U1-2組成I路開(kāi)關(guān)信號(hào)隔離輸出電路，這樣這樣相同的16個(gè)電路可組成16路輸出隔離開(kāi)關(guān)信號(hào)，輸出控制由兩片8路串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)并行數(shù)據(jù)IC(74HC595)級(jí)聯(lián)，經(jīng)ULN2803反向輸出。MR、SH、ST、0E、DS2串行信號(hào)線及控制線經(jīng)R0-17 R0-21六個(gè)電阻上拉后，連接到單片機(jī)MCU相應(yīng)的MR、SH、ST、0E、DS2端。LEDl LED16、R0_1 R0-16組成16個(gè)輸出端口狀態(tài)指示。R0-22是級(jí)聯(lián)上拉電阻。CO-I、C0-2為旁路電容。如圖8所示模擬量輸入(Ai)電路用于采集模擬量數(shù)據(jù)。由Rl-I、Rl-2、R2_l、R2-2、R3-1、R3-2、R4-1、R4-2、Cl-U C2-1、C3-1、C4-1 八個(gè)電阻四個(gè)電容和軌到軌運(yùn)放ICl (0PA4348)組成4個(gè)電壓跟隨器，進(jìn)行緩沖濾波后連接單片機(jī)MCU的ADl AD4腳，利用單片機(jī)內(nèi)部10位精度的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換單元完成4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)4路模擬量數(shù)據(jù)采集。CO-I為IC旁路電容。如圖9所示，模擬量輸出(Ao)電路用于輸出模擬量數(shù)據(jù)。R0-l、R0-2、R0-3、C0-3、C0-4.IC2 (TL431)組成精密5V基準(zhǔn)電壓源，連接4通道串行數(shù)模轉(zhuǎn)換ICl (MAX5741) REF腳，提供5V精密基準(zhǔn)電壓源，Rl-U Rl-2、R2-1、R2-2、R3-1、R3-2、R4-1、R4-2和軌到軌運(yùn)放ICl (0PA4348)組成4個(gè)電壓跟隨器，進(jìn)行緩沖輸出。ICl的串行數(shù)據(jù)線CS、SDA、SCL腳連接單片機(jī)MCU相應(yīng)的CS、SDA、SCL腳，通過(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)4路模擬量數(shù)據(jù)輸出。C0_1、C0-2為IC芳路電各。 本實(shí)用新型軟件的結(jié)構(gòu)如圖10所示，軟件由兩部分構(gòu)成，①是運(yùn)行于PC機(jī)Windows XP平臺(tái)的軟件；②是運(yùn)行于仿真接口模塊的單片機(jī)嵌入式平臺(tái)軟件。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和輸出具體步驟如下(a)運(yùn)行于PC上的軟件以Windows XP為平臺(tái)，以FLASH播放軟件為中心，管理播放FLASH動(dòng)畫媒體文件，與數(shù)據(jù)庫(kù)交換數(shù)據(jù)，與USB/RS232接口通訊；(b)、FLASH播放的FLASH動(dòng)畫媒體文件使用美國(guó)Adobe公司提供的AdobeFlash動(dòng)畫軟件設(shè)計(jì)，每一個(gè)FLASH動(dòng)畫媒體文件對(duì)應(yīng)一個(gè)仿真模型，因FLASH設(shè)計(jì)的動(dòng)畫媒體文件本身不具備數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫和USB/RS232通訊的能力，這些就由FLASH播放軟件來(lái)完成；(c)、FLASH播放軟件使用美國(guó)Borland C++Builder設(shè)計(jì)，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)管理和計(jì)算機(jī)硬件通訊管理能力；FLASH設(shè)計(jì)的動(dòng)畫媒體文件與FLASH播放軟件通過(guò)內(nèi)部SOCKET以特定的協(xié)議雙向通訊并交換數(shù)據(jù)。