【正文】 PCI 1710 multifunction data acquisition card and visual instrument to devise the control system of the experimental water tank’s liquid level. This system has the functions of realtime data acquisition, realtime data displaying and storage, a singleloop or cascade PID control of the water tank’s liquid level. Besides, it can output the control signal through the dataacquisition card to a realtime control of the liquid level, etc. This design is a successful attempt of the visual instruments in the testing and controlling field. Practice proves that the Visual Instrument is an excellent solution to efficiently fulfill various testing and controlling tasks. Key words: Visual instrument, Liquidlevel control, PCI 1710, PID, Labview 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 1 頁 第一章 緒 論 引言 測(cè)控技術(shù)與儀器實(shí)驗(yàn)室有 5 套液位控制實(shí)驗(yàn)裝置，但這些控制裝置目前都是用傳統(tǒng)模擬儀表進(jìn)行控制。虛擬儀器 VI（ Visual Instrument）正在成為當(dāng)今世界流行的一種一起構(gòu)成方案，它把計(jì)算機(jī)平臺(tái)與具有標(biāo)準(zhǔn)接口的硬件模塊及開發(fā)測(cè)試軟件結(jié)合起來構(gòu)成系統(tǒng) [1]。在這些控制中，最重要的參數(shù)是液位，因此有必要對(duì)液位控制進(jìn)行自動(dòng)的、 實(shí)時(shí)的監(jiān)控。其弊端是定時(shí)查看缺乏實(shí)時(shí)性 , 不能對(duì)系統(tǒng)中的突發(fā)事件進(jìn)行及時(shí)地處理 。所以 , 本畢業(yè)設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)一套實(shí)時(shí)、自動(dòng)的液位控制監(jiān)控系統(tǒng)，并充分引入虛擬儀器的概念 , 使所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、概念簡(jiǎn)單。虛擬儀器在國外已經(jīng)比較成熟了，由于其很強(qiáng)的靈活性，使得該技術(shù)適用于現(xiàn)代復(fù)雜的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)中。而虛擬儀器系統(tǒng)利用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)等 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 2 頁 方面的限制，用戶可以自由定義，自由組合計(jì)算機(jī)平臺(tái)、 硬件、軟件以及完成系統(tǒng)功能所需的附件，可以方便的對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升級(jí)，因此“ Soft is Instruments (軟件就是儀器 )的觀念正逐步 被人們接受 [3]。自從 1986 年美國國家儀器公司 (National Instruments Corp，簡(jiǎn)稱 NI)提出虛擬儀器的概念以后，虛擬儀器由于其性價(jià)比、開放性等優(yōu)勢(shì)迅速地占領(lǐng)了市場(chǎng)。 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 虛擬儀器是微電子、通信、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代科學(xué)技 術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。有一種較普遍地說法將測(cè)量?jī)x器的發(fā)展分為五個(gè)階段，如圖 所示。模擬儀器主要有模擬式電壓 表、電流表等，這些儀表解決了當(dāng)時(shí)對(duì)某些量的測(cè)量的需求。這時(shí)電子控制集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)開始融為一體成為測(cè)量?jī)x器的主要特征。伴隨微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 迅速發(fā)展及在電工電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測(cè)量?jī)x器也不斷進(jìn)步和發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀器。這種內(nèi)置微處理器的儀器，既能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試又能完成數(shù)據(jù)處理，可取代部分的腦力勞動(dòng)。 但是在數(shù)字化儀器、智能儀器階段基本上沒有擺脫傳統(tǒng)儀器那種獨(dú)立使用、手動(dòng)操作的模式，難以勝任更復(fù) 雜、多任務(wù)的測(cè)量需求。人們發(fā)明制造出 CAMAC、 RS232 和 GPIB 等多種儀器通訊接口總線，用于將多臺(tái)智能儀器連在一起，以構(gòu)成更復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)。伯克提出了微機(jī)化儀器的概念，也就是人們現(xiàn)在常提到的卡式儀器。 PC總線儀器系統(tǒng)是卡式儀器的一種，它是利用 PC 機(jī)內(nèi)部的總線，把若干塊儀器卡插在 PC機(jī)內(nèi) 部或外部擴(kuò)展機(jī)箱內(nèi)而組成的。 雖然許多廠家通過定義新的儀器總線，不斷對(duì)卡式儀器進(jìn)行改進(jìn)，但其大多是在微機(jī)內(nèi)總線的插槽上進(jìn)行開發(fā)，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且各廠家生產(chǎn)的插卡尺寸大小不一，設(shè)備兼容性較差。 1987 年，美國的惠普和泰 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 4 頁 克等 5 家公司在 VME 總線的基礎(chǔ)上，聯(lián)合提出了一種新型總線系統(tǒng) VXI(VME eXtension For Instrumentation)總線，即由微機(jī)總線 VME擴(kuò)展而 成的微機(jī)化儀器專用總線。制定 PXI規(guī)范的目的是為了將 PC 的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)和 PCI 總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展結(jié)合起來，以期形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。這些以 PC 為核心、由測(cè)量功能軟件支持，具有虛擬控制面板、必要儀器硬件和通信能力的 PC 儀器或 VXI儀器就是虛擬儀器。隨著虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)及硬件的發(fā)展，基于虛擬儀器的儀器系統(tǒng)的開發(fā)周期更短，費(fèi)用更低，測(cè)量速度、準(zhǔn)確度及可復(fù)用性提高，且更便于相應(yīng)儀器系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展 [3]。本文正是在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的采集，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄、分析處理。 虛擬儀器的開發(fā)軟件 虛擬儀器的開發(fā)語言 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標(biāo)準(zhǔn) C， Visual C++ ， Visual Basic 等通用程序開發(fā)語言。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有： NI 公司的Labview， LabWindows/CVI。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 5 頁 LabWindows/CVI 是為熟悉 C語言的開發(fā)人員 準(zhǔn)備的，是在 Windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC開發(fā)環(huán)境。 