基于labview液位采集系統(tǒng)課程設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅲ</b></p><p>　　AbstractIV</p><p>　　第一章 緒 論1</p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>

2、　　1.2 課題背景2</p><p>　　1.3 虛擬儀器的開發(fā)軟件3</p><p>　　1.4 本設計所做的工作3</p><p>　　第二章 系統(tǒng)設計理論及硬件平臺3</p><p>　　2.1 數據采集理論3</p><p>　　2.2 數據采集卡的選擇5</p><p>

3、<b>　　2.3 PC機8</b></p><p>　　2.4液位控制對象8</p><p>　　2.5 本設計的信號流程圖8</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件設計11</p><p>　　3.1 程序模塊化設計概述11</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件的具體實現(xiàn)15<

4、/p><p>　　4.1 系統(tǒng)監(jiān)控界面15</p><p>　　4.2 實驗步驟及其調試結果16</p><p>　　第五章 總 結17</p><p>　　參 考 文 獻18</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　虛擬儀器技術就是利用高性能

5、的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業(yè)發(fā)展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢虛擬儀器，正在成為

6、當今世界流行的一種儀器構成方案，它把計算機平臺與具有標準接口的硬件模塊及開發(fā)測試軟件結合起來構成系統(tǒng)。</p><p>　　本設計采用PCI8602數據采集卡，運用虛擬儀器進行實驗水箱液位控制系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)具有數據實時采集、采集數據實時顯示、存儲和對水箱液位進行控制，并通過數據采集卡輸出控制信號對液位信號實時控制等功能。</p><p>　　關鍵字：液位控制，PCI8602， Labv

7、iew</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Virtual instrument technology is to use high performance of the modular hardware, combined with highly efficient and flexible software to comple

8、te all kinds of test,measurement and the application of automation. Flexible and efficient software can help you to create fully customizable user interface, modular hardware can easily provide a comprehensive range of s

9、ystem integration, the standard hardware and software platform can meet the synchronization and timing application demand. This is NI ne</p><p>　　This design USES the PCI8602 data acquisition card, using vir

10、tual instrument experiment water level control system design. This system has the data real-time acquisition, data collection, storage, and real-time display to water tank of liquid level control, and through the data ac

11、quisition card output control signal to the liquid level signal real-time control function.</p><p>　　Key word: liquid level control, PCI8602, Labview</p><p><b>　　緒 論</b></p>

12、<p><b>　　引言</b></p><p>　　LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有

13、一個完成任何編程任務的龐大函數庫。LabVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序（子VI）的結果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調試。虛擬儀器（virtual instrumention）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例

14、子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種</p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　虛擬儀器技術的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　虛

15、擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業(yè)發(fā)展趨勢的原因所在。只有同時擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發(fā)時間少，以及出色的集成這四

16、大優(yōu)勢。 自從1986年美國國家儀器公司(National Instruments Corp，簡稱NI)提出虛擬儀器的概念以后，虛擬儀器由于其性價比、開放性等優(yōu)勢迅速地占領了市場。虛擬儀器技術最核心的思想，就是利用計算機的硬/軟件資源，使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化（虛擬化），以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)的功能與靈活性。</p><p>　　虛擬儀器技術發(fā)展趨勢</p><p>　

17、　虛擬儀器是微電子、通信、計算機等現(xiàn)代科學技術高速發(fā)展的產物。自從1785年庫侖發(fā)明靜電扭秤，1834年哈里斯提出靜電電表結構以來，電測儀表和電子儀器隨相關技術的進步、儀器儀表元器件質量的提高和測量理論方法的改進得到飛速發(fā)展。有一種較普遍地說法將測量儀器的發(fā)展分為五個階段，模擬儀器、電子儀器、數字儀器、智能儀器、虛擬儀器。</p><p>　　基于虛擬儀器技術的數據采集系統(tǒng)的提出在一定程度上解決了傳統(tǒng)數據采集所面

18、臨的問題，虛擬儀器數據采集系統(tǒng)成為當今數據采集系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。本文正是在虛擬儀器技術的基礎上對多通道數據采集系統(tǒng)進行了設計，實現(xiàn)多路信號的采集，并對實驗數據進行實時顯示、記錄、分析處理。</p><p><b>　　虛擬儀器的開發(fā)軟件</b></p><p><b>　　虛擬儀器的開發(fā)語言</b></p><p>　　

19、虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標準C，Visual C++ ，Visual Basic等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當難度的。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。Labview采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準備的，是在Windows環(huán)境下的標

