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摘要 (Ⅲ)
Abstract (1)
第一章绪论 (2)
1.1 引言 (2)
1.2 课题背景 (3)
1.3 虚拟仪器的开发软件 (3)
1.4 本设计所做的工作 ................................ 错误！未定义书签。第二章系统设计理论及硬件平台 (5)
2.1 数据采集理论 (5)
2.2 数据采集卡的选择 (6)
2.3 PC机 (8)
2.4液位控制对象 (9)
2.5 本设计的信号流程图 (9)
第三章系统软件设计 ................................... 错误！未定义书签。
3.1 程序模块化设计概述 (11)
第四章系统软件的具体实现 (16)
4.1 系统监控界面 (16)
4.2 实验步骤及其调试结果 (16)
第五章总结 (18)
参考文献 (18)
摘要
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势虚拟仪器，正在成为当今世界流行的一种仪器构成方案，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。
本设计采用PCI8602数据采集卡，运用虚拟仪器进行实验水箱液位控制系统的设计。该系统具有数据实时采集、采集数据实时显示、存储和对水箱液位进行控制，并通过数据采集卡输出控制信号对液位信号实时控制等功能。
关键字：液位控制，PCI8602， Labview
Abstract
Virtual instrument technology is to use high performance of the modular hardware, combined with highly efficient and flexible software to complete all kinds of test,measurement and the application of automation. Flexible and efficient software can help you to create fully customizable user interface, modular hardware can easily provide a comprehensive range of system integration, the standard hardware and software platform can meet the synchronization and timing application demand. This is NI nearly 30 years always lead test measurement industry development trend of the reason. Only with efficient software, modular I/O hardware and software and hardware platform for the integration of the three major part, can give full play to the virtual instrument technology, extensible, and high performance, development time is little, and excellent integrated these four big advantage virtual instrument, is becoming popular in today's world is a kind of instrument constitute a scheme, it computer platform with standard interface hardware module and development test software combined constitute a system.
This design USES the PCI8602 data acquisition card, using virtual instrument experiment water level control system design. This system has the data real-time acquisition, data collection, storage, and real-time display to water tank of liquid level control, and through the data acquisition card output control signal to the liquid level signal real-time control function.
Key word: liquid level control, PCI8602, Labview
第一章绪论
1.1 引言
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C 和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式测控技术与仪器实验室有几套液位控制实验装置，但这些控制装置目前都是用传统模拟仪表进行控制。为了在这些实验装置上进行开展研究性实验，必须先将这些实验装置改造为由计算机进行液位检测和控制。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。过去通用的方法是由工作人员分班定时监测液位计的指示值, 将指示值与规定液位数值比较, 并算出两者的差值, 根据液位变化大小作出判断、控制阀门的开度大小。其弊端是定时查看缺乏实时性, 不能对系统中的突发事件进行及时地处理; 不能排除人为发生错误的因素, 如记录时的误读和误记等[2]。所以, 本毕业设计要设计一套实时、自动的液位控制监控系统，并充分引入虚拟仪器的概念, 使所设计的监控系统结构清晰、概念简单。
1.2 课题背景
1.2.1虚拟仪器技术的发展现状
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。自从1986年美国国家仪器公司(National Instruments Corp，简称NI)提出虚拟仪器的概念以后，虚拟仪器由于其性价比、开放性等优势迅速地占领了市场。虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。
1.2.2虚拟仪器技术发展趋势
虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电子仪器随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器、虚拟仪器。
基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。
1.3 虚拟仪器的开发软件
