基于PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)組建-張凱強(qiáng)

1、實驗二 基于PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)組建 張凱強(qiáng) 0902100202一、實驗?zāi)康模?、了解PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的功能。2、掌握如何在MAX中設(shè)置DAQ通道，以及覽閱PCI-6221的設(shè)備屬性、與附件的連線方式等。3、學(xué)習(xí)使用VI程序控制PCI6221卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。二、實驗環(huán)境：軟件：中文Windows2000xp，LabVIEW 8.2.1或以上版本，NI MAX7.4或以上版本。硬件：微型計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221(68Pin)、連接器CB-68LP、電流-電壓轉(zhuǎn)換器。三、 實驗原理：1、 PCI6221卡將作為本次實驗的數(shù)據(jù)采集卡，本實驗主要使用其AI和A

2、O通道，VI程序通過它來實現(xiàn)虛擬儀器的模擬信號采集和輸出功能，下面就對它的功能予以介紹。PCI-6221卡是基于PCI總線的高性能、多功能的數(shù)據(jù)采集卡。它有16個單端輸入或8個差分輸入，1個16位的逐次逼近式ADC，2個以電壓輸出的16位DAC。PCI-6221的I/O分布如下圖所示： 所有I/O連接板引腳由五組引腳組成：模擬輸入信號引腳、模擬輸出信號引腳、數(shù)字I/O信號引腳、定時I/O信號引腳和電源信號引腳。在本實驗中只用到了Aix(x為015)模擬輸入和AO0模擬輸出通道，下面對其進(jìn)行介紹。（1）模擬輸入信號AIx的連接。模擬輸入信號與PC-6221卡的連接方式取決于PCI-6221卡的模

3、擬輸入電路的配置方式和輸入信號源的類型。在本實驗中，計算機(jī)與模擬輸入信號源(*實驗裝置的下水箱液位傳感器輸出的經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換后的15V電壓信號)與PCI-6221卡具有1個公共的參考點（AISENSE），但該參考點并非為地電壓，所以采用無參考地的單端測量接線方式（使用NRSE方式）。輸入信號連接在PCI-6221卡AIx通道上，而信號的參考點應(yīng)連接在PCI-6221卡的AISENSE引腳上。可使用NI MAX觀察模擬輸入信號與CB-68LP和PCI-6221的AIx（ x為各實驗小組組長學(xué)號的最后1位）通道的連接方式，方法如下： 在MAX中創(chuàng)建NI DAQmx任務(wù)，任務(wù)屬性為“模擬AIx通道

4、電壓輸入”、“NRSE接線方式”：. 點擊NI DAQmx任務(wù)屬性界面中的“連線圖”，即可觀察到連線方式（以AI0通道的連線方式為例），如下圖所示：（2）模擬輸出信號的連接。I/O連接板的22號引腳為模擬輸出信號AO0的正端，54和55號引腳作為輸出通道的地參考。DA輸出信號范圍：雙極性為±5V，單極性為010V。3、LabVIEW8.2.1中涉及到模擬輸入和模擬輸出的操作函數(shù)在函數(shù)模板中的“測量I/O”>>“DAQmx-數(shù)據(jù)采集“子模板中。本次實驗中，需要使用以下幾種函數(shù)對PCI-6221卡進(jìn)行操作：（1）對單通道模擬輸入的操作：·DAQmx Creat Vi

5、rtual Channel.VI：用于創(chuàng)建一個或一批虛擬通道，在其“物理通道”端口選擇PCI-6221所對應(yīng)的設(shè)備號，并設(shè)置好通道、輸入上下限、接線方式等參數(shù)；·DAQmx Timing.VI：用于設(shè)置通道的采樣頻率、采樣時鐘源、采樣模式等參數(shù)；·DAQmx Start.VI：用于啟動一個輸入/輸出任務(wù)，當(dāng)啟動后PCI-6221即可按設(shè)定的方式將數(shù)據(jù)采集/輸出發(fā)送到計算機(jī)的緩存中；·DAQmx Read.VI：用于從緩存中讀出所采集到的數(shù)據(jù)；·DAQmx Stop.VI：停止數(shù)據(jù)采集任務(wù)；·DAQmx Clear.VI：用于清除DAQmx任務(wù)并

