《计算机控制系统组态与安装调试》-项目二 计算机-板卡控制系统的组态与安装调试

任务1数据采集卡的安装与设置【相关知识】一、数据采集卡简介数据采集（DAQ），是指从传感器和其他待测设备等的模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理。数据采集系统是基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集卡（也称数据采集板卡）是数据采集设备的一大类，被大量应用于检测与控制系统中，数据采集卡是插接在计算机中的一种数据采集设备，就像显卡一样，直接安装在计算机中。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置1.数据采集卡的种类基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。按照与计算机接口总线的不同来划分，目前的数据采集卡可分为基于ISA总线的数据采集卡和基于PCI总线的数据采集卡。从目前的工程应用来看，基于ISA总线的数据采集卡虽然采集速度仍然能满足大多数数据采集应用的要求，但由于计算机主板生产商趋向于不再支持ISA，因此ISA总线类型采集卡面临被PCI总线类型采集卡取代的趋势。目前的主流数据采集卡基本上是基于PCI总线的。按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡（A/D卡）、模拟量输出板卡（D/A卡）、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多个功能，如数字量输入/输出板卡可以将模拟量输入和数字量输入/输出集成在同一张卡上。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置还有其他一些专用I/O板卡，如虚拟存储板（电子盘）、信号调理板、专用（接线）端子板等，这些种类齐全、性能良好的I/O板卡与IPC（工业控制计算机）配合使用，使系统的构成十分容易。表2-1列出了部分数据采集卡的种类和用途，板卡的详细信息要查询有关公司的产品资料。2.常用的数据采集卡下面以研华PCI测控板卡为例介绍不同种类的典型板卡的性能和特点。（1）模拟量输入板卡（A/D板卡）。在工业测控系统中，输入信号往往是模拟量，这就需要一个装置把模拟量转换成数字量，各种A/D芯片就是用来完成此类转换的。在实际的计算机测控系统中，不是以A/D芯片为基本单元，而是制成商品化的A/D板卡。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置模拟量输入板卡根据使用的A/D转换芯片和总线结构不同，性能有很大的区别。板卡通常有单端输入、差分输入以及两种方式组合输入三种。板卡内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的性能指标之一。在抗干扰方面，A/D板卡通常采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡模拟信号采集的精度和速度指标通常由板卡所采用的A/D转换芯片决定。图2-2所示为研华PCI-1713模拟量输入板卡。该板卡具有32路单端或16路差分模拟量输入，或组合输入方式，12位A/D转换分辨率，A/D转换器的采样速率可达100kHz，每个输入通道的增益可编程，卡上有4KB采样FIFO缓冲器，2500VDC隔离保护，支持软件、内部定时器触发或外部触发。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（2）模拟量输出板卡（D/A板卡）。计算机内部处理采用的是数字量，而执行机构采用的是模拟量。计算机通过D/A板卡将数字量转化为模拟量，从而通过控制执行机构的动作去控制生产工艺过程。D/A板板卡同样依据其采用的D/A转换芯片的不同，转换性能指标有很大的差别。图2-3所示为研华PCI-1720U模拟量输出卡，该板卡具有四路12位D/A输出通道，多种输出范围。由于能够在输出和PCI总线之间提供2500VDC的隔离保护，PCI-1720U非常适合需要高电压保护的工业场合。（3）数字量输入/输出板卡（I/O板卡）。计算机测控系统通过数字量输入板卡采集工业生产过程的离散输入信号，并通过数字量输出板卡对生产过程或控制设备进行开关式控制（二位式控制）。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置将数字量输入和数字量输出功能集成在一块板卡上，就称为数字量输入/输出板卡，简称I/O板卡。图2-4所示为研华PCI-1730数字量输入/输出卡，它提供了16路数字量输入和16路数字量输出，高输出驱动能力和中断能力，具有2500VDC高电压隔离I/O通道。（4）脉冲量输入/输出板卡。工业控制现场有许多高速的脉冲信号，如旋转编码器、流量检测信号等，这些都要用脉冲量输入板卡或一些专用测量模块进行测量。脉冲量输入/输出板卡可以实现脉冲数字量的输出和采集，并可以通过跳线器选择计数、定时、测频等不同工作方式，计算机可以通过板卡方便地读取脉冲计数值，也可测量脉冲的频率或产生一定频率的脉冲。考虑到现场强电的干扰，该类型板卡多采用光电隔离技术，使计算机与现场信号之间全部隔离，来提高板卡测量的抗干扰能力。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置图2-5所示的研华PCI-1780U计数器/定时器卡，是基于PCI总线设计的接口卡。该卡使用了AM9513芯片，能够通过CPLD实现计数器/定时器功能。此外，该卡还提供8个16位计数器通道，并具有8通道可编程时钟资源，8路TTL数字量输出/8路TTL数字量输入，最高输入频率达20MHz，有多种时钟可以选择，可编程计数器输出，同时有计数器门选通功能。3.数据采集卡的选用原则目前市面上可以见到的数据采集卡的种类繁多，功能各异，给最终用户的选择带来了一定的困难。为了帮助测试系统设计人员合理选择适合的数据采集卡，这里给出以下几点建议以供参考：上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（1）从系统功能需要出发来选择，不要盲目追求先进性。必须意识到，系统的先进性是一项总体指标，不是由任何一个组成部分决定的，盲目地追求部分最优只会造成总体功能的浪费。例如，一个测试系统对数据采集卡的需求是精度不低于1%，查阅产品数据手册可知，普通PCI数据采集卡已能完全满足要求，且留有足够的余地，此时如果选择高精度数据采集卡就会造成功能的不匹配，增加系统的总体成本，降低系统的性价比，因此，是不可取的方案。（2）从系统总体功能要求出发来考虑配置。例如，一采集卡要求的采样速度为50KB/s，但需要配合复杂的外围电路来实现对特定频率噪声的滤波，此时选择采样速度为500KB/s的采集卡，价格只是略有提高。在这种情况下可以通过对输入信号进行过采样，通过后续的软件滤波方法来消除相应的噪声，从而不再需要原来的外围滤波电路，从总体上看，降低了系统的成本，提高了系统的可靠性，因此是更为可取的方案。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（3）在满足系统功能需要的前提下，选择性价比较高的板卡。PCI采集卡发展到今天，技术已十分成熟，尤其在低端产品领域，国内的水平已同进口产品相差无几，在这种情况下，选择价格比国内同类产品高很多的进口产品是不明智的。（4）以精度为主要指标进行选择，一些缺乏经验的用户往往被某些产品的分辨率即位数指标吸引，而忽略了其实际的精度。必须意识到，分辨率不等于精度。（5）可能的条件下，尽量选用多功能板卡。一些硬件厂家为了满足用户的需求，推出了将A/D、D/A、I/O、计数等功能集成到同一块板卡的多功能卡。同单一功能卡相比，这种多功能卡的价格只是略有提高，而功能却得到了极大的扩展。以上的几个原则在某些情况下是相互矛盾的，选择时应从总体性价比最优的角度出发，灵活运用具体的原则。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置二、工业控制计算机（IPC）工业控制计算机（IndustrialPersonalComputer,IPC），是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机。