【文章內(nèi)容簡介】 器、信號調理電路等組成。數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是向被測電路和計算機傳送所需的數(shù)據(jù)信號和控制信號，同時又接 收并處理來自被測對象的狀態(tài)信號。此外，它還完成數(shù)據(jù)的轉換和存儲。實驗平臺中選擇數(shù)據(jù)采集卡是用 NI 公司的 PCI－ 6221 型數(shù)據(jù)采集卡，它是一種基于計算機標準 PCI 總線的內(nèi)置功能插卡，它支持單極性和雙極性兩種模擬信號的輸入，信號輸入范圍分別為－ 10～＋ 10 V 和 0～ 20 V。它提供 16 路 16 位的模擬輸入通道，最大采樣速率為 250 kS/s； 2 路 16 位的模擬輸出通道，最大輸出頻率為 833 kS/s， 24 線的 TTL 型數(shù)字 I/O 及 32 位定時計數(shù)器等多種功能。計算機可選用通用的計算機，裝有 LabVIEW 軟件和 DAQ 驅動程序。 基于虛擬儀器的光電傳感器 測試 系統(tǒng) 設計與 實現(xiàn) 根據(jù)虛擬儀器的組成原理，以電機測速為例，研究分析如何利用虛擬儀器設計傳感器實驗平臺 。 光電傳感器測速的工作原理是建立在光電效應基礎上的，所謂光電效應是：在光線作用下物體的電阻率會發(fā)生改變，因此利用光電原理可將光信號轉換為電信號。光電傳感器是由紅外發(fā)射二極管、紅外接受管、達林頓輸出管及波形放大整理電路組成。發(fā)射管與接受管位于同一側，由紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光，經(jīng)被測件粘貼的反射標簽反射，接受管可接受反射信號，當旋轉至反光片對準反射、接受管時，光電三極管導通，使施密特觸發(fā)器 CD4093 輸出高電平，反之便輸出低電 平。不斷旋轉 CD4093 便輸出脈沖序列。 圖 22為光電傳感器測速的工作原理圖， 旋轉物體在電機的帶動下旋轉，在轉盤的直線對稱部位貼上兩片反光片，將光電傳感器連支架固定在立柱上，光電光電傳感器 調理電路 數(shù)據(jù)采集卡 計算機 虛擬儀器軟件 圖 21 系統(tǒng)結構圖 江西理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 8 傳感器對準轉盤，距離約 2～ 3 mm。當轉盤轉動時，光電傳感器即可輸出正負交替的周期性脈沖信號。測出該脈沖波的個數(shù)，通過公式即可計算出被測圓盤的轉速，即電機轉速。計算公式如下： N＝ 60f／ Z f＝ 1／ T 式中： N 為被測件的轉速， r／ min； Z 為被測件上粘貼的反射標簽； T 為測量脈沖周期， s。 圖 22光電傳感器測量轉速工作 原理 系統(tǒng)軟件設計 軟件是虛擬儀器的核心部分，本實驗系統(tǒng)采用模塊化編程的設計思路，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，由主控模塊調用各個子模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、輸出、處理、記錄等功能。系統(tǒng)的軟件設計框圖如圖 23。 電機測速主控模塊 數(shù)據(jù)采集模塊 波形輸出模塊 頻率計算模塊 記錄存儲模塊 圖 23 系統(tǒng)軟件設計 江西理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 9 （ 1） 數(shù)據(jù)采集模塊 此模塊主要是數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設置，包括輸入信號的連接方式、采樣模式、設置采樣頻率、采樣點數(shù)等。本實驗系統(tǒng)采用 PCI－ 6221 數(shù)據(jù)采集卡，它是美國 NI 公司生產(chǎn)的多功能接口卡，這種系統(tǒng)采用 PCI 總線，將數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ）插入計算機的空槽中即可 。建立一個 vi，設置多個連續(xù)通道，電壓范圍－ 10～＋ 10 V、采樣率和采樣數(shù)可由用戶設置；然后添加波形圖表顯示采集數(shù)據(jù)。 （ 2）數(shù)據(jù)輸出及處理模塊 這部分包括波形輸出及數(shù)值的顯示，由于輸入信號應是脈沖信號，為了準確得到信號的頻率，首先由 LabVIEW Expree 中的 Filter 函數(shù)進行濾波。 LabVIEW 有 vi 能夠在 Function → Waveform → Waveform Measurements 選項板找到，可以很方便地測試波形的時間周期， Pulse 測試脈沖持續(xù) 時間或波形周期，將周期轉換為頻率，測量的周期可以轉換為每秒鐘的轉數(shù)，乘以 60 就可以得到每分鐘的轉數(shù)（ r/min）。為了縮放比例，將 r/min除以 1000，記為 kr/min。測速程序框圖見圖 24。 圖 24 電機測速 Vi 程序框圖 本章小結 本章主要介紹了 本課題的 總 體設計，包括 硬件和軟件的設計。 江西理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 10 第 三 章 系統(tǒng)硬件設計 光電傳感器 光電傳感器的原理 由光通量對光電元件的作用 原理 不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的 ,按光電元件 (光學測控系統(tǒng) )輸出量性質可分二類 ， 即模擬式光電傳感器和脈沖(開關 )式光電傳感器 。 模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流 ，它與被測量間呈單值關系 。 模擬式光電傳感器按被測量 (檢測目標物體 )方法可分為透射 (吸收 )式 ， 漫反射式 ， 遮光式 (光束阻檔 )三大類 。 所謂透射式是指被測物體放在光路中 ， 恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物 ， 部份被吸收后 ， 透射光投射到光電元件上 ； 所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上 ， 再從被測物體表面反射后投射到光電元件上 ； 所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份 ， 使投射剄光電元件上的光通量改變 ,改變的程度與 被測物體在光路位置有關 。 光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入 ， 為增加受光面積 ， PN結的面積做得較大 ， 光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下 ， 并與負載電阻相串聯(lián) ， 當無光照時 ， 它與普通二極管一樣，反向電流很?。ǎ?amp。micro。A），稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子 空穴，稱為光電 載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度 成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極 —— 發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結反偏，發(fā)射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流 Iceo=（ 1+β） Icbo（很?。纫话闳龢O管的穿透電流還?。划斢泄庹諘r，激發(fā)大量的電子 空穴對，使得 基極產(chǎn)生的電流 Ib 增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流 Ic=（ 1+β） Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。 