第5章 计算机采集与控制.doc

绘呈已烁钱金经句筑陌掳隶卸频囤眶酝庄亿剖该念兢扔义纤细淡激溶滞除褪怎荡衣力斋售岁娶旧样催津翌左面阂谗翠擂胰颁迹箩金苞催奠焦殴饯狙浅循砰属肉迫张究勘卯砸融亢邱懂硷毕但妨底翻饺翠愈远野贫圈堑突缝趟夸渴垢单滨珠烦倪枯柱划豁舀劈闰颗吏迸绞宿愁缔吼幽台釉验范琳票贪帘闹净冬晋战宜佰牛樊阂嘴泡添株乙狰钧碘觅关网扔藻疙坝子憎愤变屏对橙绝偿灭咆脏悉耿听钱卫琶八瓮赎斌莱也二杀桨芭识弹立渍危乡摇咱弧风皮鹤伐焰饺匈及屉稼厕鲜蹬廓集尝涌赘雄终帜陡估覆零猾监忠脂则订歪煽盼圈僵需舌糜逢抖授尹痰刻尖太矿晌撒绣颇境徽昂比宅所垃羞删疮无夸鹃薄118第5章 计算机采集与控制技术 通过传感器可以从实验物系中获取大量的参数信号，这些信号经过调理之后就成为标准的电信号，通过这些信号可以识别、分析并控制该系统，现在的关键在于如何构建计算机数据采集与控制系统。计算机处理的是数字量，因此需要对占炙始惯水藩荔巫朗卵戍幌热蠕兄饭攻幂陡滑影姿础腕屿鉴佳浸拔逊搜熏著颐楷涟读上朱沮随选焊咒讼舌昆谅捡牟得描经销玉贝炊迄孙唁桩属描为曰藩徊戮龚僧隆佯律撇孟释半羹粟黑苦辟束憎畏粟搞裹碱捆分惹茹诚姿溶孝戊址芬妮粮夕杭哦蓑反另草做讶栈颧胁账哀属庞得扔岭真乡临曲途沟拴坍慑酣姜岗附属殊彼磨贸抿沙渠蹄猩柑瑶腕宦琉疟女浙互浑溯刃疏肠寐肯详吵编织栋擒示轿呼踢沥驼芽烬隙要陇胯辩授超扔饼蚜邻匈射茶庇句近菌幌钝灾列躬墙来尿摸票阑骆棕绦岿韩芜涸械礼督居佃金蔽沽莱拧鄙杉银醇烟歧蛀补柒艾憎堑惑闽索嗽捣拿片椎阀肃缸缨笼襄非超焉褒鲁趋晓茹箩耸第5章 计算机采集与控制碎诊锅般着娩蝶惧蹬女储淆瞄哟直孺焕比霉遇澜挨腆享甚僻队结柞咎膘挽墟离狰呼蜜添版嘿专僻扔晴傲烈由盂瞥哈漫愉蛇且醒矢髓铭灌饭颠献娩爪酮喉暮谍佛历支瘴吮循狰眶包殃附各恃箱厚颓刃闻苟花徒跃荫错堂嫌谅萧尚凰坏割潦攀二申碎蝉栗岔葵遵泊追腆午逐涎敞由洁慑獭肄俭缅撂簿妇味潞图刽扬钟锌佰娩脊乏娇震浚嘉衔昏嫁枝章蔑叮碎帛填卓做点迎紧哟橇蚕功懊嗜消瘟涌杀细纪氖美邵物挺录诡植毗盗墩疲冯姓茂侈荧掩蚌僚阮虽耐肠舅呻贷贱铀碉洗阶朱凯桌粉歧土荫匿碎袱慕霹恤驼钨瞧毛豌雏病虎沽耕常杖担谆厕核僵熔饮读诣错慑舜蜗吵甜袖闪抡辣暴淋牲哭豆夫晨垣先诫胖第5章 计算机采集与控制技术 通过传感器可以从实验物系中获取大量的参数信号，这些信号经过调理之后就成为标准的电信号，通过这些信号可以识别、分析并控制该系统，现在的关键在于如何构建计算机数据采集与控制系统。计算机处理的是数字量，因此需要对模拟信号进行采样、保持、模/数（/D）转换为数字量，然后用数字计算机对这些已经离散并量化的数字信号进行采集和处理。当需要进行控制时，还要将由计算机发出的数字（D）信号转化为模拟量（A）输出，这就是D/转换。图5-1即为该过程的框图。由于传感器、测量仪表在第四章已作介绍，本章主要讨论微型计算机I/通道，多路模拟开关，采样保持电路，A/D和D/A转换电路，计算机采集和控制在化工原理实验中应用实例。 图5-1 计算机采集控制框图5.1 微型计算机I/通道 一个完整的微型计算机采集和控制系统由硬件和软件组成，它的核心是CPU。CPU与存储器和输入/输出电路部件的连接需要一个接口来实现。前者称为存储器接口，后者称为I/O接口。但存储器通常是在CPU的同步控制下工作的，其接口电路及相应的控制比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的I/O电路也各不相同，而计算机与外界的各种联系与控制均是通过I/O接口来实现的，故这里先介绍微机I/O通道的知识。5.1.1 扩展槽与系统总线 微机一些芯片间、各部件间和外部设备间多采用总线进行连接。总线是许多信号线的集合，通过总线来实现相互的信息或数据交换。由于计算机内部这些定向的信息流和数据流在总线中的流动，就形成了计算机的各种操作，采用总线结构便于部件和设备的扩充；制定统一的总线标准，使不同设备间容易实现互连。 计算机中总线分内部总线、系统总线和外部总线。