基于IPC的数据采集系统设计（含原理图+程序+PCB图）.doc

基于IPC的数据采集系统设计毕业设计说明书基于IPC的数据采集系统设计专业自动化学生姓名班级B自动化052学号0510630220指导教师完成日期2009年6月5日盐城工学院本科毕业设计说明书 （2009）基于IPC的数据采集系统设计摘要：数据采集系统用于从一个或多个源采集模拟信号并将信号转换成可供终端设备，如数字计算机、通信网络分析和传输的数字形式。输入到数据采集系统中的模拟信号往往是由传感器和变送器将实际参数，比如压力，温度，流量等转化成相应的电信号。这些相应的电信号通常被数据采集系统转化，然后被终端设备以数字量形式利用。系统保障信号的准确和完整性的能力是衡量这个系统质量的标准。在用工控机进行数据测量和控制时，必须将信号输入到工控机里和将工控机里数据输出去。数据采集卡功能强大，可以实现多种信号的输入和输出。“组态王”是基于WONDOWS平台的可视化工业控制组态软件，提供极其灵活的面向对象的动态图形功能以及丰富的图形库。在“监控和数据采集系统”中得到广泛应用。通过对研华数据采集系统的分析，以VC+为开发工具设计出研华工控机数据采集系统；同时，对数据采集系统的原理、实现、意义作了主要介绍，总结了数据采集系统的特点以及数据采集系统在VC+下的实现。实践结果表明，该系统使用效果良好，有着广泛的应用前景。关键词：数据采集系统，工控机，组态王，VC+Design of Data Acquisition System Based on IPCAbstract: Data acquisition systems are used to acquire analog signals from one or more sources and convert these signals into digital form for analysis or transmission by end devices such as digital computers, recorders, or communications networks. The analog signal inputs to data acquisition systems are most often generated from sensors and transducers which convert real-world parameters such as pressure, temperature, stress or strain, flow, etc., into equivalent electrical signals. The electrically equivalent signals are then converted by the data acquisition system and are then utilized by the end devices in digital form. The ability of the system to preserve signal accuracy and integrity is the main measure of the quality of the system.When the data is measured and controlled with industrial control computer, the data that had been input into the industrial control computer must be output out of industrial control computer. The powerful DAQ board can realizes the input and output of various signals. King View is a windows-based Industrially automated controlled configuration software, providing the object-oriented dynamic graphic features and various graphic library and thus found itself great application in SCADA.Through to grinding the analysis of advantechs data collecting system ,it regards VC+ as the developing instrument and designs