虛擬儀器課程設計2

1、<p>　　第一章 虛擬儀器課程設計的意義及任務1</p><p>　　1.1課程設計的意義1</p><p>　　1.2課程設計任務說明2</p><p>　　第二章 虛擬電子秤的設計3</p><p>　　2.1虛擬電子秤的設計思想3</p><p><b>　　2.2硬件設計3&l

2、t;/b></p><p>　　2.2.1全橋測量電路4</p><p>　　2.2.2三運放電路5</p><p>　　2.2.3數(shù)據(jù)采集卡6</p><p><b>　　2.3軟件設計7</b></p><p><b>　　2.3.1標定8</b><

3、/p><p><b>　　2.3.2稱重9</b></p><p>　　2.3.3查看歷史記錄10</p><p>　　2.4系統(tǒng)運行調試11</p><p>　　第三章 流量控制系統(tǒng)的設計 ——基于虛擬網絡控制器13</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總

4、體設計方案13</p><p>　　3.2硬件設計14</p><p>　　3.2.1虛擬網絡控制器14</p><p>　　3.2.2CFP-AIO-610模擬量輸入輸出模塊15</p><p>　　3.2.3流量控制對象15</p><p>　　3.3軟件設計16</p><p>

5、;　　3.3.1系統(tǒng)監(jiān)控界面17</p><p>　　3.3.2控制算法設計19</p><p>　　3.4系統(tǒng)調試23</p><p>　　第四章 收獲與體會25</p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p>　　第一章 虛擬儀器課程設計的意義及任務</p&g

6、t;<p>　　1.1課程設計的意義</p><p>　　虛擬儀器技術在國外已經比較熟了，由于其很強的靈活性，使得該技術非常適用于現(xiàn)代復雜的測試測量系統(tǒng)中。 虛擬儀器是多媒體計算機的一個重要應用領域，是多學科交叉、滲透的產物，其中濃縮了許多高、精、尖的科學技術。虛擬儀器不是儀器卻高于儀器，它大大縮短了新型儀器的開發(fā)周期，節(jié)省了儀器開發(fā)的費用，它不僅是開發(fā)儀器的工具，而且也是進行科學研究的有力手段。虛

7、擬儀器是儀器計算機化的產物，是集成化儀器的基礎，是儀器行業(yè)的一場革命，它的研制與開發(fā)具有深遠的意義。近幾年，虛擬儀器技術在國內的發(fā)展勢也越來越受到重視。成熟的虛擬儀器技術由三大部分組成：高效的軟件編程環(huán)境、模塊化儀器和一個支持模塊化I/O集成的開放的硬件構架，該課程設計的目的就是，通過一些功能簡單的儀表系統(tǒng)的設計，要在這三個方面上有更深一步的了解。</p><p>　　1.2課程設計任務說明</p>

8、<p>　　本課程設計分為兩部分，其一為一個虛擬電子秤的設計，其二為流量控制系統(tǒng)的設計。這兩部分的具體要求如下：</p><p><b>　　一、電子秤</b></p><p>　　在LabVIEW 8.5的軟件環(huán)境下，應用NI數(shù)據(jù)采集卡、壓力傳感器和一些運放電路設計一個電子秤，其功能要求如下：</p><p><b>　

9、　可以現(xiàn)場標定；</b></p><p>　　可以連續(xù)稱量物品，并對稱量結果進行記錄，以便以后查看；</p><p>　　物品超重時可以報警。</p><p><b>　　流量控制系統(tǒng)</b></p><p>　　在LabVIEW 8.5的軟件環(huán)境下,應用網絡虛擬控制器CFP-2120、流量控制對象和以太網設

10、計一個流量實時監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)以下功能:</p><p>　　可實現(xiàn)手動、自動控制；</p><p>　　至少應有3種PID控制算法并可實現(xiàn)PID參數(shù)在線整定；</p><p>　　有監(jiān)控界面可實時顯示流量控制曲線。</p><p>　　第二章 虛擬電子秤的設計</p><p>　　2.1虛擬電子秤的設計思想</

11、p><p>　　電子秤的稱重原理是，重物放在稱重托盤上，壓力傳感器將重物的壓力信號轉換秤電壓信號，電壓信號經過前端放大器、濾波器之后，通過NI數(shù)據(jù)采集卡采集并轉換成數(shù)字信號輸入到計算機里，稱重VI子程序對采集到的信號進行處理，完成電壓——重量的量程變換，最終在顯示控件上將實際重量值顯示出來。電壓——重量的變換關系可用下式表示：</p><p><b>　　其中</b>&l