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) —— Labview Labview(Laboratory Visual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/PI、 ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。 目前，在以 PC機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)試和工控軟件中， Labview 的市場(chǎng)普及率僅次于 C++/C語言。因此， Labview 受到越來越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。像許多通用的軟件 一樣， Labview提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh OS 等多種版本[12]。 1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是 VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。 2）流程圖：流程圖提供 VI 的圖形化源程序。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。這種設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在兩方面： ① 類似流程圖的設(shè)計(jì)思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒有很多程序設(shè)計(jì) 經(jīng)驗(yàn)的工程人員。如通過使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運(yùn)行，使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會(huì)高亮顯示，同時(shí)在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運(yùn)行。 3）圖標(biāo) /連接設(shè)計(jì)：這部分的設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計(jì)的思想。而在 Labview中提供的圖標(biāo) /連接工具正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾方面： ① 把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)思路清晰，給設(shè)計(jì)者調(diào)試程 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 7 頁 序帶來了諸多的方便。 ② 一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)完整的功能模塊，這樣把測(cè)試功能細(xì)節(jié)化，便于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計(jì)的靈活性提供了前提。 ③ 態(tài)顯示采集信號(hào)并保存一定時(shí)段的液位采集數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概論 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。數(shù)據(jù)采集時(shí)，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問題要 解決。時(shí)間間隔△ t 被稱為采樣間隔或者采樣周期。 t＝ 0，△ t， 2△ t， 3△ t??等等， x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。這樣信號(hào) x(t)可以用一組分散的采樣值來表示： {x(0)， x(△ t)， x(2△ t)， x(3△ t)，?， x(k△ t)，? } 圖 顯示了一個(gè)模擬信號(hào)和它采樣后的采樣值。 圖 2. 1模擬信號(hào)采樣圖 如果對(duì)信號(hào) x(t)采集 N個(gè)采樣點(diǎn)，那么 x(t)就可以用下面這個(gè)數(shù)列表示： X={x[0]， x[l]， x[2]， x[3]，?， x[N－ l]} 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 9 頁 這個(gè)數(shù)列被稱為信號(hào) x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。所以如果只知道該信號(hào)的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能知道信號(hào) x(t)的頻率。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯 示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。圖 和圖 顯示了一個(gè)信號(hào)分別用合適的采樣率和過低的采樣率進(jìn)行采樣的結(jié)果。這種信號(hào)畸變叫做混疊。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號(hào)被采集 (A/D)之前，經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 10 頁 采集系統(tǒng)的一般組成 B u f f e r( F I F O )驅(qū)動(dòng)程序L a b v i e w程 序信 號(hào)D A Q 板 卡A / D外 觸 發(fā)內(nèi) 存B u f f e r硬 件顯 示 圖 2. 4 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖 圖 表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。 傳感器 傳感器部分是跟外界溝通的門戶，負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號(hào)變成電信號(hào)。 信號(hào)調(diào)理 從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線性化等。信號(hào)調(diào)理的通用功能如下： ① 放大 ② 隔離 ③ 濾波 ④ 激勵(lì) ⑤ 線性化 ⑥ 數(shù)字信號(hào)調(diào)理 輸入信號(hào)的連接方式 一個(gè)電壓信號(hào)可以分為接地和浮動(dòng)兩種類型。 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 11 頁 ⒈測(cè)量系統(tǒng)分類 1）差分測(cè)量系統(tǒng) (DEF) 差分測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)輸入端與一個(gè)模擬入通道相連接。圖 描述了一個(gè) 8通道的差分測(cè)量系統(tǒng)，用一個(gè)放大器通過模擬多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通道間的轉(zhuǎn)換。 一個(gè)理想的差分測(cè) 量系統(tǒng)僅能測(cè)出 (+)和 ()輸入端口之間的電位差，完全不會(huì)測(cè)量到共模電壓。共模電壓的范圍關(guān)系到一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡的性能，可以用不同的方式來消除共模電壓的影響。 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 7 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 7 +A m p l i f i e rV mA I G N D 圖 2. 5 八通道差分測(cè)量系 統(tǒng) 2）參考地單端測(cè)量系統(tǒng) (RSE) 一個(gè) RSE 測(cè)量系統(tǒng)，也叫做接地測(cè)量系統(tǒng)，被測(cè)信號(hào)的一端接模擬輸入通道，另一 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 12 頁 端連接系統(tǒng)地 AIGND。 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 1 5 +A m p l i f i e rV mA I G N D 圖 2. 6十六通道 RSE測(cè)量系統(tǒng) 3）無參考地單端測(cè)量系統(tǒng) (NRSE) 在 NRSE 測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)的一端接模擬輸入通道，另一端接一個(gè)公用參考端，但這個(gè)參考端電壓相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的地來說是不斷變化的。 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 1 5 +A m p l i f i e rV mA I S E N S EA I G N D 圖 2. 7十六通道 NRSE測(cè)量系統(tǒng) 選擇合適的測(cè)量系統(tǒng) 兩種信號(hào)源和三種測(cè)量系統(tǒng)一共可以組成如表 的六種連接方式： 表 測(cè)