基于LabVIEW的液位测控系统设计.doc

本科毕业设计论文 摘 要液位计算机测量与控制实验系统是为西北工业大学航空学院民航工程系综合实验平台而开发的课程教学实验系统。液位测量与控制系统集传感器信号的采集、调理、转换、检测和控制为一体，是实时交互式图形界面应用系统。该系统采集液位信号并用计算机可视化界面实时显示液位高度的变化过程；通过交互式对话框设置期望的液位高度，在检测当前液位的基础上控制进/出水阀门，从而对实际液位高度进行控制。论文介绍了液位计算机测量与控制系统的结构与功能；分析了硬件系统中测量与控制电路的组成及工作原理；计算了信号调理电路中测量放大器的增益及各元件参数；使用PROTEL软件绘制了信号调理电路图；介绍了多功能数据采集卡NI USB-6008的特点、功能及软件开发平台LabVIEW；分析了系统的软件程序；介绍了液位计算机测控系统的用户使用界面所能实现的功能。针对实验系统对液位进行开关控制所带来的问题，提出了用PID控制方法进行改进的措施。关键词：液位测控，压力传感器，信号调理，NI USB-6008 ，LabVIEWABSTRACT The liquid level measurement and control computer experimental system is a course teaching experimental system which is used to develop the comprehensive experimental platform for Aviation Institute of Civil Engineering of NWPU. The liquid level measurement and control system with real-time interactive graphical interface is of the sensor signal acquisition, conditioning, conversion, testing and control functions. The system acquires the signals of liquid level and computer interface real-time to show the liquid level changing process. Through an interactive dialog box, the desired water level is set. The actual water level is controlled based on the current liquid level detection through the import / outlet valves.The structure and function of the liquid level measurement and control computer experimental system is introduced at first. The hardware system composition and working principle is analyzed, and the gain and each components parameters of measuring amplifier in signal conditioning circuit are calculated. The signal conditioning circuit is drawn with PROTEL, and the features and functions of the multi-function data acquisition card NI USB-6008 and software development platform LabVIEW are introduced. The system software program is also analyzed. For the control problems of import / outlet valves of the liquid level measurement and control computer experimental system, a PID control method is proposed to improve