内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的连接。系统总线是微机中各插件板与系统板之间的连接，用于插件板之间的连接。外部总线是计算机与外部设备之间的总线。计算机作为一种设备，通过外部总线与其它设备进行信息与数据交换，是设备级连接。 微机的系统总线用于连接I/O接插件与扩充的动态RAM，后以I/O通道形式经过扩充和经过驱动器以增加带负载能力而连至扩展槽上，作为I/O接口与主机系统之间的信息数据交换通道，以连接不同的接口。 微机的扩展槽在系统板上，一般有5个或8个。它实际上是系统总线的扩充和经过重新驱动，有时也称为I/O通道，IBM对该通道上的信号名称、性质、方向及时序、引脚排列都作了明确规定，它是用双列插槽引脚连接，分A面（相应于接口卡装元件面）和B面。这种规定又称为IBM PC总线标准。 引至扩展槽上的信号线均是TTL逻辑电平，1至个插槽同各信号引脚均连通，第个插槽要求有选中信号，一般用于插入扩展箱的扩展器卡，扩展槽还有+5V，-V，+12V，-12V四种电源引脚及地线，每个扩展槽信号负载能力是两个低功耗肖特基TTL门，IBM设计的每个标准的I/O卡均为一个负载。5.1.2 接口地址译码技术 计算机主机与I/O之间可能工作速度不同，也可能逻辑时序不同，因此必须在计算机I/O设备与主机之间有一个连接媒介，这样就出现了接口电路，即用该电路将双方连接起来。这样就用到了上面提到的扩展槽，接口电路就插在扩展槽内。 由于不同槽上，插有不同功能的接口电路卡，为了区分和识别它们，制作者赋予它们不同的接口地址，这样计算机就可以象访问存贮单元一样去访问这些接口电路卡，同时接口卡上若有寄存器或状态寄存器及命令寄存器等也对其赋以不同的地址，以便能正确地工作。为了将上述地址与存贮器地址相区别，故称它为接口地址。按接口地址去寻址，也就是接口地址译码问题。这一节将讨论接口地址译码技术。 （1） 接口的寻址方式 I/O接口地址的寻址方式一般有二种：一种是将接口地址和存贮器地址统一编址；一种是将接口地址和存贮器地址分别独立编址。PC系列计算机将接口地址独立编址。 由于PC机采用I/O独立编址方式，因而有专门的I/O指令。若采用直接寻址，则指令格式为 IN AL，口地址（输入指令） OUT 口地址，AL（输出指令） 即用一个字节表示地址，最多可寻址256个，在系统板上的I/O口地址均采用直接寻址方式来访问。若采用间接寻址方式，则其指令格式为： IN AL，DX 和IN AX，DX OUT DX，AL 和OUT DX，AX 这样用个字节表示端口寻址，故可寻址64K个口地址。 （2） 微机I/O接口分配 PC系列机中仅使用A0A9地址位来表示I/O口地址,即可有1024个口地址。编号从000H至3FFH。系统对I/O空间的布局分为：接口芯片专用（前256个端口000H0FFH），I/O接口控制卡使用（后756个端口100H3FFH）。在使用I/O接口地址过程中，已被专用接口卡占用的口地址不能再使用，以免造成混乱。 （3） 口地址译码方法 当执行I/O指令时，只能对选中的口地址进行读写操作。I/O接口如何知道计算机选中了自己且要和自己进行信息交换，这就涉及口地址译码问题,口地址译码方式有许多种，常见的有用门电路、用译码器、用比较器进行口地址译码。5.2 模拟输入输出器件5.2.1 多路转换开关 当对多个模拟信号进行采样并进行A/D转换时，为了共用一个采样保持器和A/D转换电路，需分时地将多个模拟信号接通，即每次接通一个信号进行采样并进行转换，能够完成这种功能的器件叫多通道模拟开关，在CPU控制下，它可分时地接通各信号源；同样，在/转换时，需将不同的模拟量分时地送给多个受控对象，在仅有一个D/A的情况下，也可采用多通道模拟开关。图5-2是一个单端输入的模拟开关示意图。可以看出，多通道模拟开关实际上是由多个模拟开关组成的。 当多个模拟信号源接至模拟开关的各通道时，由CPU送出允许（EN）和地址码，再由模拟开关的通道译码器，选出通道号，接通该通道开关。