它是以计算机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信号，再根据控制要求将处理结果输出到控制器，去控制生产过程，同时对生产进行监督和管理。工控机在硬件上由生产厂家按照某种标准总线设计制造为符合工业标准的主机板及各种I/O模块，设计者和使用者只要选用相应的功能模块，像搭积木似地灵活地构成各种用途的计算机控制装置；而在软件上，利用熟知的系统软件和工具软件编制或组态相应的应用软件，就可以非常便捷地完成对生产流程的集中控制与调度管理。工控机通俗地说就是专门为工业现场而设计的计算机。它最初是在商用的个人计算机基础上进行改装、加固并用于工业生产过程控制的计算机，现在已经形成为一种专用的计算机系列。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置目前，市场上的IPC多种多样，按照所采用的总线标准类型工控机分四类：PC总线工控机、STD总线工控机、VME总线工控机、多总线工控机。不同类型的IPC其性能、价格和适用场合是不同的。本节介绍的工控机主要是指PC总线工控机。1.工控机硬件组成典型的工控机由加固型工业机箱、工业电源、主机板、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输入/输出接口模块、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成。图2-6（a）是工控机的主机箱外部结构，图2-6（b）是主机箱的内部结构。工控机的各部件均采用模块化结构，即在一块无源的并行底板总线上，插接多个功能模块组成一台工控机。工控机的系统结构如图2-7所示。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（1）主机板：主机板是工控机的核心，基本功能是执行程序和处理数据，所采用的元器件都经过严格筛选，并满足工业标准，并且是一体化（all-in-one）主板，以易于更换。如图2-8所示，主板上集成了通信接口（RS-232、RJ-45等）、外设接口（IDE、FDD、键盘、鼠标）、RAM插槽（168线、72线），有的还有显示器接口（CRT、LCD等）。主板一般采用标准总线，如ISA、PCI、CompactPCI等。（2）系统总线：系统总线可分为内部总线和外部总线。内部总线是工控机内部各组成部分之间进行信息传送的公共通道，是一组信号线的集合。常用的内部总线有ISA总线和PCI总线。外部总线是工控机与其他计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用外部总线有RS-232C、RS-485和IEEE-488通信总线。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（3）I/O模块：I/O模块是工控机和生产过程之间进行信号传递和变换的连接通道。其包括模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量（开关量）输入通道（DI）、数字量（开关量）输出通道（DO）。输入通道的作用是将生产过程的信号变换成主机能够接收和识别的代码，输出通道的作用是将主机输出的控制命令和数据进行变换，作为执行机构或电气开关的控制信号。（4）人机接口：人机接口包括显示器、键盘、打印机以及专用操作显示台等。通过人机接口设备，操作员与计算机之间可以进行信息交换。人机接口既可以用于显示工业生产过程的状况，也可以用于修改运行参数。（5）通信接口：通信接口是工控机与其他计算机和智能设备进行信息传送的通道，常用IEEE-488、RS-232C和RS-485接口。为方便主机系统集成，USB总线接口技术正日益受到重视。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（6）系统支持：系统支持功能主要包括：监控定时器、电源掉电监测、后备存储器、实时日历时钟等。（7）磁盘系统：磁盘系统可以用半导体虚拟磁盘，也可以配通用的软磁盘和硬盘或采用U盘。2.工控机软件组成工控机的硬件构成了工业控制机系统的设备基础，要真正实现生产过程的计算机控制必须为硬件提供相应的计算机软件，才能实现控制任务。软件是工控机的程序系统，可分为系统软件、工具软件、应用软件三部分。（1）系统软件：系统软件用来管理工控机的资源，并以简便的形式向用户提供服务。其包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国英特尔公司的iRMx86实时多任务操作系统。除了实时多任务操作系统以外，也常使用MS-DOS，特别是Windows软件。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（2）工具软件：工具软件是技术人员从事软件开发工作的辅助软件，包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。（3）应用软件：应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。通常包括过程输入输出程序、过程控制程序、人机接口程序、打印显示程序及公共子程序等。计算机控制系统随着硬件技术的高速发展，对软件也提出更高的要求。只有软件和硬件相互配合，才能发挥计算机的优势，研制出具有更高性价比的计算机控制系统。目前，工业控制软件正向组态化、结构化方向发展。3.工控机特点（1）可靠性高：生产厂家在生产时都做了特别处理，如印刷电路板合理布线，元器件老化筛选，采用工业电源、密封机箱正压送风，带有“看门狗”系统支持板等，极大地提高了可靠性。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（2）实时性好：工控机对生产过程进行实时控制与监测，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化。当过程参数出现偏差或故障时，工控机能及时响应，并能实时地进行报警和处理。为此工控机需配有实时多任务操作系统。（3）环境适应能力强：要求工控机具有很强的环境适应自适应能力，如温度、湿度变化范围要高；要有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力；要具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力以及高共模抑制的能力。（4）过程输入/输出配套较好：工控机要具有丰富的多种功能的过程输入/输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入/输出模板。具有多种类型的信号调理功能，如隔离型和非隔离型信号调理各类热电偶，热电阻信号输入调理，电压和电流信号输入/输出信号的调理等。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（5）系统开放性好：工控机具有开放性体系结构，也就是说在主机接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，以便于系统扩充、异种机连接、软件的可移植和互换。（6）控制软件包功能强：工控软件包要具备人机交互方便、界面丰富、实时性好等性能；具有系统组态和系统生成功能；具有实时及历史的趋势记录与显示功能；具有实时报警及事故追忆等功能。此外尚需具有丰富的控制算法，除了常规PID（比例、积分、微分）控制算法外，还应具有一些高级控制算法，如模糊控制、神经元网络、优化、自适应、自整定等算法，并具有在线自诊断功能。目前一个优秀的控制软件包往往将连续控制功能与断续控制功能相结合。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置4.IPC的总线接口微机系统采用由大规模集成电路LSI芯片为核心构成的插件板，多个不同功能的插件板与主机板共同构成微机系统。构成系统的各类插件板之间的互联和通信通过系统总线来完成。