the system performances.KEY WORDS：liquid level measurement and control，pressure sensor，signal conditioning ， NI USB-6008 ，LabVIEW目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论1 1.1 课题背景1 1.2 系统组成1 1.3 系统工作原理2 1.4 本文的主要内容2第二章 传感器及信号调理3 2.1 数据采集3 2.1.1 数据采集技术3 2.1.2 数据的采样3 2.2 传感器4 2.2.1 传感器的选用4 2.2.2 压阻式压力传感器的基本原理5 2.2.3传感器存在的问题及其解决方法5 2.3 信号调理电路7 2.3.1第一级数据放大器7 2.3.2第二级放大器8 2.4 整体电路8 第三章 液位控制回路11 3.1基本组件及原理特性11 3.1.1六反向器（74LS04）11 3.1.2 电磁阀12 3.2继电器13 3.2.1固态继电器SSR14 3.2.2交流型SSR的工作原理14 3.2.3SSR的注意事项16 第四章 计算机液位测控系统19 4.1 多功能数据采集卡19 4.1.1数据采集卡的主要性能指标19 4.1.2数据采集卡(DAQ)的组成20 4.1.3NI USB-6008数据采集卡20 4.2 图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW22 4.3程序模块化设计概述23 4.4液位测控程序设计24 4.4.1 系统软件需求24 4.4.2 LabVIEW前面版设计25 4.4.2 LabVIEW后面板程序设计26 4.5软件调试步骤及其调试27 第五章 系统线性改进29 5.1 PID控制原理29 5.2数字PID控制算法31 5.3 PID控制的局限性及新方法的探求33 第六章 全文总结35 参 考 文 献37 致 谢39 毕业设计小结41 附录43 1. 74LS74推荐工作条件43 2. 电路板设计步骤44 3. NI USB-6008/6009的I/O 连接器4448本科毕业设计论文 第一章 绪 论1.1课题背景检测和控制是人类认识世界和改造世界的重要任务，而测控系统则是实现这些任务的工具和手段。测控系统在国民经济各领域的应用越来越广泛，如输油输气测控系统、城市公共事业测控系统等，同时，它还涉及人类生活的方方面面，因此，测控系统是人类生活、生产、科学研究等必不可少的工具和手段。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。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。液位测控是工程实践中常见的问题，在民航各领域有着广泛的应用。液位测控系统作为测控系统中一支，在大量的书籍中都有着较为详细的介绍，本文正是在前人的探索和指导下，顺应计算机技术的迅猛发展，将二者有机的结合起来，设计出简易的液位计算机测控系统。1.2 系统组成液位测控系统结构示意图如图1-1所示。由图1-1可见，液位测控系统主要由机械部分和计算机测控部分组成。机械部分由水箱、水容器和进/出水阀所组成。出水阀门和入水阀门用的是非线性的电磁阀，只有通和断两种工作状态，用来在实验过程中自动或手动向容器内加水和放水。计算机测控部分由压力传感器、数据放大器、NI USB-6008数据采集卡、进出水阀控制板、计算机及其运行于其上的软件系统所组成。数据采集卡用来进行A/D转换和数字信号的输入输出，计算机及运行于其上的软件系统负责实时显示和控制液位高度。上水箱二级放大器一级测量放大器进水阀液位测控计算机进水阀控制板 传感器 NI-USB-6008数据采集卡 下水箱出水阀出水阀控制板 图1-1 液位测控系统结构示意图1.3 系统工作原理系统工作原理简述如下：系统使用压力传感器，把水压信号转变成为一个毫伏级的微弱电信号。这个电信号的大小就反映了液位的高度，将这个信号进行两级放大，得到计算机采集系统可用的电压信号，通过运算还原为液位高度，在运行界面上以数字和曲线的方式直观显示出液位的变化情况。液位控制是通过将采集的液位高度与界面上设定的液位高度进行比较，形成负反馈，由计算机发出数字信号来控制入水阀和出水阀的通断，使实际液位达到设定液位的高度。