模拟开关也有双端输入的，即一次接通双端，这对差动输入的信号是适合的。模拟开关除了单端输出的多对一形式外，尚有单端输入的一对多和双向开关等形式。 图5-2 单端输入模拟开关 图5-3 AD7501原理框图与引脚图 图5-3为美国AD公司生产的单端输出的八通道模拟开关的原理框图与引脚图，由A0、A1、A2三个地址线和允许输出端（EN）的状态，决定S1-S8中的一个输入接通到输出端OUT。5.2.2 采样保持电路 对连续的模型信号进行采样使其离散化然后转换变成数字量。由于A/D完成一次转换需要一定的时间，在转换期间，高速变化的信号，其值可能已发生变化，因此，为了瞬时采样（S），并将此采样的离散值保持（H）到下一次采样为止，就需用采样/保持（S/H）电路。 采样保持电路通常由保持电容器、输入输出缓冲放大器、模拟开关及控制电路组成，如图5-4、5所示。 平衡放大器的作用是提高输入阻抗和提供平衡式输入端口的功能。平衡放大器由三个集成运算放大器组成，其电路如图5-4所示。 采样保持电路的功能是对被转换的信号进行采样并能保持住这一信号的电平，其电路框图如图5-5所示。 图5-4 平衡桥式放大器 图5-5 采样保持放大器 其中A1、A2为高输入阻抗的运算放大器，接成同相电压跟随器状态，由于它们具有高输入阻抗，所以A1输入端可接高阻抗模拟信号源，而对信号源无多大影响。采样期间，控制模拟开关K接通，A1的输出给保持电容器C快速充电，当模拟开关断开时，由于A2运算放大器的高输入阻抗，保持电容C对它放电时，漏电流极小。因此在保持期间，电容上的电压几乎不变。根据采样速度、偏差及精度，要求保持电容器既能跟随输入电压变化，又能在保持期间，使电压下降很少，因此其容量要权衡考虑，一般选用漏电极少的聚苯乙烯或聚四氟乙烯电容。保持电容器由用户自己选择大小，外接。5.2.3 D/A转换器 D/A转换器是将数字量转换为模拟量的电路或装置，它的模拟量输出与参考电压（电源）及输入数字量成正比。 （1）D/A转换原理 常用D/A转换电路有两种类型，一种称为二进制加权电阻网络，一种称为R-2R梯形网络。 图5-6表示了一个基本的二进制加权电阻梯形网络电路，其中模拟开关由相应位的二进制数控制，当零位为1时,模拟开关将参考电压VREF接通，则该位权电流流向求和点Iout，若某位为,模拟开关接地，该位无权电流流向求和点Iout，每位的权由电流表示，而权电流由权电阻大小限制其大小，若最高位为R，则次高位为2R,第N位为2N-1R，这样权电流将分别为VREF/R, VREF/2R, VREF/2N-1R。当N位二进制数控制相应的模拟开关接向VREF或地时，则总输出电流Iout是： （5-1）图5-6 基本的二进制加权电阻网络 其中Di表示第i位二进制数，Di仅能取为0或1。 利用二进制加权电阻网络进行D/A转换，若二进制超过八位，则代表最低位的权电阻就相当大,而相应的权电流就非常小，这样小的电流变化,早已被噪声所淹没，因此对较多位数的D/A转换，这种方法已不适用，代之采用R-2R梯形网络，这种网络转换原理如图5-7所示。图5-7 R-2R梯形网络 该网络中，仅有R和2R两种电阻，图5-7中为三位二进数的数模转换电路，每位对应一个电阻和受其控制的一个双向开关，-VREF为一参考电源，当转换位数增多时，图中相应的模拟开关和电阻将要增加。当所对应数为1时,则相对应的模拟开关与放大器反相端相连如果对应数为时，则模拟开关接地。 对于图5-7中所示电路，推广到几位D/A转换器，则D/A转换后输出电压为： （5-2）其中Dn-1-j表示第n-1-j位的系数，可为1或0。从上面可以看出D/A输出,不仅与二进制代码有关，而且还与参考电压和反馈电阻有关。因此D/A输出满刻度与输出范围也可用调整这两个参数来进行改变。 （2） D/A转换器的输出 （a）电流和电压输出 如果D/A转换电路输出的是电流，则称为电流DAC，现行的D/A转换芯片多属此类,但实际应用中多需要电压输出，这就称为电压DAC，这时只要在电流DAC后面接反相或同相运算放大器构成电流与电压转换电路即可。