RLC电路实验远程接线的实现

部德才

(大连大学 物理科学与技术学院, 辽宁 大连 116622)



RLC电路实验远程接线的实现

部德才

(大连大学 物理科学与技术学院, 辽宁 大连 116622)

为探讨远程实验电路接线问题,研制一套RLC电路远程接线装置。以AT89C51单片机为核心,根据RLC电路实验中各接线端子间的所有可能组合,构建接线阵列,每两个接线端子间用继电器控制其接通或断开,继电器的状态由单片机根据各自的接线控制码决定,单片机通过串行口接收上位机发送的继电器控制码。在LabVIEW环境下的远程客户端通过点击操作面板上器件端子按钮,生成相应的继电器控制码,经装置硬件电路实现对任意器件端子间的接线操作。在RLC电路远程实验中应用表明,该装置结构简单,可靠性好,可实现对RLC串联电路暂态过程、并联电路暂态过程等多个实验远程接线,适合在远程实验中应用。该方法也可扩展到其他远程实验使用。

远程实验; RLC电路; 单片机; LabVIEW

随着网络技术和远程教育[1-3]的发展,近年来出现了利用网络的共享功能通过传送数据来完成实验的远程实验教学方式[4-6],而且越来越受到人们的重视。目前多数远程实验系统除实现对实验参数的控制外[7-8],主要着重于实验数据采集、处理和网络传输等方面[9-10]。为使远程实验更具真实性和灵活性,还应实现实验电路的接线控制,在远程客户端对实验仪器和器件进行模拟手工连接线路[11],在实验者提高动手能力的同时,也可达到用同一套远程实验装置进行多个实验项目的目的。本文针对电磁学中“RLC电路特性的研究”实验,研制了一套远程接线装置,对电路器件各个接线端子之间加装继电器阵列,通过单片机控制继电器状态,使各个端子间接通或断开,从而能进行任意器件端子间的线路连接。再结合虚拟仪器技术[12]和网络技术,使得在远程客户机上通过点击虚拟面板上的相应按钮,实现实验电路的连接,以适合不同RLC电路的远程实验。

1 实验装置硬件组成及原理

RLC电路特性的研究实验主要包括RLC电路暂态过程、串联电路及并联电路的相频特性和幅频特性研究。为使实验装置具有更为普遍的应用性,根据RLC电路中各元件与信号发生器和示波器的所有可能组合,构建接线阵列,接线阵列中每两个接线端子间用继电器控制其接通或断开,利用2片ATMEL公司的AT89C51单片机分别控制继电器组,如图1所示。单片机与上位机通过串行口通信,接收计算机发送的接线控制码。每片单片机的串行发送端和串行接收端分别并联后与上位机连接,利用上位机发送程序控制字的高2位对单片机进行片选操作[13],不会导致单片机的工作发生混乱。在单片机与上位机之间采用美国美信公司(MAXIM)的串口电平转换芯片MAX232完成RS232与TTL电平的转换。服务器与客户机之间采用TCP/IP协议进行网络通信。

图1 实验装置硬件组成

实现计算机控制接线的关键是要使电路中各个接线端子之间能任意连线。在RLC电路实验的各种电路中,主要包括电阻器、电容器、电感器、信号发生器以及示波器。对于这些元件和仪器的各种接线,设计由单片机并行口线控制继电器阵列实现任意两端子间接通或断开,继电器的状态由单片机根据各自的接线控制码决定,如表1所示。其中R1a、R1b、Ca、Cb、La、Lb分别表示电阻器、电容器和电感器的接线端子,R0a、R0b表示RLC并联电路中的固定电阻接线端子,S、Y1、Y2分别表示信号发生器、示波器1通道和示波器2通道接线端子,G表示信号发生器和示波器的公共地线接线端子。表1中每个十六进制控制码代表了一种接线组合,单片机接收来自上位机的某个接线控制码后,改变其相应的继电器状态,即完成对该组合的接线或拆线操作。考虑到相同元件2个接线端子具有同等效果,而且公共接地端与信号发生器和示波器之间不能互相连接以防止短路,继电器组有部分冗余(如表1中“×”所示)。为便于程序的编写,使软件尽可能简化,电阻器、电容器与电感器的接线阵列由单片机1控制,信号发生器与示波器接线阵列由单片机2控制。