1.4本文的主要内容 根据系统设计要求，论文内容如下：第二章重点介绍液位测量部分，包括传感器、液位测量电路的结构和工作原理；第三章介绍液位控制回路相关内容；第四章介绍计算机液位测控系统，重点介绍软件程序设计，它是本文的核心部分；第五章为系统线性控制改进方案。第2章 传感器及信号调理 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。2.1数据采集2.1.1数据采集技术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。2.1.2 数据的采样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。t0，t，2t，3t等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0)，x(t)，x(2t)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(2t)，x(3t)，x(kt)， （2-1）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=x0，xl，x2，x3，xNl （2-2）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。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。2.2传感器2.2.1传感器的选用测量的压力的方法众多，所以可使用的传感器也多种多样，但考虑技术成本等诸多因素，主流多为压阻式和压电式压力传感器，压电式传感器因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际情况下无法达到，不能进行静态测量。所以选用压阻式传感器。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效制成的传感器。 图2-2 压阻式压力传感器结构原理图本文所使用的传感器结构如图2-2所示 ，有外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。核心器件是一个周边固定支撑的硅敏感膜片即硅压阻芯片，又名硅杯，上面用扩散掺杂法做成四个相等的硅应变电阻条，经整镀金属电极及连线接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔。采用硅杯结构的好处在于使硅膜片与固定支撑环构成一体，即可提高灵敏度，减少非线性误差和滞后，又便于集成化和批量化生产，降低了成本，圆形硅杯最常采用，工艺成熟，P型硅的压阻系数比N型硅的值高，因此选P型电阻条有利于提高敏感器件的灵敏度且温度系数小，也易制造。通常选用N型硅膜片，在其上扩散P型杂质，形成应变电阻条。压阻式传感器的主要特点是高精度、高频响、高灵敏度、小体积。2.2.2. 压阻式压力传感器的基本原理将上述介绍的传感器高压腔置于容器底部，低压腔与外界大气相连，引线接入电路中，当容器中注入水后，膜片受到水压的影响，发生变形，产生应变，从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，而前后两次的压差就是液位底部的压力。通过PaGH，可以计算得出液位的高度。2.2.3.传感器存在的问题及其解决方法由于制造、温度对半导体的显著影响等原因，传感器的电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响了传感器的准确性。而减少与补偿误差的措施主要有：1. 为恒电压供电电桥附加三极管；2. 零点温度补偿；3. 灵敏度温度补偿。具体内容如下所述：1.附加三极管：在恒电压工作情况下，当传感器上的外加电压为Vi时，桥路输出电压.温度对半导体压力传感器量程的影响与温度对的影响相同。利用三极管的基极、发射极间电压降VBE大约-1.8mv/的温度系数, 将温度对量程的影响抵消掉。 图2-3 附加三极管电路对图2-3而言，需保证三极管部分工作在2.5V电压下，它可以大致抵消电桥在5V电压下的温度误差。2.温度漂移及其补偿图2-4 温度补偿电路图温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移，如图2-4所示，若串联电阻RS可起到电路调零作用,而并联电阻RP可起到电路补偿作用。零漂：扩散电阻值随温度变化 ；灵敏度漂移：压阻系数随温度变化 ； 零位漂移：串、并联电阻；灵敏度温漂：串并联二极管。