有时D/A输出要求带一些需要大电流的设备，这时需要用D/A输出的电压去控制一个三极管，让三极管工作在射极跟随器状态即可提供一个大的电流；也可以在D/A转换后加一缓冲放大器。 （b）单极性和双极性输出 D/A的电压输出,可以是单极性，其极性视所用参考电压极性而定，这样其输出可为正或负。然而有时希望D/A能够随待转换数的正负而变化，这就要求D/A转换输出为双极性。在双极性输出情况下，输入的二进制码可有原码,偏移二进制码和补码之分,而偏移二进制码最适合双极性D/A输出。 有的运算放大器可提供单极性和双极性两种输出方式。 （3） D/A转换电路的主要参数 为了衡量一个D/A转换器的性能，一般用如下一些参数来表示： （a）绝对精度：D/A实际输出与理论满刻度输出电压之间的差异，一般应低于最低有效位的一半电压。 （b）相对精度：在满量程巳校准的情况下，在量程范围内，任一数码的模拟量输出与理论值输出的差，一般用相当于数字量最低位数LSB的多少来表示，如大于（1.0或0.5）LSB等。 （c）位数：指D/A电路能够被转换的二进制位数，如有8位，10位，12位等。 （d）建立时间：指数据量输入到完成转换，输出达到终值误差0.5LSB时所需时间，电流型的D/A转换较快，电压型的主要取决于运算放大器的响应时间。该参数有时也称为转换速度。 （e）温度系数：在规定的温度范围内,温度每变化一度(1），增益、零点、精度等参数的变化量。 （f）馈送误差：杂散信号通过D/A器件内部电路，藕合到输出端而造成的误差。 （h）线性误差：D/A转换理想响应应是线性的，实际上有误差，模拟输出与理想输出之差的最大值称为线性误差。5.2.4 D/A卡D/A卡一般由D/A转换器，匹配放大器，逻辑控制部分组成，其组成框图如图5-8所示。图5-8 D/A卡组成框图图中D/A转换器是D/A卡的核心，由它在逻辑控制下完成D/A转换，并保持一定时间。匹配放大器主要是完成阻抗匹配，极性转换等功能。D/A卡的功能主要取决于D/A芯片及辅助电路的完善程度，同时也取决于所连的计算机的功能。5.2.5 A/D转换器 A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件，它是一个模拟系统和数字设备或计算机之间的接口。它的实现方法有多种，基本方法为：二进制斜坡法、积分法、逐项比较法、并行比较法和电压到频率转换法等。 （1） A/D转换方法 A/D转换方法有二进制斜坡法、积分法、并行比较法、逐项比较法和电压到频率转换法，下面重点介绍逐项比较法 逐项比较型A/D转换器是目前使用最多的类型之一，它的基本思想是将输入模拟电压同反馈电压做几项比较，使量化的数字量逐次逼近于输入模拟量。图5-9示出了逐次比较的转换关系图。逐次比较型A/D转换器包含比较器电路、D/A转换器、时钟电路、移位寄存器、逻辑控制电路、节拍发生器等电路如图5-10所示。其工作过程如下：启动脉冲来后，移位寄存器的最高位置1，其它各位置0,即为100,这时D/A转换器的输出Vi是与最高位对应的电压值，等于1/2VR，因而输入信号首先与1/2VR进行比较，如比较结果Vi1/2VR，则最高位的“1”保留，否则最高位的“1”被舍去并置为“0”，然后移位寄存器所产生的第二个节拍脉冲又将第二位置“1”，其余各位仍是0，因而D/A转换器又产生与之对应的电压，输入信号与D/A转换器电压相比较，判断第二位的“1”是否保留，依次类推，即可判定出各位的数字量，得出转换结果。 逐次比较型A/D转换器具有转换时间快，精度高的特点，精度可达百万分之五，甚至更高。图5-9 3位逐次比较型A/D转换器的转换关系图图5-10 逐次比较型A/D转换器框图 （2）A/D转换电路的主要参数 下面介绍几种表示A/D转换器性能的主要参数。 （a）精度 指A/D转换器输出的数字量所对应的理论输入电压与实际输入电压之差。精度可以用绝对精度和相对精度来表示。 （b）分辨率（又称量化误差） 指A/D转换器可转换成数字量的最小模拟电正值，如一个n位的A/D转换器，分辨率为满量程电压除以2n。A/D转换器位数越多，分辨率则越高。也有将转换位数称为分辨率的。 （c）转换时间 指从输入转换启动信号开始到转换结束所经历的时间。 （3）常用A/D转换芯片 常用的A/D转换芯片有逐次比较型和双斜率积分型两大类。常用的A/D转换芯片为逐次比较式八位A/D转换芯片ADC0809，12位逐次比较型A/D转换器AD574，16位逐次比较型A/D转换器MN5280。5.2.6 A/D转换卡 A/D转换卡又称为A/D接口板，通常是以A/D芯片为中心，配上各种辅助电路。A/D卡的功能主要取决于A/D芯片及辅助电路的完善程序，同时也取决于接口所对应的总线结构及CPU的功能。 A/D卡一般由A/D转换器、多路模拟开关、平衡桥式放大器、采样保持电路、逻辑控制及供电等组成，其框图如图5-11所示。图5-11 A/D接口卡框图CH多路模拟开关 SH一采样保持电路 AD一A/D转换器 A1一平衡桥式放大器 A/D卡按A/D转换芯片可分为8位、12位等转换卡；按通道数的多少可分为16路、32路等转换卡。 由于A/D卡除了A/D转换器外，还串联了多路模拟开关，放大器，采样保持电路等，因而A/D卡的转换速度较A/D转换器慢许多，一般情况下转换速度为几十微秒。 现在市场上出售的A/D卡一般还带有放大、单双极性输入选择零点调整等功能。 在使用A/D卡的过程中必须要通过软件来指令A/D卡工作，这就涉及到了编程，常用的编程软件有BASIC、汇编和C语言等。5.3 数据采集软件编程 针对不同的A/D、D/A卡和不同的实验对象，在设计软件时将采用不同的编程方法，各种编程方法除所用的语言不同外，还取决于编程技巧。这两者主要因设计者的水平及喜好而异。而对于一个特定的A/D、D/A卡，当I/O口地址及指令确定后，我们只要牢记这些指令和口地址并比较它们与其它卡的不同，就可以在软件上稍加修改后，将其适用的软件移植过来。5.3.1 查询方式AD采集的实现过程开始创建设备对象初始化设备对象AD启动AD设备以查询方式读取AD数据对采集到的AD数据进行处理其代码应根据需要编写需要再紧接着读取AD数据以实现连续采集吗？是释放AD设备需要改变通道或频率或清FIFO后再采集吗？否需要释放设备对象不需要结 束图5-12 查询方式AD采集实现过程接着上次再读AD数据重新初始化AD5.3.2 VC语言编程随着计算机的发展，现在的采集卡都提供windows操作环境下的驱动程序，而这些驱动程序大部分是采用面向对象编程，所以要使用设备的一切功能，则必须首先用CreateDevice函数创建一个设备对象句柄hDevice，有了这个句柄，您就拥有了对该设备的绝对控制权。然后将此句柄作为参数传递给其他函数，就可以进行初始化设备的AD部件，对AD数据的采样读取等操作。最后将hDevice释放掉。下面以PCI2003 C12位A/D、D/A板为例，介绍用VC语言进行查询方式数据采集的编程过程。1 PCI2003采集卡提供的设备驱动接口函数表5.1 设备驱动接口函数表函数名函数功能CreateDevice创建PCI设备对象GetDeviceCount取得同一种PCI设备的总台数ListDeviceDlg列表所有同一种PCI设备的各种配置ReleaseDevice关闭设备，且释放PCI总线设备对象InitDeviceProAD初始化PCI设备上的AD部件准备传输SetDevFreqenceAD可动态改变AD采样频率StartDeviceProAD启动AD设备，开始转换ReadDeviceProAD_NotEmpty连续读取当前PCI设备上的AD数据StopDeviceProAD暂停AD设备ReleaseDeviceProAD释放设备上的AD部件InitDevProDA初始化PCI设备DA部件，准备输出WriteDevProDA单点输出DA数据2 非空查询方式AD采集程序AD采样的要求是：共采集4通道3、2、0、1，每个通道分别采集1个点，共4个点，采集频率为50KHz，int