6、釋放緩存。（2）對模擬輸出的操作： ·DAQmx Write.VI：用于向緩存中寫入需要輸出的數(shù)據(jù)；當(dāng)寫入緩存后，使用DAQmx Start.VI啟動任務(wù)，PCI-6221即可按設(shè)定的方式將數(shù)據(jù)從緩存中發(fā)送到計算機(jī)的AO通道； ·DAQmx Wait Until Done.VI：該VI用于確保在任務(wù)結(jié)束前輸入或輸出數(shù)據(jù)的操作已完成，通常用于有限采樣（Finita Samples)的輸入或輸出操作。四、實驗內(nèi)容：1、 利用NI MAX配置PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，以*實驗裝置的下水箱液位傳感器輸出的15V電壓信號為模擬輸入信號，在MAX中觀察模式輸入信號與CB-68LP和P

7、CI-6221的AIx（ x為各實驗小組組長學(xué)號的最后1位）通道的連接圖（采用NRSE連線方式）。2、 根據(jù)觀察到的連線方式，完成模式輸入信號與CB-68LP的連線。3、 手動控制*實驗裝置的電磁閥，將控制信號設(shè)置為最大（20mA），使流量最大（則下水箱液位將不斷上升直到最大值），從PCI-6221卡的通道AIx中對下水箱液位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集（在While循環(huán)中進(jìn)行有限采樣，循環(huán)間隔為100ms，采樣速率設(shè)置為10kHz，每次采集100個點，然后對這100個點取平均值，將平均值的范圍強(qiáng)制在15V（即平均值低于1V就設(shè)置為1V，平均值高于5V就設(shè)置為5V），并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的液位值（0100，即1V對應(yīng)

8、液位0，5V對應(yīng)液位100，以此類推）后，使用波形圖表將液位值曲線顯示出來，觀察曲線與實際的下水箱液位之間的關(guān)系。4、 將液位值曲線及其對應(yīng)的采樣時間保存在一個文本文件中。5、 將PCI-6221卡的AO0通道與*實驗裝置的電磁閥控制通道相連接；因為電磁閥控制信號為420mA的電流信號，而PCI-6221只能輸出電壓信號，因此必須將電壓信號通過轉(zhuǎn)換電阻轉(zhuǎn)換為電流信號。6、 用PCI-6221卡的AO0輸出一個范圍為2.03.0V，步長為0.1V的電壓值，觀察電磁閥的開度與輸出電壓的關(guān)系。五、 實驗截圖 六、 回答以下問題： 在實驗步驟3中，為何將每次采集100個點取平均后作為液位測量值，而不是

9、每次采集1個點直接作為液位的測量值？答：每次采集100個點取平均值后作為液位的測量值與每次采集1個點直接作為液位測量值與每次采集1個點直接作為液位的測量值相比可大大的減少隨白噪聲帶來的誤差，提高測量的準(zhǔn)確度。以為白噪聲是無處不在的，但是在一段較長的詩句范圍內(nèi)，白噪聲的幅值平均為零，采樣100個點取平均后可以近似消滅白噪聲對測量結(jié)果影響。而每次只采樣一個點是不可能消除白噪聲對測量結(jié)果的影響的。 采集100個點的時間比采集1個點的時間要長，這對測量結(jié)果的影響是否很大？為什么？ 答：影響不大。因為采樣頻率為10000Hz，采樣100個點的時間為10ms，在這10ms時間內(nèi)水箱液位的變化可近似為零，也

10、就是說在10ms時間里水箱液位值可以看做是不變的。所以測量值絕對能可靠的反映實際的液位值。 實驗三 基于LabVIEW和PCI-6221的單容水箱液位控制系統(tǒng)張凱強(qiáng) 0902100202一、 實驗?zāi)康模簩W(xué)習(xí)如何利用LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計一個單回路的單容水箱液位控制系統(tǒng)，使用PID控制算法使液位保持在值上。 二、 實驗環(huán)境：軟件：中文Windows2000xp，LabVIEW 8.2.1或以上版本，NI MAX7.4或以上版本。硬件：A3000高級過程控制系統(tǒng)、微型計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221(68Pin)、連接器CB-68LP、電流-電壓轉(zhuǎn)換器。三、 實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖 四、實驗原