在本系统中，传感器工作在5V的电压下，在水位为零时，输出值Vo= -8.16mv,满量程水位5m时，输出值Vo=39.97mv,为了保证传感器的正常运行，本传感器两端需加+5V 电压，并使连入的三极管工作在+2.5V的条件下，以便抵消较为准确的抵消电桥电路的误差。2.3信号调理电路一般来说，放大器的输入信号都比较微弱，为毫伏级的或者微伏级，其输入的功率一般在1mV以下，为了使信号能够推动其负载正常工作，必须采用多级放大电路对所输入的微弱信号进行放大，这样才可能在放大电路的输出端形成负载能够正常工作的电压值或者足够的功率。一般是在放大电路的前面一些级胶泥性电压放大，从而将微弱的输入电压放大到足够大的程度，接下来再由此电压来推动功率放大级级进行功率放大，从而便可以得到负载能够正常进行工作必须的电压和功率。由上小节知，传感器输出信号Vo比较微弱，达不到A/D转换05V的其本要求，且幅值很小，无法进行相应的记录和显示。故此输出信号需要进行数据放大和信号调节，即传感器输出信号需要信号调理电路的调节。本文的信号调理电路由第一级数据放大器和第二级数据放大器两部分组成。前者实现信号的放大，后者实现信号的调节。图2-5 三运放高共膜抑制比放大电路2.3.1第一级数据放大器 采用如图2-5所示的并联差分输入仪用放大器，又名三运放高共模抑制比放大电路作为第一级数据放大器。电路中，由两个性能一致的同相放大器A1,A2并联构成平衡对称差动输入级，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在两端互相抵消，因而电路具有良好的共模抑制能力，又不需要外部电阻匹配。取R1=R2以消除A1、A2偏置电流的影响。若将为可调电阻，则电路具有增益调节能力。构成双端输入单端输出的输出级，进一步抑制共模信号，因此其选择具有高共模抑制比。本运放提供的增益为 Av= （2-3）2.3.2第二级放大器在2.1节提到，当水位为零时，Vo=-8.16mv，经第一级数据放大器放大，它将是一个很大负值，而本系统要求在水位为零时，输出数值应为0V，故本系统加入一个可调节反向放大器见图2-3 ，来调节初始的负值。图2-6. 反向运算放大器由图2-4知： Uo= （2-4）Ui为R5处输出的电压。通过调节R5的触头来改变Ui,使输出值为0V。2.4 整体电路分别将测量放大、反向放大器、差动放大器按一定的顺序组合起来即得到本硬件电路系统的原理图，具体电路图见下图所示：图2-7 总体电路框图元件参数推理如下：水位在070cm变化时，传感器输出的电压为-8.16mv39.97mv。若此信号不经放大直接调节使其初始输出为0V，则输出电压范围为0V48.13mv。 为使电路输出5V的电压，放大器的增益应为： (2-5)考虑到压力传感器的分散性，放大器的增益应当取70150倍。由于一次性放大百倍，轻微的干扰都容易造成放大后的信号失真，所以在第一级数据放大器中，先使用A1，A2组成的双端输入/输出差动放大器放大Av=913倍，此放大器的优点在于信号从两个同向段输入，使输入阻抗高达10M以上，易于测量微弱信号。然后使用A3放大器放大10倍，A3的优点是采用差动输入，在运放参数和电阻严格对称时，电路具有很高的共模抑制能力和低温漂。公式部分如下： （2-6） （2-7） （2-8）取R1=2K，R1=1K, R2=R4=12K, R3=R5=4.7K, Rf1=Rf2=47K。为了保证第二级数据放大器有高的输入电阻并且便于调节，设置R6= R7= Rf3= Rf4, R8=10k。第三章 液位控制回路 液位控制是通过将采集的液位高度与界面上设定的液位比较，形成负反馈，由计算机发出数字信号来控制出水阀和入水阀通断。使实际液位达到设定液位的高度。 本部分的职能是执行计算机输出的信号，调节水箱的液位，使其达到给定的液位值。一般较常用的硬件为电磁阀控制板和电磁阀门。其中电磁阀控制板控制电磁阀的关和断，为本章的核心部件。它包括固态继电器（SSR）、六反向器74LS04和插座，其结构图如图3-1所示：图3-1 液位控制系统原理图3.1基本组件及原理特性液位测控系统中硬件系统的控制部分由六反向器（74LS04）、固态继电器、电磁阀等组成，其中74LS04与固态继电器组成控制板，电磁阀作为出入水的控制开关使用。系统根据液位测量情况，通过计算机自动控制入水阀和出水阀，使当前液位达到设置液位。也可手动控制入水和出水。以下将对控制部分的主要组件进行分析。