專利名稱：一種flash電氣自動控制視覺仿真科教系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用專用的FLASH動畫播放軟件和利用Adobe FLASH制作的動畫媒體文件結合單片機為核心組成的接口電路，在計算機上模擬仿真電氣自動控制各類對象、環(huán)境及動作過程，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控制器的模擬控制對象，實現自動控制視覺實時仿真，主要應用于自動化控制教學和科研領域。
背景技術：
工業(yè)電氣自動控制領域主要核心控制器為可編程控制器PLC和嵌入式單片機控制器，仿真是這些控制器開發(fā)設計過程中一個重要環(huán)節(jié)，特別是在高危、高風險項目中，仿 真是必不可少的。目前，針對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廠商提供的針對自家PLC的專用仿真軟件；二、嵌入式單片機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)電氣自動控制課程的教學實驗中應用越來越廣泛，教學的仿真系統(tǒng)也主要是這三類。這些仿真通過控制器進行邊界掃描獲取端口數據，存儲在內部存儲器，以特定的通訊協議輸出，達到跟蹤程序運行過程的目的，屬于程序調試仿真，而且對控制目標的狀態(tài)需要人為輸入，不能自動仿真全過程。第一類和第二類軟件只能對該廠商提供的控制器進行仿真，僅在數據窗口直接顯示端口數據，沒有直觀的圖像顯示被控設備狀態(tài)和動作。第二類軟件主要用于人機界面設計和集中管理，只能以簡單圖像顯示設備狀態(tài)和動作，而且不能仿真單片機控制器。由于應用的側重點不同和通用項目中控制對象的多樣性，這類軟件的圖像動態(tài)過程顯示相對簡單，缺乏生動的視覺動態(tài)過程，再加上這些軟件操作相對復雜，在教學領域應用這些仿真系統(tǒng)存在較多的局限性。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種適用于工業(yè)自動控制課程中教學實驗的實時視覺仿真系統(tǒng)。利用FLASH動畫播放軟件和Adobe FLASH制作的動畫媒體文件結合單片機為核心組成的接口電路，在計算機上模擬仿真自動控制對象元件(如電機、電磁閥、繼電器、加熱電阻絲等)及環(huán)境(如溫度、濕度、行程開關等)，仿真系統(tǒng)作為可編程控制器PLC或其他單片機嵌入式控制器的模擬控制對象，借助FLASH超強的動畫表現能力，實現自動控制全自動視覺實時仿真，以直觀和接近實際應用的方式來檢驗可編程控制器PLC或其他單片機嵌入式系統(tǒng)控制程序的設計及運行情況。為了實現上述目的，本實用新型所采用的技術方案為一種FLASH電氣自動控制視覺仿真科教系統(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成，FLASH播放軟件運行于基于Windows xp平臺的PC機上，PC機通過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關量輸入/輸出口和模擬量輸入/輸出口分別與仿真目標控制器上的開關量輸出/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，單片機核心電路，USB、RS485通訊電路，開關量輸入電路，開關量輸出電路，模擬量輸入電路，模擬量輸出電路組成。本實用新型的有益效果是實現自動控制全自動視覺實時仿真，以直觀和接近實際應用的方式來檢驗可編程控制器PLC或其他單片機嵌入式系統(tǒng)控制程序的設計及運行情況。

圖I為本實用新型FLASH電氣自動控制仿真科教系統(tǒng)應用原理圖；圖2為本實用新型中仿真接口硬件模塊內部結構圖；圖3為本實用新型中硬件模塊的電源電路；圖4為本實用新型中硬件模塊的單片機核心電路；圖5為本實用新型中硬件模塊的USB和RS485通訊電路；圖6為本實用新型中硬件模塊的開關量(Di)輸入電路；圖7為本實用新型中硬件模塊的開關量輸出(Do)電路；圖8為本實用新型中硬件模塊的模擬量輸入(Ai)電路；圖9為本實用新型中硬件模塊的模擬量輸出(Ao)電路；圖10為本實用新型中軟件結構框架圖。
具體實施方式
為了詳細說明本實用新型FLASH電氣自動控制視覺仿真科教系統(tǒng)的技術內容、構造特征、以下結合實施方式并配合附圖作進一步說明。本實用新型應用原理如圖I所示由FLASH播放軟件和仿真接口硬件模塊兩大部分構成。FLASH播放軟件是針對本仿真系統(tǒng)特點設計的專用播放器，在基于WINDOWS XP平臺的PC微型計算機上運行，FLASH播放軟件主要功能其一，管理播放FLASH動畫媒體文件；其二，建立起FLASH動畫文件與單片機接口電路之間數據通訊的橋梁；其三，建立FLASH動畫媒體文件與數據庫數據通訊的橋梁。單片機接口電路以美國ATMEL ATMEGA64單片機或其它單片機為核心，與外圍接口電路構成，具備32路開關量輸入和輸出，8路模擬量輸入輸出，同時預留了 TTL電平兼容的RS232擴展接口，以增加輸入、輸出端口數量，適應更大規(guī)模的仿真。