the data acquisition system based on advantech industrial control computer; Meanwhile , it has done the main introduction in principle、realizing、meaning in the data collecting system, has summarized the characteristic of the data collecting system and has been realizied under VC+ of data collecting system.The practices and results showed that such system had very good effect in use and has bright future of being widely used.Keywords: data acquisition system, industrial control computer, King view, Visual C+目 录1. 绪论11.1 课题设计背景11.2 课题设计意义11.3 课题设计内容22. IPC数据采集系统组成22.1 系统硬件选配说明22.1.1 工控机的选择22.1.2 采集板卡的选择32.1.3 传感器的选择42.2 软件设计平台73. 数据采集系统硬件电路设计83.1 温度采集系统硬件电路设计83.1.1 基本电路83.1.2 恒定电流工作电路时的非线性误差103.1.3 线性化电路113.2 压力采集系统硬件电路设计123.3 液位采集系统硬件电路设计153.4 流量采集系统硬件电路设计163.5 电量采集系统硬件电路设计164. IPC数据采集系统组态设计174.1 界面的建立174.2 数据库设计195. 基于VC+的数据采集系统程序设计205.1 采集系统设计206. IPC数据采集系统实验226.1 基于组态的数据采集系统实验226.2 基于VC+的数据采集系统实验237. 结束语24参考文献25致 谢26附 录1附录1：基于VC+的数据采集系统程序代码清单2附录2：数据采集系统原理图6附录3：数据采集系统接线图7附录4：数据采集系统PCB图81盐城工学院本科毕业设计说明书 （2009）基于IPC的数据采集系统设计1. 绪 论1.1 课题设计背景随着现代科学技术的迅猛发展，工厂自动化的规模越来越大，要求控制技术水平也愈来愈高，原来常规模式的控制仪表已满足不了先进控制水平的需求。在这种情况下，工业控制计算机及其系统伴随着这种需求而日新月异地发展。可以说，所有先进的工厂无不装备工业控制计算机，并以它作为控制和管理的主要工具。我国工业控制计算机从20世纪60年代初开始，经历了近40年的历史，从晶体管工业控制计算机到中小规模集成电路工业控制计算机，以及今天的大规模集成电路工业控制计算机，经历了三代的变化，体积越来越小，功能越来越强。20世纪60年代初期的工业控制计算机并没有统一的标准，软件编程也很是很原始的机器指令编程方式。20世纪80年代，工业控制计算机的发展跃进了一大步，无论从硬件还是从软件方面都有了较大的发展，出现了STD总线工业控制计算机、VME总线工业控制计算机等，出现了工业控制组态软件包，用户可自己组态，组成自己的控制系统。随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统迅速得到广泛应用，渗透到地质、医疗器械、通讯等各个领域，为获取信息提供良好的基础。在生产过程中应用这一系统，可以实现对现场各种参数的采集、监视和记录安全生产、提高产品质量。数据采集系统伴随着工业计算机的发展更加准确地反映现场的信息，为决策者提供更加详细的数据，从而采取更加符合要求的方案解决实际中产生的问题。1.2 课题设计意义随着数据采集系统的不断改进，人们对数据采集的功能要求越来越高，对数据采集系统提出更高的要求,实时性、多功能化、操作方便是其主要的发展方向。以IPC为核心的数据采集系统具有功能强、成本低、测量准确、通用性强等特点，正得到越来越广泛的应用。IPC在数据采集系统设计中的应用是工控机的一个重要领域。数据采集作为项目工程的基础已经涉及到人们生产生活的方方面面。采集数据的准确性和实时性对工程质量监督起着至关重要的作用。采用工控机对现场进行数据采集，可以直观地反映量的变化情况以及安全生产情况。综上所述，IPC数据采集系统在生活中的实用价值和理论意义是十分重大和深刻的。1.3 课题设计内容a.采用传感技术完成温度、压力、流量、液位以及电压、电流等物理量的测量以及信号转换电路的设计。b.基于工业PC以及过程I/O完成各个物理信号的数据采集与处理。