3.1.1六反向器（74LS04）74LS04的外引线排列如图3-2；图3-2 74LS04引线图 74LS04共有14个引脚，7端口接地，14端口接高电平，剩余的1，3，5，9，11，13为六个非门的输入端，2，4，6，8，10，12为六个非门的输出端，在工程实践中具有广泛的应用。由以上分析可知系统工作原理如下:当控制板接收到端口控制信号时，74LS04的一端口为1，74LS04的二端口则为0，此时SSR的输入端加入了一定的控制信号，由图可知，其控制SSR的输出端处于通态，电磁阀导通；当控制板无端口控制信号接入时，74LS04的一端口为0，74LS04的二端口则为1，此时SSR的输入端加入了一定的控制信号，由图可知，其控制SSR的输出端处于断态，电磁阀关闭。当工作电压过高时，继电器自动断开，起到一定的保护作用。极限参数：电源电压.7V输入电压.7V 工作环境温度：74LS04.070贮存温度.-651503.1.2电磁阀在本系统中所使用的控制开关为两个膜片电磁阀是二位通常式自动阀门，该阀在系统中的工作情况为电磁阀接通电源时，阀门开启，介质流通（在本系统中介质为水）;当电磁阀断电后，阀门关闭，介质中断。其使用环境：1.应垂直安装在环境温度为-30度到+40度，相对湿度小于98%的场地。周围环境影响对干燥，不宜出现滴水见水的情况同时注意进出阀不可装反。2.要保证电压在额定电压的正负15%范围内波动，频率在额定值的正负5%内波动。阀的前后压差为0.38Kgf/cm2电磁阀控制板电磁阀控制板控制电磁阀的接通和断开。其主要有固态继电器SSR和74LS04下图为一种典型的电磁阀门示意图： 图3-3 电磁阀门示意图3.2继电器 继电器室根据一定得信号（电流、电压、时间和速度等物理量）变化来接通或分断小电流电路的自动控制电器。继电器一般不直接控制主电路，而是通过接触器或其他电器来对主电路进行控制。继电器的种类很多，但是根据其工作原理不同可分为电磁继电器盒固态继电器两大类。3.2.1固态继电器SSR 在本系统中，将使用固态继电器。 固态继电器(SOLID STATE RELAYS)，简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”， 为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。其封装形式也与传统电磁继电器基本相同，由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以它较之电磁继电器具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点。3.2.2交流型SSR的工作原理 SSR按使用场合可以分交流型和直流型，本系统选用交流型。 交流型SSR有两个输入端、两个输出端，即为四端器件。工作时，只要在输入端加上一定的控制信号，便可控制输出端的通与断。而中间的耦合电路由于使用了光电耦合器，故既有控制信号的输入和输出端间的耦合功能，又能在电气上断开输入和输出端间的直接连接，起到良好的绝缘隔离作用。同时，由于输入端的负载是发光二极管，这使的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，故在使用中可直接与计算机输出口相接，受到0与1的逻辑电平控制。交流型SSR的一个重要特点是过零触发技术,其中开关电路是由触发电路触发驱动的。但是，若开关电路不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网。为此特设过零控制电路，用以保证触发电路在有输入信号和开关器件两端电压值过零的瞬间触发开关器件，实现通断操作，杜绝了开关器件带电动作所产生的干扰和污染。 所谓过零是指当加入控制信号后，交流电压过零的瞬间，SSR为通态；而当断开控制信号后，SSR要待交流电的正半周与负半周的交界点（零电位）时，SSR才为断态。图3-4 交流型SSR的工作原理图交流型SSR的另一个重要特点是以吸收回路来实现瞬间过电压的保护。由图可知，当反峰电压大于双向晶闸管允许的峰值电压时，若无瞬间过电压保护措施，有可能损坏SSR，因此在交流电源输入端并接RC浪涌吸收回路及在SSR输出端并接非线形的压敏电阻，实施保护功能。典型SSR电路图如图3-5：图3-5 交流型SSR典型电路图图中的VPC是一个以光控可控硅为输出器件的光电耦合器。它除了传递控制信号外，还具有隔离功能。光控可控硅依靠VD1VD4通过整流从交流电源取得正向工作电压，使它在交流正、负两个半周内均处在待触发状态。