这里的系统总线不是指中央处理器内部的三类总线，而是指系统插件板交换信息的板级总线。这种系统总线就是一种标准化的总线电路，它提供通用的电平信号来实现各种电路信号的传递。同时，总线标准实际上是一种接口信号的标准和协议。（1）内部总线。内部总线是指微机内部各功能模块间进行通信的总线，也称为系统总线。它是构成完整微机系统的内部信息枢纽。工控机采用内部总线母板结构，母板上各插槽的引脚都连接在一起，组成系统的多功能模块插入接口插槽，由内部总线完成系统内各模块之间的信息传送，从而构成完整的计算机系统。各种型号的计算机都有自身的内部总线。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置目前工控领域应用较多的内部总线有STD总线、ISA总线和PCI总线。下面主要介绍后两种。①SA总线。ISA（IndustryStandardArchitecture）总线是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线，它是对XT总线的扩展，以适应8位或16位数据总线要求。它推出后得到广大计算机同行的认可，兼容这一标准的微型计算机纷纷问世，直到现在，许多以Pentium芯片为CPU的计算机上仍然有ISA插槽。ISA总线的优势是：ISA总线结构的模块种类最多，性能稳定，技术成熟，价格便宜；ISA总线性能基本上能够满足多数测控领域需求；具备了用ISA总线模块来构成系统的能力，也就基本上具备了用其他总线模块来构成系统的能力。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置②PCI总线。PCI（PeripheralComponentInterconnect）是计算机外围设备互连的意思。1992年由Intel发布，很快就成为商用计算机的总线标准。发展至今，PCI实际上已经不是一个简单的总线标准，而是一类标准。例如，从使用的电源电压来分，就有5V和3.3V两个版本；从总线时钟频率来分可以有33.3MHz和66MHz两种；从总线的宽度来分可以有32位和64位两种。PCI原线的主要特点是：PCI总线时钟为33MHz，与CPU时钟无关，总线带宽为32位，可扩充到64位；PCI传输率高，能提高硬盘、网络界面卡的性能，充分发挥影像、图形及各种高速外围设备的性能；PCI采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，从而节省线路空间，降低设计成本。图2-9所示为某型号工控机无源母板上的PCI和ISA插槽，其中白色插槽为PCI插槽，黑色插槽为ISA插槽。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（2）外部总线。外部总线是指用于计算机与计算机之间或计算机与其他智能外设之间的通信线路。常用的外部总线有IEEE-488并行总线、RS-232串行总线和RS-485通信总线。三、认识PCI-1710HG多功能数据采集卡PCI-1710HG多功能板卡是研华（中国）公司生产的一款低成本的PCI总线的多功能数据采集卡。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：12位A/D转换、2路D/A转换、16路数字量输入、16路数字量输出及计数器/定时器功能。PCI-1710HG多功能板卡的主要性能如下：（1）即插即用功能。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置PCI-1710/1710HG板卡完全符合PCI规格Rev2.1标准，支持即插即用。在安装插卡时，用户不需要设置任何跳线和DIP拨码开关。实际上，所有与总线相关的配置，比如基地址、中断，均由即插即用功能完成。（2）单端或差分混合的模拟量输入。PCI-1710/1710HG板卡有一个自动通道/增益扫描电路。该电路能代替软件控制采样期间多路开关的切换。卡上的SRAM存储了每个通道不同的增益值及配置，这种设计能让您对不同通道使用不同增益，并自由组合单端和差分输入来完成多通道的高速采样。（3）卡上FIFO（先入先出）存储器。PCI-1710/1710HG板卡上有一个FIFO缓冲器，它能存储4KB的A/D采样值。当FIFO半满时，PCI-1710/1710HG板卡会产生一个中断。该特性提供了连续高速的数据输入及Windows下更可靠的性能。（4）卡上可编程计数器。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置PCI-1710/1710HG板卡提供了可编程的计数器，用于为A/D变换提供可触发脉冲。计数器芯片为82C54或与82C54兼容的芯片，它包含了三个16位的10MHz时钟的计数器。其中有一个计数器作为事件计数器，用于对输入通道的事件进行计数。另外两个级联在一起，用作脉冲触发的32位定时器。【任务实施】一、用数据采集卡组成测控系统用PCI-1710HG板卡构成完整的测控系统还需要接线端子板和通信电缆，如图2-10所示。电缆采用PCL-10168型，如图2-11所示。是两端针型接口的68芯SCSI-Ⅱ电缆，用于连接板卡与ADAM-3968接线端子板。该电缆采用双绞线，并且模拟信号线和数字信号线是分开屏蔽的，这样能使信号间的交叉干扰降到最小，并使EMI/EMC问题得到了最终的解决。接线端子板采用ADAM-3968型，如图2-12所示，是DIN导轨安装的68芯SCSI-Ⅱ接线端子板，用于各种输入输出信号线的连接。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置用PCI-1710HG板卡构成的控制系统框图如图2-13所示。使用时用PCL-10168电缆将PCI-1710HG板卡与ADAM-3968接线端子板连接，这样PCL-10168的68个针脚和ADAM-3968的68个接线端子一一对应。接线端子板各端子的位置及功能如图2-14所示，信号描述如表2-2所示。二、PCI-1710HG板卡设备的安装PCI系列数据采集卡的安装比较简单，对于研华公司的PCI系列数据采集卡来讲，只要先在系统中装好驱动程序然后关机—插卡—开机，系统就可以自动找到新硬件并自动安装相应的驱动程序。首先需要进入研华公司官方网站“”找到并下载下列程序：PCI1710.exe、DevMgr.exe、PortIO.exe、All_Examples.exe、Utility.exe等。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置1.安装设备驱动程序在测试板卡和使用研华驱动编程之前必须首先安装研华设备管理程序DeviceManager和32位DLL驱动程序。首先执行DevMgr.exe程序，根据安装向导完成配置管理软件的安装。接着执行PCI1710.exe程序，按照提示完成驱动程序的安装。安装完DeviceManager后，相应的设备驱动手册DeviceDriver’sManual也会自动安装。有关研华32位DLL驱动程序的函数说明、例程说明等资料在此获取。快捷方式的位置为：开始\程序\AdvantechAutomation\DeviceManager\DeviceDriver’smanual。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置2.安装硬件关闭计算机电源，打开机箱，将PCI-1710HG板卡正确地插到一空闲的PCI插槽中，如图2-15所示，检查无误后合上机箱。注意：在用手持板卡之前，请先释放手上的静电（如通过触摸计算机机箱的金属外壳释放静电），不要接触易带静电的材料（如塑料材料），手持板卡时只能握它的边沿，以免手上的静电损坏面板上的集成电路或组件。重新开启计算机，进入WindowsXP系统。首先出现“找到新的硬件向导”对话框，选择“自动安装软件”项，然后单击“下一步”按钮，计算机将自动完成AdvantechPCI-1710HGDevice驱动程序的安装。系统自动地为PCI板卡设备分配中断和基地址，用户无需关心。注意：一些其他公司的PCI设备一般都会提供相应的.inf文件，用户可以在安装板卡的时候指定相应的.inf文件给安装程序。