20、準ANSIC開發(fā)環(huán)境。除此以外還有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG開發(fā)平臺，美國Tektronix公司的Ez-Test ，Tek-TNS平臺軟件，這些都是國際上公認的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)設計理論及硬件平臺</p><p><b>　　2.1數據采集理論</b></p><p>　　該部分主要包括

21、數據采集技術概述，傳感器，輸入信號的分析、調理以及測量系統(tǒng)的選擇，下面分別予以說明。</p><p>　　2.1.1數據采集技術概論</p><p>　　在計算機廣泛應用的今天，數據采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數據采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。</p&

22、gt;<p>　　假設現(xiàn)在對一個模擬信號x(t)每隔△t時間采樣一次。時間間隔△t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數l/△t被稱為采樣頻率，單位是采樣數/每秒。t＝0，△t，2△t，3△t……等等，x(t)的數值就被稱為采樣值。所有x(0)，x(△t)，x(2△t)都是采樣值。這樣信號x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：</p><p>　　這個數列被稱為信號x(t)的數字化顯示或者采樣顯示。這

23、個數列中僅僅用下標變量編制索引，而不含有任何關于采樣率(或△t)的信息。所以如果只知道該信號的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時間尺度，也不可能知道信號x(t)的頻率。</p><p>　　根據采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(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。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特

24、頻率之間畸變。采樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數倍的差的絕對值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集(A/D)之前，經過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了，但實際上工程中選用5-10倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。</p><p>

25、　　2.1.2采集系統(tǒng)的一般組成</p><p>　　圖2. 1數據采集結構圖</p><p>　　圖2.1表示了數據采集的結構。在數據采集之前，程序將對采集板卡初始化，板卡上和內存中的Buffer是數據采集存儲的中間環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　2.1.3傳感器</b></p><p>　　傳感器部分是跟外界溝通

26、的門戶，負責把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號變成電信號。因為被控制對象的信號來源已經是變換好的1V-5V的電信號，所以傳感器部分在設計中沒有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設計過程中必需要考慮的。</p><p><b>　　2.1.4信號調理</b></p><p>　　從傳感器得到的信號大多要經過調理才能進入數據采集設備，信號調理功能包括放大、隔離

27、、濾波、激勵、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，除了這些通用功能外，還要根據具體傳感器的特性和要求來設計特殊的信號調理功能。信號調理的通用功能如下：①放大②隔離③濾波④激勵 ⑤線性化⑥數字信號調理。 </p><p>　　2.2 數據采集卡的選擇</p><p>　　數據采集板卡的性能與眾多因素相關，要根據具體情況來具體分析。所以在選擇數據采集卡構成系統(tǒng)時，首先必須對數據采集卡的性能指

28、標有所了解。</p><p>　　2.2.1數據采集卡的主要性能指標</p><p><b>　　1）采樣頻率</b></p><p>　　采樣頻率的高低，決定了在一定時間內獲取原始信號信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號，不產生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號的兩倍，但實際中，一般都需要5～10倍。&l

29、t;/p><p><b>　　2）采樣方法</b></p><p>　　采集卡通常都有好幾個數據通道，如果所有的數據通道都輪流使用同一個放大器和A/D轉換器，要比每個通道單獨使用各自的經濟的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對時間要求嚴格，則必須同時采集，這就需要每個通道都有自己的放大和A/D轉換器。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個數據通道公用一

30、套放大器和A/D轉換器。</p><p><b>　　3）分辨率</b></p><p>　　ADC的位數越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位的A/D轉換把模擬電壓范圍分成23=8段，每段用二進制代碼在000到111之間表示。因而，數字信號不能真實地反映原始信號，因為一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代碼數從8增加到212=4096，這樣就可以獲得就

31、能獲得十分精確的模擬信號數字化表示。</p><p><b>　　4）電壓動態(tài)范圍</b></p><p>　　電壓范圍指ADC能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。</p><p><b>　　5）I/O通道數</b></p><p>

32、;　　該參數表明了數據采集卡所能夠采集的最多的信號路數。</p><p>　　2.2.2數據采集卡(DAQ卡)的組成</p><p>　　1）多路開關。將各路信號輪流切換至放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數多路信號的分時采集。</p><p>　　2）放大器。將切換進入采集卡的信號放大至需要的量程內。通常中的放大器都是增益可調的，使用者可根據需要來選擇不同的增益倍數。<