c.采用组态王软件完成各参数的测量界面,组态系统动态模拟、参数趋势、报警信息、文本、数据输入/输出等显示功能。2. IPC数据采集系统组成2.1 系统硬件选配说明根据要求经初步分析得出系统包括传感器，信号调理，数据采集卡，计算机数据采集软件等组成。具体如系统结构框图2-1所示。图2-1 系统结构框图2.1.1 工控机的选择系统采用研华ADVANTECH IPC-610工控机，主要特性：a.4U机架安装机箱，支持14槽ISA或ISA/PCI底板b.配有300W ATX PFC PS/2电源 c.易于安装的前端抽取磁盘驱动器托架，可安装三个半高驱动器 e.前端接线的USB&PS/2键盘I/O接口f.前面板系统LED应用于冲击、振动和高温等恶劣环境下 g.可选ATX主板版本和400W PF CP/SIPC-610是4U高14槽机架安装工业电脑机箱，专为任务关键应用而设计。此机箱包括一个通用14槽无源底板、带PFC（功率因数补偿）电源的高效300WATX 和易于维护的双冷却风扇。机箱前面板上的系统状态LED指示灯可显示电源、硬盘和系统电压的运行情况。带有两个高CFM风扇的先进冷却系统能够提供充足的气流来冷却系统的主要部件。前端接线的USB和PS/2键盘I/O接口可以连接各种外部设备，以便进行数据传输、备份和输入。灵活的机械设计支持单PS/2电源或冗余电源（通过更换电源托架）。2.1.2 采集板卡的选择系统采用研华PCL-818L多功能数据采集卡它可以通过20芯的扁平电缆接口直接与信号调理板相连。其主要有以下几个特点：a.16路单端或8路差分模拟量输入；b.100KHz12位A/D转换器；c.每个输入通道的增益可编程；d.板卡带有一个1KB的采样FIFO（先入先出）缓冲器和可编程中断；e.软件可选择模拟量输入范围（VDC）f.双极性：0.625V、1.25V、2.5V、5V、10Vg.单极性：01.25V、02.5V、05V、010Vh.I/O端口：16个连续字节i.A/D、D/A接口：DB37j.卡上的FIFO：1KB用于A/D采样的FIFO，当全满或半满时会产生一个中断k.16路数字量输入及16路数字量输出；PCL-818L模拟输入的16个端口，可以构成16个单端输人或者8对差分输入。根据需要，利用跳线可设置输入通道的工作方式。通过软件控制，可以对一个或多个通道进行操作。输入信号经放大电路后，由一个逐次逼近式转换器转换为12位数字信号。一般情况下，模拟输入通道采用2种连接方式如图2-3所示。系统采用单端输入法。图2-2 模拟量输入电路图PCL-818L提供16位的数字输入通道，数字I/O信号与TTL全兼容，数字量的输入操作就是从相应的寄存器中读取数据，连接方式如图2-3所示。图2-3 数字量输入电路图2.1.3 传感器的选择a.数据采集系统采用Pt100作为测温传感器。和热电偶一样，铂电阻也是温度传感器。铂电阻在所有的温度传感器中是最稳定一种，其测温范围宽达-250+640，因此是具有代表性的测温方法。通常情况下，随着温度的升高，金属的电阻具有正的温度系数，其大小约为30007000ppm/。因此通过测量金属电阻值的变化，可以测量出其对应的温度，作为能够测量温度的电阻体，除了铂以外，还有铜和镍。铂的纯度可以高99.999%以上，在所有金属中是最高的，再加上下述的几点，使铂成为较理想的测温电阻器：纯度越高，电阻值-温度特性越稳定；纯度越高，电阻的温度系数越大。铂电阻使用高纯度铂丝制作的温度传感器。铂电阻不像热敏电阻那样具有强烈的非线性，它的电阻-温度特性如图2-4所示，其线性度非常好。因此是一种非常容易使用的温度传感器。图2-4 铂电阻的温度特性时的温度特性示于下式：时 （2-1）其中，为温度，为时的电阻值。表2-1 JISC1604-1989(DIN43760,TEC751)规定的铂电阻温度特性铂电阻的标称阻值/铂电阻的最大容许值A级B级+0100.000.060.150.120.3+100138.500.130.350.300.8+200175.840.200.550.481.3+300212.020.270.750.641.8+400247.040.330.950.792.3+500280.900.381.150.932.8+600313.590.431.351.063.3b.本系统采用P3000-401G作为测压传感器。如果给应变片一定的压力，应变片就会发生形变，其电阻值也就会发生变化。用电化学的方法测量电阻值的变化，就可以知道压力的大小。因此，在这种器件中如何将压力高效率地转变为器件的形变是决定器件测量灵敏度的核心问题。在应变片中，有金属应变片和半导体应变片之分。不过，半导体压力传感器因灵敏度高、价格便宜，而备受人们的青睐。