1、WOR/式實驗二 基于PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)組建專業(yè)資料整理張凱強(qiáng)0902100202、實驗?zāi)康?1、了解PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的功能。2、掌握如何在 MAX中設(shè)置DAQS道，以及覽閱 PCI-6221的設(shè)備屬性、與附件的連 線方式等。3、學(xué)習(xí)使用VI程序控制PCI 6221卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。二、實驗環(huán)境：軟件：中文 Windows2000xp, LabVIEW8.2.1或以上版本，NIMAX7.4或以上版本硬件：微型計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221(68Pin)、連接器CB-68LP、電流-電壓轉(zhuǎn)換器三、實驗原理:1、 PCI-6221卡將作為本次實驗的數(shù)據(jù)采集卡，本實

2、驗主要使用其AI和AO通道,VI程序通過它來實現(xiàn)虛擬儀器的模擬信號采集和輸由功能，下面就對它的功能予以介紹。PCI-6221卡是基于PCI總線的高性能、多功能的數(shù)據(jù)采集卡。它有 16個單端輸入或8個差分輸入，1個16位的逐次逼近式 ADC 2個以電壓輸生的16位DAC PCI-6221的I/O 分布如下圖所示：NI PC1/PXI (68 Pin)A1Ue6 MAi aA1GNDAJFAl* J喇司AIGNDAI2嶼anjAl I。AiGHO 14Al 3Al 11IAIGNQJ吧"Al 4市/in例Al QNDAI51AM3Al GH0疆喇Ai4A1 14 J司At 3HDAl 7

3、酎喇Altl昌15口ACOAOGnSbITAC.1AO OMB34X)NCDGND J乂19P0i4PDDJS?DGNDP0.5I tl17PC 1bop： 一50IBPQ.815OGNDFWo"814P037|VF,司1DGND-1 11#?3 146回DGNDPFi 巾8 2司Q口 GW0PR VP1 1PH 2/P1.Si 1DGNO蜀* ' Wl g45VPFIW1.441""fnQHOPF113W5H40flPFI&F1 SPR 1WP2 75PR 期 PIS364DGNDFFlfl/P?。酎jnFFlim 1DWiO制PFi 站哈金口

4、GN。國所有I/O連接板引腳由五組引腳組成：模擬輸入信號引腳、模擬輸由信號引腳、數(shù)字I/O信號引腳、定時I/O信號引腳和電源信號引腳。在本實驗中只用到了 Aix（x為。15）模擬輸入 和AO0模擬輸由通道，下面對其進(jìn)行介紹。（1）模擬輸入信號AIx的連接。模擬輸入信號與 PC-6221卡的連接方式取決于 PCI-6221卡的模擬輸入電路的配置方式和輸入信號源的類型。在本實驗中，計算機(jī)與模擬輸入信號源（*實驗裝置的下水箱液位傳感器輸生的經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換后的15V電壓信號）與PCI-6221卡具有1個公共的參考點（AISENSE，但該參考點并非為地電壓，所以采用無參考地的單端測量接線方式（使用NR

5、SE方式）。輸入信號連接在PCI-6221卡AIx通道上，而信號的參考點應(yīng)連接在PCI-6221卡的AISENSE弓|腳上?？墒褂肗IMAXM察模擬輸入信號與CB-68LP和PCI-6221的AIx （x為各實驗小組組長學(xué)號的最后1位）通道的連接方式，方法如下：在MAX創(chuàng)建NIDAQm在務(wù)，任務(wù)屬t為“模擬 AIx通道電壓輸入”、“ NRS眼線方式 ：.點擊NIDAQm在務(wù)屬性界面中的“連線圖”，即可觀察到連線方式（以AI0通道的連線方式為例），如下圖所示: 口皿-麗塾若5便謝梆在等g三駐 1國錚仃呻*很稱非 BnUi*：建電江賓血時2阻,Si由卡整*.那 t .-j W. 1 wr 1! u

6、- uJ 111t m Ft SyriiHiI印軟除* JH m Drirrrs* 9運贖r -A坨 J4 1733 卯 駕用 首4t12". ¥一 力_'-:討 FZ7工-J.二者口CS-L.LF-5 4 Ay I-迸, # U4“測量PCI-6221 卡進(jìn)行“物理通道”端口（2）模擬輸由信號的連接。I/O連接板的22號引腳為模擬輸由信號 AO0的正端，54和55號引腳作為輸由通道的 地參考。DA輸由信號范圍：雙極性為土 5V,單極性為010V。3、LabVIEW8.2.1中涉及到模擬輸入和模擬輸由的操作函數(shù)在函數(shù)模板中I/的” >> “DAQm建據(jù)采