單片機接口電路包括電源電路、單片機核心電路、USB/RS485通訊電路、開關量輸入電路、開關量輸出電路、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路。通過對單片機軟件設計，實時掃描接口板的輸入輸出端口，將接口板的開關量輸入輸出端口、模擬量輸入輸出端口的數據通過USB或者RS485通訊接口以特定的協議與FLASH播放軟件雙工通訊，FLASH播放軟件再通過內部SOCKET與FLASH動畫媒體文件交換數據，這樣仿真接口模塊的所有開關量、模擬量輸入輸出端口就與FLASH動畫文件中的模擬對象元件建立起一一對應關系。實驗時，將可編程控制器PLC或其他單片機嵌入式控制器的開關量和模擬量輸入、輸出端口連接仿真系統(tǒng)接口板的開關量和模擬量的輸出、輸入端口，運行時，FLASH動畫中模擬對象元件會根據端口的狀態(tài)和數據作出相應的動畫動作，同時根據模擬對象的需要控制端口輸出數據反饋給可編程控制器PLC或其他單片機嵌入式控制器，達到視覺實時仿真的效果。如圖I所示，FLASH電氣自動控制視覺仿真科教系統(tǒng)由FLASH播放軟件和仿真接口硬件模塊兩大部分構成，FLASH播放軟件運行于基于Windows xp平臺的PC機上，PC機通過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關量輸入/輸出口和模擬量輸入/輸出口分別與仿真目標控制器上的開關量輸出/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成即電源電路、單片機核心電路、USB/RS485通訊電路、開關量輸入電路、開關量輸出電路、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換，電源電路如圖3所示，直流24V電源經ICl (LM2576S)、Cl、C2、DZ1、LI、Rl、R2、C3、C4組成的開關穩(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選擇開關，當2-3相連時，選擇24V電源，當1_2相連時，選擇12V電源。如圖4所示，單片機核心電路是仿真接口模塊的核心電路，單片機使用美國ATMEL的ATMEGA64，晶振Tl和C4、C5組成單片機振蕩電路，R1、C1、C2、IC5 (MAX690A)組成看門狗低電平復位電路，IC3(74HC573)和IC4(FM1808)組成總線制32K Bytes片外擴展存儲器，使用FM1808可以實現掉電存儲。模擬量采集直接使用ATMEGA64內部ADC電路，PF0-PF3四個管腳用于4路AD采集，由R2、R3、R4、C6、C7、IC2 (TL431)構成精密5V基準電壓源連接AREF, 5V電源經L1、C8濾波電路連接AVCC，給內部ADC電路供電。R5和RUN構成單片機運行狀態(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 構成擴展接口 電路。SDA、SCL 腳經 R6、R7 上拉電阻和CS腳一起連接模擬量輸出電路中串行數模轉換IC(MAX5741)，控制數模轉換。ΡΕ0、PEl腳連接USB和RS485通訊電路的RXO、TXO ;PE7、PE6、PBO連接開關量輸入電路的DSl、CP、PL ；PB2-PB6連接開關量輸出電路的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機通訊的橋梁，該電路提供USB和RS485兩種轉換電路，由JPl跳線選擇，1-2,5-6連接時選擇USB通訊，3-4,7-8連接時選擇 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 USB 電路經 PORTl 與 PC 機 USB 連接；IC2 (MAX485)、R2-R9、TVSU TVS2、C7、Ql 組成232轉RS485電路經P0RT2與外部RS485 口連接。如圖6所示，開關量(Di)輸入電路用于采集開關信號。Rl-I、Rl-2、Rl_3、Cl-UC1-2、光電耦合器Ul組成I路輸入信號隔離轉換電路，這樣相同的16個電路可獲取16路輸入隔離轉換信號，接入由兩片8路并行數據轉串行數據IC(74HC165)級聯組成的16路信號采集電路，DS1、CP、PL串行信號線經R0-17、R0-18、R0-19三個電阻上拉后，連接到單片機MCU相應的DS1、CP、PL端。LEDl LED16、R0-1 R0-16組成16個端口狀態(tài)指示。CO-UC0-2為旁路電容。如圖7所不,開關量(Do)輸出電路用于輸出開關量信號。R1-1、R1_2、光電f禹合器Ul-I、U1-2組成I路開關信號隔離輸出電路，這樣這樣相同的16個電路可組成16路輸出隔離開關信號，輸出控制由兩片8路串行數據轉并行數據IC(74HC595)級聯，經ULN2803反向輸出。MR、SH、ST、0E、DS2串行信號線及控制線經R0-17 R0-21六個電阻上拉后，連接到單片機MCU相應的MR、SH、ST、0E、DS2端。LEDl LED16、R0_1 R0-16組成16個輸出端口狀態(tài)指示。R0-22是級聯上拉電阻。