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置检查板卡是否安装正确。鼠标右键单击“我的电脑”图标，选择“属性”项，弹出“系统属性”对话框，选中“硬件”项，单击“设备管理器”按钮，进入“设备管理器”画面。若板卡安装成功后会在设备管理器列表中出现PCI-1710HG的设备信息，如图2-16所示。从“资源”选项卡中，可获得计算机分配给板卡的地址输入输出范围：C000-C0FF，其中首地址为C000，分配的中断号为22，如图2-17所示。3.配置板卡在测试板卡和使用研华驱动编程之前必须首先对板卡进行配置，配置通过研华板卡配置软件DeviceManager来实现。从“开始菜单\所有程序\AdvantechAutomation\DeviceManager”打开设备管理程序“AdvantechDeviceManager”，如图2-18所示。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置当用户的计算机上已经安装好某个产品的驱动程序后，设备管理软件支持的设备列表前没有红色叉号，说明驱动程序已经安装成功。例如，图2-18中“SupportedDevices”列表的“AdvantechPCI-1710/L/HG/HGL”前面就没有红色叉号，选中该板卡，单击“Add”按钮，该板卡信息就会出现在“InstalledDevices”列表中。PCI总线的插卡插好后计算机操作系统会自动识别，在“AdvantechDeviceManagerde”界面的“InstalledDevices”栏中“MyComputer”下会自动显示出所插入的器件，这一点和ISA总线的板卡不同。单击“Setup”按钮，弹出“PCI-1710/L/HG/HGLDeviceSetting”对话框，如图2-19所示。在对话框中可以设置A/D通道是单端输入还是差分输入，可以选择两个D/A转换输出通道通用的基准电压来自外部还是内部，也可以设置基准电压的大小（0~5V还是0~10V），设置好后，单击“OK”按钮即可。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置4.板卡测试可以利用板卡附带的测试程序对板卡的各项功能进行测试。运行设备测试程序：在研华设备管理程序“AdvantechDeviceManager”对话框中单击“Test”按钮，出现“AdvantechDeviceTest”对话框，通过不同选项卡可以对板卡的“AnalogInput”“Analogoutput”“Digitalinput”“Digitaloutput”“Counter”等功能进行测试。（1）模拟量输入功能测试。选择“Analoginput”选项卡，如图2-20所示。测试界面说明如下：●ChannelNo：模拟量输入通道号（0~16）。●Inputrange：输入电压范围选择。●Analoginputreading：模拟量输入通道读取的电压数值。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置●Channelmode：通道设定模式。●Samplingperiod：采样时间间隔。测试时可用PCL-10168电缆将PCI-1710HG板卡与ADAM-3968接线端子板连接，这样PCL-10168的68个针脚就和ADAM-3968的68个接线端子一一对应，可通过将输入信号连接到接线端子来测试PCI-1710HG的管脚。（2）模拟量输出功能测试。选择“Analogoutput”选项卡，如图2-21所示。两个模拟输出通道可以通过软件设置选择输出正弦波、三角波、方波，也可以设置输出波形频率以及输出电压幅值。上一页下一页返回任务1数据采集卡的安装与设置（3）数字量输入功能测试。选择“Digitalinput”选项卡，如图2-22所示。用户可以方便地通过数字量输入通道指示灯的颜色，知道相应数字量输入通道输入的是低电平还是高电平（红色为高，绿色为低）。（4）数字量输出功能测试。选择“Digitaloutput”选项卡，如图2-23所示。用户可以通过单击界面中的方框将对应的输出通道设为高电平或低电平，高电平为+5V，低电平为0V。用电压表测试相应管脚，可以测到这个电压。（5）计数器功能测试。选择“Counter”选项卡，如图2-24所示。用户可以选择Eventcounting（事件计数）或者Pulseout（脉冲输出）两种功能。选择事件计数时，将信号发生器输出接到管脚CNT0_CLK，当CNT0_GATE悬空或接+5V时，事件计数器开始计数。上一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制【任务要求】构建由PC与数据采集卡组成的开关量控制系统，具体要求如下：（1）实现硬件电路与数据采集卡的硬件连接；（2）实现数据采集卡参数的正确设置；（3）实现PC与数据采集卡的硬件连接并能够正常通信；（4）完成开关量控制系统的组态、运行、调试。【任务分析】构建由PC与数据采集卡组成的开关量控制系统，首先要了解计算机控制系统的信号类型、过程通道的含义及分类，了解PC与数据采集卡的通信协议及通信方式，然后按照任务要求，完成PC与数据采集卡的硬件连接，完成数据采集卡的参数设置，最后使用组态王软件完成系统的组态、调试、运行。下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制【相关知识】一、计算机控制系统的信号类型要对生产过程实现自动控制，就必须对它的运行状态进行检测。生产过程中的开关信号、脉冲信号、数字编码信号等，可通过数字量输入通道输入计算机。生产过程中还有许多信号（诸如压力、流量、温度、液面高度等）是随着时间连续变化的模拟信号，由传感器和变送器把它们转换为模拟的电流或电压信号，这些信号需通过模拟量输入通道转换为数字信号才能送入计算机。不同的信号有着各自的特征和处理要求，在实际工程中，通常将这些信号分为模拟量信号、开关量信号和脉冲量信号三大类。针对某个生产过程设计一套计算机控制系统，必须了解输入输出信号的规格、接线方式、精度等级、量程范围、线性关系、工程量换算等诸多要素。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制1.模拟量信号许多来自现场的检测信号都是模拟信号，如液位、压力、温度、位置、pH值、电压、电流等，通常都是将现场待检测的物理量通过传感器转换为电压或电流信号；许多执行装置所需的控制信号也是模拟量，如调节阀、电动机、电力电子的功率器件等的控制信号。模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号；另一种是由仪器、变送器输出的4~20mA的电流信号或1~5V的电压信号。这些模拟信号经过采样和A/D转换输入计算机后，常常要进行数据正确性判断、标度变换、线性化等处理。模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制图2-25是以处理模拟信号为主的前向通道结构示意图。热敏电阻通过电桥将电阻阻值的变化量转换为电压信号，热电偶把温度信号转换为电势信号输出。这些信号经放大、线性化处理、A/D转换后送入计算机接口电路。大电流信号需要分流衰减，大电压信号需要分压衰减，高速变化的信号需要采样保持后，才能进行A/D转换；对输出电流信号的传感器，需要将电流信号转换为电压信号，才能进行A/D转换。为防止现场对计算机系统的干扰，在前向通道中通常还要有光电或变压器隔离措施。2.数字（开关）量信号有许多的现场设备往往只对应于两种状态，例如，按钮、行程开关的闭合和断开、电机的起动和停止、指示灯的亮和灭、仪器仪表的BCD码、继电器或接触器的释放和吸合、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，可以用开关输出信号去控制或者对开关输入信号进行检测。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制开关信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是0就是1。数字信号的特点是只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。