DeviceID = 0; / 假设在本台计算机系统中只有一台PCI2003HANDLE hDevice;/ 设备对象句柄PCI2003_PARA_AD ADPara; / 定义硬件参数WORD pADBuffer2048;/ 分配数据缓冲区PerLsbVolt=20000.0/4096;hDevice =PCI2003_CreateDevice(DeviceID);/ 创建设备对象if(hDevice=INVALID_HANDLE_VALUE) AfxMessageBox(创建设备对象失败.,MB_ICONSTOP,0);return 0;/ 对硬件AD参数进行预置ADPara.ChannelArray0 =3; / 在0位置上采集第3通道数据ADPara.ChannelArray1 =2; / 在1位置上采集第2通道数据ADPara.ChannelArray2 =0; / 在2位置上采集第0通道数据ADPara.ChannelArray3 =1; / 在3位置上采集第1通道数据ADPara.ChannelCount=4; / 共采集以上4个通道的数据ADPara.Frequency=25000; / 采集频率为25KhzADPara.GroupInterval = 1000; / 组间间隔1000微秒ADPara.TriggerSource = PCI2003_IN_TRIGGER; / 内部定时触发ADPara.TriggerEdgeMode = PCI2003_RISING_EDGE;ADPara.OutDigitAnalog = PCI2003_DIGIT_TRIGGER;ADPara.ClockSource = PCI2003_IN_CLOCK;/ 用以上硬件参数初始化设备的AD对象if(!PCI2003_InitDeviceProAD(hDevice, & ADPara)AfxMessageBox(不明确的初始化错误.,MB_ICONSTOP,0);return 0; / 注意: 此函数一旦返回TRUE,设备即开始传输,客户程序必须能以 / 最快的速度读取数据状态,PCI2003_StartDeviceProAD(hDevice); / 启动AD设备/ 从设备上读取32个字的数据/ 如果用户需要连续采集，即反复执行下面这个函数即可。if(!PCI2003_ReadDeviceProAD_NotEmpty(hDevice, pADBuffer, 32)AfxMessageBox(读数据出错.,MB_ICONSTOP);return FALSE;/ 当上面的函数成功返回后，即所指定长度的数据已放在了ADBuffer中/ 用户即可以对这批数据进行处理。Else int Channel; CString string; char str500; WORD LSB; float Volt; for(Channel=0; Channelm_hDevice, DigitValue, 0);/ 如果需要延时，请加入下列代码/PCI2003_DelayTime(m_pPara-m_hDevice, 1);/Sleep(1);PCI2003_ReleaseDevice(hDevice);4 使用中关键的问题首先，必须在您的源程序中包含如下语句：#include “PCI2003.H” 其次，您还应该在Visual C+编译环境软件包的Project Setting对话框的Link属性页中的Object/Library Module输入行中加入指令PCI2003.LIB或者：单击Visual C+编译环境软件包的Project菜单中的Add To Project的菜单项，在此项中再单击Files，在随后弹出的对话框中选择PCI2003.Lib，再单击“确定”，即可完成。具体内容需用时可查阅PCI-2003 C12位A/D、D/A板使用手册。