虚拟仪器课程设计

第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务................................................... 错误！未定义书签。

1.1课程设计的意义............................................................................... 错误！未定义书签。

1.2课程设计任务说明........................................................................... 错误！未定义书签。

第二章虚拟电子秤的设计........................................................................... 错误！未定义书签。

2.1虚拟电子秤的设计思想................................................................... 错误！未定义书签。

2.2硬件设计........................................................................................... 错误！未定义书签。

2.2.1全桥测量电路........................................................................ 错误！未定义书签。

2.2.2三运放电路............................................................................ 错误！未定义书签。

2.2.3数据采集卡............................................................................ 错误！未定义书签。

2.3软件设计........................................................................................... 错误！未定义书签。

2.3.1标定........................................................................................ 错误！未定义书签。

2.3.2称重........................................................................................ 错误！未定义书签。

2.3.3查看历史记录........................................................................ 错误！未定义书签。

2.4系统运行调试................................................................................... 错误！未定义书签。

第三章流量控制系统的设计——基于虚拟网络控制器错误！未定义书签。

3.1 系统总体设计方案.......................................................................... 错误！未定义书签。

3.2硬件设计........................................................................................... 错误！未定义书签。

3.2.1虚拟网络控制器.................................................................... 错误！未定义书签。

3.2.2CFP-AIO-610模拟量输入输出模块..................................... 错误！未定义书签。

3.2.3流量控制对象........................................................................ 错误！未定义书签。

3.3软件设计........................................................................................... 错误！未定义书签。

3.3.1系统监控界面........................................................................ 错误！未定义书签。

3.3.2控制算法设计........................................................................ 错误！未定义书签。

3.4系统调试........................................................................................... 错误！未定义书签。

第四章收获与体会....................................................................................... 错误！未定义书签。

参考文献......................................................................................................... 错误！未定义书签。

第一章虚拟仪器课程设计的意义及任务1.1课程设计的意义

虚拟仪器技术在国外已经比较熟了，由于其很强的灵活性，使得该技术非常适用于现代复杂的测试测量系统中。虚拟仪器是多媒体计算机的一个重要应用领域，是多学科交叉、渗透的产物，其中浓缩了许多高、精、尖的科学技术。虚拟仪器不是仪器却高于仪器，它大大缩短了新型仪器的开发周期，节省了仪器开发的费用，它不仅是开发仪器的工具，而且也是进行科学研究的有力手段。虚拟仪器是仪器计算机化的产物，是集成化仪器的基础，是仪器行业的一场革命，它的研制与开发具有深远的意义。近几年，虚拟仪器技术在国内的发展势也越来越受到重视。成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成：高效的软件编程环境、模块化仪器和一个支持模块化I/O集成的开放的硬件构架，该课程设计的目的就是，通过一些功能简单的仪表系统的设计，要在这三个方面上有更深一步的了解。

1.2课程设计任务说明

本课程设计分为两部分，其一为一个虚拟电子秤的设计，其二为流量控制系统的设计。这两部分的具体要求如下：

一、电子秤

在LabVIEW 8.5的软件环境下，应用NI数据采集卡、压力传感器和一些运放电路设计一个电子秤，其功能要求如下：

1）可以现场标定；

2）可以连续称量物品，并对称量结果进行记录，以便以后查看；

3）物品超重时可以报警。

二、流量控制系统

在LabVIEW 8.5的软件环境下,应用网络虚拟控制器CFP-2120、流量控制对象和以太网设计一个流量实时监控系统，可实现以下功能:

1）可实现手动、自动控制；

2）至少应有3种PID控制算法并可实现PID参数在线整定；

3）有监控界面可实时显示流量控制曲线。

第二章虚拟电子秤的设计

2.1虚拟电子秤的设计思想

电子秤的称重原理是，重物放在称重托盘上，压力传感器将重物的压力信号转换秤电压信号，电压信号经过前端放大器、滤波器之后，通过NI数据采集卡采集并转换成数字信号输入到计算机里，称重VI子程序对采集到的信号进行处理，完成电压——重量的量程变换，最终在显示控件上将实际重量值显示出来。电压——重量的变换关系可用下式表示：

y+

=

b

ax

其中

y表示物品重量，x表示采集到的压力信号

关系式中的a和b可通过标定VI子程序确定，其方法是将采集到的压力信号值和相应的实际重量值通过线性拟合，求出a、b。

2.2硬件设计

电子秤的硬件结构包括测量传感器电路、数据采集和数据处理三部分。

图2-1为电子秤的硬件结构图。

图2-1电子秤硬件结构图

下面分别介绍图2-1中各个部分

2.2.1全桥测量电路

在测量电路中使用了电阻应变式传感器，它是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。

电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：

（1）电阻丝温度系数引起的。

（2）电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。

对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U out＝KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。全桥测量电路图如下所示。