表1 继电器接线控制码

2 软件设计

网络通信采用客户机/服务器模式,通过TCP/IP协议传送数据。客户机与服务器程序均利用LabVIEW编程[14]。LabVIEW是美国国家仪器公司开发的软件产品,基于图形化编程语言G语言的开发环境,具有简单、直观、便于使用的特点。客户机程序的前面板完全仿照真实的仪器面板,信号发生器和示波器采用自行开发的虚拟仪器[15]。用户用鼠标单击任一接线端子,然后再单击其他接线端子,程序向单片机发送该连线组合的代码,由单片机控制相应继电器的通断,完成这2个接线端子间连线,同时在客户机面板上显示连线结果。再次单击已经连线的接线端子将会拆除该连线。

根据表1所示接线阵列,客户机程序对每个接线端子编号,建立各端子间连线的数据表,根据面板上接线端子的点击情况,由程序产生相应的控制码。图2为接线控制程序的流程图。对于接线控制码的产生和发送,程序设计由变量N指示接线端子的点击次数,只有N等于2时才将接线控制码发送到服务器,保证点击端子和实际接线操作相对应,其他情况则向服务器发送标志码255,表示此时不进行接线操作。用另外2个变量Row和Line分别表示第一次和第二次点击的端子代码,当完成两次点击时将二者组合出接线码,由TCP Write结点发送至服务器。

图2 接线控制程序流程图

当用户进行接线操作时,在客户机前面板上应能清楚地了解其接线情况。将LabVIEW前面板控件中的Square LED拉长变形后连接在各端子之间,并设置LED的初始状态为逻辑假值。在接线控制码成功发送的同时,将对应的LED点亮,即可实时显示接线状态。

由于在实验过程中接线操作并不频繁,为避免上位机和单片机之间的重复通信,在服务器程序中增加一Case结构,只有在虚拟面板上完成一次成功的连线时才通过串口将接线控制码传送至单片机。由TCP Read结点接收来自客户机发送的数据,判断该数据如果不等于标志码255,则调用VISA Write结点将该数据通过串行口发送至单片机中,继而控制对应继电器的通断,最终实现远程接线的功能。

3 在RLC电路远程实验中的应用

图3 RLC串联电路暂态过程接线图

图4 RLC串联电路暂态过程uR的波形

4 结束语

为探讨远程实验中电路接线的问题,研制了RLC电路远程接线装置,通过构建继电器接线阵列,利用单片机控制继电器的接通或断开实现对电路的接线操作。设计基于LabVIEW的虚拟操作界面,实验者点击元件端子相应按钮,程序将生成的控制码通过串口发送给单片机进而控制继电器状态。在RLC电路远程实验中应用表明,该装置结构简单,可靠性好,适合在远程实验系统中应用。对接线阵列的设计,提供了在任意器件端子间进行接线的可能性,只需设计出相应的软件和远程实验平台,即可将该装置应用于其他类似传统实验。因此,这种方法解决了在远程实验中电路接线的问题,可以广泛应用于各种远程实验中。

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Implementation of remote connection in RLC circuit experiment

Bu Decai

(College of Physical Science and Technology,Dalian University,Dalian 116622,China)

To discuss the problem of circuit connection in a remote experiment,a set of control device for the remote connection in the RLC circuit experiment is designed and developed.It employs the microcontroller AT89C51 as the core,establishes a relays array for the connection based on all the possibilities of connection between terminals of all the experimental apparatus.The connection or disconnection between any two terminals is controlled by relays whose status is confirmed by control codes which the microcontroller receives from the supervisory computer through serial interface.Due to the hardware circuit of this device,the connection between any two terminals can be implemented on the remote client computer based on LabVIEW when the buttons of terminals are clicked.Its application to the remote experiment of the RLC circuit demonstrates that the device with its simple structure is highly reliable and suitable for remote experiments such as the transient process of RLC series circuit and the transient process of RLC parallel circuit as it makes it possible to connect many specific RLC circuits remotely.Moreover,this method can also be extensively applied to other similar traditional experiments that therefore can be modified as remote experiments.

remote experiment; RLC circuit; microcontroller; LabVIEW

2014- 06- 26 修改日期：2014- 09- 18

2012年辽宁省教育厅教改项目(937)；大连大学教改项目(2013G3-139)

部德才(1972—)，男，黑龙江宁安，博士研究生，讲师，主要从事远程实验教学研究.

E-mail：caizi1108@163.com

TP273;G434

A

1002-4956(2015)2- 0107- 03