基于PCI6221数据采集卡的虚拟仪器系统组建张凯强

1、实验二 基于 PCI-6221 数据采集卡的虚拟仪器系统组建凯强0902100202一、实验目的：1、了解 PCI-6221 数据采集卡的功能。2、掌握如何在 MAX中设置 DAQ通道，以及览阅 PCI-6221 的设备属性、与附件的连 线方式等。3、学习使用 VI 程序控制 PCI6221 卡进行数据采集。二、实验环境：软件：中文 Windows2000xp，LabVIEW 8.2.1 或以上版本， NI MAX7.4 或以上版本。 硬件：微型计算机、数据采集卡 PCI-6221(68Pin) 、连接器 CB-68LP、电流 - 电压转换器。三、实验原理：1、PCI6221卡将作为本次实验的

2、数据采集卡，本实验主要使用其AI 和 AO通道，VI 程序通过它来实现虚拟仪器的模拟信号采集和输出功能，下面就对它的功能 予以介绍。 PCI-6221 卡是基于 PCI 总线的高性能、多功能的数据采集卡。它有 16个单端输入或 8个差分输入， 1个 16位的逐次逼近式 ADC，2个以电压输出的 16 位 DAC。PCI-6221 的 I/O 分布如下图所示：所有 I/O 连接板引脚由五组引脚组成：模拟输入信号引脚、模拟输出信号引脚、数字I/O 信号引脚、定时 I/O 信号引脚和电源信号引脚。在本实验中只用到了 Aix（x 为 015） 模 拟输入和 AO0模拟输出通道，下面对其进行介绍。（ 1

3、）模拟输入信号 AIx 的连接。模拟输入信号与 PC-6221 卡的连接方式取决于 PCI-6221 卡的模拟输入电路的配置方式 和输入信号源的类型。在本实验中，计算机与模拟输入信号源 （* 实验装置的下水箱液位 传感器输出的经电流 -电压转换后的 15V电压信号 ）与 PCI-6221 卡具有 1 个公共的参考点 （AISENSE），但该参考点并非为地电压， 所以采用无参考地的单端测量接线方式 （使用 NRSE 方式）。输入信号连接在 PCI-6221 卡 AIx 通道上，而信号的参考点应连接在 PCI-6221 卡的 AISENSE引脚上。可使用 NI MAX观察模拟输入信号与 CB-68

4、LP 和 PCI-6221 的 AIx（ x 为各实验小组组长 学号的最后 1 位）通道的连接方式， ，方法如下： 在 MAX中创建 NI DAQmx 任务，任务属性为“模拟 AIx 通道电压输入”、“ NRSE 接 线方式”： . 点击 NI DAQmx任务属性界面中的“连线图”，即可观察到连线方式（以AI0 通道的连线方式为例） ，如下图所示：（2）模拟输出信号的连接。I/O 连接板的 22 号引脚为模拟输出信号 AO0的正端， 54 和 55 号引脚作为输出通道的 地参考。 DA输出信号围：双极性为 5V，单极性为 0 10V。3、 LabVIEW8.2.1 中涉及到模拟输入和模拟输出的

5、操作函数在函数模板中的“测量 I/O ”“DAQmx- 数据采集“子模板中。本次实验中，需要使用以下几种函数对PCI-6221卡进行操作：（1）对单通道模拟输入的操作： DAQmx Creat Virtual Channel.VI： 用于创建一个或一批虚拟通道，在其“物理通道”端口选择 PCI-6221 所对应的设备号，并设置好通道、输入上下限、接线方式等参数； DAQmx Timing.VI ： 用于设置通道的采样频率、采样时钟源、采样模式等参数； DAQmx Start.VI ：用于启动一个输入 / 输出任务，当启动后 PCI-6221 即可按设定的方式将数据采集 / 输出发送到计算机的缓

6、存中； DAQmx Read.VI： 用于从缓存中读出所采集到的数据；DAQmx Stop.VI ：停止数据采集任务；DAQmx Clear.VI ：用于清除 DAQmx任务并释放缓存。（2）对模拟输出的操作：DAQmx Write.VI ：用于向缓存中写入需要输出的数据；当写入缓存后，使用DAQmxStart.VI 启动任务 ， PCI-6221 即可按设定的方式将数据从缓存中发送到计算机的AO通道；DAQmx Wait Until Done.VI ：该 VI 用于确保在任务结束前输入或输出数据的操作 已完成，通常用于有限采样（ Finita Samples） 的输入或输出操作。四、实验容：

7、1、 利用 NI MAX配置 PCI-6221 数据采集卡， 以 * 实验装置的下水箱液位传感器输出 的 15V 电压信号为模拟输入信号，在 MAX 中观察模式输入信号与 CB-68LP 和 PCI-6221 的 AIx（ x 为各实验小组组长学号的最后 1位）通道的连接图 （采用 NRSE 连线方式）。2、根据观察到的连线方式，完成模式输入信号与CB-68LP 的连线。3、手动控制 * 实验装置的电磁阀， 将控制信号设置为最大 （ 20mA），使流量最大 （则 下水箱液位将不断上升直到最大值） ，从 PCI-6221 卡的通道 AIx 中对下水箱液位 数据进行采集 （在 While 循环中进

8、行有限采样， 循环间隔为 100ms，采样速率设置 为 10kHz，每次采集 100 个点， 然后对这 100 个点取平均值， 将平均值的围强制在 15V（即平均值低于 1V 就设置为 1V，平均值高于 5V就设置为 5V），并转换为对 应的液位值（ 0100，即 1V 对应液位 0，5V对应液位 100，以此类推）后，使用波 形图表将液位值曲线显示出来，观察曲线与实际的下水箱液位之间的关系。4、将液位值曲线及其对应的采样时间保存在一个文本文件中。5、将 PCI-6221 卡的 AO0通道与 * 实验装置的电磁阀控制通道相连接；因为电磁阀 控制信号为 420mA的电流信号， 而 PCI-622