11、理 1、基本原理本實驗采用PC+LabVIEW軟件作為液位控制器（LC），將液位控制在設(shè)定高度上。將液位傳感器（LT）輸出的420mA電流信號轉(zhuǎn)換為15V電壓信號后，使用PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的AIx通道進(jìn)行采集并上傳到計算機(jī)（具體的連線方法和采樣設(shè)置請參照實驗二進(jìn)行），然后在LabVIEW程序中編寫PID控制程序，根據(jù)P、I、D參數(shù)進(jìn)行PID運(yùn)算，將PID運(yùn)算結(jié)果（即控制信號u）經(jīng)PCI-6221的AO0通道輸出到電磁閥，控制電磁閥調(diào)節(jié)水箱的進(jìn)水流量，從而達(dá)到使液位值穩(wěn)定在設(shè)定值上的目的。2、增量PID控制算法本實驗采用增量PID控制算法，其計算公式為：式中，u ( k ) 為PID 調(diào)

12、節(jié)器增量輸出值；KC 為PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；K I 為PID 調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；K D 為PID調(diào)節(jié)器的微分系數(shù)； k 為采樣序號( k= 0,1, 2, )；e( k ) 為第k 次采樣時的偏差值；e ( k - 1)為第k-1次采樣時的偏差值； e ( k -2) 為第k-2次采樣時的偏差值；u(k)為本次PID運(yùn)算輸出的控制信號，u0為上次PID運(yùn)算輸出的控制信號。液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：控制器電磁閥水槽（液位）液位測量裝置擾動+-五、實驗步驟1、 參照實驗二的方式將液位傳感器信號通過CB-68LP與PCI-6221的AIx（ x為各實驗小組組長學(xué)號的最后1位）進(jìn)行連接；將P

13、CI-6221的AO0通道與A3000高級過程控制裝置的電磁閥控制端口相連接。2、 在LabVIEW中編寫PID控制程序： 前面板設(shè)計 前面板要求能夠顯示當(dāng)前的采樣電壓值及其對應(yīng)液位值（液位值用圖形方式進(jìn)行顯示），能夠通過輸入控件設(shè)置液位設(shè)定值和KC、K I、K D這三個參數(shù)值和，還能將當(dāng)前液位值、設(shè)定值和PID控制信號u的曲線在同一個波形圖表中進(jìn)行顯示。 程序框圖設(shè)計 程序框圖使用While循環(huán)，按照實驗二的設(shè)置對當(dāng)前液位值進(jìn)行采樣，并計算出偏差值e(k）；根據(jù)e(k），按照增量PID控制算法計算出控制信號u(k)，按照實驗二的設(shè)置將u(k)通過PCI-6221的AO0通道輸出到電磁閥的控制

14、端口以對進(jìn)水流量進(jìn)行控制。 注意事項 當(dāng)停止程序時，設(shè)計一個VI，將電壓“0”輸出到PCI-6221的AO0通道，以防止AO0通道長期保持高電壓狀態(tài)。4、 運(yùn)行程序，在純比例控制下（K I=0、K D=0），給液位設(shè)定值加入階躍信號（注意：只有當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后才能加入新的階躍信號），觀察并記錄在不同的KC值下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，記錄下最佳響應(yīng)曲線對應(yīng)的KC值。5、 加入積分作用，在PI狀態(tài)下整定系統(tǒng)，觀察并記錄在不同的KI值下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，與純比例控制的效果進(jìn)行對比。六、 實驗截圖七、回答以下問題： 增量PID運(yùn)算需要使用到上2次的偏差值即e ( k - 1)和e ( k - 2)，在程序中該如何實現(xiàn)？答：利用FOR循環(huán)的移位寄存器可以得到實現(xiàn)