在通常情况下，应变片的形变而引起的电阻值变化可以用式（2-2）表示： (2-2)式中，是应变片的电阻值；是应变片引起电阻值变化；是应变率（灵敏度）；是应变量；是泊松比（应变片因为受到应力作用而产生的横向尺寸变化与纵向尺寸变化之比）；是应变片的电阻率；适应力引起的应变片电阻率的变化。中的第一项，即部分是有应变片的尺寸变化而引起的；中的第二项，即是有应变片电阻率的变化而引起的。在金属应变片的情况下，受压力作用时，变化的只有中的第一项，或者说只有尺寸发生变化，应变率K充其量只有2左右。而在半导体应变片的情况下，受压力作用时，变化的除了中的第一项，或者说除了尺寸发生变化之外，还会有由于压阻效应而产生的电阻率的更大变化，因此应变率K会高达100150。所谓压阻效应，就是半导体中的载流子在外加应力（压力）作用下移动率发生变化的一种现象。用半导体应变片制作半导体压力传感器。如果将半导体应变片制成膜片结构，膜片就会在压力作用下发生形变。形变会引起半导体的压阻效应，从而改变膜片的电阻值。用应变片构成桥式电路的桥臂，当应变片受到压力作用时，电桥就可以输出与压力成正比的电桥电压。再把电桥电压放大，就可以测量压力。c.本系统采用UYB-2100系列射频电容物位变送器。电容式传感器是一个具有可变参数的电容器，它具有结构简单、体积小、分辨率高、可非接触式测量等优点，其工作原理基于式中：为电容极板间介质的介电常数； 为两平行板的面积；为两平行板之间的距离；为电容量。只要、和三个参数中任意一个发生变化，均会引起电容量的变化，再由检测电路根据电容量的变化，确定位移的方向和大小。UYB-2100系列射频电容物位变送器工作原理把一根涂有绝缘层的金属棒，插入装有导电介质的金属容器中，在金属棒和容器壁间形成电容，其物位变化量与电容变化量关系如下：式中：为容器液体放空时，金属棒对容器壁的分布电容；为容器液体介电常数；为液位高度；为绝缘套管的直径；为金属棒的直径当被测介质物位变化时，传感器电容量发生相应变化，电容量的变体 通过转换器转换成与物位成比例的直流标准信号。d. 本系统采用涡流流量计测量流量涡流流量计工作原理在流动的流体中放入圆柱体或棱柱体，其两侧会交替产生相互反转的旋涡，下游形成所谓卡门涡旋列。另外在流动方向，柱体后面的液体由于形成旋涡而发生振动，其振动频率等于旋涡释放频率，由下式决定： （2-2）式中：是与流体垂直方向上柱体的宽度，若是圆柱的话就是直径；称为斯托哈尔（Strouhal）数，是一个无量纲数。是流体的平均流速，决定于流量和圆管内径。即 （2-3）由式（2-2）和（2-3）可知，只要检测出，即可以确定流量。2.2 软件设计平台本系统采用组态王6.5和VC+两种软件作为数据采集系统的上位机开发平台。组态王（Kingview）是北京亚控自动化软件有限公司开发的。组态王提供资源管理器式的操作主界面，并且提供以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。随着Internet技术和日益渗透到生产、生活的各个领域，自动化软件的e趋势依法发展成为整合IT与工厂自动化的关键。组态王6.5的Internet版本立足于门户的概念，采用最新的JAVA2核心技术，功能丰富，操作更简单。整个企业的自动化监控将以一个门户网站的形式呈现给使用者，并且不同工作者职责的使用者使用各自的授权口令完成操作，包括决策者可以掌握生产设备的启停，中控室的工程师可以完成工艺参数的整定，办公室的决策者可以实时掌握生产成本，设备利用率及产量等数据。组态王6.5的Internet功能逼真在线现场画面，使你在任何时间、任何地点均可实时掌控企业每一个生产细节，现场的流程画面、过程参数、参数曲线、生产报表（支持报表打印和数据下载）、操作记录和抱紧等均可轻松浏览。当然你必须要有授权口令才能完成这些。用户还可以自己编辑发布的网站首页信息和图标，成为真正企业信息化得Internet门户。 同时组态王存在一定的不足。组态王提供的命令语言环境较弱，对于较为复杂的数据处理很难实现。在组态王中，串口设备对应的变量类型为字符串型，其最大长度值为128个字符，即通过串口设备组态王一次最多只能交换16B的数据，因此组态王存在很大的局限性。VC+兼具面向对象和传统的面向过程编程的双重优势，所以VC+语言日益成为程序员的首选软件开发语言。大大推进面向对象和可视化软件开发技术的应用和发展。VC+作为Visual Studio产品的一部分，是一个功能很强大的综合性集成软件开发环境，对众多应用领域（网路、多媒体、数据库等）都有很好的支持，Visual C+是广大软件开发人员特别是系统程序员作开发的首选平台。3. 数据采集系统硬件电路设计3.1 温度采集系统硬件电路设计3.1.1 基本电路本设计采用铂电阻TRRA102B。因为其标称值高达,因而具有不易收到导线分布电阻影响和易于制作的优点。