图2-2全桥测量电路图

常规的电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。

桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。

测量电路是电子秤设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。

2.2.2三运放电路

本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。三运放电路图如下。

图2-3三运放电路图

2.2.3数据采集卡

PCI－6024E 数据采集卡是一块基于32位PCI总线的多功能数据采集控制卡，支持DMA方式和双缓冲区模式，保证了实时信号的不间断采集和存储。它支持8路单极和4路差动模拟输入，信号为0～10V和-10～10V；2路独立的D/A 输出通道；16线TTL数字I/O；3各16位的定时计数器等多种功能。将PCI－6024E 数据采集卡插到计算机主板上的一个空闲PCI插槽中，接好各种附件，包括一条50芯的数据线和一个转接板。

PCI－6024E卡同NI公司的绝大部分数据采集卡一样是即插即用型的设备，硬件正确安装后，如果机器安装了LabVIEW和NI－DAQ，就会出现在Measurement & Automation Explorer的Configuration>Mysystem> Devices and Interfaces 列表中。在设备名PCI-6024E上单击右键，弹出对话框，选择NI PCI－6024E：“DEV1”，然后进行Properties对话框配置、自我配置、Test Panels、AO测试、DI/O测试、Counter I/O 测试、复位设备、创建任务。

在使用DAQ设备的模拟I/O或数字I/O功能时，必须首先配置设备的通道。在Measurement & Automation Explorer中配置通道步骤如下：

①右键单击Data Neighbourhood图标，选择弹出菜单中的Insert，系统会弹出Insert New对话框。单击Finish。

②在弹出的Create New Channel对话框中将通道类型设置为Analog Input，单击下一步。

③在Enter Channel Name and Description对话框中，将通道名称设置为ScropA，并甜上适当的通道描述，单击下一步。

④在Channel Wizard对话框中，选择传感器或测量信号类型，单击下一步。

⑤设置单位为Volts，量程为－5V～5V，单击下一步。

⑥设置缩放比例因子为NoScaling，单击下一步。

⑦指定DAQ硬件为Dev1:PCI-6024E，通道编号为0；模拟输入方式为Differential,单击完成。

2.3软件设计

电子秤的软件程序在Labview8.5软件环境下，用图形化编程语言进行编辑，程序可以分为三个部分，即：标定、称重和查看历史称重记录。程序总体流程图如下所示：

图2-4电子秤软件流程图

开始

系统初始化，数据通道配置

结束

菜单选择 是标定？

是称重？

是查看历史？

标定完成？

输入样本值并将值

输入到样本数组 数据采集

数据滤波并将平均值存入采样值数组 将样本数据和采样数据存入标定数据电子表 从标定数据电子表中读样本值和采样值并将两者合并进行线性拟合 显示拟合直线和直

线的斜率和截距

打开称重记录文件

显示称重记录

数据采集

数据滤波

电压值转变成重量值

记录？

向记录文件中写入称重重量

结束

下面将介绍各部分程序

2.3.1标定

标定程序的主要任务是求出物品重量与测量电路输出电压的关系，即求出等式

ax

y 中的系数a 和b ，并将物品重量与测量电路输出电压的关系用图形表

示出来，实现这部分功能的程序如下图所示。

图2-5

标定采集样本

图2-7 标定前面板

2.3.2称重

称重部分程序比较简单，就是将DAQ 助手采集到的电压信号滤波、求平均值之后，根据等式

ax

y 计算出实际重量值，并将重量值在仪表盘上显示出来。

可以根据使用者的需要，将称重值和称重的时间作为一条记录存档，以便以后查

看。如果有系统误差的话，还可以进行调零。该虚拟电子秤的最大量程为500g ，当物品重量超过500g 时，程序会弹出对话框提示物品超重。其程序如下图。

图2-8 称重程序图

图2-9称重前面板

2.3.3查看历史记录

查看历史记录程序就是将之前称重时记录下来的称重记录读出来以列表的形式显示出来，供使用者查看。其程序如下图所示。

图2-10查看历史记录程序

图2-11查看历史记录前面板2.4系统运行调试

系统运行结果有下图可以看出，运行情况良好

图2-11 标定开始

图2-12实时称重

图 2-13 重量超重

图2-16 查看历史称重记录

第三章流量控制系统的设计

——基于虚拟网络控制器

3.1 系统总体设计方案

基于虚拟网络控制器的流量控制系统采用双层网络结构，上层为管理监控层，系统程序运行于该层的PC机上，负责实时监控程序的运行情况，在线调整控制算法和控制参数；下层为过程控制执行层，由虚拟网络控制器和过程控制对象组成，该层负责接收监控管理层下达的控制命令，经控制器处理后作用于电子阀门，控制进入水箱的流水速度，并将水箱的流量信息采集上来，经过控制器的处理后上传到监控管理层。上下两层通过交换机组成局域网，实现上下两层间的实时通信。该系统的结构图如下所示。