9、1 只能输出电压信号， 因此必须将电压 信号通过转换电阻转换为电流信号。6、用 PCI-6221 卡的 AO0输出一个围为 2.03.0V ，步长为 0.1V 的电压值，观察电磁 阀的开度与输出电压的关系。五、 实验截图六、 回答以下问题 ： 在实验步骤 3 中，为何将每次采集 100 个点取平均后作为液位测量值， 而不是每次采 集 1 个点直接作为液位的测量值？答：每次采集 100 个点取平均值后作为液位的测量值与每次采集1 个点直接作为液位测量值与每次采集 1 个点直接作为液位的测量值相比可大大的减少随白噪声带来的误差， 提高 测量的准确度。 以为白噪声是无处不在的， 但是在一段较长的诗句

10、围， 白噪声的幅值平均为 零，采样 100 个点取平均后可以近似消灭白噪声对测量结果影响。 而每次只采样一个点是不 可能消除白噪声对测量结果的影响的。 采集 100 个点的时间比采集 1 个点的时间要长， 这对测量结果的影响是否很大？为什 么？答：影响不大。因为采样频率为 10000Hz，采样 100 个点的时间为 10ms，在这 10ms 时 间水箱液位的变化可近似为零，也就是说在10ms 时间里水箱液位值可以看做是不变的。所以测量值绝对能可靠的反映实际的液位值。实验三 基于 LabVIEW和 PCI-6221 的单容水箱液位控制系凯强0902100202实验目的：学习如何利用 LabVIE

11、W 开发平台设计一个单回路的单容水箱液位控制系统，使用 PID 控制算法使液位保持在值上。实验环境：软件：中文 Windows2000xp，LabVIEW 8.2.1 或以上版本， NI MAX7.4 或以上版本。硬件： A3000 高级过程控制系统、微型计算机、数据采集卡 PCI-6221（68Pin） 、连 接器 CB-68LP、电流 - 电压转换器。三、 实验系统的系统流程图四、实验原理1 、基本原理本实验采用 PC+LabVIEW软件作为液位控制器 （ LC），将液位控制在设定高度上。 将液位 传感器（ LT）输出的 420mA电流信号转换为 15V 电压信号后，使用 PCI-6221

12、 数据采集卡 的 AIx 通道进行采集并上传到计算机（具体的连线方法和采样设置请参照实验二进行） ，然 后在 LabVIEW程序中编写 PID控制程序， 根据 P、I 、D参数进行 PID 运算，将 PID 运算结果 （即控制信号 u）经 PCI-6221 的 AO0通道输出到电磁阀，控制电磁阀调节水箱的进水流量， 从而达到使液位值稳定在设定值上的目的。2、增量 PID 控制算法本实验采用增量 PID 控制算法，其计算公式为：u(k) KCe(k) e(k 1) KIe(k) KDe(k) 2e(k 1) e(k 2)u(k) u(k) u0式中， u ( k ) 为 PID 调节器增量输出值

13、； KC 为 PID 调节器的比例系数； K I 为 PID 调节器的积分系数； KD 为 PID调节器的微分系数； k 为采样序号 ( k= 0,1, 2, )；e( k) 为第 k 次采样时的偏差值； e ( k - 1) 为第 k-1 次采样时的偏差值； e ( k -2) 为第 k-2 次采样时的偏差值； u(k)为本次 PID运算输出的控制信号， u0为上次 PID 运算输出的控制信 号。液位控制系统结构框图如下图所示：液位测量装置五、实验步骤1、参照实验二的方式将液位传感器信号通过CB-68LP与 PCI-6221 的 AIx( x 为各实验小组组长学号的最后 1位)进行连接；将

14、PCI-6221 的 AO0通道与 A3000高级过 程控制装置的电磁阀控制端口相连接。2、在 LabVIEW中编写 PID 控制程序： 前面板设计 前面板要求能够显示当前的采样电压值及其对应液位值(液位值用图形方式进行 显示)，能够通过输入控件设置液位设定值和KC、K I 、K D这三个参数值和，还能将当前液位值、设定值和 PID控制信号 u 的曲线在同一个波形图表中进行显示。 程序框图设计程序框图使用 While 循环，按照实验二的设置对当前液位值进行采样，并计算出 偏差值 e(k)；根据 e( k)，按照增量 PID 控制算法计算出控制信号 u( k) ，按照实 验二的设置将 u(k)

15、通过 PCI-6221 的 AO0通道输出到电磁阀的控制端口以对进水 流量进行控制。 注意事项 当停止程序时，设计一个 VI ，将电压“ 0”输出到 PCI-6221 的 AO0通道，以防止 AO0通道长期保持高电压状态。4、 运行程序，在纯比例控制下( K I=0、K D=0)，给液位设定值加入阶跃信号(注意： 只有当系统稳定后才能加入新的阶跃信号) ，观察并记录在不同的 KC 值下系统的 响应曲线，记录下最佳响应曲线对应的KC值。5、 加入积分作用，在 PI 状态下整定系统，观察并记录在不同的KI 值下系统的响应曲线，与纯比例控制的效果进行对比。3JiMI!1 H日圧SitU曇1!:.S卿FKWrnf (wMn-T|EFi1III 1wtSu7iway II4片A*月卜 - 、；.fvl*flF申啣曲血这i平件压冋丽Ma ；.jji oifi nu oai aat an園灣觀疋七、回答以下问题： 增量 PID 运算需要使用到上 2 次的偏差值即 e ( k - 1) 和 e ( k - 2) ，在程序中 该如何实现？答：利用 FOR循环的移位寄