12、t;/p><p>　　y表示物品重量，x表示采集到的壓力信號</p><p>　　關系式中的a和b可通過標定VI子程序確定，其方法是將采集到的壓力信號值和相應的實際重量值通過線性擬合，求出a、b。</p><p><b>　　2.2硬件設計</b></p><p>　　電子秤的硬件結構包括測量傳感器電路、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理三

13、部分。</p><p>　　圖2-1為電子秤的硬件結構圖。</p><p>　　圖2-1電子秤硬件結構圖</p><p>　　下面分別介紹圖2-1中各個部分</p><p>　　2.2.1全橋測量電路</p><p>　　在測量電路中使用了電阻應變式傳感器，它是將被測量的力，通過它產生的金屬彈性變形轉換成電阻變化的元件

14、。由電阻應變片和測量線路兩部分組成。常用的電阻應變片有兩種：電阻絲應變片和半導體應變片，本設計中采用的是電阻絲應變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護作用。</p><p>　　電阻應變片也會有誤差，產生的因素很多，所以測量時我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：</p><p>　　（1

15、）電阻絲溫度系數(shù)引起的。</p><p>　　（2）電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。</p><p>　　對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應變片，也會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數(shù)的自動補償片，并從外部對它加以適當?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重

16、要的一點。產生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結構設計決定，通過線性補償，也可得到改善。 滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內使用。全橋測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊，當應變片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其變化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4時，其橋路輸出電壓Uout＝KEε。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性

17、誤差和溫度誤差均得到改善。全橋測量電路圖如下所示。</p><p>　　圖2-2全橋測量電路圖</p><p>　　常規(guī)的電阻應變片K值很小，約為2，機械應變度約為0.000001—0.001，所以，電阻應變片的電阻變化范圍為0.0005—0.1歐姆。所以測量電路應當能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應變傳感器中做常用的是橋式測量電路。</p><p>　　橋式測量

18、電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應變片電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓U，另一個對角線為輸出電壓Uo。其特點是：當四個橋臂電阻達到相應的關系時，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。</p><p>　　測量電路是電子秤設計電路中是一個重要的環(huán)節(jié)，我們在制作的過程中應盡量選擇好元件，調整好測量的范圍的精確度，以避免減小測量數(shù)據(jù)的誤差。</p&

19、gt;<p>　　2.2.2三運放電路</p><p>　　本次課程設計中，需要一個放大電路，我們將采用三運放大電路，主要的元件就是三運放大器。在許多需要用A/D轉換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。三運放電路圖如下。</p>

20、;<p>　　圖2-3三運放電路圖</p><p>　　2.2.3數(shù)據(jù)采集卡</p><p>　　PCI－6024E 數(shù)據(jù)采集卡是一塊基于32位PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集控制卡，支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實時信號的不間斷采集和存儲。它支持8路單極和4路差動模擬輸入，信號為0～10V和-10～10V；2路獨立的D/A輸出通道；16線TTL數(shù)字I/O；3各16位的定時計

21、數(shù)器等多種功能。將PCI－6024E 數(shù)據(jù)采集卡插到計算機主板上的一個空閑PCI插槽中，接好各種附件，包括一條50芯的數(shù)據(jù)線和一個轉接板。</p><p>　　PCI－6024E卡同NI公司的絕大部分數(shù)據(jù)采集卡一樣是即插即用型的設備，硬件正確安裝后，如果機器安裝了LabVIEW和NI－DAQ，就會出現(xiàn)在Measurement & Automation Explorer的Configuration>M

22、ysystem> Devices and Interfaces列表中。在設備名PCI-6024E上單擊右鍵，彈出對話框，選擇NI PCI－6024E：“DEV1”，然后進行Properties對話框配置、自我配置、Test Panels、AO測試、DI/O測試、Counter I/O 測試、復位設備、創(chuàng)建任務。</p><p>　　在使用DAQ設備的模擬I/O或數(shù)字I/O功能時，必須首先配置設備的通道。在M

23、easurement & Automation Explorer中配置通道步驟如下：</p><p>　?、?右鍵單擊Data Neighbourhood圖標，選擇彈出菜單中的Insert，系統(tǒng)會彈出Insert New對話框。單擊Finish。</p><p>　　② 在彈出的Create New Channel對話框中將通道類型設置為Analog Input，單擊下一步。<

24、;/p><p>　?、?在Enter Channel Name and Description對話框中，將通道名稱設置為ScropA，并甜上適當?shù)耐ǖ烂枋觯瑔螕粝乱徊健?lt;/p><p>　?、?在Channel Wizard對話框中，選擇傳感器或測量信號類型，單擊下一步。</p><p>　?、?設置單位為Volts，量程為－5V～5V，單擊下一步。</p>