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據。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 八個電阻四個電容和軌到軌運放ICl (0PA4348)組成4個電壓跟隨器，進行緩沖濾波后連接單片機MCU的ADl AD4腳，利用單片機內部10位精度的AD模數轉換單元完成4通道模數轉換，實現4路模擬量數據采集。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據。R0-l、R0-2、R0-3、C0-3、C0-4.IC2 (TL431)組成精密5V基準電壓源，連接4通道串行數模轉換ICl (MAX5741) REF腳，提供5V精密基準電壓源，Rl-U Rl-2、R2-1、R2-2、R3-1、R3-2、R4-1、R4-2和軌到軌運放ICl (0PA4348)組成4個電壓跟隨器，進行緩沖輸出。ICl的串行數據線CS、SDA、SCL腳連接單片機MCU相應的CS、SDA、SCL腳，通過單片機控制實現4路模擬量數據輸出。C0_1、C0-2為IC芳路電各。 本實用新型軟件的結構如圖10所示，軟件由兩部分構成，①是運行于PC機Windows XP平臺的軟件；②是運行于仿真接口模塊的單片機嵌入式平臺軟件。該系統(tǒng)的數據采集和輸出具體步驟如下(a)運行于PC上的軟件以Windows XP為平臺，以FLASH播放軟件為中心，管理播放FLASH動畫媒體文件，與數據庫交換數據，與USB/RS232接口通訊；(b)、FLASH播放的FLASH動畫媒體文件使用美國Adobe公司提供的AdobeFlash動畫軟件設計，每一個FLASH動畫媒體文件對應一個仿真模型，因FLASH設計的動畫媒體文件本身不具備數據庫讀寫和USB/RS232通訊的能力，這些就由FLASH播放軟件來完成；(c)、FLASH播放軟件使用美國Borland C++Builder設計，具備強大的數據庫管理和計算機硬件通訊管理能力；FLASH設計的動畫媒體文件與FLASH播放軟件通過內部SOCKET以特定的協議雙向通訊并交換數據。FLASH播放軟件除了管理和播放動畫媒體文件夕卜，還是動畫媒體文件與數據庫、USB/RS232接口之間通訊的橋梁；(d)、運行于單片機嵌入式平臺的軟件使用C語言設計，包括主程序；RS232通訊管理子程序；數據管理子程序；擴展通訊管理子程序；開關量采集子程序；開關量輸出子程序；模擬量米集子程序；模擬量輸出子程序；(e)、主程序完成單片機初始化后，循環(huán)調用開關量采集子程序、模擬量采集子程序、開關量輸出子程序、模擬量輸出子程序這四個子程序，采集子程序采集仿真接口模塊上輸入端口數據后調用數據管理子程序將數據存放在片外存儲器指定地址中，輸出子程序調用數據管理子程序讀取存儲在片外存儲器中的PC端發(fā)來的數據，并輸出到仿真接口模塊的對應輸出端口；(f)、RS232通訊管理子程序采用中斷服務方式運行，主要負責與PC之間進行，當PC通過發(fā)出數據請求指令時，RS232通訊管理子程序響應中斷，接收指令，根據指令要求將存儲在片外存儲器的開關量模擬量數據按照協議規(guī)定格式發(fā)送給PC，或者將PC傳送過來的開關量模擬量數據存儲到片外存儲器中，等待開關量輸出子程序和模擬量輸出子程序調用輸出到仿真接口模塊的外部端口，如此循環(huán)不斷以完成數據采集和輸出。以上所揭露僅為本實用新型優(yōu)選實施例而已，當然不能以此來限定本實用新型之權利范圍，因此依本實用新型權利要求所作的等同變化，仍屬于本實用新型所 涵蓋的范圍。
權利要求1.一種FLASH電氣自動控制視覺仿真科教系統(tǒng)，其特征在于PC機通過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關量輸入/輸出口和模擬量輸入/輸出口分別與仿真目標控制器上的開關量輸出/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，單片機核心電路，USB、RS485通訊電路，開關量輸入電路，開關量輸出電路，模擬量輸入電路，模擬量輸出電路組成。
專利摘要本實用新型公開了FLASH電氣自動控制視覺仿真科教系統(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成，PC機通過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關量輸入/輸出口和模擬量輸入/輸出口分別與仿真目標控制器上的開關量輸出/輸入口和模擬量輸出/輸入口相連。其優(yōu)點是利用FLASH動畫播放軟件和Adobe FLASH制作的動畫媒體文件結合單片機為核心組成的接口電路，在計算機上模擬仿真電氣自動控制各類對象、環(huán)境及動作過程，仿真系統(tǒng)作為所有的可編程控制器PLC的模擬控制對象，實現自動控制視覺實時仿真。
文檔編號G09B9/00GK202584469SQ20122010158
公開日2012年12月5日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權日2012年3月16日
發(fā)明者孫雄, 鄺必文 申請人:海南經保科技實業(yè)有限公司