FLASH播放軟件除了管理和播放動(dòng)畫媒體文件夕卜，還是動(dòng)畫媒體文件與數(shù)據(jù)庫(kù)、USB/RS232接口之間通訊的橋梁；(d)、運(yùn)行于單片機(jī)嵌入式平臺(tái)的軟件使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，包括主程序；RS232通訊管理子程序；數(shù)據(jù)管理子程序；擴(kuò)展通訊管理子程序；開(kāi)關(guān)量采集子程序；開(kāi)關(guān)量輸出子程序；模擬量米集子程序；模擬量輸出子程序；(e)、主程序完成單片機(jī)初始化后，循環(huán)調(diào)用開(kāi)關(guān)量采集子程序、模擬量采集子程序、開(kāi)關(guān)量輸出子程序、模擬量輸出子程序這四個(gè)子程序，采集子程序采集仿真接口模塊上輸入端口數(shù)據(jù)后調(diào)用數(shù)據(jù)管理子程序?qū)?shù)據(jù)存放在片外存儲(chǔ)器指定地址中，輸出子程序調(diào)用數(shù)據(jù)管理子程序讀取存儲(chǔ)在片外存儲(chǔ)器中的PC端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并輸出到仿真接口模塊的對(duì)應(yīng)輸出端口；(f)、RS232通訊管理子程序采用中斷服務(wù)方式運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)與PC之間進(jìn)行，當(dāng)PC通過(guò)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令時(shí)，RS232通訊管理子程序響應(yīng)中斷，接收指令，根據(jù)指令要求將存儲(chǔ)在片外存儲(chǔ)器的開(kāi)關(guān)量模擬量數(shù)據(jù)按照協(xié)議規(guī)定格式發(fā)送給PC，或者將PC傳送過(guò)來(lái)的開(kāi)關(guān)量模擬量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到片外存儲(chǔ)器中，等待開(kāi)關(guān)量輸出子程序和模擬量輸出子程序調(diào)用輸出到仿真接口模塊的外部端口，如此循環(huán)不斷以完成數(shù)據(jù)采集和輸出。以上所揭露僅為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來(lái)限定本實(shí)用新型之權(quán)利范圍，因此依本實(shí)用新型權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬于本實(shí)用新型所 涵蓋的范圍。
權(quán)利要求1.一種FLASH電氣自動(dòng)控制視覺(jué)仿真科教系統(tǒng)，其特征在于PC機(jī)通過(guò)USB 口與仿真接口硬件模塊通訊接口相連，仿真接口硬件模塊上的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出口和模擬量輸入/輸出口分別與仿真目標(biāo)控制器上的開(kāi)關(guān)量輸出/輸入口和模擬量輸出/輸入口相連；所述仿真接口硬件模塊由電源電路，單片機(jī)核心電路，USB、RS485通訊電路，開(kāi)關(guān)量輸入電路，開(kāi)關(guān)量輸出電路，模擬量輸入電路，模擬量輸出電路組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了FLASH電氣自動(dòng)控制視覺(jué)仿真科教系統(tǒng)，其特征是它由FLASH播放軟件和仿真接口硬件模塊兩大部分構(gòu)成，PC機(jī)通過(guò)USB口與仿真接口硬件模塊通訊接口相連，仿真接口硬件模塊上的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出口和模擬量輸入/輸出口分別與仿真目標(biāo)控制器上的開(kāi)關(guān)量輸出/輸入口和模擬量輸出/輸入口相連。其優(yōu)點(diǎn)是利用FLASH動(dòng)畫播放軟件和Adobe FLASH制作的動(dòng)畫媒體文件結(jié)合單片機(jī)為核心組成的接口電路，在計(jì)算機(jī)上模擬仿真電氣自動(dòng)控制各類對(duì)象、環(huán)境及動(dòng)作過(guò)程，仿真系統(tǒng)作為所有的可編程控制器PLC的模擬控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制視覺(jué)實(shí)時(shí)仿真。
文檔編號(hào)G09B9/00GK202584469SQ20122010158
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月16日
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