25、<p>　?、?設置縮放比例因子為NoScaling，單擊下一步。</p><p>　?、?指定DAQ硬件為Dev1:PCI-6024E，通道編號為0；模擬輸入方式為Differential,單擊完成。</p><p><b>　　2.3軟件設計</b></p><p>　　電子秤的軟件程序在Labview8.5軟件環(huán)境下，用圖形

26、化編程語言進行編輯，程序可以分為三個部分，即：標定、稱重和查看歷史稱重記錄。程序總體流程圖如下所示：</p><p>　　圖2-4電子秤軟件流程圖</p><p>　　下面將介紹各部分程序</p><p><b>　　2.3.1標定</b></p><p>　　標定程序的主要任務是求出物品重量與測量電路輸出電壓的關系，即

27、求出等式中的系數(shù)a和b，并將物品重量與測量電路輸出電壓的關系用圖形表示出來，實現(xiàn)這部分功能的程序如下圖所示。</p><p>　　圖2-5標定采集樣本</p><p>　　圖2-7 標定前面板</p><p><b>　　2.3.2稱重</b></p><p>　　稱重部分程序比較簡單，就是將DAQ助手采集到的電壓信號濾

28、波、求平均值之后，根據(jù)等式計算出實際重量值，并將重量值在儀表盤上顯示出來。可以根據(jù)使用者的需要，將稱重值和稱重的時間作為一條記錄存檔，以便以后查看。如果有系統(tǒng)誤差的話，還可以進行調零。該虛擬電子秤的最大量程為500g，當物品重量超過500g時，程序會彈出對話框提示物品超重。其程序如下圖。</p><p>　　圖2-8 稱重程序圖</p><p><b>　　圖2-9稱重前面板&l

29、t;/b></p><p>　　2.3.3查看歷史記錄</p><p>　　查看歷史記錄程序就是將之前稱重時記錄下來的稱重記錄讀出來以列表的形式顯示出來，供使用者查看。其程序如下圖所示。</p><p>　　圖2-10查看歷史記錄程序</p><p>　　圖2-11查看歷史記錄前面板</p><p><b&

30、gt;　　2.4系統(tǒng)運行調試</b></p><p>　　系統(tǒng)運行結果有下圖可以看出，運行情況良好</p><p>　　圖2-11 標定開始</p><p><b>　　圖2-12實時稱重</b></p><p>　　圖 2-13 重量超重</p><p>　　圖2-16 查看歷史稱重

31、記錄</p><p>　　第三章 流量控制系統(tǒng)的設計 ——基于虛擬網絡控制器</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體設計方案</p><p>　　基于虛擬網絡控制器的流量控制系統(tǒng)采用雙層網絡結構，上層為管理監(jiān)控層，系統(tǒng)程序運行于該層的PC機上，負責實時監(jiān)控程序的運行情況，在線調整控制算法和控制參數(shù)；下層為過程控制執(zhí)行層，由虛擬網

32、絡控制器和過程控制對象組成，該層負責接收監(jiān)控管理層下達的控制命令，經控制器處理后作用于電子閥門，控制進入水箱的流水速度，并將水箱的流量信息采集上來，經過控制器的處理后上傳到監(jiān)控管理層。上下兩層通過交換機組成局域網，實現(xiàn)上下兩層間的實時通信。該系統(tǒng)的結構圖如下所示。</p><p>　　圖3-1流量控制系統(tǒng)結構圖</p><p>　　圖3-2 實驗接線說明</p><p

33、>　　說明：所有的模擬量輸入輸出均使用電流端口，其中AI-/AO-是指模擬量輸入輸出的公共端。</p><p>　　FT1、FT2分別指內流量和外流量的變送器接線端，TT1、TT2分別指內容器和外外容器的溫度變送器接線端，VL1、VL2分別指內流量和外流量閥門接線端。</p><p>　　在接線時，應首先把溫度流量實驗裝置接線板上的24V+接入流量變送器FT的+端，把24V+接入流量

34、變送器TT的+端。</p><p>　　當做溫度實驗時需要把AO1和VL1的接線拆下，把AO1從新接到可控硅接線端上。</p><p><b>　　3.2硬件設計</b></p><p>　　該系統(tǒng)的硬件設計主要包括局域網的組建和過程控制層的配置，這里主要介紹一下過程控制層的配置。過程控制層由控制器電源模塊、CFP-2120網絡化控制器、CFP