图3-1流量控制系统结构图

图3-2 实验接线说明

说明：所有的模拟量输入输出均使用电流端口，其中AI-/AO-是指模拟量输入输出的公共端。

FT1、FT2分别指内流量和外流量的变送器接线端，TT1、TT2分别指内容器和外外容器的温度变送器接线端，VL1、VL2分别指内流量和外流量阀门接线端。

在接线时，应首先把温度流量实验装置接线板上的24V+接入流量变送器FT 的+端，把24V+接入流量变送器TT的+端。

当做温度实验时需要把AO1和VL1的接线拆下，把AO1从新接到可控硅接线端上。

3.2硬件设计

该系统的硬件设计主要包括局域网的组建和过程控制层的配置，这里主要介绍一下过程控制层的配置。过程控制层由控制器电源模块、CFP-2120网络化控制器、CFP-AIO-610模拟量输入输出模块、CFP-DIO-550数字量输入输出模块、CFP-CB-3接线盒、背板以及流量控制对象组成。下面简单介绍一下主要硬件。

3.2.1虚拟网络控制器

Compact FieldPoint 2120（简称CFP-2120）即坚固的带有可移动存储介质的智能CFP以太网控制器接口模块。NI CFP包括了用于将CFP系统连接至RS232网络的串行接口。控制工程师常在工业环境中，将NI CFP-2120控制器用以运行PID控制回路、驱动阀门及电机，并可进行测量、实时分析和仿真、记录数据及基于串口、电话和以太网等方式的通信。部署完毕后，控制器可与其

]

)

1()()()k ([)(0

T

k e k e Td

dt i e Ti

T e Kp k u k

i --++

=∑

=Kp 他CFP-21xx 智能FieldPoint 控制器或基于以太网的设备进行同等级通信。此外，CFP-2120接口可通过内置的网络浏览器将I/O 数据自动发布于运行LabVIEW 的计算机上，或将数据发布于用户指定的OPC 客户端或HMI/SCADA 软件。

3.2.2CFP-AIO-610模拟量输入输出模块

CFP-AIO-610是用于CFP 的8通道组合模拟输入/输出模块。此模块可从工业传感器和发射器测量10路电压或毫安电流的闭环，且可输出4路0到10V 或±10V 的电流以控制阀门、量表和其他工业激励器。

AIO-610的内部更新率达1.4 kHz ，是低通道数系统或PID 控制的理想选择，此模块包括满量程和板载诊断的功能，从而确保无故障安装和维护，同时，通过对输入和输出信号的自动缩放和线性化处理简化编程，避免了在控制或监测软件中将二进制数字转换为工程单位，AIO-610模块根据NIST 校准标准进行校准，确保精确可靠的模拟测量和控制。

3.2.3流量控制对象

实验采用位置式PID 算法，如式下图所示。

其中：

)

(k u 为当前时刻控制器输出值

为比例系数，对应控制参数“P ”

)(k e 为当前时刻的给定量和检测量的偏差

T

为控制周期

Ti

为积分时间，对应控制参数“I ” d

T 为微分时间，对应控制参数“D ”

)

1(-k e 上一时刻的给定量和检测量的偏差

该装置由三个相同大小的容器、流量检测变送仪表及执行机构组成，配套的仪表

屏上安装了配有带连接信号插座孔的整个工艺过程模拟流程图。工艺过程模拟流程图如图3-2所示 。

图3-3 带连接信号插座孔的流量装置工艺模拟流程图

上图中，标有字母的方块为各种仪表，○为各仪表输入、输出信号的单线接插件的插座孔（＋，－插孔）。

流量控制系统控制原理如图3-3所示

Hs - Hi u Q H + Hf

图3-4 流量控制系统原理方框图

3.3软件设计

在设计系统软件之前，需要先将PC 机和虚拟网络控制器连接起来，然后打开MAX 软件，对控制器的硬件进行必要的配置，主要包括：虚拟网络控制器

调节器

电子阀

流量

流量变送器

的IP地址和PC机的IP地址要在同一网段内（这里前者为200.200.200.2），模拟输入通道的信号范围限制在0 - 0.024毫安,输出通道信号范围为0 - 10.2伏。配置完成之后，建立一个实时项目，以后所有的设计文件都包含在项目文件夹中，这样便于管理。

3.3.1系统监控界面

1)初始界面

图3-5初始界面

2)控制界面

当系统运行时在监控界面中可以选择控制对象和控制算法，可以点击手动/自动按钮改变控制方式，自动控制时可以从键盘输入设定值、控制参数，手动控制时可以输入阀门开度值，界面中显示实时控制曲线及实时数据。

3)实时监控界面

图3-7实时监控画面

3.3.2控制算法设计

根据课程设计要求，系统至少能够实现三种控制算法，本设计采用了常规PID算法、带死区PID算法和积分分离PID算法。系统程序如下所示

图3-8 系统总程序