开关量信号反映了生产过程、设备运行的现行状态、逻辑关系和动作顺序。3.脉冲量信号当开关量按一定频率变化时，则该开关量就可以视为脉冲量，也就是说脉冲量具有周期性。测量频率、转速等参数的传感器都是以脉冲频率的方式反映被测值的，有一些测流量的传感器或变送器，也是以脉冲频率为输出信号。在运动控制中，编码器送出的信号也是脉冲信号，根据脉冲的数目，可以获得电动机角位移以及转速的信息。另外，也可以通过输出脉冲来控制步进电动机转角或速度。脉冲量信号的幅值通常有TTL电平、CMOS电平、24VDC电平和任意电平等几种规格。实际上，数据采集卡的逻辑部件都是TTL/CMOS规格，其中的过程通道将不同幅值的脉冲量信号转换成了TTL/CMOS电平。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制图2-26给出了以处理数字信号和脉冲信号为主的过程通道结构。感应开关、机械式行程开关产生的信号经电平转换电路变为接口电路能接收的开关信号（通常为TTL电平）；转速传感器产生的信号经整型成为边沿较好的脉冲信号，利用计数器记录收到的脉冲数；V/F（电压/频率）转换器输出的是频率信号，可经计数器或直接送入接口电路；角度编码器输出的数字信号需经相位鉴别和锁存后，再送往计算机。传感器输出的数字信号通常需要经光电隔离后送往计算机接口电路。许多智能化传感器有串行数字输出功能，可经隔离电路送往串行接口；具有现场总线的传感器，已将过程通道的功能集成在传感器内部，因此，可直接与现场总线相连。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制二、过程通道过程通道是计算机控制系统中计算机和生产过程之间设置的信息传送和交换的物理连接通道。包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量（开关量）输入通道及数字量（开关量）输出通道。生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机，计算机经过计算和处理后所得到的结果通过模拟量输出通道或数字量输出通道送到生产过程，从而实现对生产过程的控制。1.模拟量输入通道模拟量输入通道是计算机用于工业控制、自动测试、计算机辅助医疗诊断、机器人等科学研究时必需的模拟数据处理系统。它把各类传感器从现场检测到的模拟量信号如温度、压力等转换成计算机可以接收的数字量信号。建立模拟量输入通道的目的，通常是为了进行参数测量或数据采集。它的核心部件是A/D转换器及其微处理机的接口。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制如图2-27所示为模拟量输入通道的组成结构，图中，生产过程中的温度、压力等过程参数由传感元件检测，经过信号调理或经变送器转换为电流（或电压）形式后，再送至多路开关；在计算机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。模拟量输入通道各部分电路作用如下：（1）传感器：将过程量转换为电信号。（2）放大电路：对微弱的电信号进行放大。（3）多路转换开关：将多路模拟信号按要求分时输出。（4）采样保持：对模拟信号进行采样，在模/数转换期间保持采样信号不变。（5）A/D转换：即模/数转换，将模拟信号转换为二进制数字量。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（6）接口电路：提供模拟输入通道与计算机之间的控制信号和数据传送通路。2.模拟量输出通道模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。模拟量输出通道一般由接口电路，D/A转换器，V/I变换等部分组成。模拟量输出通道的结构形式，主要取决于输出保持器的构成方式。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（1）一个通路设置一个D/A转换器的形式。如图2-28所示，微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息，这是一种数字保持的方案。它的优点是转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其他通路的工作；缺点是使用了较多的D/A转换器。但随着大规模集成电路技术的发展，这个缺点正在逐步得到克服，因而这种方案较易实现。（2）多个通路共用一个D/A转换器的形式。图2-29所示为共用一个D/A系统的结构。因为共用一个D/A转换器，故必须在计算机控制下分时工作，即依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给采样保持器。这种结构形式的优点是节省了D/A转换器，但因为分时工作，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它还要用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大。这种方案的可靠性较差。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制长距离电压信号传输时容易引入干扰，而电流信号的传输具有较强的抗干扰能力。工业上许多仪表也是输出电流信号，如DDZ-Ⅱ型仪表以0~10mA的电流作为联络信号，DDZ-Ⅲ型为4~20mA。但多数放大器、D/A转换器的输出信号为电压信号，需经U/I转换电路将电压信号转换成电流信号，因此在有些系统中需要增加U/I转换器。在生产过程中有一类最基本的输入输出信号，即数字量（开关量）信号。比如，开关的闭合和断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器的吸合与释放，电机的启动与停止，阀门的开关等，这些信号的共同特征是它们都是有两个状态来工作的，这反映到计算机里就可以以二进制的逻辑“1”和“0”来表示，因此在计算机控制系统中，对应的二进制数码的每一位都可以代表生产过程中某一个二值设备的一个工作状态。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制3.开关量输入通道开关量输入通道的任务主要是将现场输入的开关信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号。开关量输入通道在控制系统中主要起以下作用：（1）定时记录生产过程中某些设备的状态，例如电动机是否在运转、阀门是否开启等。（2）对生产过程中某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。若有异常及时向主机发出中断请求信号，申请故障处理，保证生产过程的正常运转。数字量输入过程通道主要由输入缓冲器、输入调整电路、地址译码器等组成，如图2-30所示。从图中可以看出，对于生产过程的开关量设备的状态信息首先要经过输入调整电路的处理，把开关量信号转换成计算机能够接受的逻辑信号，然后由输入缓冲器对其进行缓冲，在地址译码电路的协调下，在适当的时机把信号读入到计算机内部进行运算处理。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制4.开关量输出通道对于只有两种工作状态的执行机构或器件，用计算机控制系统输出开关量来控制它们，例如控制电机的启动和停止，信号指示灯的亮和灭，电磁阀的打开与关闭，继电器的接通与断开，步进电动机的运行等。开关量输出通道的任务就是把计算机输出的开关信号传送给这些执行机构或器件。数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、地址译码器组成，如图2-31所示。从图中可以看出，计算机要想输出数字量信号去控制生产过程中的开关器件，首先要由CPU给出要输出的地址，然后把数据经过输出锁存器在合适的时机到来后输出给输出驱动器，由它转换成生产过程中需要的信号去控制现场设备。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制【任务实施】一、计算机开关量输入控制开关量信号反映了生产过程、设备运行的现行状态、逻辑关系和动作顺序。