基于虚拟仪器的液位控制系统设计毕业设计论文 精品.docx
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基于虚拟仪器的液位控制系统设计
摘要
虚拟仪器VI（VisualInstrument）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“SoftisInstruments（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
liquid-levelcontrolsystemdesignBasedontheVisualinstrument
Abstract
NowadaystheVisualInstrument（VI）isbecomingapopularschemeofinstrumentsconstitution.Itcombinesthecomputerplatformwithstandardinterfacehardwaremodulesanddevelopstestingsoftwaretoformasystem.Utilizingthepowerfulfunctionofcomputersystem,thevisualinstrumentsystemhasdramaticallybrokenthroughthelimitationoftraditionalinstrumentsindataacquisition,processing,displaying,storage,etc.Theusercannotonlyfreelydefineandcombinethecomputerplatform,hardware,softwareandtherequiredaccessoriestocompletesystemfunctions,butalsomakemaintenance,expansionandupgrading.Thereforepeoplegraduallyaccepttheconceptionthatsoftwareistheinstrument.
ThisdesignusesthePCI-1710multi-functiondata-acquisitioncardandvisualinstrumenttodevisethecontrolsystemoftheexperimentalwatertank’sliquidlevel.Thissystemhasthefunctionsofreal-timedataacquisition,real-timedatadisplayingandstorage,asingle-looporcascadePIDcontrolofthewatertank’sliquidlevel.Besides,itcanoutputthecontrolsignalthroughthedata-acquisitioncardtoareal-timecontroloftheliquidlevel,etc.
Thisdesignisasuccessfulattemptofthevisualinstrumentsinthetestingandcontrollingfield.PracticeprovesthattheVisualInstrumentisanexcellentsolutiontoefficientlyfulfillvarioustestingandcontrollingtasks.
Keywords:
Visualinstrument,Liquid-levelcontrol,PCI-1710,PID,Labview
第一章绪论
一.1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（VisualInstrument）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，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。
一.2课题背景
一.2.1虚拟仪器技术的国内外发展现状
虚拟仪器VI（VisualInstrument）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。
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“SoftisInstruments（软件就是仪器）的观念正逐步被人们接受[3]。
现代计算机技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（NationalInstrumentsCorp，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]。
一.2.2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。
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（VMEeXtensionForInstrumentation）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PC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。
一.3虚拟仪器的开发软件
一.3.1虚拟仪器的开发语言
虚拟仪器系统的开发语言有：
标准C，VisualC++，VisualBasic等通用程序开发语言。
但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。
除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：
NI公司的Labview，LabWindows/CVI。
Labview采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。
LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。
除此以外还有HP公司的HP-VEE，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test，Tek-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台[11]。
一.3.2图形化虚拟仪器开发平台——Labview
Labview（LaboratoryVisualInstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
Labview集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。
目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，Labview的市场普及率仅次于C++/C语言。
Labview具有一系列无与伦比的优点：
首先，Labview作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，Labview提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序（可扩充）如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且Labview还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。
因此，Labview受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。
利用Labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。
像许多通用的软件一样，Labview提供了Windows、UNIX、Linux、MacintoshOS等多种版本[12]。
一.3.3基于Labview平台的虚拟仪器程序设计
所有的Labview应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（FrontPanel）、流程图（BlockDiagram）以及图标/连结器（Icon/Connector）三部分。
1）前面板：
前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。
但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。
2）流程图：
流程图提供VI的图形化源程序。
在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。
流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。
如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。
这种设计思想的优点体现在两方面：
①类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。
②设计的思路和运行过程清晰而且直观。
如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。
这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。
3）图标/连接设计：
这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。
在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。
而在Labview中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。
设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。
这样设计的优点体现在如下几方面：
①把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。
同时也对于将来系统的维护提供了便利。
②一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。
③便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。
同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。
一.4本设计所做的工作
1完成对液位信号的采集；
2实现对一个液位控制的单回路PID控制算法或串级PID算法，并通过数据采集卡输出控制信号。
3态显示采集信号并保存一定时段的液位采集数据和控制信号。
第二章系统设计理论及硬件平台
二.1数据采集理论
该部分主要包括数据采集技术概述，传感器，输入信号的分析、调理以及测量系统的选择，下面分别予以说明。
二.1.1数据采集技术概论
在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。
它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。
各种类型信号采集的难易程度差别很大。
实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。
数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。
假设现在对一个模拟信号x（t）每隔△t时间采样一次。
时间间隔△t被称为采样间隔或者采样周期。
它的倒数l/△t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。
t＝0，△t，2△t，3△t……等等，x（t）的数值就被称为采样值。
所有x（0），x（△t），x（2△t）都是采样值。
这样信号x（t）可以用一组分散的采样值来表示：
{x（0），x（△t），x（2△t），x（3△t），…，x（k△t），…}
图2.1显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。
采样间隔是△t，注意，采样点在时域上是离散的。
图2.1模拟信号采样图
如果对信号x（t）采集N个采样点，那么x（t）就可以用下面这个数列表示：
X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，…，x[N－l]}
这个数列被称为信号x（t）的数字化显示或者采样显示。
这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或△t）的信息。
所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x（t）的频率。
根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。
反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。
如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。
图2.2和图2.3显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。
图2.2合适采样率采样波形
图2.3采样率过低采样波形
采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。
这种信号畸变叫做混叠。
出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。
为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A/D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。
理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。
二.1.2采集系统的一般组成
图2.4数据采集结构图
图2.4表示了数据采集的结构。
在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。
二.1.3传感器
传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。
因为被控制对象的信号来源已经是变换好的1V-5V的电信号，所以传感器部分在设计中没有得到具体体现，但是这部分是设计过程中必需要考虑的。
二.1.4信号调理
从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。
由于不同传感器有不同的特性，除了这些通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。
信号调理的通用功能如下：
①放大②隔离③滤波④激励⑤线性化⑥数字信号调理
二.1.5输入信号的连接方式
一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。
测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（RSE）、无参考地单端（NRSE）三种类型。
⒈测量系统分类
1）差分测量系统（DEF）
差分测量系统中，信号输入端与一个模拟入通道相连接。
具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。
图2.5描述了一个8通道的差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。
标有AIGND（模拟输入地）的管脚就是测量系统的地。
一个理想的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。
然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对与测量系统地的输入电压的波动范围。
共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。
如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。
图2.5八通道差分测量系统
2）参考地单端测量系统（RSE）
一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号的一端接模拟输入通道，另一端连接系统地AIGND。
图2.6表示了一个16通道的RSE测量系统。
图2.6十六通道RSE测量系统
3）无参考地单端测量系统（NRSE）
在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。
图2.7说明了一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。
图2.7十六通道NRSE测量
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