a.以的恒定电流流经传感器图3-1给出了恒电流工作的基本电路。在标称阻值为的铂电阻TRRA102B中流过的额定电流为的电流。图 3-1假设基准电压，运算放大器A1的反向输入端电压为，那么流经传感器的电流就是 (3-1)要使运算放大器能够正常工作，反向输入电压必须与非反向输入电压相等。而电压是有基准电压经过，的分压得到的。假设，则根据式（3-1），可以得到这里取 b. 需要降低传感器的偏置电压如上所述，传感器中可以流过的电流。而这个电流的传感器上的电压降为，就被这个电压所偏置，也就得到了图3-2所示的特性，这是非常不合适的。图3-2 若不减小偏置电压，输出电压被抬高了倘若传感器的电阻在时阻值为，那就不存在任何问题了，然而这种现象至少是现在无法做到的。c. 降低偏置电压的方法从上面的分析可以看出，只要将偏置电压减小1V，就可以使传感器在时的输出电压变为0V。该过程是通过正向输入端的电压完成的。也就是说，为了减少1V的偏置电压，而向正向输入端输入一个电压。此时的输出电压则变成为式中，是铂电阻TRRA102B的电阻值，其展开式为将RT的电阻值展开式代入上述的表达式，就可以得到加入正向输入端电压的结果。 (3-2)可以看出，由于的加入使得及时在温度升高时，输出电压也会减小，因此在下一级机型反转的运算放大器A2中还应当将输出电压放大到应有的大小。d. 输出电压根据式（3-2）可知，在测温范围为0100时具有3.850mV/的温度灵敏感；而在测温范围为0500时具有3.618mV/的温度灵敏感。如图3-3所示。这个数值为热电偶的50倍以上，因此所使用的运算放大器之需要选用通用型的就足够了。在图3-1中使用的就是一个外壳中装入连个运算放大器的LM358。为了使运算放大器A2的输出电压能够达到10mV/的输出灵敏度，该运算放大器A2在0100的测温范围内必须既有倍的增益，而在0500的测温范围内，则应该具有倍的增益。在图3-1中，就是靠24的电阻器和电位器(5)保障在0500的温度范围内具有所必需的2.764倍的增益。图3-3 铂电阻的输出电压3.1.2 恒定电流工作电路时的非线性误差由图3-3可以看出，铂电阻具有非线性。在不同测温范围内非线性误差的计算结果于图3-4。从该图可以看出，铂电阻在测温范围为100时，非线性误差为0.4%（0.4）；在测温范围为200时，非线性误差为0.7%（1.4）；而在测温范围为500时，非线性误差为2%（10）图3-4 铂电阻的非线性误差（恒电流工作）由于在测温范围为500时，非线性误差高达10，因此在使用铂电阻进行高精度的温度测量时，需要对非线性误差进行补偿。3.1.3 线性化电路为了消除非线性误差，需要采用线性化电路。在线性化过程中，由式（3-2）可以看出，由于只使用到二次项为止，因此远没有热电偶那么麻烦。一般情况下，使用的都是图3-5所示的正反馈型线性化电路。在该正反馈型线性化电路中，将传感器的输出电压再反馈到输入端。而且，由于经过运算放大器A3后极性再次发生反转，因此而成为正反馈。这样做的后果，就使得图3-3中的500附近的输出达到饱和状态。而且因为是正反馈，所以在满刻度附近放大倍数增加的更多一些，而在0附近放大倍数几乎不增加，由此而实现比较好的线性化。图3-5 铂电阻线性化电路线性化后的输出电压为也就是说，可以表示为 （3-3）在使用铂电阻TRRA102B的情况下，假设K=0.041k/,那么就可以将原来为2%的非线性误差改善到0.1%的程度。参见表3-1。表3-1 K=0.041时的输出电压（计算值）温度/ V非线性/%0-1.04300100-1.4680.4250.425200-1.8950.8520.852250-2.1081.0651.065500-3.1752.1322.132调整方法a. 用相当于0时电阻值的电阻器取代途中的铂电阻TRRA102B。用电位器进行零点调整。b. 用相当于100时电阻值的电阻器取代途中的铂电阻TRRA102B。用电位器进行增益调整。c. 用相当于500时电阻值的电阻器取代图中的铂电阻TRRA102B。用电位器进行线性调整电路。d. 没进行一次上述的各种调整后，其他值也会受到影响。因此需要多次反复调整，知道在0500的范围内全部准确为止。关于该电路的调整方法，参见图3-5调整中所使用的假负载电阻的电阻值示表3-2。由于电阻大多都不属于序列值，一次需要用多个电阻器进行串并联，并用数字万用表进行测量验证。也可以使用带有刻度盘的多圈旋转型分压器。表3-2 假负载电阻值温度/电阻值/0100050119410013852001785.42501940.75002809如此线性化后的实际非线性误差示于图3-6。可以看出，原来为2%的非线性误差，经过这样的线性化处理后变为0.1%。