33、;/p><p>　　3）采樣保持器。把采集到的信號瞬間值，保持在A/D轉換的過程中不變化。</p><p>　　4）A/D轉換器。將模擬的輸入信號轉化為數字量輸出，完成信號幅值的量化。</p><p>　　目前，通常將采樣保持器和A/D轉換器集成在同一塊芯片上。以上四個部分是數據采集卡的重要組成部分，與其他的電路如定時/計數器、總線接口等電路儀器組成DAQ。</p

34、><p>　　2.2.3PCI8602數據采集卡</p><p>　　PCI8602 是一種基于 PCI 總線的數據采集卡。其先進的電路設計使得它具有更高的質量和更多的功能。 這其中包含五種最常用的測量和控制功能：該板卡的主要性能如下：</p><p><b>　　2.3 PC機</b></p><p>　　虛擬儀器就是用通

35、用計算機強大的數據處理能力代替以往需要硬件電路才能完成的功能，所以液位控制系統(tǒng)軟件運行的計算機平臺的選擇至關重要。本次設計的實驗設備都在實驗室，不用考慮設備在工業(yè)現(xiàn)場運行時常常有的較強振動、電源干擾和電磁干擾等因素。因此可以選用實驗室通常用的計算機。</p><p><b>　　2.4液位控制對象</b></p><p>　　測控技術與儀器實驗室水箱液位實驗對象組成如

36、圖2.2所示。本實驗要求根據圖2.8,正確開關手動截止閥將1#~2#中任意一組水箱的其中一個液位作為被控參數，。實驗所需儀器設備和材料清單如下：液位水箱、差壓變送器、調節(jié)器、連接導線、其它實驗主要儀器的連接端子已安裝于實驗接線面板上。</p><p>　　圖2. 2水箱液位實驗對象</p><p>　　2.5本設計的信號流圖</p><p>　　整個系統(tǒng)從被測對象開

37、始，通過傳感器轉換成電信號，經過信號調理模塊進行簡單的信號出來，將信號送PCLD接線板，然后通過PCI總線送入PCI8062多功能數據采集卡進行數據采集，然后用軟件進行處理。在采集過程中將數據保存起來，以便以后的歷史數據查詢。具體框圖見圖2.3基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)信號流圖。</p><p>　　圖2. 3基于虛擬儀器的液位控制系統(tǒng)信號流圖</p><p>　　第三章 軟件設計&l

38、t;/p><p>　　軟件是虛擬儀器的關鍵。設計一個虛擬儀器系統(tǒng)，在硬件平臺確定之后，就可以通過設計不同的軟件，實現(xiàn)不同的儀器功能。</p><p>　　在設計、實現(xiàn)虛擬儀器的軟件系統(tǒng)時，需要考慮眾多因素，如硬件需求、計算機硬件、操作系統(tǒng)；軟件是否建立在開放的結構上，是否需要編程經驗？利用此軟件程序是否能在不同的計算機平臺上移植?將來能否方便的擴展虛擬儀器的功能。由于選用專用的開發(fā)軟件，必須具

39、有一定的儀器以及數據采集設備配合使用。</p><p>　　3.1程序模塊化設計概述</p><p>　　數據采集系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于其應用軟件的研究與開發(fā)，所以在明確了系統(tǒng)設計目標之后，應該采用好的程序開發(fā)方法，如結構化設計方法、模塊化思想、多線程以及軟件系統(tǒng)的評價標準等等。</p><p>　　3.1.1軟件系統(tǒng)的模塊化設計原則</p>&

40、lt;p>　　為使研制出的軟件具有良好的可靠性、易維護性、易擴充性及易裝卸性，軟件設計應遵循規(guī)范化的模塊化設計原則[13]。</p><p>　　1）自頂向下逐步求精的設計方法</p><p>　　軟件設計往往在開始時不了解問題的全部細節(jié)，只能對問題做出全局性的決策，即設計表征解決問題一般策略的抽象算法。對抽象算法做進一步求精，進入下一層抽象。在求精過程的每一步，抽象概念(語句或數據

41、)都被精細化。</p><p>　　2）根據邏輯功能劃分物理模塊</p><p>　　① 模塊的分解：消除重復的功能部分，使得模塊的塊內聯(lián)系較高，塊間聯(lián)系較低。</p><p><b>　?、?模塊的合并；</b></p><p><b>　?、?模塊的復制。</b></p><

42、p>　　3）模塊的作用范圍應處在模塊的控制范圍之內</p><p>　　模塊的作用范圍是指模塊內判定影響的范圍。只要某模塊中含有依賴于某種判定操作，則該模塊就處于該判定的作用范圍之內。</p><p>　　4）依據邏輯功能確定模塊之間的調用關系</p><p>　　模塊之間的調用與被調用，決定于模塊各自的邏輯功能，因而對模塊的扇入扇出并無加以限制的必要。一般來