35、-AIO-610模擬量輸入輸出模塊、CFP-DIO-550數(shù)字量輸入輸出模塊、CFP-CB-3接線盒、背板以及流量控制對象組成。下面簡單介紹一下主要硬件。</p><p>　　3.2.1虛擬網絡控制器</p><p>　　Compact FieldPoint 2120（簡稱CFP-2120）即堅固的帶有可移動存儲介質的智能CFP以太網控制器接口模塊。NI CFP包括了用于將CFP系統(tǒng)連接至

36、RS232網絡的串行接口?？刂乒こ處煶Ｔ诠I(yè)環(huán)境中，將NI CFP-2120控制器用以運行PID控制回路、驅動閥門及電機，并可進行測量、實時分析和仿真、記錄數(shù)據(jù)及基于串口、電話和以太網等方式的通信。 部署完畢后，控制器可與其他CFP-21xx智能FieldPoint控制器或基于以太網的設備進行同等級通信。此外，CFP-2120接口可通過內置的網絡瀏覽器將I/O數(shù)據(jù)自動發(fā)布于運行LabVIEW的計算機上，或將數(shù)據(jù)發(fā)布于用戶指定的OPC客戶

37、端或HMI/SCADA軟件。</p><p>　　3.2.2CFP-AIO-610模擬量輸入輸出模塊</p><p>　　CFP-AIO-610是用于CFP的8通道組合模擬輸入/輸出模塊。此模塊可從工業(yè)傳感器和發(fā)射器測量10路電壓或毫安電流的閉環(huán)，且可輸出4路0到10V或±10V的電流以控制閥門、量表和其他工業(yè)激勵器。 </p><p>　　AIO-610

38、的內部更新率達1.4 kHz，是低通道數(shù)系統(tǒng)或PID控制的理想選擇，此模塊包括滿量程和板載診斷的功能，從而確保無故障安裝和維護，同時，通過對輸入和輸出信號的自動縮放和線性化處理簡化編程，避免了在控制或監(jiān)測軟件中將二進制數(shù)字轉換為工程單位，AIO-610模塊根據(jù)NIST校準標準進行校準，確保精確可靠的模擬測量和控制。</p><p>　　3.2.3流量控制對象</p><p>　　實驗采用位

39、置式PID算法，如式下圖所示。</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　為當前時刻控制器輸出值</p><p>　　為比例系數(shù)，對應控制參數(shù)“P”</p><p>　　為當前時刻的給定量和檢測量的偏差</p><p><b>　　為控制周期</b>&l

40、t;/p><p>　　為積分時間，對應控制參數(shù)“I”</p><p>　　為微分時間，對應控制參數(shù)“D” </p><p>　　上一時刻的給定量和檢測量的偏差</p><p>　　該裝置由三個相同大小的容器、流量檢測變送儀表及執(zhí)行機構組成，配套的儀表屏上安裝了配有帶連接信號插座孔的整個工藝過程模擬流程圖。工藝過程模擬流程圖如圖3-2所示 。<

41、;/p><p>　　圖3-3 帶連接信號插座孔的流量裝置工藝模擬流程圖</p><p>　　上圖中，標有字母的方塊為各種儀表，○為各儀表輸入、輸出信號的單線接插件的插座孔（＋，－插孔）。</p><p>　　流量控制系統(tǒng)控制原理如圖3-3所示</p><p>　　Hs - Hi u Q

42、 H </p><p><b>　　+ Hf</b></p><p>　　圖3-4 流量控制系統(tǒng)原理方框圖</p><p><b>　　3.3軟件設計</b></p><p>　　在設計系統(tǒng)軟件之前，需要先將PC機和虛擬網絡控制器連接起來，然后打開M

43、AX軟件，對控制器的硬件進行必要的配置，主要包括：虛擬網絡控制器的IP地址和PC機的IP地址要在同一網段內（這里前者為200.200.200.2），模擬輸入通道的信號范圍限制在0 - 0.024毫安,輸出通道信號范圍為0 - 10.2伏。配置完成之后，建立一個實時項目，以后所有的設計文件都包含在項目文件夾中，這樣便于管理。</p><p>　　3.3.1系統(tǒng)監(jiān)控界面</p><p><

44、;b>　　初始界面</b></p><p><b>　　圖3-5初始界面</b></p><p><b>　　控制界面</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和控制算法，可以點擊手動/自動按鈕改變控制方式，自動控制時可以從鍵盤輸入設定值、控制參數(shù)，手動控制時可以輸入閥門開度值

45、，界面中顯示實時控制曲線及實時數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　圖3-6 控制界面</b></p><p><b>　　實時監(jiān)控界面</b></p><p>　　圖3-7實時監(jiān)控畫面</p><p>　　3.3.2控制算法設計</p><p>　　根據(jù)課程設計要求，系統(tǒng)至少