R1和C1并联后接于可控硅的控制极，以削弱干扰的影响。 过零检测环节由R2、R3和晶体管V构成。这里所谓的“零”并非指交流电压为0V瞬时值，而是指0V附近的一个电压小区间，大约在1015V，称为零区。若交流电压过大，落在零区之外，则由R2、R3分压后的电压可使三极管V饱和，把光控硅的控制极和阴极短路。此时即使输入端有正向电流使发光管发光，也无法使光控管导通。只有在交流电压经过零区时，V才能因基极电压过低而近乎截止，使得光控管才有可能导通，向可控硅VT提供触发电压。适当选择R2和R3的值可调整零区的范围。电阻R4为光控可控硅的限流电阻；R5为触发电阻，VT依靠它取得触发脉冲；R6、C2构成阻容吸收网络，用VT的保护。当输入端出现信号时，一旦交流电压过零，光控可控硅即导通，R5上形成的电压马上触发VT导通，把负载R1与交流电源接通。输入信号消失后，光控管即截止，R5上的触发电压随即消失，这样，待交流电压过零时，VT因失去维持电流而关断，于是负载失电。它的工作波形如下：图3-6 ACSSR的工作波形3.2.3 SSR的注意事项1 控制电压应用时应在3V以上，但不能超过6V。2 采用TTL，CMOS等电路直接驱动SSR时，应先了解驱动的电压和电源是否满足SSR的需要。如果驱动的信号在0电平，也有一定的输出电压，当此电压超过1V时，就有可能使SSR误导通；相反，当驱动信号在1电平时，虽然有足够的电压，但电流不足以驱动SSR，也不能使其动作。解决的办法是在电路的输出端增加一级晶体管跟随器，以满足SSR开关的控制电平需要。3 通常SSR均设计为常开状态，无控制信号输入时，输出端是开路的，但在自动化控制设备中经常需要常闭式的SSR，所以要在输入端外接一组简单的电路，使常开式SSR变为常闭式SSR。 4 额定工作电流大的SSR应安装散热器，15A以上应加散热片，应注意SSR的空气对流，以保证良好的散热效果。5 首次安装SSR时，应观察SSR一段时间，一般连续工作时，SSR的升温应在70度以下，如发现SSR温度过高，则说明SSR与散热器接触有问题或是选用了比工作电流小的SSR。6 通常SSR均设计为常开状态，无控制信号输入时，输出端是开路的，但在自动化控制设备中经常需要常闭式的SSR，所以要在输入端外接一组简单的电路，使常开式SSR变为常闭式SSR。第四章 计算机液位测控系统此部分根据其职能，主要分为三部分：液位计算机测量部分，液位计算机控制部分，计算机测控软件部分。液位计算机测量部分主要是将来自系统测量部分的信号通过A/D转换送入计算机中，并在计算机中的软件上显示当前的液位数值。液位计算机控制部分主要是将当前的测量值与设定的值比较，得到一个偏差信号，然后再通过软件编程的有关算法给系统执行部分输出信号来控制水箱的进水出水来调节液位，使其达到设定值。计算机测控软件：它包括上述两部分的软件显示和编程。4.1多功能数据采集卡数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。4.1.1数据采集卡的主要性能指标1）采样频率采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要510倍。2）采样方法采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。3）分辨率ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示。因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。4）电压动态范围电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。5）I/O通道数 该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。4.1.2数据采集卡(DAQ卡)的组成1）多路开关。将各路信号轮流切换至放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。2）放大器。将切换进入采集卡的信号放大至需要的量程内。通常中的放大器都是增益可调的，使用者可根据需要来选择不同的增益倍数。3）采样保持器。把采集到的信号瞬间值，保持在A/D转换的过程中不变化。4）A/D转换器。将模拟的输入信号转化为数字量输出，完成信号幅值的量化。目前，通常将采样保持器和A/D转换器集成在同一块芯片上。