1.3.1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。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HP-VEE ，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test ，Tek-TNS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。
第二章系统设计理论及硬件平台
2.1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。
2.1.1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：
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。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5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。
2.1.2采集系统的一般组成
图2. 1数据采集结构图
图2.1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。
2.1.3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1V-5V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。
2.1.4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。
2.2 数据采集卡的选择
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。
2.2.1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5～10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。
2.2.2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。
2.2.3PCI8602数据采集卡
PCI8602 是一种基于 PCI 总线的数据采集卡。其先进的电路设计使得它具有更高的质量和更多的功能。这其中包含五种最常用的测量和控制功能：该板卡的主要性能如下：
2.3 PC机
虚拟仪器就是用通用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路才能完成的功能，所以液位控制系统软件运行的计算机平台的选择至关重要。本次设计的实验设备都在实验室，不用考虑设备在工业现场运行时常常有的较强振动、电源干扰和电磁干扰
等因素。因此可以选用实验室通常用的计算机。
2.4液位控制对象
测控技术与仪器实验室水箱液位实验对象组成如图2.2所示。本实验要求根据图2.8,正确开关手动截止阀将1#~2#中任意一组水箱的其中一个液位作为被控参数，。实验所需仪器设备和材料清单如下：液位水箱、差压变送器、调节器、连接导线、其它实验主要仪器的连接端子已安装于实验接线面板上。
图2. 2水箱液位实验对象
2.5本设计的信号流图
整个系统从被测对象开始，通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进行简单的信号出来，将信号送PCLD接线板，然后通过PCI总线送入PCI8062多功能数据采集卡进行数据采集，然后用软件进行处理。在采集过程中将数据保存起来，以便以后的历史数据查询。具体框图见图2.3基于虚拟仪器的液位控制系统信号流图。
图2. 3基于虚拟仪器的液位控制系统信号流图
第三章软件设计
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。
3.1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。
3.1.1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[13]。
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
①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。
②模块的合并；
③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。
3.1.2本设计的软件系统模块划分
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，数据保存等功能。
3.1.3系统总体程序流程图
图3. 1系统总体程序流程图
3.1.4设计过程中的量程变换
从差压变送器传送到数据采集卡中的是1V-5V的电信号，其对应水箱液位值为，要将采集来的信号根据公式转化为也为的实际值H。
3.1.5 数据采集与输出程序
系统采用的是PCI8602的多功能数据采集卡，所以本设计是在PCI8602采集卡提供的例子程序的基础上开发的，在这部分中，主要的采集参数的设置包括采样与输出通道的选择，采样模式、采样周期等。具体程序见图3.2。
其中主要参数如下图：
实际使用如下图：
图3.4 AD输入
第四章系统软件的具体实现
4.1系统监控界面
当系统运行时在监控界面中可以选择控制对象，可以点击手动/自动按钮改变控制方式，自动控制时可以从选择设定值、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。
图4. 1系统监控界面
4.2实验步骤及其调试结果
1、根据本设计要求，在实验设备上连线，按要求组成单回路水箱液位控制系统。
2、设备运行前进行检查，确定连线正确及设备保护措施具备，运行Labview软件中编写的程序，将自动/手动按钮按到手动处，以使系统处于开环状态。
3、合上两个空气开关，为设备通电，按下启动按钮，水箱开始注水，设定水箱水位的满值和零值，根据此值对差动变压器进行零点调整和满刻度调整，为以后差动变压
器的使用做准备。
4、初始化程序中的各参数，再次Labview软件中编写的程序。
5.完成设计，关闭电源，拆掉连线，整理实验设备。
Labview提供了非常丰富的图形界面来进行前面板的设计，波形图表能非常清晰的实时显示采集的液位波形。该面板灵活运用采用了属性节点来编程实现的。非常清楚的表达了采集波形的动态曲线。
第五章总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
刚开始做课程设计的时候感觉自己是非常焦躁的，因为对虚拟仪器什么都不会，真的有点无从下手的感觉，因为学的确实不咋的，后来慢慢的在网上找资料，看了看别人做的，然后选择一个自己模仿，这个就是模仿别人来的，其中的有些地方自己还是不懂，反正是花费了蛮大精力弄这个，但至少现在对LABVIEW比以前更加熟悉了，只能说稍微的更深入了，不过总之，课程设计报告出来了。
总之此次课程设计让我们对书本上的知识有了一个更深层次的认识，并且让我们意识到了团队的力量是强大的，单凭一个人是无法完成。