1虚拟操作界面设计
虚拟实验仪器中虚拟操作界面是学生在进行虚拟实验时需要操作的虚拟面板，所以其虚拟操作界面必须与实际教学实验仪器PLC实验箱面板具有相同的控制和显示功能。学生利用鼠标或键盘操作虚拟面板上的开关和接线，根据虚拟PLC程序的运行情况，虚拟面板上指示灯给出相应的变化，实现与实际教学实验仪器完全相同的操作与显示。
1.1基础界面设计
虚拟界面需要对实际教学实验仪器PLC实验箱的面板尽量模拟得真实和美观。CorelDraw是一款绘图与排版软件，界面设计友好，操作精微细致，它是基于矢量图的绘图软件，被广泛应用于商标设计、标志制作、模型绘制、插图描画、排版及分色输出等诸多领域。因此本文采用CorelDraw软件绘制虚拟界面图。CorelDraw软件绘制虚拟界面不包括各种开关按键和指示灯，因为开关按键和指示灯可分别操作或显示，其效果图如图1所示。
1.2控件设计
虚拟界面上不仅有需要操作的控件，而且有显示的控制。操作显示控件设计是虚拟实验仪界面设计中的重要内容之一，它不仅是虚拟仪器界面不可或缺的组成部分，而且在虚拟操作时具有数据输入输出的功能，使得虚拟仪器具有虚拟操作和显示的功能。教学实验仪器PLC实验箱面板上主要有3类控制和显示的元件，分别是开关按键、LED灯和角度转盘。为模拟教学实验仪器PLC实验箱面板上的各种开关按键、指示灯和角度转盘的转动，需要利用CorelDraw软件绘制与实验仪器操作面板上完全相同的开关按键、指示灯和角度转盘，包括开关状态位置和指示灯显示不同颜色的图片，再利用GLStudio和VisualC++软件编写操作界面上按钮及仪表的控件，最后将其组合成完整的虚拟实验仪界面。本文以绿色按键为例说明控件设计。图2是利用CorelDraw软件绘制的绿色按键的两种不同状态的图像，其中a是按键开关断开状态，b是按键开关接通状态，2种状态的切换是以鼠标单击为条件。编写控件的方法是，通过GLStudio将这2种状态的图片叠加，再用VC软件定义按键2种状态的输入输出变量并对两种状态进行赋值，然后定义“单击事件”并进行事件编程，编译得到绿色按键的控件，其运行效果是在按键上单击鼠标左键能够让按键在两种状态下切换，且该控件不仅能通过鼠标左键进行状态切换，也可以通过程序改写其内部状态变量而改变其状态。其他按键以及电源按键的设计方法与上述按键的设计方法完全相同。转盘控件的设计与按键不同，它需要达到的效果是能够连续旋转，不再仅仅是两种状态的切换。转盘控件不仅要模拟最终角度的变化，而且还需要模拟转动过程中的角度和角速度。转盘控件的编写方法是，按照实际比例绘制出转盘，通过GLStudio将图片关联到转角变量，然后通过在VC中调用相关的响应函数控制转盘的旋转，转盘的旋转角度可由转角变量指定。另外，为达到模拟角速度和角加速度的效果，需要PLC控制电机时采用路径规划模式，所以要在控件设计过程中给出该模式数据的接口，并进行相关数据的处理。再通过VC对其进行相应的编程，得到通用的转盘控件。转盘控件的效果图如图3所示。
1.3完整虚拟界面
在基础界面和所有控件设计完成后，按照教学实验仪器PLC实验箱面板上相关元件的位置将按键控件、转盘控件与基础界面进行组合，得到如图4所示的虚拟界面整体效果图。与真实仪器一样，虚拟界面同样有红色按键、黄色按键、绿色按键、转盘、LED灯以及电源开关等，并与实际教学实验仪器PLC实验箱面板所对应元件具有完全相同的功能。由于虚拟界面各按键和指示灯并没有实际接线，而仅仅是逻辑变量，所以可以进行多种不同的组合，使得虚拟界面具有比实际PLC实验箱面板更加丰富的控制功能。
2控制程序设计
虚实结合的PLC教学实验仪器控制程序不仅需要具备虚拟实验的模拟能力，还要能与实物PLC连接，进行实物实验，因而还要具有实验类型和实验项目选择能力和相关逻辑判断能力。根据教学目的要求，该PLC教学实验仪器至少需要模拟实物PLC实验仪中的4种实验，分别是流水灯实验，交通灯实验，步进电机模型实验，电梯模型实验，这4个实验由易到难，涵盖了PLC的主要使用功能，可满足不同类型教学的需要。受教学实验仪器PLC实验箱面板大小和内部线路布置的约束，实物实验的实验项目很难进行拓展。而虚拟实验并不受面板开关按键数量和接线布置等因素的影响，在适当的条件下可随时进行拓展。学生可依此平台自行设计各种实验，而且没有损坏仪器设备的危险。虚实结合的PLC教学实验仪器不仅丰富了实验项目内容，增强了实验的趣味性，而且很大程度上提高了学生的学习积极性，充分挖掘学生潜力，培养学生的创新精神。整体程序的设计采用了选择结构框架，其实验项目结构图如图5所示。LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台)是一个程序开发环境，类似于C，BASIC。LabVIEW的特点在于，它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。LabVIEW还整合了与诸如满足GPIB，VXI，RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。虽然LabVIEW是一个通用编程系统，但是它也包含为数据采集和仪器控制特别设计的函数库和开发工具。LabVIEW程序被称为虚拟仪器(VIs)，是因为它的外观和操作可模仿实际的仪器。由于本文设计的教学虚拟仪器将与PLC进行串口通信，而LabVIEW提供了通用的串口通信模块，使得其接口通信十分方便，且采用LabVIEW很容易利用已绘制的界面和设计的多种控件，大大缩短程序设计周期。因为同一时刻只能进行一类实验，所以在程序设计上，4类实验的选择是并列的，该类实验的各个具体实验项目之间也是并列的。由于实现项目程序编写情况类似，在此仅给出电梯模型实验呼叫等待模式的程序框图，如图6所示。
3结束语
笔者介绍了利用虚实结合的方法实现PLC教学实验仪器的设计。学生不仅可在虚拟实验仪器上进行PLC的编程学习，而且可以在所有操作方法不变的情况下，进行PLC的实物学习。实践证明，使用虚实结合的教学实验仪器能以较低的成本达到较高的实验教学效果，同时因其在一定程度上不受原实物实验仪器输入输出信号的限制，扩展性好，可以更好地发挥实验仪器的作用。
作者：熊先锋 杨国志 吕帮俊 单位：海军工程大学
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