以上四个部分是数据采集卡的重要组成部分，与其他的电路如定时/计数器、总线接口等电路仪器组成DAQ。4.1.3 NI USB-6008数据采集卡 NI USB-6008/6009 可提供8 个模拟输入(AI) 通道、2 个模拟输出(AO) 通道、12 个数字输入/ 输出(DIO) 通道以及一个带全速USB 接口的32 位计数器。NI USB-6008为简单的数据记录、便携式测量和院校实验室实验等应用提供基本的数据采集功能。 该产品价位适于学生购买，但其强大的功能足以应对更为复杂的测量应用。 借助NI USB-6008及其内含的即用型数据记录仪软件，几分钟内就可完成基本的测量，或使用LabVIEW或C语言以及内含的NI-DAQmx Base测量服务软件编程自定义测量系统。NI USB-6008（BK USB-6008）USB-A/D用于USB的12位, 10 kS/s多功能数据采集卡有8路12位模拟输入通道, 12条DIO线, 2路模拟输出, 1个计数器若需更高性能。在本系统中，测量部分的模拟信号需要A/D转换变为数字电信号，通过数字输入接口才能输入计算机，计算机内的控制信号也需要数字输出接口才能输出传送给执行部分，本文选用多功能数据采集卡 NI USB-6008来解决这一问题。 NI USB-6008/6009 的主要功能组件如图4-1。图4-1 NI USB-6008/6009 的主要功能组件 NI USB-6008/6009 随附一个用于模拟信号的可拆卸式螺栓端子连接器和一个用于数字信号的可拆卸式螺栓端子连接器。端子连接器可提供16 个连接，使用16 AWG 至28 AWG 导线。在液位测控系统中，经过放大的液位电信号要经过接插件A/D转换后送入计算机内，入水阀和出水阀的开关信号也是通过接插件输出，所以接插件是本系统硬件系统和软件系统的桥梁，起着重要的作用，本系统的A/D、DI/O接插件选用的是NI USB-6008数据采集卡，下面我们简要介绍一下软件系统与NI USB-6008数据采集卡相关的硬件接口。本系统需要采集一路液位模拟信号,输出两路(入水和出水)控制信号。其模拟信号与NI USB-6008数据采集卡的AI 0（模拟输入）端口相接，并与端口“1”接地。入水控制信号和出水控制信号与NI USB-6008数据采集卡的P0.0（数字输入输出）端口相接，同时为端口“31”提供5V的直流电。 NI USB-6008/6009的I/O 连接器的端子说明见附录3。4.2图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW软件是虚拟仪器的关键。设计一个虚拟仪器系统，在硬件平台确定之后，就可以通过设计不同的软件，实现不同的仪器功能。在设计、实现虚拟仪器的软件系统时，需要考虑众多因素，如硬件需求、计算机硬件、操作系统；软件是否建立在开放的结构上，是否需要编程经验。利用此软件程序是否能在不同的计算机平台上移植，将来能否方便的扩展虚拟仪器的功能。由于选用专用的开发软件，必须具有一定的仪器以及数据采集设备配合使用。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、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。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。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。软件是虚拟仪器的关键。设计一个虚拟仪器系统，在硬件平台确定之后，就可以通过设计不同的软件，实现不同的仪器功能。在设计、实现虚拟仪器的软件系统时，需要考虑众多因素，如硬件需求、计算机硬件、操作系统；软件是否建立在开放的结构上，是否需要编程经验。利用此软件程序是否能在不同的计算机平台上移植，将来能否方便的扩展虚拟仪器的功能。由于选用专用的开发软件，必须具有一定的仪器以及数据采集设备配合使用。4.3程序模块化设计概述数据采集系统的性能在很大程度上取决于其应用软件的研究与开发，所以在明确了系统设计目标之后，应该采用好的程序开发方法，如结构化设计方法、模块化思想、多线程以及软件系统的评价标准等等。软件系统的模块化设计原则：为使研制出的软件具有良好的可靠性、易维护性、易扩充性及易装卸性，软件设计应遵循规范化的模块化设计原则。1）自顶向下逐步求精的设计方法软件设计往往在开始时不了解问题的全部细节，只能对问题做出全局性的决策，即设计表征解决问题一般策略的抽象算法。