基于Proteus的磁滯回線測(cè)試儀仿真

張明長(zhǎng)，田益民

(北京印刷學(xué)院 基礎(chǔ)部,北京 102600)

動(dòng)態(tài)磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀器由實(shí)驗(yàn)儀和測(cè)試儀兩部分組成，再配合示波器，成為一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)儀面板提供鐵磁物質(zhì)樣品，勵(lì)磁電壓和電流取樣電阻及測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的積分電路。

B和H的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在測(cè)試儀顯示窗口用八段數(shù)碼管顯示，如圖1所示。

圖1 磁滯回線測(cè)量裝

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的連線，就是一個(gè)完整磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)儀輸出模擬信號(hào)UB和UH是正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的電壓信號(hào)，將UB和UH兩路信號(hào)送入示波器，在示波器的X-Y模式下就能夠顯示出一個(gè)完整的磁滯回線；將該兩路電壓信號(hào)送入測(cè)試儀進(jìn)行采樣、計(jì)算等數(shù)據(jù)處理就獲得磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]。

TH-MHC型磁滯回線測(cè)試儀與實(shí)驗(yàn)儀組合使用，能夠定量、準(zhǔn)確、快速地測(cè)量鐵磁物質(zhì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、剩磁、矯頑力、磁滯損耗等相關(guān)參數(shù)。此測(cè)試儀是一臺(tái)單片微型計(jì)算機(jī)(其CPU是MCS-51)及一些外圍的數(shù)據(jù)采樣、放大、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示等功能組成，如圖2所示。并且還附有RS-232串行輸出通訊接口，能夠與計(jì)算機(jī)的串口相連，在計(jì)算機(jī)上讀取采集處理的數(shù)據(jù)信號(hào)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存在硬盤上，并且可以在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示磁滯回線，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、曲線打印等。

圖2 測(cè)試儀原理圖

1 磁滯回線測(cè)試儀信息顯示

測(cè)試儀通過(guò)兩個(gè)各有5位的八段數(shù)碼管顯示窗口顯示信息[2]，實(shí)驗(yàn)者通過(guò)操作5個(gè)按鍵控制測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的信息交流互動(dòng)。

磁滯回線實(shí)驗(yàn)是采用計(jì)算機(jī)測(cè)試，其特點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、加工計(jì)算等處理，獲得需要的數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示,或者直接在顯示屏上畫(huà)出實(shí)驗(yàn)曲線等等。當(dāng)今，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)控制測(cè)試，使用的并非是多功能電腦，而是單一功能的計(jì)算機(jī)，這種單一功能的計(jì)算機(jī)就是工業(yè)上用得最多的單片機(jī)。單片機(jī)是單一功能的計(jì)算機(jī)，開(kāi)發(fā)者編寫一些有限的軟件驅(qū)動(dòng)程序，植入芯片實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制，完成特定的專項(xiàng)任務(wù)。早期的單片機(jī)絕大部分是用數(shù)碼管顯示信息，隨著科技的發(fā)展，液晶屏技術(shù)不斷完善，價(jià)格急劇降低，使用越來(lái)越普及，近幾年工業(yè)控制單片機(jī)多數(shù)采用液晶屏進(jìn)行顯示信息。

數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn)是顯示0～9這幾個(gè)數(shù)字清晰漂亮，給人很直觀的感覺(jué)，但是顯示其他字符信息就有很大困難，使人難以理解。由于筆者實(shí)驗(yàn)室的磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀是2003年購(gòu)置，屬于早期產(chǎn)品，數(shù)碼管窗口顯示信息除了0～9這幾個(gè)數(shù)字外，還要顯示一些特定的英文字符。使用數(shù)碼管顯示英文字符的確有些難度，給程序員提出很大挑戰(zhàn)，但是對(duì)于實(shí)實(shí)在在的八段數(shù)碼管這種電子元器件，通過(guò)點(diǎn)亮不同的段碼(LED)方式顯示字符也只能這樣了。Proteus仿真[3-5]顯示電路如圖3所示。

