1、 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 I 页目 录摘 要 .Abstract .IV第一章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 课题背景 .11.2.1 虚拟仪器技术的国内外发展现状 .11.2.2 虚拟仪器技术发展趋势 .21.3 虚拟仪器的开发软件 .41.3.1 虚拟仪器的开发语言 .41.3.2 图形化虚拟仪器开发平台 Labview.51.3.3 基于 Labview 平台的虚拟仪器程序设计 .61.4 本设计所做的工作 .7第二章 系统设计理论及硬件平台 .82.1 数据采集理论 .82.1.1 数据采集技术概论 .82.1.2 采集系统的一般组成 .102.1.3 传感器 .10
2、2.1.4 信号调理 .102.1.5 输入信号的连接方式 .102.1.6 选择合适的测量系统 .122.2 PID 控制理论 .132.2.1 控制规律的选择 .142.3 数据采集卡的选择 .172.3.1 数据采集卡的主要性能指标 .172.3.2 数据采集卡(DAQ 卡)的组成 .182.3.3 PCI-1710HG 数据采集卡 .182.4 PC 机 .192.5 液位控制对象 .19贵州大学本科毕业论文（设计） 第 II 页2.6 本设计的信号流程图 .22第三章 系统软件设计 .233.1 程序模块化设计概述 .233.1.1 软件系统的模块化设计原则 .233.1.2 本设计
3、的软件系统模块划分 .253.1.3 系统总体程序流程图 .263.1.4 设计过程中的量程变换 .273.2 系统各模块应用程序 .273.2.1 数据采集与输出程序 .273.2.2 PID 控制算法程序 .283.2.3 数据保存程序 .283.2.4 历史数据读取程序 .29第四章 系统软件的具体实现 .304.1 系统监控界面 .304.2 实验步骤及其调试结果 .304.3 历史数据读取 .32第五章 总 结 .33参 考 文 献 .35致 谢 .36附 录 .37贵州大学本科毕业论文（设计） 第 III 页毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕
4、业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学 历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用 毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复
5、制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 IV 页学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许
6、论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日贵州大学本科毕业论文（设计） 第 V 页基于虚拟仪器的液位控制系统设计摘 要虚拟仪器 VI（Visual Instrument）正在成为当今世界流行的一种仪器构成方案，它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成系统。虚拟仪器系统利用了计算机系统的强大功能，大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制，用户可以自由定义，自由组合计算机平
7、台、 硬件、软件以及完成系统功能所需的附件，可以方便的对其进行维护、扩展、升级，因此“Soft is Instruments (软件就是仪器 )的观念正逐步被人们接受。本设计采用 PCI-1710 多功能数据采集卡，运用虚拟仪器进行实验水箱液位控制系统的设计。该系统具有数据实时采集、采集数据实时显示、存储和对水箱液位进行单回路或串级 PID 控制，并通过数据采集卡输出控制信号对液位信号实时控制等功能。本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。关键字：虚拟仪器，液位控制，PCI-1710，PID，Labview贵州大学本科毕业论文
8、（设计） 第 VI 页 liquid-level control system design Based on the Visual instrumentAbstractNowadays the Visual Instrument ( VI ) is becoming a popular scheme of instruments constitution. It combines the computer platform with standard interface hardware modules and develops testing software to form a syst
9、em. Utilizing the powerful function of computer system, the visual instrument system has dramatically broken through the limitation of traditional instruments in data acquisition, processing, displaying, storage, etc. The user can not only freely define and combine the computer platform, hardware, s
10、oftware and the required accessories to complete system functions, but also make maintenance, expansion and upgrading. Therefore people gradually accept the conception that software is the instrument.This design uses the PCI - 1710 multi-function data- acquisition card and visual instrument to devis
11、e the control system of the experimental water tanks liquid level. This system has the functions of real-time data acquisition, real-time data displaying and storage, a single-loop or cascade PID control of the water tanks liquid level. Besides, it can output the control signal through the data-acqu
12、isition card to a real-time 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:
13、 Visual instrument, Liquid-level control, PCI - 1710, PID, Labview贵州大学本科毕业论文（设计） 第 1 页 第一章 绪 论1.1 引言测控技术与仪器实验室有 5 套液位控制实验装置，但这些控制装置目前都是用传统模拟仪表进行控制。为了在这些实验装置上进行开展研究性实验，必须先将这些实验装置改造为由计算机进行液位检测和控制。虚拟仪器 VI（Visual Instrument）正在成为当今世界流行的一种一起构成方案，它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成系统1。工业液位控制中, 常常用到液位控制。在这些控制中
14、，最重要的参数是液位，因此有必要对液位控制进行自动的、 实时的监控。 过去通用的方法是由工作人员分班定时监测液位计的指示值, 将指示值与规定液位数值比较, 并算出两者的差值, 根据液位变化大小作出判断、控制阀门的开度大小。其弊端是定时查看缺乏实时性, 不能对系统中的突发事件进行及时地处理; 不能排除人为发生错误的因素, 如记录时的误读和误记等 2。所以, 本毕业设计要设计一套实时、自动的液位控制监控系统，并充分引入虚拟仪器的概念, 使所设计的监控系统结构清晰、概念简单。1.2 课题背景1.2.1 虚拟仪器技术的国内外发展现状虚拟仪器 VI（Visual Instrument）正在成为当今世界流
15、行的一种一起构成方案，它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成系统。虚拟仪器在国外已经比较成熟了，由于其很强的灵活性，使得该技术适用于现代复杂的测试测量系统中。近几年，虚拟仪器技术在国内的发展势也越来越受到重视 3 。而虚拟贵州大学本科毕业论文（设计） 第 2 页 仪器系统利用了计算机系统的强大功能，大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制，用户可以自由定义，自由组合计算机平台、 硬件、软件以及完成系统功能所需的附件，可以方便的对其进行维护、扩展、升级，因此“Soft is Instruments (软件就是仪器)的观念正逐步被人们接受3。现代计算机技
16、术和信息技术的迅猛发展，也冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。自从 1986 年美国国家仪器公司(National Instruments Corp，简称 NI)提出虚拟仪器的概念以后，虚拟仪器由于其性价比、开放性等优势迅速地占领了市场。虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化） ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性4。1.2.2 虚拟仪器技术发展趋势虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。自从 1785 年库仑发明静电扭秤，1834 年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电
17、子仪器随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，如图 1.1 所示。模拟仪器 虚拟仪器智能仪器数字仪器电子仪器1 9 世纪 九十年代七十年代2 0 世纪五十年代图 1. 1 测量技术的发展从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。从二十世纪初到五十年代左右，测量仪贵州大学本科毕业论文（设计） 第 3 页 器的材料性能得到改善出现了电子管，同时测量理论和方法与电子技术、控制
18、技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表五十年代以后随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到测量仪器。这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主要特征。七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此发展迅猛，在其影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器。智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深
19、度和广度等方面都有明显的进步。这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。但是在数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。人们发明制造出 CAMAC、RS-232 和 GPIB 等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统。1982 年美国西北仪器公司总裁德伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪
20、器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。PC 总线仪器系统是卡式仪器的一种，它是利用 PC 机内部的总线，把若干块仪器卡插在 PC 机内部或外部扩展机箱内而组成的。插卡总线机箱与 PC 机间的通信，可利用 RS-232、GPIB 接口总线或以太网电缆等进行。虽然许多厂家通过定义新的仪器总线，不断对卡式仪器进行改进，但其大多是在贵州大学本科毕业论文（设计） 第 4 页 微机内总线的插槽上进行开发，没有统一标准，且各厂家生产的插卡尺寸大小不一，设备兼容性较差。在这种情况下，用户自然会提出标准化的要求。1987 年，美国的惠普和泰克等 5
21、家公司在 VME 总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统-VXI(VME eXtension For Instrumentation)总线，即由微机总线 VME 扩展而成的微机化仪器专用总线。1997 年美国 NI 公司推出了一种新的仪器总线标准 PXI 总线标准。制定 PXI 规范的目的是为了将 PC 的性能价格比优势和 PCI 总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。相对 VXI 仪器，按 PXI 总线标准制成的 PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点 2。这些以 PC 为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的 P
22、C 仪器或 VXI 仪器就是虚拟仪器。虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展 3。基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的重要领域扩充，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。