对抽象算法做进一步求精，进入下一层抽象。在求精过程的每一步，抽象概念(语句或数据)都被精细化。2）根据逻辑功能划分物理模块 模块的分解：消除重复的功能部分，使得模块的块内联系较高，块间联系较低。 模块的合并； 模块的复制。3）模块的作用范围应处在模块的控制范围之内模块的作用范围是指模块内判定影响的范围。只要某模块中含有依赖于某种判定操作，则该模块就处于该判定的作用范围之内。4）依据逻辑功能确定模块之间的调用关系模块之间的调用与被调用，决定于模块各自的逻辑功能，因而对模块的扇入扇出并无加以限制的必要。一般来讲，底层模块的扇入较高，顶层模块的扇出较高。5）模块接口应保持简明降低模块接口的复杂性，是模块设计中必须考虑的问题。保持模块接口的简明，一方面须减少模块间传递的信息量，更重要的是使所传递的必要信息具有明确的逻辑含义。6）模块应保持单入口性质单入口模块，易于理解。由于副作用的减少，可以降低错误的发生率。模块的出口可以有多个，但均应具有明确的逻辑含义。7） 模块结构增加中间判断层次，提高可扩充性。4.4液位测控程序设计 系统程序的主要功能为模块划分的标准，其中包括数据采集，数据实时显示及实时控制。 液位测量与控制系统的计算机软件功能主要包括：计算机测量，计算机控制和状态显示三大功能，程序编写利用LabVIEW软件系统具有友好的用户界面，实验者可以方便地利用鼠标进行操作，通过对话框修改系统的参数配置，设置期望液位高度等，可直接在运行界面上观察到其操作的效果，并且提供实验者参与实验过程的手段。 由以上需求，软件系统所要接受的信息分为四部分。一是采集到的液位电信号；二是设置液位高度；三是实验者配置的系统参数；四是实验者自己编写的测控程序。软件系统所要输出的信息包括：液位高度的数字、曲线和可模拟化实时显示；采样电压值的实时显示；操作过程的动态提示；实验过程的记录数据；控制入水阀和出水阀开关的数字信号。4.4.1系统软件需求液位计算机测控系统是用LabVIEW设计的实时交互图形界面应用系统。具有用户界面友好，实时动态显示等特点，可用其实现液位测量计算机显示、液位计算机控制和计算机测控软件编程设计。软件需求：液位测量计算机显示部分需要完成：液位信号采集、液位信号处理和液位及其相关的信号显示。 液位计算机控制需要软件实现将采样液位高度与设定的液位高度进行比较,控制出水阀与入水阀的通断来实现液位高度的控制。 整个软件系统的接口具体如下：输入：液位数字信号、设置的液位高度值输出：液位高度的数字、曲线和可模拟化实时显示 采样电压值的实时显示 操作过程的动态提示 显示实验过程的记录数据 控制入水阀和出水阀开关的数字信号4.4.2 LabVIEW前面版设计前面板是图形化的用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。VI前面板是模拟真实仪器的前面板。在前面板中根据用户要求使用各种图标：数字控件与指示器，布尔控件与指示器和配置控件与指示器。运行界面主要包括显示和控制。数据动态显示区用图形的方式直观显示出液位容器的几何形状，动态显示容器内液体的高度和高度标尺等内容，并以数字量和曲线的形式实时显示液位的变化情况也可以，根据实际要求决定是否显示传感器的采样电压和系统的状态，包括：注水和排水的显示灯显示，警报显示。控制实现对整个实验过程的操作。动态信息提示框实时给出系统的过程信息，例如，设定液位高度，误差带等。 LabVIEW的前面板如图4-2所示。图4-2 LabVIEW的前面板 4.4.2 LabVIEW后面板程序设计前面板的每一个控件在后面板都有一个框图程序与其对应，在后面板的程序设计中，通过使用函数，子VI和连线，按一定的逻辑连接框图程序，完成用户的需求。在本系统的功能要求下，系统核心要完成测量，控制和显示。在后面板的程序设计中包括了数据采集模块，系统控制模块和显示模块等。数据显示模块的核心是利用软件程序选择指定的NI USB-6008数据采集卡的模拟输入电压量通道。为了提高采集数据的精确性，在设计中通过使用循环程序使用了多次采样取平均值的方法，完成精度要求。控制模块的核心是通过数字逻辑对注水和排水阀门实现控制，在实际的注水及排水阀门控制中，设定注水阀门的数字写入“1”为低电平阀门关闭，“0”为高点平阀门开启。排水阀门数字写入“1”为高电平开启阀门，“0”为低电平关闭阀门。写入控制芯片的为8位2进制数，设定最低位控制排水阀门，倒数第二位控制注水阀门。故注水与排水阀门的状态组合有4种，