圖3 仿真顯示部分電路圖

2 磁滯回線測(cè)試儀信息交流仿真

測(cè)試儀通過(guò)數(shù)碼管顯示信息，實(shí)驗(yàn)者通過(guò)操作5個(gè)按鍵控制測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的信息互動(dòng)。其按鍵功能說(shuō)明如下：

功能鍵：用于選取不同的功能，每按一次鍵，將在數(shù)碼顯示窗口上顯示出相應(yīng)的功能。

確認(rèn)鍵：當(dāng)選定某一功能后，再按此鍵，即可進(jìn)入此功能的執(zhí)行程序。

數(shù)位鍵：在選定某一位數(shù)碼管為數(shù)據(jù)輸入位后，連續(xù)按動(dòng)此鍵，使小數(shù)點(diǎn)右移至所選定的數(shù)據(jù)輸入位處，此時(shí)小數(shù)點(diǎn)呈閃爍狀態(tài)。

數(shù)據(jù)鍵：連續(xù)按動(dòng)此鍵，可以改變小數(shù)點(diǎn)閃爍位的顯示數(shù)字。

復(fù)位鍵：在測(cè)試過(guò)程中可能由于外來(lái)干擾信號(hào)影響或操作錯(cuò)誤出現(xiàn)死機(jī)、需要重復(fù)測(cè)量某一參量時(shí)，按此鍵，使儀器恢復(fù)正常進(jìn)入工作狀態(tài)。

課堂實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生操作的主要是功能鍵和確認(rèn)鍵，需要重復(fù)測(cè)量或異常時(shí)還用到復(fù)位鍵。

(1)開(kāi)機(jī)狀態(tài)或按復(fù)位鍵后：顯示窗口顯示P…8…P…8…P…8…P…8

圖4 顯示開(kāi)機(jī)、復(fù)位信息

(2)顯示測(cè)試樣品的N和L值：按功能鍵顯示

圖5 顯示樣品的N和L值信息

這里顯示的N=50匝、L=60 mm為儀器事先的設(shè)定值。

(3)顯示所測(cè)樣品的n與S值：按功能鍵顯示：

圖6 顯示樣品的n與S值信息

這里顯示的n=150匝，S=80 mm2為儀器事先設(shè)定值。

(4)電阻R1值和H、B值的倍數(shù)代號(hào)：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖7 顯示電阻值R1值和H、B值的倍數(shù)信息

這里顯示的R1=2.5 Ω，H、B的倍數(shù)(倍數(shù)是指其顯示值需乘倍數(shù))代號(hào)3是儀器事先設(shè)定值，亦可以修改，不同倍數(shù)由表1給出。H、B值是計(jì)算獲得的數(shù)值，編寫程序時(shí)，為了給實(shí)驗(yàn)者提供更多的有效數(shù)字，有意地將數(shù)量級(jí)進(jìn)行隱含。

表1 倍數(shù)代號(hào)對(duì)應(yīng)倍數(shù)及單位

(5)顯示電阻R2、電容C2值：繼續(xù)按功能鍵顯示：

圖8 顯示電阻R2、電容C2值信息

這里顯示的電阻R2=10 Ω、電容C2=20 μf為儀器事先的設(shè)定值。

(6)定標(biāo)參數(shù)顯示(僅調(diào)試用)：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖9 顯示定標(biāo)參數(shù)詢問(wèn)信息

按確認(rèn)鍵，將顯示UHC和UBC電壓值。

(7)顯示每周期采樣的總點(diǎn)數(shù)和測(cè)試信號(hào)頻率：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖10 顯示每周期采樣總點(diǎn)數(shù)和測(cè)試頻率