例如行程开关可以指示出某个部件是否达到规定的位置，如果已经到位则行程开关接通，并向工控机系统输入一个开关量信号。有许多的现场设备往往只对应于两种状态，例如按钮、行程开关的闭合和断开，电动机的起动和停止，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的释放和吸合，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭等。计算机控制系统通过开关量输入板卡采集工业生产过程的离散输入信号，本项目采用PCI-1710HG多功能板卡的开关量输入通道来完成开关信号的检测。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（一）设备清单及硬件线路1.设备清单本任务用到的硬件和软件为：IPC（或者PC）、PCI-1710HG数据采集卡、PCL-10168数据线缆、ADAM-3968接线端子（使用数字量输出DI通道）、开关、电气开关、光电接近开关、继电器、指示灯、直流电源（DC24V）、组态王Kingview6.5。2.硬件线路如图2-32所示，由电气开关和光电接近开关分别控制两个继电器，每个继电器都有2路常开和常闭开关，其中，2个继电器的一个常开开关接指示灯，由电气开关控制的继电器的另一常开开关接板卡数字量输入0通道（管脚56和48），由光电接近开关控制的继电器的另一常开开关接板卡数字量输入1通道（管脚22和48）。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（二）利用组态王实现模拟量输出1.建立新工程项目在工程名称文本框中输入“DI”，在工程描述文本框中输入“数字量输入项目”。2.定义板卡设备选择工程浏览器左侧大纲项“设备”中的“板卡”，在右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择智能模块→研华PCI板卡→PCI1710。（1）单击“下一步”按钮，给要安装的设备指定唯一的逻辑名称，如：“PCI1710HG”。（2）单击“下一步”按钮，填写设备地址：“C000”，（与板卡所在插槽的位置有关）。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（3）单击“下一步”按钮，设置通信参数（一般情况下使用系统默认设置即可）。（4）单击“下一步”按钮，显示所安装设备的所有信息，检查各项设置是否正确。确认无误后，单击“完成”按钮。3.定义变量选择工程浏览器左侧大纲项“数据库/数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“定义变量”对话框。（1）定义变量“开关量输入”。变量“开关量输入”的定义如图2-33所示。变量类型选I/O整数，连接设备选“PCI1710HG”，寄存器为“DI0”，数据类型选“USHORT”，读写属性为只读。（2）定义变量“指示灯”，变量类型选“内存离散”。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（3）定义变量“num”，变量类型选“内存整数”，初始值为“0”，最小值为“0”，最大值为“9999”。4.制作图形画面画面名称为“开关量检测”，通过图库在图形画面中添加1个指示灯对象；通过工具箱添加3个文本对象，一个按钮对象“关闭”，如图2-34所示。5.建立动画连接（1）建立信号指示灯对象动画连接，将指示灯对象与变量“指示灯”连接起来。（2）建立计数器文本对象“000”动画连接，将开关计数器文本对象“000”的“模拟量输出”属性与变量“num”连接起来。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（3）建立按钮对象的动画连接，双击按钮对象“关闭”，出现动画连接对话框，选择命令语言连接功能，单击“弹起时”按钮，在“命令语言”编辑栏中输入以下命令：“exit（0）；”。6.编写命令语言选择工程浏览器左侧大纲项“文件/命令语言/数据改变命令语言”，在右侧双击“新建”，弹出“数据改变命令语言”对话框，在“变量［.域］”文本框中输入“\\本站点\开关量输入”，在编辑栏中输入相应语句，单击“确认”按钮，如图2-35所示。7.调试与运行设计完成后，在开发系统“文件”菜单中执行“全部存”命令，将设计的画面和程序全部存储。启动画面运行程序。（1）打开或关闭线路中的电气开关，线路中的指示灯1亮或灭，程序画面中指示灯也会同步亮或灭。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（2）用任何反光物体遮挡或离开光电接近开关时，线路中的DI指示灯2亮或灭，程序画面中的开关计数器文本中的数字从1开始累加。程序运行画面如图2-36所示。二、计算机开关量输出控制有许多的现场设备往往只对应于两种状态，例如电动机的起动和停止、指示灯的亮和灭、继电器或接触器的释放和吸合、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，它们都可以用开关量输出信号去控制。开关量输出信号可以分为两种形式，一种是电压输出，另一种是继电器输出。电压输出一般是通过晶体管的通断来直接对外部提供电压信号。继电器输出则是通过继电器触点的通断来提供信号；电压输出方式的速度比较快且外部接线简单，但带负载能力弱；继电器输出方式则与之相反。对于电压输入，又可分为直流电压和交流电压，相应的电压幅值可以有5V、12V、24V和48V等多个等级。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制测控系统中可通过开关量输出板卡对生产过程或控制设备进行开关式控制，本项目采用PCI-1710HG多功能板卡的开关量输出通道来完成现场设备的控制。（一）设备清单及硬件线路1.设备清单本任务用到的硬件和软件为：IPC（或者PC）、PCI-1710HG数据采集卡、PCL-10168数据线缆、ADAM-3968接线端子（使用数字量输出DO通道）、继电器、指示灯、直流电源（DC24V）、电阻（10kΩ）、晶体管，组态王Kingview6.5。2.硬件线路如图2-37所示，板卡数字量输出1通道（管脚13和39）接晶体管基极，当计算机输出控制信号置13脚为高电平时，晶体管导通，继电器常开触点KM闭合，指示灯亮；当置13脚为低电平时，晶体管截止。继电器常开触点KM打开，指示灯灭。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（二）利用组态王实现数字量输出1.建立新工程项目在工程名称文本框中输入“DO”，在工程描述文本框中输入“数字量输出项目”。2.定义板卡设备选择工程浏览器左侧大纲项“设备”中的“板卡”，在右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择智能模块→研华PCI板卡→PCI1710。（1）单击“下一步”按钮，给要安装的设备指定唯一的逻辑名称，如：“PCI1710HG”。（2）单击“下一步”按钮，填写设备地址：“C000”，（与板卡所在插槽的位置有关）。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制（3）单击“下一步”按钮，设置通信参数（一般情况下使用系统默认设置即可）。（4）单击“下一步”按钮，显示所安装设备的所有信息，检查各项设置是否正确。确认无误后，单击“完成”按钮。3.定义变量选择工程浏览器左侧大纲项“数据库/数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“定义变量”对话框。（1）定义变量“开关量输出”。变量“开关量输入”的定义如图2-38所示。变量类型选“I/O整数”，连接设备选“PCI1710HG”，寄存器为“DO0”，数据类型选“USHORT”，读写属性为只读。（2）定义变量“指示灯”，变量类型选“内存离散”。（3）定义变量“开关”，变量类型选“内存离散”上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制4.