7、集“子模板中。本次實驗中，需要使用以下幾種函O數(shù)對操作：（1）對單通道模擬輸入的操作：, DAQmxCreatVirtualChannel.VI :用于創(chuàng)建一個或一批虛擬通道，在其選 PCI-6221所對應(yīng)的設(shè)備號，并設(shè)置好通道、輸入上下限、接線方式等參數(shù); 擇 DAQmxTiming.VI :用于設(shè)置通道的采樣頻率、采樣時鐘源、采樣模式等參數(shù)； DAQmxStart.VI :用于啟動一個輸入/輸由任務(wù)，當(dāng)啟動后PCI-6221即可按設(shè)定的方式將數(shù)據(jù)采/輸由發(fā)送到計算機(jī)的緩存中；集, DAQmxRead.VI用于從緩存中讀生所采集到的數(shù)據(jù)；, DAQmxStop.VI:停止數(shù)據(jù)采集任務(wù)； DA

8、QmxClear.VI :用于清除DAQm在務(wù)并釋放緩存。（2）對模擬輸由的操作： DAQmxWrite.VI :用于向緩存中寫入需要輸由的數(shù)據(jù)；當(dāng)寫入緩存后，DAQmx使用Start.VI啟動任務(wù)，PCI-6221即可按設(shè)定的方式將數(shù)據(jù)從緩存中發(fā)送到計AO通道；算機(jī)的, DAQmxWaitUntilDone.VI :該VI用于確保在任務(wù)結(jié)束前輸入或輸由數(shù)據(jù)的操作已 完成，通常用于有限采樣（FinitaSamples）的輸入或輸由操作。四、實驗內(nèi)容:1、 利用NIMAX配置PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，以*實驗裝置的下水箱液位傳感器輸由的15V電壓信號為模擬輸入信號，在MAX中觀察模式輸入信號與

9、CB-68LP和PCI-6221的AIx （x為各實驗小組組長學(xué)號的最后1位）通道的連接圖（采用 NRSE連線方式）。2、根據(jù)觀察到的連線方式，完成模式輸入信號與CB-68LP的連線。3、手動控制*實驗裝置的電磁閥，將控制信號設(shè)置為最大（20mA ,使流量最大（則下水箱液位將不斷上升直到最大值）,從PCI-6221卡的通道AIx中對下水箱液位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集While循環(huán)中進(jìn)行有限采樣，循環(huán)間隔（在為100ms,采樣速率設(shè)置為10kHz,每次采集100個點，然后對這100個點取平均值，將平均值的范圍強(qiáng)制在15V （即平均值低于1V就設(shè)置為1V,平均彳t高于5V就設(shè)置為5V）,并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的液位值（

10、0100,即1V對應(yīng)液位0, 5V對應(yīng)液位100,以此類推）后，觀察曲線與實際的下水箱液位之間的關(guān) 使用波形圖表將液位值曲線顯示由來，系。4、將液位值曲線及其對應(yīng)的采樣時間保存在一個文本文件中 5、將PCI-6221卡的AO0通道與*實驗裝置的電磁閥控制通道相連接；因為電磁閥控制信號為420mA的電流信號，而 PCI-6221只能輸由電壓信號，因此必須將電壓 信號通過轉(zhuǎn)換電阻轉(zhuǎn)換為電流信號。6、用PCI-6221卡的AO0輸由一個范圍為2.03.0V ,步長為0.1V的電壓值，觀察電磁閥的開度與輸由電壓的關(guān)系。五、 實驗截圖占，©事 1 :1f另修*nW工-IyLfcr-»

11、"1 at JMI-DAQmx#t >A If I KWV(，幅做量餐 布應(yīng)淺出,jmF六、回答以下問題：在實驗步驟3中，為何將每次采集100個點取平均后作為液位測量值，而不是每次采集1個點直接作為液位的測量值？答：每次采集100個點取平均值后作為液位的測量值與每次采集1個點直接作為液位測量值與每次采集 1個點直接作為液位的測量值相比可大大的減少隨白噪聲帶來的誤差，提高測量的準(zhǔn)確度。以為白噪聲是無處不在的，但是在一段較長的詩句范圍內(nèi)，白噪聲的幅值平均為零，采樣100個點取平均后可以近似消滅白噪聲對測量結(jié)果影響。而每次只采樣一個點是不可能消除白噪聲對測量結(jié)果的影響的。采集100個