按確認(rèn)鍵，將顯示出每周期采樣的總點(diǎn)數(shù)n和測(cè)試信號(hào)的頻率f。

圖11 顯示采樣總點(diǎn)數(shù)和測(cè)試信號(hào)頻率值

窗口顯示的是測(cè)量數(shù)據(jù)總點(diǎn)數(shù)和曲線的頻率值，他告訴我們，測(cè)量這么多數(shù)據(jù)點(diǎn)花掉的時(shí)間是頻率的倒數(shù)。從計(jì)算機(jī)測(cè)試來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)只認(rèn)識(shí)時(shí)間，測(cè)量這么多數(shù)據(jù)點(diǎn)只用了一個(gè)周期的時(shí)間，并且計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)是根據(jù)時(shí)間的推移來(lái)取點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將單相市電經(jīng)過(guò)降壓變換成需要幅值的電壓，我國(guó)使用的電壓信號(hào)頻率是50 Hz，周期為20 ms，即測(cè)量這么多點(diǎn)數(shù)據(jù)，花掉的時(shí)間是20 ms?？梢?jiàn)，計(jì)算機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)速度是多么的快。

(8)數(shù)據(jù)采樣：繼續(xù)按功能鍵將顯示

圖12 顯示數(shù)據(jù)采樣詢問(wèn)信息

該窗口顯示意在詢問(wèn)要測(cè)量數(shù)據(jù)嗎，按確認(rèn)鍵表示認(rèn)可，將按照(7)所確定的點(diǎn)數(shù)對(duì)磁滯回線進(jìn)行自動(dòng)采樣，窗口顯示

圖13 顯示采樣過(guò)程信息

若測(cè)試系統(tǒng)正常，稍等片刻后(>20 ms)，顯示器將顯示“GOOD”,表明采樣成功，即可進(jìn)入后續(xù)操作；如果顯示“BAD”，表明系統(tǒng)采樣失敗，需要查明原因并修復(fù)后，重新按“功能”鍵，程序?qū)⒎祷氐綌?shù)據(jù)采樣狀態(tài)，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。

圖14 顯示采樣成功信息

不是前面已經(jīng)提到，采樣一個(gè)周期的時(shí)間是20 ms，為什么在這兒又說(shuō)大于20 ms呢？這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)出測(cè)試指令后，先進(jìn)行相位檢測(cè)，花掉一部分時(shí)間，再進(jìn)行采樣測(cè)量花掉20 ms的時(shí)間，還有51單片機(jī)CPU和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分開(kāi)的，將CPU計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)入存儲(chǔ)器，在運(yùn)輸?shù)酱鎯?chǔ)器的線路上花掉絕大部分時(shí)間，結(jié)果是從發(fā)出測(cè)試指令到確認(rèn)測(cè)試成功的時(shí)間遠(yuǎn)大于20 ms。

(9)顯示磁滯回線采樣點(diǎn)H和B的值：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖15 詢問(wèn)顯示磁滯回線采樣點(diǎn)信息

接著每按2次確認(rèn)鍵，將顯示曲線上一點(diǎn)的H和B值，第一次按確認(rèn)鍵顯示采樣點(diǎn)序號(hào)，相當(dāng)于Excel表的行號(hào)；第二次按確認(rèn)鍵顯示出該行記錄的H和B值，相當(dāng)于行號(hào)對(duì)應(yīng)行的數(shù)值(通過(guò)該操作可以很好地理解計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是看不見(jiàn)的Excel數(shù)據(jù)表格。)，采樣總點(diǎn)數(shù)參見(jiàn)(7)，H和B值的倍數(shù)參見(jiàn)(4)。顯示磁滯回線上的點(diǎn)是依第4、1、2、3象限的順序進(jìn)行(該儀器測(cè)量磁滯回線發(fā)出指令test后，先進(jìn)行相位檢測(cè)，在3π/2時(shí)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。)。從示波器上可以觀察到磁滯回線是閉合的非對(duì)稱曲線，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄一定要體現(xiàn)出曲線的封閉性、非對(duì)稱性；非對(duì)稱曲線上有部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)又是關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，比較特殊，以特定的名字給予命名(矯頑力、剩磁和磁飽和點(diǎn))。調(diào)節(jié)示波器，使封閉曲線的中心處在坐標(biāo)原點(diǎn)，可以看到，曲線長(zhǎng)度在1、3象限幾乎相等，2、4象限亦幾乎相等，曲線長(zhǎng)度代表了測(cè)量點(diǎn)數(shù)的多少，可知采樣點(diǎn)數(shù)1、3象限占了數(shù)據(jù)的絕大多數(shù)，2、4象限數(shù)據(jù)相對(duì)較少。