46、能夠實現(xiàn)三種控制算法，本設計采用了常規(guī)PID算法、帶死區(qū)PID算法和積分分離PID算法。系統(tǒng)程序如下所示</p><p>　　圖3-8 系統(tǒng)總程序</p><p>　　下面介紹一下各個算法的程序。</p><p><b>　　常規(guī)PID算法</b></p><p>　　圖3-9常規(guī)PID算法</p><

47、;p><b>　　帶死區(qū)PID算法</b></p><p>　　圖3-10帶死區(qū)PID算法</p><p><b>　　積分分離PID算法</b></p><p>　　圖3-11積分分離PID算法</p><p>　　系統(tǒng)總體程序流程圖如下</p><p>　　圖3-1

48、2系統(tǒng)總體程序流程圖</p><p><b>　　3.4系統(tǒng)調試</b></p><p>　　系統(tǒng)調試結果如下圖所示：</p><p><b>　　圖3-13調試結果</b></p><p>　　圖3-14 調試結果二</p><p>　　圖3-15 調試結果三</p&

49、gt;<p>　　圖3-16 調試結果四</p><p><b>　　收獲與體會</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,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>　　這也激發(fā)了我今后努力學習的興趣，我想這將對我以后的學習產生積極的影

50、響。其次，這次課程設計讓我充分認識到團隊合作的重要性，只有分工協(xié)作才能保證整個項目的有條不絮。另外在課程設計的過程中，當我們碰到不明白的問題時，指導老師總是耐心的講解，給我們的設計以極大的幫助，使我們獲益匪淺。因此非常感謝老師的教導。通過這次設計，我懂得了學習的重要性，了解到理論知識與實踐相結合的重要意義，學會了堅持、耐心和努力，這將為自己今后的學習和工作做出了最好的榜樣。我覺得作為一名軟件工程專業(yè)的學生，這次課程設計是很有意義的。更重

51、要的是如何把自己平時所學的東西應用到實際中。雖然自己對于這門課懂的并不多，很多基礎的東西都還沒有很好的掌握，覺得很難，也沒有很有效的辦法通過自身去理解，但是靠著這三個多禮拜的“學習”，在小組同學的幫助和講解下，漸漸對這門課逐漸產生了些許的興趣，自己開始主動學習并逐步從基礎慢慢開始弄懂它。</p><p>　　通過這次labview課程設計，本人在多方面都有所提高。通過這次labview設計，綜合運用本專業(yè)所學課程

52、的理論和實際知識液位控制系統(tǒng)設計工作的實際訓練從而培養(yǎng)和提高學生獨立工作能力，鞏固與擴充了labview課程所學的內容，掌握了labview設計的方法和步驟，掌握labview設計的基本的編程技能懂得了怎樣確定控制方案，了解了各種控制算法，提高了分析能力，設計能力，熟悉了規(guī)范和標準，同時各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高。</p><p>　　我認為這個收獲應該說是相當大的。一開始我們從參考

53、書上找來了課題，但是畢竟是參考書，做到后來發(fā)現(xiàn)很多程序都是不完整的，這讓我們傷透了腦筋?？粗鴦e的小組都弄得有模有樣了，可是我們連一個課題都還沒有定好。好不容易又找到了課題，可是結果還是很不盡人意。程序接線什么的都弄好了，調試也沒有問題，可是就是無法達到預期想要的結果。參考書畢竟只是一個參考，設計這種東西最后還是要靠自己動腦筋。然后我們大家一起齊心協(xié)力，從平時做的實驗老師上課的舉例﹑書本上的知識以及老師的輔導和其他同學的幫助下終于完成了。

54、應該說這是通過我們小組成員的共同努力和動腦完成的，雖然內容并不是很復雜，但是我們覺得設計的過程相當重要，學到了很多，收獲了很多。我覺得課程設計反映的是一個從理論到實際應用的過程，但是更遠一點可以聯(lián)系到以后畢業(yè)之后從學校轉到踏上社會的一個過程。小組人員的配合﹑相處，以及自身的動腦和努力，都是以后工作中需要的。</p><p>　　所以我認為這次的課程設計意義很深，和其他同學的共同學習﹑配合和努力的過程也很愉快，另外

55、還要感謝吳老師的耐心輔導。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 侯國屏.LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設計,北京：清華大學出版社, 2005</p><p>　　[2] 石博強.labview6.1編程技術實用教程. 中國鐵道出版社，2002</p><p>　　[3] 楊樂平