制作图形画面画面名称为“开关量控制”，通过图库在图形画面中添加1个开关对象；通过工具箱添加一个按钮对象“关闭”，并用“直线”工具划线将开关和指示灯连接起来，如图2-39所示。5.建立动画连接（1）建立指示灯对象动画连接。将指示灯对象与变量“指示灯”连接起来，如图2-40所示。（2）建立开关对象动画连接。将开关对象与变量“开关”连接起来，如图2-41所示。（3）建立按钮对象“关闭”动画连接。按钮“弹起时”执行命令：“exit（0）；”。上一页下一页返回任务2基于数据采集卡的开关量控制6.编写命令语言在组态王工程浏览器的左侧选择“命令语言\数据改变命令语言”，在右侧双击“新建”图标，弹出“数据改变命令语言”对话框，在“变量［.域］”文本框中输入“\\本站点\开关”（或选择），在编辑栏中输入相应语句，如图2-42所示。7.调试与运行设计完成后，在开发系统“文件”菜单中执行“全部存”命令，将设计的画面和程序全部存储。启动画面运行程序。在工程浏览器中，单击快捷工具栏上“VIEW”按钮启动运行系统。启动或关闭画面中的开关，画面中指示灯亮或灭（颜色改变），同时，线路中DO指示灯亮或灭，如图2-43所示。上一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制【任务要求】构建由PC与数据采集卡组成的开关量控制系统，具体要求如下：（1）实现硬件电路与数据采集卡的硬件连接；（2）实现数据采集卡参数的正确设置；（3）实现PC与数据采集卡的硬件连接并能够正常通信；（4）完成模拟量检测系统的组态、运行、调试。【任务分析】构建由PC与数据采集卡组成的模拟量控制系统，首先要掌握传感器的定义、功能以及应用场合，执行器的定义、功能以及特点，了解PC与数据采集卡的通信协议及通信方式；然后，按照任务要求，完成PC与数据采集卡的硬件连接，完成数据采集卡的参数设置；最后，使用组态王软件完成系统的组态、调试、运行。下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制【相关知识】一、传感器简介在工业控制过程中，很多被测量都是非电量，在采集这些非电量并送入计算机控制系统前，需要将非电量转换为电量，因此也称传感器是一种将被测量变换成电量的装置。在一个现代测控系统中，如果没有传感器，就无法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制。从广义的角度出发，传感器指的是在电子检测控制设备输入部分中起检测信号作用的组件。传感器是现代测控技术的基础。1.传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图2-44所示。控制系统中的传感器主要作用是将被测非电量转换成与其有一定关系的电量，为控制器提供信息，作为其实施控制的依据。传感器精度的高低会影响控制系统的精度，选择合适的传感器是非常重要的。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制转换电路又称为测量电路，主要用来将传感器输出的电信号进行处理和变换，如放大、运算、调制、数/模或模/数变换等，从而使这些输出信息便于显示和记录。从测量电路输出的信号通常输入到自动控制系统，以便对测量结果进行信息处理。有些传感器还带有显示电路，主要用来将测量电路输出的电信号显示成被测非电量的数值。被测数值可以采用模拟显示，也可以用数字显示。所测量的结果也可以由记录装置进行记录或由打印机打印出来。图2-45是一个测量压力p的电位器传感器结构简图，其中：部件1为弹簧管（敏感元件），部件2为电位器（传感元件）。当被测压力p变化时弹簧管移动，从而带动电位器电刷产生位移。电位器电阻的变化量反映了被测压力p的变化。在这个传感器中，弹簧管为敏感元件，电位器为传感元件。在电位器的两端加上电源后，电刷上输出的是与压力成一定关系的电压。只要测量出该电压值，经过换算也就得出被测压力。同时还可以看到，这个传感器中的电位器又属于转换电路。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制传感器的种类非常之多，检测的物理量也非常之广，但输出的信号以电量参数的形式为多，如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。在控制系统中，对输出信号为开关信号、脉冲信号和数字量的传感器处理比较方便，而对输出为模拟量的传感器，希望有规范的信号标准，一种做法是制定传感器的标准，另一种做法是通过专门的部件进行信号转换。前者典型的例子是热电阻和热电偶的工业标准。后者的实例就是采用变送器，将来自传感器的信号转换为标准信号输出，以便各种仪表和计算机统一处理。传感器的种类繁多，要满足我们在工程和研究实验中的要求，需要正确地选用适合的传感器，这不仅决定整个研究过程的成本、费用和效率，有时候甚至决定一项工作的成败，因此，传感器的选择具有十分重要的作用。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制2.传感器的种类传感器有许多种分类方法，最常用的分类方法有两种：一种是按被测物理量来分，另一种是按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器，常见的有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。按工作原理来划分，传感器主要有以下几种：（1）电阻式传感器。电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器和锰铜压阻传感器等。它与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。如图2-46所示为利用电阻应变式传感器研制的电子天平。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制（2）电容式传感器。电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单、体积小、动态响应好、灵敏度高、分辨率高、能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。如图2-47所示为电容式接近开关在液位测量控制中的应用。（3）电感式传感器。电感式传感器是根据改变磁路的几何尺寸，或者改变电感量或互感系数的电磁效应原理制成的。电感式传感器种类很多，主要有自感式、差动变压器式、电涡流式传感器三大类。主要用于位移、压力、振动、加速度等参数进行测量。电感式传感器具有结构简单、工作可靠、测量精度高、零点稳定、输出功率较大等一系列优点，在工业生产和科学研究领域得到了广泛的应用。如图2-48所示为使用电涡流式传感器研制的手持式裂纹测量仪。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制（4）压电式传感器。压电式传感器是利用某些电介质材料具有压电效应现象制成的。有些电介质材料在一定方向上受到外力（压力或拉力）作用而变形时，在其表面上产生电荷；外力去掉后，又回到不带电状态。这种将机械能转换成电能的现象，称为正压电效应，简称压电效应。压电传感器主要用来测量力、加速度、振动等非电物理量。如图2-49所示为压电式传感器在交通监测中的应用，将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎），进行车速监测、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）等，也可将其用于收费站地磅、机场滑行道等。（5）光电式传感器。光电式传感器在非电量测量及自动控制技术中占有重要的地位，它是根据光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。如图2-50光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制（6）热电式传感器。热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置，主要包括热电偶传感器（图2-51）和热电阻传感器。