《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于普通數(shù)據(jù)采集卡的虛擬遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)[圖]
摘要: 為了降低系統(tǒng)的成本和提高LabVIEW的通用性,提出了采用普通數(shù)據(jù)采集卡來(lái)構(gòu)建虛擬遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng),可完成溫度測(cè)控、數(shù)據(jù)存取、曲線打印、錯(cuò)誤事件處理和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)有比較好的測(cè)試和控制效果,并可方便進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)控,實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與普通數(shù)據(jù)采集卡的完美結(jié)合,比傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)有更好的靈活性和開(kāi)放性。
Abstract:
Key words :
自20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測(cè)試和測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,促進(jìn)和推動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)生了深刻的變化。從定義上看,虛擬儀器似乎只是新一代的測(cè)量?jī)x器。然而虛擬儀器所具有的諸多特點(diǎn)使其早已突破測(cè)試領(lǐng)域的范圍,在控制領(lǐng)域也得到越來(lái)越廣泛的使用。目前,虛擬儀器在國(guó)外的應(yīng)用已經(jīng)非常普及,在控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多,在國(guó)內(nèi)已有很多院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng),清華大學(xué)汽車(chē)系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng),用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱,是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NATIONAL INSTRUMENT,簡(jiǎn)稱NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品,是目前最流行的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)。然而LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)中提供的驅(qū)動(dòng)程序均是面向NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ data acquisition board)的。對(duì)于非NI公司的板卡,由于“Measurement&Automation”軟件不可識(shí)別,所以LabVIEW環(huán)境下不能直接對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而NI公司生產(chǎn)的板卡價(jià)位較高,對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)難以接受。本文利用調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)機(jī)制在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)了對(duì)通用板卡UA201D的驅(qū)動(dòng),解決了LabVIEW與國(guó)內(nèi)普通數(shù)據(jù)采集卡的尷尬局面。完成了在LabVIEW環(huán)境下利用普通數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的采集、調(diào)理,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量和控制,測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和讀取,并能在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。

1 系統(tǒng)構(gòu)建方案

根據(jù)采用總線的不同及其相應(yīng)的I/O接口硬件設(shè)備,虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有5種類(lèi)型:PC-DAQ系統(tǒng)、GPIB(General Purpose Inter-face Bus)系統(tǒng)、VXI (VME Bus Extensions for Instrumentations)系統(tǒng)、PXI (PCI Bus Extensions for Instrumentation)系統(tǒng)和串口系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了PC-DAQ方式,它是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。

本系統(tǒng)由溫度測(cè)量電路、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和溫度控制電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

基于普通數(shù)據(jù)采集卡的虛擬遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)

電阻爐是熱加工設(shè)備,其溫度為被控對(duì)象;溫度傳感器采用Pt100鉑熱電阻,用來(lái)測(cè)定電阻爐的溫度,測(cè)溫范圍設(shè)置為0~200℃;信號(hào)調(diào)理模塊將熱電阻輸出的微小電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)采集卡可識(shí)別的0~+5V的信號(hào);數(shù)據(jù)采集卡采用北京優(yōu)采公司生產(chǎn)的PCI總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品UA201D,有效的將外部硬件設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連;雙向晶閘管是執(zhí)行器件。爐溫由熱電阻測(cè)量,熱電阻輸出的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊放大、濾波后,再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)爐內(nèi)實(shí)際溫度和系統(tǒng)的給定溫度求出偏差,再利用PID控制算法求出系統(tǒng)的輸出控制信號(hào),并將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制后端電路工作的高低電平,通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出給外部雙向晶閘管,改變輸入給電阻爐的功率,從而改變爐內(nèi)的溫度,最終達(dá)到控制溫度的作用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)硬件電路如圖2所示,上面部分是測(cè)溫電路,下面部分是溫控電路,這兩部分電路的設(shè)計(jì)主要涉及到測(cè)溫電路中傳感器鉑電阻的使用和溫控電路中執(zhí)行器件雙向晶閘管技術(shù)。

基于普通數(shù)據(jù)采集卡的虛擬遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)

2.1 Pt100的使用

Pt100溫度檢測(cè)器是一種以白金(Pt)做成的電阻式溫度檢測(cè)器,屬于正溫度系數(shù)熱電阻傳感器。選用WZP-120型鉑電阻溫度傳感器。其主要技術(shù)參數(shù)如下:

測(cè)量范圍:-200℃~+850℃;
     允許偏差值△℃:B級(jí)±(0.30+0.005|T|);
     熱響應(yīng)時(shí)間<30s;
     允通電流≤5mA。

2.2 BTA12的使用

本系統(tǒng)所用的執(zhí)行器件是雙向可控硅,又稱雙向晶閘管,型號(hào)為BTA12??販厮每煽毓桦娐返娜蝿?wù)是通過(guò)調(diào)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)交流調(diào)功。通常,由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的途徑有兩條:一是調(diào)相,二是脈沖調(diào)功,在此使其工作在脈沖調(diào)功方式,相對(duì)于前者而言,這種方式具有不對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。