图3-6 恒电流工作时的非线性3.2 压力采集系统硬件电路设计a.如图3-7所示，从压力传感器P3000-401G的两个输入端I+和I-输入1.5mA的恒定电流。图3-7 用P3000-401G制作的有恒电流驱动的实验电路 如果在运算放大器A1的+（正）输入端输入1.5V的电压，在其一（负）输入端接上电阻,在压力传感器P3000-401G中流过的电流则为： 需要注意的是，因为应变片的电阻值比较高，所以当有1.5mA的电流流过时，应变片的输入电压就会比较大。压力传感器P3000-401G的桥式电阻为4.7k,最大值为6.6，由此可以算出应变片的输入电压的最大值为。再加上上的电压降，还有桥式电阻器的电阻值随着温度而发生的变化，运算放大器A1的输出电压必须在12V以上。在本电路中，电源电压选择在了15V。b.计算桥式应变片的输出电压下面计算桥式应变片的输出电压。由表2-2可知，压力传感器P3000-401G在1.5mA的恒定电流流过的情况下，压力为300mmHg时的输出电压为7050mV。也就是说，其输出电压最小时为20mV，最大时为120mV。对于如此巨大的偏差，采用10圈旋转电位器进行调整。 由表2-2可以查出，在输入电压为0时出现的不平衡电压最大为5mV。表3-3给出了对于5只P3000-401G的不平衡电压和量程电压的测量结果。它们的量程电压相当分散，不平衡电压则是经过激光调（整电）阻（值）而减小。表3-3 P3000-401G的灵敏度分散性R4-3/k不平衡电压/mV量程电压/mV300mmHgNo.14.740.3436.5No.24.59-0.2940.8No.33.461.9424.5No.45.39-0.3030.5No.55.47-1.5132.3图3-8桥式应变片本身的输出特性。使用表3-3中的No.1应变片时，由表中可以看出，满量程电压为36.5mV,不平衡电压为0.34mV。引入关注的是，不平衡电压非常小。另外，其量程电压也在规定范围之内，由图3-7还可以看出，虽然压力传感器P3000-401G的额定压力是300mmHg，事实上在更大的压力范围内或负压范围内也可以测量。图3-8 P3000-401G的输出特性c.用差动放大器作为半导体压力传感器的放大器用于应变片被做成桥式电路，因此半导体压力传感器的放大电路一般都采用差动放大器进行放大。应变片的电阻值高达4.7k，所以放大器应当如图3-7那样采用高输入阻抗的差动放大器。如果差动放大器的输入阻抗太小，不仅会造成增益误差，而且还会使半导体压力传感器的内部如图3-9所示，那种本来已经经过严格调整的温度补偿变得毫无意义。为了使整个电路在300mmHg时的输出电压达到3V，考虑到应变片性能的分散性，差动放大器的增益必须达到25150倍。为此，将运算放大器A2和A3的增益固定为25倍，而A4的增益就应当在16倍之间调整。增益的调整是靠电位器进行的，由于调整范围比较宽，因此应当选用10圈旋转型的电位器。3.3 液位采集系统硬件电路设计电容式液位计是基于将介质的液面变化转化为电容器的电容变化而工作的。其原理是：当被测液体的液面在电容式传感器的两圆柱点击间变化时，相当于极板间介质的变化，从而导致电容量的变化。公式推导表明式中；为传感器输出电容；、为与传感器结构尺寸、被测介质有关的常量。即传感器的输出电容量与液位高度x成线性关系。电容式液位计的测量电路如图3-9所示。图3-9 电容式液位计测量电路图中为传感器的电容，为参考电容。、分别与、BG1、BG2构成充放电电路。当电源接通时，与通过,充电，电平、按指数递减。由于的电容量比略大，=，所以首先达到参考电平，于是比较器1翻转，输出电平有高变低。达到时，比较器2翻转，开关管BG1、BG2导通，、迅速放电，、又上升为高电平，完成一次充放电周期。经推导知式中：为电源高电平值；、为与传感器的结构、尺寸和被测介质的介电常数有关的常量。该电路能实现液位的线性测量。3.4 流量采集系统硬件电路设计流量计的检测电路如图3-10所示。图3-10 流量计检测电路涡流使压电力敏元件产生交流电荷，电荷转化器A1使该电荷转换成交流电压。交流电压经放大器A2输入到施密特触发电路，从而得到涡流频率对应的脉冲频率。电荷转换器和放大器还能消除叠加在涡流信号上的噪声成分。施密特电路输出的脉冲由构成F/V转换器的倍频器A4，再由和转换成模拟电压，模拟电压经A5和BG2电路变换成（420）mA的电流信号。当流量计的口径为80mm和流速为（0.36）m/s时，与流量相对应的频率误差在0.5%以内。涡流流量计的特点是量程大、零点稳定、压力损耗小，不受流体密度和粘度影响，频率与流速成线性关系。3.5 电量采集系统硬件电路设计本数据采集系统测量0-100mV采用放大电路转化成为0-5V的电压信号。如图3-11所示。