热电偶传感器的测温原理是热电效应，即把两种不同金属导体接成闭合回路，如果两接点温度不同，则在回路中就会产生热电势，这种由于温度不同而产生电动势的现象，称为热电效应。热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一，温度测量范围宽，一般在-180℃~2800℃的温度范围内均可使用，测量的精确度和灵敏度都较高，尤其在高温范围内，有较高的精度。热电偶在一般的测量和控制系统中，常用于高温区的温度检测。热电阻传感器测温基于热电阻现象，即导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的现象。利用物质的这一特性制成的温度传感器有金属热电阻传感器（简称热电阻）和半导体热电阻传感器（简称热敏电阻）。一般而言，前者温度升高，电阻值变大；后者温度升高，电阻值变小。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制3.传感器的发展方向随着实际生产中对传感器要求的不断提高以及科学技术的不断发展，今后传感器的发展方向主要体现在以下几个方面。（1）采用新材料和探究新理论来发展传感器：由于传感器都是利用材料的各种效应、特性等来实现非电量转换成电量的，因此应采用新材料并探究新理论来发展传感器。（2）发展数字式和智能型传感器：为适应计算机对信息的处理功能，需要发展数字式传感器。这样可以省去模/数转换电路而直接与计算机连接，形成传感器和计算机的微处理器相结合的一体化结构。同时还可以利用计算机网络技术实现自动检测和控制的网络化。（3）采用新技术、新工艺：为适应工业和实验中的非接触式检测的需要，应该更广泛地使用激光、微波、红外等新技术来发展传感器。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制（4）向小型化、集成化方向发展：由于科学技术的发展和测量领域的需要，传感器必须向小型化方向发展，以便减轻体积和重量，而小型化的基础是集成化，即利用现有的微电子加工技术，将敏感元件与测量电路集成在单个芯片上，实现传感器测量的一体化。二、执行器简介执行器是自动控制系统中一个重要的、不可缺少的组成部分。执行器的作用是接收计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。在有些生产现场，执行器是直接安装在工业设备上的，直接与介质接触，通常在高温、高压、深冷、高黏度、强腐蚀、易结晶、闪蒸、汽蚀、易燃、剧毒等条件下工作，当执行器选择或运用不当时，往往给生产带来许多困难，甚至造成严重的生产事故。因此，对于执行器的选用、安装和维修等各个环节，必须给予足够的重视。执行器除了具备一般自动控制元件的性能外，还要具备以下几个技术特征。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制（1）较好的线性关系：执行器的输入和输出之间应有较好的线性关系，或在某一范围内能进行线性化处理。（2）时间常数小：执行器作为一个单独的控制环节来说，时间常数要小，响应要迅速、准确，尽量避免超前和滞后现象。（3）抗干扰能力强：性能优良的执行器工作过程中不能出现误动作，工作性能不受一般的电磁波干扰影响。执行器一般是根据所需能量形式（液压、气动和电动）和输出机构的特性来进行分类的。根据所使用的能源形式可分为气动执行器、电动执行器和液压执行器三大类。常用的执行机构为气动和电动的。气动执行器的特点是结构简单、价格低廉、防火、防爆；电动执行器的特点是体积小、种类多、使用方便；液压执行器的特点是推力大、精度高。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制执行器由执行机构和调节机构组成，执行机构是执行器的推动装置，它根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力和位移，推动调节机构动作。调节机构是执行器的调节部分，是可直接改变能量或物料输送量的装置，通常指调节阀。在电动执行器中执行机构和调节机构基本是可分的两个部件，在气动执行器中两者不可分，是一个整体。1.气动执行器以压缩空气为动力的执行机构称为气动执行机构。气动执行机构主要分为薄膜式与活塞式两大类。薄膜式执行机构应用最广。由于气动执行机构结构简单，价格低，输出推力大，防火防爆，动作可靠，维修方便，适用于防火、防爆场合，因此被广泛应用在化工、炼油生产中，在冶金、电力、纺织等工业部门也得到大量使用。气动执行机构与计算机的连接极为方便，只要将电量信号经电气转换器转换成标准的0.02~0.1MPa气压信号之后，即可与气动执行机构配用。如上海自动化仪表厂生产的QBH-1型气动毫伏变送器，可以将不同毫伏级输入信号转换成0.02~0.1MPa压力信号输出；DQ-2型电气转换器可以将0~10mA的直流信号转换成0.02~0.1MPa的压力信号。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制2.电动执行器电动执行器是工程上应用最多、使用最方便的一种执行器，可分为电机式和电磁式两类。在计算机控制系统中，所用的电动执行机构主要有两种：一种是作为直接拖动一般机械和机床等动力源的通用电动机；另一种是作为控制电机的微型电动机，这类电动机一般体积都不太大，功率较小，并且具有高可靠性、高精度和快速响应的特点。下面简单介绍几种常用的电动执行器和调节阀。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制（1）伺服电动机。伺服电动机又称执行电动机，在控制系统中作执行元件，它能把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，可使控制速度，位置的精度非常准确。伺服电机在信号来到之前，转子静止不动，信号到来之后，转子立即转动；信号消失后，转子又能立即自行停转。伺服电动机有直流和交流两类。直流伺服电动机的输出功率一般为1~600W，常用于功率较大的控制系统。交流伺服电动机的功率较小，一般为0.1~100W，用于功率较小的控制系统。伺服电动机通常需要与伺服驱动器构成一个伺服控制系统。伺服驱动器根据给定的输入电压或脉冲信号来控制伺服电动机，以达到要求的转速、转向和位置。对控制指标要求不高，功率输出较小的场合，可使用简单的直流伺服电动机，相应的驱动电路比较简单。对交流伺服电动机，通常需要选用商品化的驱动器产品。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制交流伺服电动机与驱动器的连接如图2-52所示。其中驱动器可通过连接本地的控制器由计算机控制，也可通过通信接口由远程上位控制器控制，伺服电动机的位置通过编码器输入给驱动器。根据需要还可配置外部制动电源，实现快速制动。另外，为安全和防止干扰，还需要配置断路器、滤波器和电抗器等。控制系统可通过驱动器监控交流伺服电动机的运行。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制（2）步进电动机。步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的电动机。步进电动机的输入是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。在正常工作情况下，步进电动机在输入脉冲信号控制下，以固定的角度（称为步距角或步进角）一步一步转动。通常步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个或半个步距角。可以通过控制脉冲个数来控制电动机的角位移量，通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度。从而达到准确定位和定速的目的。由于步进电动机没有积累误差，更适用于对位置的开环控制。步进电动机在数控机床、自动送料机、磁盘驱动器、打印机和绘图仪等装置中有广泛的应用。上一页下一页返回任务3基于数据采集卡的模拟量控制与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电动机不会运行。为了驱动步进电动机，必须由一个决定电