為了在使用時(shí)不必?fù)?dān)心由于外電路原因或誤操作引發(fā)計(jì)算機(jī)部件和采集卡的燒壞,需要在采集卡和強(qiáng)電設(shè)備之間設(shè)置電隔離,考慮到采集卡的輸出信號(hào)需要對(duì)后續(xù)電路的觸發(fā),本系統(tǒng)的溫度控制電路主要由隔離、同步、觸發(fā)及負(fù)載等單元組成。為了方便起見(jiàn),這里采用集隔離、過(guò)零檢測(cè)、過(guò)零觸發(fā)功能于一體的光電耦合器件MOC3041,可為大功率的晶閘管提供足夠的觸發(fā)電流。溫控電路的工作原理是:當(dāng)從數(shù)據(jù)采集卡的AO端輸入低電平時(shí),雙向晶閘管導(dǎo)通,加熱絲加熱;當(dāng)輸入高電平時(shí),即呈阻斷,加熱絲不工作。但因觸發(fā)電路是過(guò)零觸發(fā),晶閘管的導(dǎo)通和截止時(shí)刻都將延遲到交流正弦波電壓零點(diǎn)交越附近。因此,負(fù)載電流為正弦波,減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾。

3 LabVIEW驅(qū)動(dòng)UA201D的實(shí)現(xiàn)

UA201D數(shù)據(jù)采集卡是北京優(yōu)采公司生產(chǎn)的PCI總線數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品,分辨率為12bit,最高實(shí)用采樣頻率為125kHz,模人模出范圍為±5V。

本系統(tǒng)利用CLF函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)UA201D.DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。在此動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中被調(diào)用的函數(shù)主要包含以下幾個(gè):Start Device(short start),這個(gè)函數(shù)用于打開(kāi)和關(guān)閉設(shè)備,當(dāng)設(shè)備不存在或者打開(kāi)設(shè)備失敗時(shí),會(huì)調(diào)用void Exit(int res)函數(shù)退出程序;AiStartContml(short aistart)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的打開(kāi)和關(guān)閉;AiControl (short aiacquiremode,unsigned charaichannel,unsigned char aigain,unsigned shortaicounter0_0)主要用于完成數(shù)據(jù)采集模式,采集通道,采集范圍等參數(shù)的設(shè)置,并對(duì)驅(qū)動(dòng)程序上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最后返回用戶界面可以識(shí)別的數(shù)據(jù);AoStartControl(short aostart)實(shí)現(xiàn)模擬輸出功能的打開(kāi)與關(guān)閉;AoControl(short aochannel,double aodata)實(shí)現(xiàn)模擬輸出通道的參數(shù)設(shè)置,并把模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給驅(qū)動(dòng)程序。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件程序采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,即將系統(tǒng)劃分成幾個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊,各模塊內(nèi)部分別完成確定的任務(wù),模塊之間相對(duì)獨(dú)立而又通過(guò)系統(tǒng)的框架協(xié)議相互聯(lián)系。為了使各模塊之間按照系統(tǒng)的框架協(xié)議協(xié)調(diào)動(dòng)作和相互通信,以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,設(shè)計(jì)了提供用戶接口的主控程序。在用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)發(fā)出指令后,主控程序通過(guò)統(tǒng)一調(diào)度各功能模塊實(shí)現(xiàn)用戶意圖。根據(jù)電阻爐溫度控制系統(tǒng)的基本要求,將系統(tǒng)劃分為九個(gè)功能模塊:溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、PID控制模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、數(shù)據(jù)查看模塊、數(shù)據(jù)打印模塊、錯(cuò)誤事件處理模塊和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。為每一個(gè)模塊創(chuàng)建SubVI程序,作為未來(lái)VI子程序的非功能性原型表征,同時(shí)SubVI程序定義圖標(biāo)和創(chuàng)建前面板,使其包含所需的輸入輸出接口,使這些SubVI程序去組裝頂層框圖。

系統(tǒng)的主控模塊提供了溫度控制功能。它通過(guò)與其它模塊的通訊來(lái)完成數(shù)據(jù)采集與處理、PID控制、數(shù)據(jù)記錄與查詢等功能。根據(jù)模塊化的編程思想,用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言,可以方便地寫(xiě)出溫度控制系統(tǒng)的程序代碼。系統(tǒng)的前面板如圖3所示。

基于普通數(shù)據(jù)采集卡的虛擬遠(yuǎn)程溫度控制系統(tǒng)

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于系統(tǒng)控制對(duì)象的冷卻是自然冷卻過(guò)程,系統(tǒng)剛投入運(yùn)行時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)有一定的超調(diào)量,因此降溫時(shí)間較長(zhǎng)。但進(jìn)入下一個(gè)周期時(shí)很明顯有了很大的改善,因此總的來(lái)說(shuō)系統(tǒng)能夠較快地進(jìn)入穩(wěn)態(tài),超調(diào)量不大,穩(wěn)態(tài)誤差很小,控制精度比較高。并且本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用,將普通數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用在本系統(tǒng)中,大大降低了系統(tǒng)的成本和提高了LabVIEW的通用性。遠(yuǎn)程測(cè)控功能的實(shí)現(xiàn)也使得用戶操作起來(lái)非常方便,對(duì)于對(duì)象較小的溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)本系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景.

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