智能檢測與控制系統課程設計指導

瞿圓媛 張鈴煒

摘? 要 為豐富測控技術與儀器專業培養中關于計算機控制的綜合設計訓練素材，以實現某實驗臺磁場狀態過程的實時監測與自動控制為目的，提出基于LabVIEW NXG的監控軟件上位機、基于FPGA的下位機結構，展示一套基于計算機技術的智能檢測與控制系統軟、硬件架構。

關鍵詞 智能檢測與控制;LabVIEW NXG;FPGA

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）24-0096-03

Design Guidance of an Intelligent Detection and Control System//QU Yuanyuan， ZHANG Lingwei

Abstract In order to enrich the training materials about computer control in the major of measurement and control technology & in-strument， a set of monitoring software based on LabVIEW NXG together with hardware based on FPGA are proposed， to realize the real-time monitoring and automatic control of the magnetic field state of a certain experimental platform. It shows a general software and hardware architecture of intelligent detection and control system based on computer technology.

Key words intelligent detection and control system; LabVIEW NXG;FPGA

1 前言

現代測試/測量技術、現場可編程器件FPGA/單片機/嵌入式原理及應用等相關課程是測控技術與儀器專業本科培養方案中不可或缺的內容，目的是引導學生利用新型傳感器技術、信息處理技術、自動控制技術、單片機和計算機測控技術開發智能化儀器儀表及由其集成的高效測控系統。但在實際教學過程中，往往學生專注于各門課程獨立的知識點，很少能自主去了解它們背后的應用聯系，因此，基于實例的綜合設計訓練極為必要和重要。

本文針對某基于磁場變控的測試實驗臺，以實現其磁場狀態過程的實時監測與自動控制為目的，通過分析測試信息及控制參數的實際需求，提出基于LabVIEW NXG的監控軟件上位機、基于FPGA的下位機結構，展示一套基于計算機技術的智能檢測與控制系統軟、硬件架構，一定程度上為幫助學生理解測控系統設計豐富了素材。

自動檢控制系統一般包含檢測與控制兩部分。檢測直接依賴于各式各樣的傳感器，負責采集被檢測物理量或控制參量的信息，主要技術指標有靈敏度、重復性、穩定性等[1]，以及其他針對不同應用場合的特殊指標。檢測到的信息將按一定的要求獲得處理，如直接比較或函數換算，最終給出檢測結果?？刂撇糠忠罁摍z測結果，判斷并生成控制指令，傳遞給執行機構。這一環節多有微機處理器的參與，最好附有顯示和記錄裝置甚至報警裝置，是檢測系統和控制系統的核心部分。

針對上述典型測控集成化專用實驗臺，本設計的重難點在于搭建其上位機監控軟件以及與其匹配的下位機通信處理模塊，以實現對磁場的實時監測和有效控制。

2 實驗臺監控總體方案設計

本文涉及的監控方案設計包含硬件電路程序模塊以及監控軟件兩部分，總體的結構方案如圖1所示。其中，硬件電路及程序模塊基于Xilinx spantan-6系列的XC6SLX9-2FTG256C，在FPGA內部采用Verilog HDL硬件描述語言實現串口通信模塊。監控軟件采用LabVIEW NXG進行上位機的編寫，與FPGA通過串口進行通信，實現對磁場控制系統的參數設置和實時監測。

實驗臺監控軟件設計? NI公司推出的LabVIEW NXG軟件開發平臺，較原版LabVIEW軟件具有較大的技術革新——以配置取代編程，大大提升了編程效率[2]。本方案基于LabVIEW NXG軟件平臺進行實驗臺監控軟件開發，總體的結構圖如圖2所示。

1）控制參數下發模塊。在監控軟件上位機中，控制參數下發模塊主要完成兩個任務：一是FPGA與上位機的串口自動匹配;二是相關配置參數修改后實時下發。設計上位機運行伊始自動搜索空閑串口并輪詢，發送指定指令，根據FPGA各串口響應的特定字符串不同來自動匹配串口。運行后，在上位機顯示界面對磁場控制過程中調制解調、PID閉環控制等模塊相應參數進行修改。當上位機監測到該輸入控件值改變時，就將改變后的值按照數據類型不同，如濾波器參數、頻率控制字、相位控制字、使能參數等，進行相應轉換，然后加幀頭、幀尾、地址位等打包，以區分數據來源，方便精準控制，提高傳輸準確率，最后通過串口下發。

2）數據采集處理模塊。上位機監控軟件通過四路串口接收FPGA上傳的關鍵數據，接收到這些數據后，首先通過數據解包子VI將一幀數據拆分成幀頭、地址位、幀尾等部分，通過幀頭、幀尾進行數據有效性的判斷，通過地址位將數據送入相應的處理程序，以備后續使用。

3）數據波形顯示與存儲模塊。數據波形顯示模塊將從上位機接收到的數據根據需求通過LabVIEW NXG中的“圖形”和“圖表”控件進行動態化顯示，也可以將數據以一定的格式存儲到相應的文本文件中，供數據后續的處理利用。