基于虚拟仪器的液位控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于虚拟仪器的液位控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 虚拟仪器的开发软件 虚拟仪器的开发语言 虚拟仪器系统的开发语言有：标准 C， Visual C++ ， Visual Basic 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。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 5 页 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 HPVEE ， HPTIG开发平台，美国 Tektronix 公司的EzTest ， TekTNS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]。 图形化虚拟仪器开发平台 —— Labview Labview(Laboratory Visual Instrument Engineering)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、 RS232和 RS485 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、 Macintosh OS 等多种版本[12]。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 6 页 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 (Front Panel)、流程图(Block Diagram)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 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 7 页 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。 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。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 8 页 第二章 系统设计理论及硬件平台 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。 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 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]} 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 9 页 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 和图 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 510倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 10 页 采集系统的一般组成 B u f f e r( F I F O )驱动程序L a b v i e w程 序信 号D A Q 板 卡A / D外 触 发内 存B u f f e r硬 件显 示 图 2. 4 数据采集结构图 图 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。 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 1V5V 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。 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 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。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 11 页 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 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。 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 7 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 7 +A m p l i f i e rV mA I G N D 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 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 12 页 端连接系统地 AIGND。 图 16 通道的 RSE 测量系统。 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 1 5 +A m p l i f i e rV mA I G N D 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 NRSE测量系统，其中 AISENSE 是测量的公共参考端， AIGND 是系统的地。 +M U XC H 0 +C H 1 +C H 2 +C H 1 5 +A m p l i f i e rV mA I S E N S EA I G N D 图 2. 7十六通道 NRSE测量系统 选择合适的测量系统 两种信号源和三种测量系统一共可以组成如表 的六种连接方式： 表 测量系统连接方式 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 13 页 接地信号 浮动信号 DEF ☆ ☆ RSE ☆☆ NRSE ☆ ☆ 其中，推荐使用带☆号的方式。 从上表可以看出，浮动信号和差分连接方式的系统较好，但实际测量时还。