光電傳感器的一般特性 （ 1） 檢測距離長 江西理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 11 如果在對射型中保留 10m 以上的檢測距離等，便能實現(xiàn)其他檢測手段（磁性、超聲波等） 無法離檢測。 （ 2） 對檢測物體的限制少 由于以檢測物體引起的遮光和反射為檢測原理，所以不象接近傳感器等將檢測物體限定 在金屬，它可對玻璃 .塑料 .木材 .液體等幾乎所有物體進行檢測。 （ 3） 響應時間短 光本身為高速，并且傳感器的電路都由 電子零件構成，所以不包含機械性工作時間，響應時間非常短。 （ 4） 分辨率高 能通過高級設計技術使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光 光學系統(tǒng) ，來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。 （ 5） 可實現(xiàn)非接觸的檢測 可以無須機械性地接觸檢測物體實現(xiàn)檢測，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用。 （ 6） 可實現(xiàn)顏色判別 通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質，可對檢測物體的顏色進行檢測。 （ 7） 便于調整 在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調整。 光電傳感器的應用電路。 光電傳感器測速的工作原理是建立在光電效應基礎上的，所謂光電效應是：在光線作用下物體的電阻率會發(fā)生改變，因此利用光電原理可將光信號轉換為電信號。光電傳感器是由紅外發(fā)射二極管、紅外接受管、達林頓輸出管及波形放大整理電路組成。發(fā)射管與接受管位于同一側，由紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光，經(jīng)被測件粘貼的反射標簽反射，接受管可接受反射信號，當旋轉至反光片對準反射、接受管時，光電三極管導通，使施密特觸發(fā)器 CD4093 輸出高電平，反之便輸出低電平。不斷旋轉 CD4093 便輸出脈沖序列。 光電傳感器的應用電路如圖 31。 江西理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 12 圖 31 光電傳感器的應用電路 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成 數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其他待測設備等模擬信號或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。一個完整的 DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號調理設備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計算機、驅動程序和應用軟件等。當然，很多設備制造商已經(jīng)把傳感器、信號調理甚至 DAQ卡集成 為標準的設備，這種情況下用戶需要再去考慮傳感器、信號調理和 DAQ卡，而只需要考慮如何與硬件設備通信以及如何開發(fā)上層應用程序。 圖 32表示了數(shù)據(jù)采集的結構。在數(shù)據(jù)采集之前，程序將對采集板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的 Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個問題是：是否使用 Buffer?是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作。 緩沖 (Buffers) 信號 外觸發(fā) DAQ 板卡 A/D Buffer （ FIFO） 驅動程序 LabVIEW 程序 硬件 顯示 內(nèi)存 Buffer 圖 32數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構 江西理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 13 這里的緩沖指的是 PC內(nèi)存的一個區(qū)域 (不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO緩沖 )，它用來臨時存放數(shù)據(jù)。例如，你需要每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一 秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到 Buffer，你就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是 Buffer與采集操作的速度及容量有關。如果你的卡有 DMA性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機的內(nèi)存。 不使用 Buffer意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理 (圖形化、分析等 )，因為這里沒有一個場合可以保持你著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點。 下列情況需要使用 Buffer I／ 0： （ 1） 需要采集或產(chǎn)生 許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或實 時分析的速度。 （ 2） 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生 AC數(shù)據(jù) (10樣本／秒 )，并且要同時分析或顯 示某些數(shù)據(jù)。 （ 3） 采樣周期必須準確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。 下列情況可以不使用 Buffer I／ O： （ 4） 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。 （ 5） 需要縮減存儲器的開支。 觸發(fā) (Triggering) 觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板 控制去啟動／停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當某一模入通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出 (常稱為“ triggerout” )用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是數(shù)據(jù)采集卡。 下列情況使用軟件觸發(fā)： 用戶需要對所有采集操作有明確的控制，并且事件定時不需要非常準確。 下列情況使用硬件觸發(fā)： （ 1） 采集事件定時需要非常準確。 （ 2） 用戶需要削減軟件開支。 （ 3） 采集事件需要與外部裝置同步。 后面可以看到怎樣使用采集的 VI程序設置有 Buffer及無 Buffer的 I／ O操作，以及設置觸發(fā)的類型。 江西理工大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 14 數(shù)據(jù)采集卡功能 一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字 I／ O、計數(shù)器／計時器等，這些功能分別由相應的電路來實現(xiàn)。 模擬輸入是采集最基本的功能。它一般由多路開關 (Mux)、放大器、采樣保持電路以及 A／ D來實現(xiàn)，通過這些部分，一個模擬信號就可以轉化為數(shù)字信號。A／ D的性能和參數(shù)直接影響著模擬 輸入的質量，要根據(jù)實際需要的精度來選擇合適的 A／ D。 模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供