若在進(jìn)行(8)步序測(cè)量中，只按功能鍵而未按確認(rèn)鍵(表明未完成數(shù)據(jù)采樣，沒(méi)有獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于沒(méi)有填寫隱形的Excel數(shù)據(jù)表格)，此時(shí)按確認(rèn)鍵將顯示：“NO DATA”,表示操作有誤。

圖16 顯示出錯(cuò)信息

(10)顯示磁滯回線的矯頑力HC和剩磁Br：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖17 顯示磁滯回線矯頑力和剩磁的詢問(wèn)信息

按確認(rèn)鍵，將顯示出矯頑力HC和剩磁Br之值(前面所確定的倍數(shù))。

(11)顯示樣品的磁滯損耗：按功能鍵顯示

圖18 顯示磁滯損耗詢問(wèn)信息

按確認(rèn)鍵，將顯示樣品的磁滯損耗。

磁滯損耗的計(jì)算公式：

同樣，若在進(jìn)行(8)步序測(cè)量中，只按功能鍵而未按確認(rèn)鍵(表明未完成數(shù)據(jù)采樣，沒(méi)有獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))，此時(shí)按確認(rèn)鍵亦將顯示：“NO DATA”,表示操作有誤。

(12)顯示H與B的最大值Hm與Bm：繼續(xù)按功能鍵顯示

圖19 顯示磁飽和點(diǎn)詢問(wèn)信息

按確認(rèn)鍵，將顯示出Hm與Bm之值，這就是不同勵(lì)磁電壓下磁飽和點(diǎn)數(shù)值。

Hm、Bm的下標(biāo)m是maximum的首字符，因?yàn)閙有3個(gè)豎杠，八段數(shù)碼管只有2個(gè)豎杠，八段數(shù)碼管無(wú)法顯示m,只能用n來(lái)代替m了。

其他顯示內(nèi)容及按鍵操作，由于沒(méi)有涉及到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀現(xiàn)象，在此就不再展示說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)采樣電壓信號(hào)后計(jì)算獲得的，有關(guān)數(shù)據(jù)采樣過(guò)程需要和實(shí)物連接，仿真時(shí)沒(méi)有直觀現(xiàn)象展示，可以參閱有關(guān)A/D，D/A轉(zhuǎn)換書(shū)籍。本實(shí)驗(yàn)需要同時(shí)采樣2路電壓信號(hào)，采取分時(shí)進(jìn)行采樣法處理，具體涉及計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)，可以參閱相關(guān)書(shū)[6-8]。

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，數(shù)碼管顯示屏顯示這些不完整的英文字符，給學(xué)生有稀奇古怪、難以理解之惑，操作上常常出現(xiàn)選擇“功能”錯(cuò)誤，導(dǎo)致記錄數(shù)據(jù)張冠李戴。筆者在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，采用Proteus實(shí)時(shí)仿真功能，編寫驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)行仿真講解，展示數(shù)碼管的顯示機(jī)理，加深學(xué)生的課堂理解，減少實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)概率；同時(shí)仿真過(guò)程是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示過(guò)程，能夠吸引學(xué)生的眼球，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過(guò)程中，創(chuàng)造機(jī)會(huì)引導(dǎo)學(xué)生研究實(shí)驗(yàn)儀器，探討儀器的設(shè)計(jì)制作，更深層次地學(xué)習(xí)理解物理實(shí)驗(yàn)課。