图 3-11本电路设计采用同相比例放大器电路，其增益K为其中，。它同相输入，为电压串联负反馈电路。系统中测量4-20mA采用如图3-12所示电路进行转化1-5V的电压信号。图 3-12电路采用电压跟随器，是同相放大器的特殊情况，。其增益为输入阻抗很高，输出阻抗较低。4. IPC数据采集系统组态设计4.1 界面的建立a建立新项目运行组态王，建立一个名为基于“IPC的数据采集系统设计”新项目。组态王将在过程路径下生成初始数据文件。本系统主要实现温度，压力，流量，液位，电压，电流的显示功能，并且反映各个数据的趋势走向以及实现报警功能。系统界面如图4-1。b定义外部设备和数据库只有在定义外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。在组态王软件中选择研华生产的PCL818L板卡，然后将板卡地址设为300，初始化串设置为0。c变量定义在组态王“数据词典”中必须定义好各个需要的变量，这样才能实现组态王对外部信息的检测。分别定义温度、压力、液位、流量、电压、电流六个变量。如表 4-1所示。图4-1 数据采集系统界面表4-1 变量在数据词典中的定义变量名变量类型连接设备寄存器数据类型读写属性温度I/O实数PCL818LAD0.F1L5.G1SHORT只读压力I/O实数PCL818LAD01.F1L5.G1SHORT只读流量I/O实数PCL818LAD02.F1L5.G1SHORT只读液位I/O实数PCL818LAD03.F1L5.G1SHORT只读电压I/O实数PCL818LAD04.F1L5.G1SHORT只读电流I/O实数PCL818LAD05.F1L5.G1SHORT只读以变量温度为例，定义见图4-2。图4-2 在数据库中定义温度变量4.2 数据库设计用组态王软件实现和Access数据库的连接以及数据传递。A.创建表格模板在组态王“SQL访问管理器”下建立“表格模板”。建立表格的目的在于定义一种格式，后面用到的是SQLCreateTable()，以此格式在Access数据库中建立表格。B.创建记录体在工程浏览器左侧的工程目录显示区中选择SQL访问管理器下的记录体下创建记录体.C.建立MSAccess数据库建立一个空的Access文件，再定义一个名称为mine的ODBC数据源，完成对数据源的配置。D.对数据库的操作a.连接数据库。在数据库里定义新内存整数变量DeviceID，新建界面“数据库连接”，在界面上作一个连接数据库按钮。按钮“弹起时”动画连接：SQLConnect(DeviceID，“dsn=mine；uid=；pwd=”)；b.创建表格。在界面上做一个“创建表格”按钮，“按钮弹起时”动画连接：SQLCreateTable(DeviceID，“KingTable”，“Table1”)。c.插入记录。在界面上做一个“插入记录”按钮，按钮“弹起时”动画连接：SQLInsert(DeviceID，“KingTable”，“bind1”)。E.查询记录a.定义变量。记录日期：内存字符；记录时间：内存字符串；温度返回值：内存实型；压力返回值：内存实型；液位返回值：内存实型；流量返回值：内存实型；电压返回值：内存实型；电流返回值：内存实型；b.定义记录体bind2，用于定义查询时的连接。c.得到一个特定的选择集。在界面上做一个“得到选择集”按钮，按钮“弹起时”动画连接：SQLSelect(DeviceID，“KingTable”，“bind2”，“”，“”)。d.查询值返回值显示。在界面作文本“#”对应的“模拟值输出”动画连接分别为：“返回日期”，“返回时间”，“温度返回值”，“压力返回值”，“液位返回值”，“流量返回值”，“电压返回值”，“电流返回值”。e.查询记录。在界面上做四个按钮，按钮分别为：“第一条记录”按钮，“弹起时”动画连接：SQLFirst(DeviceID)；“下一条记录”按钮，“弹起时”动画连接：SQLNext(DeviceID)；“上一条记录”按钮，“弹起时”动画连接：SQLPrev(DeviceID)；“最后一条记录”按钮，“弹起时”动画连接：SQLLast(DeviceID)；F.断开连接在界面上做一个“断开连接”按钮，“弹起时”动画连接：SQLDisconnect(DeviceID)。G.运行数据库连接过程在系统启动后,打开数据库连接界面。当不需要对数据库进行操作的时候，单击“断开连接”按钮，断开与数据库的连接。最后的生成界面如图4-3所示。图4-3 数据库界面5. 基于VC+的数据采集系统程序设计5.1 采集系统设计本系统主要通过VC+作为开发平台，对PCL-818L的6个端口进行数据采集。6个端口分别对应着设计要求的温度，压力，流量，液位，电压，电流输入端。为达到采集数据的基本目的，本设计采用一个数据显示窗口，一个采集开始按钮，一个停止采集按钮。