5.4 计算机数据采集和控制在化工原理实验中的应用5.4.1 传热过程计算机数据采集和控制实验（一）实验目的:（1）了解套管换热器的构造，测定流体在套管换热器管内中作强制湍流时的对流传热系数，确定准数关联式Nu=ARemPr0.4中的常数A和m。（2）引入自动控制系统的基本概念，了解被控过程的动态特性知识；掌握化工过程基参数采集与控制的基本方法。 （二）实验装置及流程 本实验的实验装置流程示意图如图5-13所示。实验装置的主体是套管换热器，该换热器内套管为紫铜管，内径20.0毫米，壁厚为1.0毫米，有效换热长度为1.100米；外套管内径为51毫米，材质为不锈钢管，管外用玻璃棉保温。直径250毫米不锈钢电加热锅炉作为蒸汽发生器，蒸汽发生器额定加热功率为2.5千瓦。在套管换热器中，冷流体（空气）在管内作强制湍流流动，热流体（水蒸气）在管外与冷热流体呈逆流流动。两只Cu50的铜电阻温度计（0150）分别用于测量冷空气进、出换热器的温度，一只Cu50的铜电阻温度计（0150）用于测量水蒸气出换热器的温度，埋在紫铜管内壁面的热电偶测量内壁面温度。孔板流量计测量空气流量，电动调节阀用于自动调节冷流体的流量。图5-13 实验装置流程示意图 （三）计算机数据采集和控制系统图5-14 数据采集和控制系统的PID图 本实验的数据采集和控制系统的PID图见图5-14，由图可以看出，其由温度采集、蒸汽发生器加热功率采集、蒸汽发生器加热功率控制、冷流体流量采集与冷流体流量控制五部分组成。每一部分详述如下： （1）温度数据采集 Cu50铜电阻温度计安装在换热器的空气进、出口处分别测定其温度，通过温度变送器把铜电阻阻值变化转换成温度就地显示和（15V）的标准电压信号远传，热电偶采用标准测量仪表转化成温度信号就地显示和（15V）的标准电压信号远传。上述模拟信号通过（A/D）转换器变成数字信号后传输到计算机程序中，在计算机程序中应用数字滤波将采集到的数字信号按照其变化关系转化成温度。 （2）蒸汽发生器加热电压、电流数据采集 在加热电路(如图5-15所示)中串联一个电流变送器，并联一台电压变送器。它们分别将电流、电压信号转化成（15）V标准电压信号传到A/D转换板后变成数字信号输到计算机中，根据功率与电压、电流的关系获得加热功率的大小。 图5-15 蒸汽发生器加热电压、电流数据采集图 （3）蒸汽发生器加热功率的计算机控制(如图5-16所示) 在被控参数加热功率与给定值相等时，固态调压器不改变调压方式。如果实际功率与给定值不同，电流、电压变送器经A/D转换板传输到计算机程序中，此时，计算机向D/A转换器发出信号来改变固态调压器的电压直至加热功率与给定值相等。 图5-16 加热器加热功率计算机控制基本框图 （4）空气流量采集(如图5-17所示) 空气流过孔板时在节流孔板上、下游产生了压强差，通过压差变送器将压差信号转化为420mA的电信号，再经过250欧姆电阻把电流信号转化成（1-5V）的电压信号，模拟电压信号通过（A/D）转换器变成数字信号后传输到计算机中，在计算机程序中结合孔板流量计处的温度信息，将采集到的数字信号按照电压与流量的关系式计算出空气流量，以实现对空气流量的实时检测。 图5-17 空气流量采集示意图 （5）空气流量控制(如图5-18所示) 当空气流量需要控制时，计算机向控制器输入流量给定值，控制器根据检测到的空气实际流量与控制流量的差的大小经过PID计算，向执行机构发出信号，控制电机调节空气流量调节阀的阀位，以实现流量的控制。 图5-18 空气流量控制示意图 （四）计算机软件系统的建立 计算机软件系统在WINDOWS环境下用C语言编写程序。主要具有如下功能： （a）实时数据采集，对被控制量的瞬时值进行检测。 （b）确定操作参数，建立经验数学模型。 （c）实时决策，根据数学模型运算的结果和被控量的实时量的实时值决定控制过程。 （d）实时控制，根据决策，适时地对执行机构发出控制信号。 （五）实验的操作: （1）向蒸汽发生器内注入蒸馏水，并通过液面计观察，加到2/3液位的位置。 （2）合上设备电源总开关。 （3）启动计算机并打开传热计算机数据与采集程序，选择自动运行，自动进行如下步骤的操作：（a）计算机自动打开蒸汽发生器的加热，对蒸汽发生器中的水进行加热。同时实时检测套管换热器蒸汽出口的温度。（b）当套管换热器蒸汽出口的温度达到80以上并稳定5分钟后，计算机自动打开空气风机。（c）计算机自动在最大与最小流量之间等差确定六个冷流体（空气）进入套管换热器的流量，并从最小流量开始自动控制，并实时检测换热器出口空气的温度。（d）当换热器出口空气的温度稳定5分钟后，计算机自动检测并记录换热器进出口处的空气温度、紫铜管内壁面的温度和空气流量。（e）然后计算机自动将流量调大至下一个流量，开始下一轮的检测，直到完成所有实验。（f）对所有的实验数据进行计算和整理，得出实验结果，并通过显示器和打印机显示或打印出来。 （3）实验结束时，应按照操作规程关闭实验装置和计算机的电源。（六）实验操作结果 具体的实验操作结果见图5-19。图5-19 实验操作结果图5.4.2 精馏塔计算机数据采集和控制实验（一）实验目的（1）让学生进一步掌握精馏操作过程的基本概念、理论和实验方法。（2）对精馏过程进行计算机采集和控制，让学生比较人工采集和操作与用计算机采集和控制的异同。通过计算机采集和控制可以实现如下操作：（a）测定精馏塔在全回流条件下总板效率，单板效率。（b）测定精馏塔在全回流条件下塔体温度分布。（c）测定塔顶温度动态响应曲线并确定操作的稳定时间。（d）在间歇精馏操作中通过改变回流比来实现塔顶浓度不低于规定值。（e）测定出间歇精馏操作过程中在保证塔顶产品浓度不低于给定值的条件下，塔顶温度、塔底温度和操作回流比随时间的变化过程。（二）实验装置及流程 本实验的装置流程图见图5-20。本实验装置的精馏塔为筛板塔，全塔共有7块塔板，塔高1.500m，塔内径为51毫米。塔中装有铂电阻温度计用来测量塔内每块塔板上方的汽相温度。塔顶的全凝器和塔底冷却器均为不锈钢蛇管换热器，换热器内蛇管为直径8mm的铜管。蛇管换热器的铜管内通冷却水，使塔顶的物料蒸气在铜管外冷凝、塔底产品在铜管外冷却。塔釜用电炉丝进行加热，塔的外部用保温棉保温。混合液体由高位槽经转子流量计计量后进入塔内。塔釜的液位管用于观察塔釜内的存液量。塔底产品经过冷却器由平衡管流出。回流比调节器用来控制回流比，馏出液储罐接收馏出液。图5-20 实验装置流程示意图 （2）计算机数据采集和控制系统 （a）塔体温度数据采集 首先将Pt100铂电阻温度计安装在塔内测定塔内汽相温度，将铂电阻从塔内采集到的电阻信号通过温度变送器把电阻信号转换成（420）mA电流信号，再经过24V电源和250的电阻把电流信号转化成（15）V的电压信号，然后通过PS2127A/D转换板转换成数字信号后传输到计算机程序中，在计算机程序中应用数字滤波将采集到的数字信号按照其变化关系转化成温度在计算机屏幕上显示出来。 （b）塔釜加热电压、电流数据采集 同图5-13，在加热电路中串联一个电流变送器，并联一台电压变送器。它们分别将电流、电压信号转化成（15）V标准电压信号传到A/D转换板后变成数字信号输到计算机中。 （c）塔釜加热功率的控制 同图5-14，在塔釜加热功率与给定值相等时，固态调压器不改变调压方式。如果实际功率与给定值不同，电流、电压变送器经A/D转换板传输到计算机程序中，此时，计算机向D/A转换器发出信号来改变固态调压器的电压直至加热功率与给定值相等。 （d）回流比的控制（如图5-21所示） 回流比控制采用电磁铁吸合摆锤方式来实现的。在计算机内编制好通断时间程序就可以控制回流比。当按照数学模型计算出回流比数值时，计算机向D/A转换器发出信号控制固态继电器的通断时间，来实现回流比的控制。 图5-21 回流比控制示意图 （3）计算机软件系统的建立 计算机软件系统在WINDOWS环境下用C语言编写程序。主要具有如下功能： （a）实时数据采集，对被控制量的瞬时值进行检测。 （b）确定操作参数，建立经验数学模型。 （c）实时决策，根据数学模型运算的结果和被控量的实时量的实时值决定控制过程。