43、講，底層模塊的扇入較高，頂層模塊的扇出較高。</p><p>　　5）模塊接口應保持簡明</p><p>　　降低模塊接口的復雜性，是模塊設計中必須考慮的問題。保持模塊接口的簡明，一方面須減少模塊間傳遞的信息量，更重要的是使所傳遞的必要信息具有明確的邏輯含義。</p><p>　　6）模塊應保持單入口性質</p><p>　　單入口模塊，易于

44、理解。由于副作用的減少，可以降低錯誤的發(fā)生率。模塊的出口可以有多個，但均應具有明確的邏輯含義。</p><p>　　3.1.2本設計的軟件系統(tǒng)模塊劃分</p><p>　　系統(tǒng)程序的主要功能為模塊劃分的標準，其中包括數據采集，數據實時顯示，數據保存等功能。</p><p>　　3.1.3系統(tǒng)總體程序流程圖 </p><p>　　圖3. 1系統(tǒng)

45、總體程序流程圖</p><p>　　3.1.4設計過程中的量程變換</p><p>　　從差壓變送器傳送到數據采集卡中的是1V-5V的電信號，其對應水箱液位值為，要將采集來的信號根據公式轉化為也為的實際值H。</p><p>　　3.1.5 數據采集與輸出程序</p><p>　　系統(tǒng)采用的是PCI8602的多功能數據采集卡，所以本設計是在P

46、CI8602采集卡提供的例子程序的基礎上開發(fā)的，在這部分中，主要的采集參數的設置包括采樣與輸出通道的選擇，采樣模式、采樣周期等。具體程序見圖3.2。</p><p>　　圖3. 2數據采集與數據輸出程序</p><p>　　其中主要參數如下圖：</p><p>　　圖3.3 AD參數</p><p><b>　　實際使用如下圖：&

47、lt;/b></p><p>　　圖3.4 AD輸入</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件的具體實現(xiàn)</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)監(jiān)控界面</b></p><p>　　當系統(tǒng)運行時在監(jiān)控界面中可以選擇控制對象，可以點擊手動/自動按鈕改變控制方式，自動控制時可以從選擇設定值、手動控制時可以輸入閥門開度值

48、，界面中顯示實時控制曲線及實時數據。</p><p>　　圖4. 1系統(tǒng)監(jiān)控界面</p><p>　　4.2實驗步驟及其調試結果</p><p>　　根據本設計要求，在實驗設備上連線，按要求組成單回路水箱液位控制系統(tǒng)。</p><p>　　設備運行前進行檢查，確定連線正確及設備保護措施具備，運行Labview軟件中編寫的程序，將自動/手動按鈕

49、按到手動處，以使系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。</p><p>　　合上兩個空氣開關，為設備通電，按下啟動按鈕，水箱開始注水，設定水箱水位的滿值和零值，根據此值對差動變壓器進行零點調整和滿刻度調整，為以后差動變壓器的使用做準備。</p><p>　　4、初始化程序中的各參數，再次Labview軟件中編寫的程序。</p><p>　　5.完成設計，關閉電源，拆掉連線，整理實驗設備

50、。</p><p>　　Labview提供了非常豐富的圖形界面來進行前面板的設計，波形圖表能非常清晰的實時顯示采集的液位波形。該面板靈活運用采用了屬性節(jié)點來編程實現(xiàn)的。非常清楚的表達了采集波形的動態(tài)曲線。</p><p><b>　　第五章 總結</b></p><p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實際問題，

51、鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。</p><p>　　剛開始做課程設計的時候感覺自己是非常焦躁的，因為對虛擬儀器什么都不會，真的有點無從下手的感覺，因為學的確實不咋的，后來慢慢的在網上找資料，看了看別人做的，然后選擇一個自己模仿，這個就是模仿別人來的，其中的有些地方自己還是不懂，反正是花費了蠻大精力弄這個，但至少現(xiàn)在對LABVIEW比以前更加熟悉了，只能說稍微的更深入了，不過總之

52、，課程設計報告出來了。</p><p>　　總之此次課程設計讓我們對書本上的知識有了一個更深層次的認識，并且讓我們意識到了團隊的力量是強大的，單憑一個人是無法完成。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　周澤魁，《過程控制儀表及計算機控制裝置》 ，化學工業(yè)出版社，2001.12</p><p