在后面的程序中分别给出了定义。同时，设计中采用一个通道选择按钮，切换通道数据显示。该设计用到了以下关键的函数和关键的结构体变量。DRV_DeviceOpen()：该函数是数据采集卡能否正常工作的前提，所以必须在调用其他库函数之前使用。功能是从注册文件或者是配置文件中得到合适的使设备工作的参数，同时分配内存来存储这些设备，使设备做好I/O操作的准备工作；同时返回一个函数值，以确定设备驱动程序是否成功装载。若成功装载则返回一个非0值，否则返回0。DRV_AIVoltageIn()：该函数用来从输入通道中读取采集的模拟量，同时根据设置的比例返回一个电压值存储在1pAIVoltageIn参数中。DRV_AIConfig ()：该函数用来为指定的模拟通道配置增益设置。同时返回一个函数值，若成功配置则返回一个非0值，否则返回0。DRV_Deviceclose ()：该函数用来释放由DRV_DeviceOpen()函数分配的存储参数值以关闭装载的数据采集卡。同时返回一个函数值，以确定设备驱动程序是否成功卸载，若成功卸载则返回一个非0值，否则返回0。PT_AIVoltageIn：该结构体变量是在DRV_AIVoltageIn函数中使用，当DRV_AIVoltageIn函数成功配置后，将由该结构体记录得的模拟输入通道，增益代码，模拟触发模式和模拟转化后的电压值等变量。PT_AIConfig：该结构体变量是在DRV_AIConfig函数中使用，当DRV_AIConfig函数成功配置后，将由该结构体记录得到的模拟输入通道和增益代码值等变量。a.新建一个名为“date acquisition”工程，程序类型为：Dialog based。为命令按钮添加函数：选择ClassWizard中的Message Map属性页，来为按钮单击操作添加相对应的函数，选中IDC_BUTTON1，同时选中BN_CLICKED，单击ADD Function按钮，弹出添加函数的对话框：函数名称与该按钮的ID相对应，IDC_BUTTON1-OnButton1。同样的方法为其他的按钮添加函数。“退出程序”按钮，只是修改原来的“OK”按钮的按钮标题，其他的不作改动，其ID为：ID_OK，故添加的函数为OnOK。采集界面如图5-1所示图5-1 采集画面b.编写程序代码。程序代码见附录一。程序流程图如5-2所示。图5-2 程序流程图6. IPC数据采集系统实验6.1 基于组态的数据采集系统实验首先，对第三章设计好的硬件电路图进行调试，使得各个输出符合本设计的要求。其次，按照第四章中的内容，定义好各个I/O变量，对所选择的PCL-818L板卡进行测试。测试没有问题后，将调试好的电路按照附录二中的图依次接入PCLD8115接线板的指定接口。图6-1 信号接入PCLD8115最后打开组态王，对各个数据进行检测。结果如图6-2所示。图6-2 组态测试画面6.2 基于VC+的数据采集系统实验首先也是调试各个设计好的电路，符合要求后连接PCLD8115接线板。如图6-1所示。然后打开VC+编辑器，调用附录一中的程序，编译无误后下载。启动数据采集按钮，进行检测。实验如图6-3所示。图6-3 现场测试图6-4 测试0通道数据7. 结束语基于IPC的数据采集系统分别使用组态王和VC+软件设计显示画面，对所需测量的数据进行观察。本人在课题中主要做了以下几项工作：A 对组态王6.5和VC+软件进行了深入地学习和研究，又对板卡PCL818L的相关知识进行了扩充。在设计过程中，参考了很多资料，巩固并深化了所学的理论知识，积累了一些实践经验，相应的提高了一定的操作技能水平。B 完成了基于IPC的数据采集系统的设计与调试。其中，设计了信号转换电路，实现了现场模拟信号的转换。通过板卡数据采集处理，在组态王和VC+开发的界面上得以基本准确的显示。同时，设计的组态王画面很好的提供了数据的管理，网络间的连接。由于自身知识和时间的限制，本设计还存在较多的问题：a. 信号转化电路不够完善，分析还不够透彻；b. 组态王某些功能还未能开发利用起来；c. 基于VC+的开发的界面还够不丰富。在今后的工作和学习中我一定不断努力、总结，提高自己的水平，争取每做一个项目尽量完善系统的性能。参考文献1 赵家贵，付小美，董平.新编传感器电路设计手册M.北京：中国计量出版社，2002.340-3422 马明建，周长城.数据采集与处理技术M.西安：西安交通大学出版社,2003.3 黄贤武，郑筱霞，曲波，刘文杰.传感器实际应用电路设计M.成都：电子科技大学出版社.1997.16-20，70-71，90-91，119-1204 薛迎成，何坚强.工控机及组态控制技术原理与应用M.北京：中国电力出版社,2007.5 王利强.计算机测控系统与数据采集卡应用M.北京：机械工业出版社,2007.6