12、點的時間比采集1個點的時間要長，這對測量結(jié)果的影響是否很大？為什么？答：影響不大。因為采樣頻率為10000Hz,采樣100個點的時間為10ms,在這10ms時間內(nèi)水箱液位的變化可近似為零，也就是說在10ms時間里水箱液位值可以看做是不變的。所以測量值絕對能可靠的反映實際的液位值。實驗三基于LabVIEW和PCI-6221的單容水箱液位控制系統(tǒng)張凱強(qiáng)0902100202一、 實驗?zāi)康模簩W(xué)習(xí)如何利用LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計一個單回路的單容水箱液位控制系統(tǒng)，使 用PID控制算法使液位保持在值上。二、實驗環(huán)境：軟件：中文 Windows2000xp, LabVIEW8.2.1或以上版本，NIMAX7

13、.4或以上版本。硬件：A3000高級過程控制系統(tǒng)、微型計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡 PCI-6221（68Pin）、連接 器CB-68LP、電流-電壓轉(zhuǎn)換器。小PPD運數(shù)據(jù)顯三、實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖piD運催水 箱結(jié)果PC+LabVIEW增壓泵四、實驗原理1、基本原理本實驗采用PC+LabVIEW次件作為液位控制器（LC）,將液位控制在設(shè)定高度上。將液位傳 感器（LT）輸生的420mA電流信號轉(zhuǎn)換為15V電壓信號后，使用 PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的AIx 通道進(jìn)行采集并上傳到計算機(jī)（具體的連線方法和采樣設(shè)置請參照實驗二進(jìn)行），然后在LabVIEW程序中編寫PID控制程序，根據(jù) P、I、D參數(shù)進(jìn)行PID

14、運算，將PID運算結(jié)果（即控 制信號u）經(jīng)PCI-6221的AO0通道輸由到電磁閥，控制電磁閥調(diào)節(jié)水箱的進(jìn)水流量，從而達(dá)到 使液位值穩(wěn)定在設(shè)定值上的目的。2、增PID控制算法量2e(k1)e(k2)本實驗采用增量PID控制算法，其計算公式為:p：u(k) Kce(k)e(k1)Kie(k)K De(k)u(k)= Au(k)u o式中， u(k)為PID調(diào)節(jié)器增量輸由值；KC為PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； KI為PID調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；KD為PID調(diào)節(jié)器的微分系數(shù)；k為采樣序號(k=0,1,2,; ?e(k)為第k次采樣時的偏差值；e(k-1)為第k-1次采樣時的偏差值；e(k-2)為第k-2次采

15、樣時的偏差值；u(k)為本次PID運算輸生的控制信號，uo為上次PID運算輸生的控制信號。液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：擾動+甘一控制器|»|電磁閥一水槽(液位)液位測量裝置五、實驗步驟1、 參照實驗二的方式將液位傳感器信號通過CB-68LP與PCI-6221的AIx (x為各實驗小組組長學(xué)號的最后 1位)進(jìn)行連接；將 PCI-6221的AO0通道與A3000高級過程 控制裝置的電磁閥控制端口相連接。2、 在LabVIEW中編寫PID控制程序：前面板設(shè)計前面板要求能夠顯示當(dāng)前的采樣電壓值及其對應(yīng)液位值(液位值用圖形方式進(jìn)行顯示)，能夠通過輸入控件設(shè)置液位設(shè)定值和K> K、KD

16、這三個參數(shù)值和，還能將當(dāng)前液位值、設(shè)定值和 PID控制信號u的曲線在同一個波形圖表中進(jìn)行顯示。程序框圖設(shè)計程序框圖使用 While循環(huán)，按照實驗二的設(shè)置對當(dāng)前液位值進(jìn)行采樣，并計算由 偏差值e(k);根據(jù)e(k),按照增量PID控制算法計算由控制信號 u(k),按照實驗 二的設(shè)置將u(k)通過PCI-6221的AO0通道輸由到電磁閥的控制端口以對進(jìn)水流量 進(jìn)行控制。注意事項當(dāng)停止程序時，設(shè)計一個 VI,將電壓“ 0輸”由到PCI-6221的AO0通道，以防止AO0通道長期保持高電壓狀態(tài)。運行程序，在純比例控制下4、 (KI=0、KD=0> ,給液位設(shè)定值加入階躍信號(注意：只有當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后才能加入新的階躍信，觀察并記錄在不同號)的KC值下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，記錄下最佳響應(yīng)曲線對應(yīng)的心值。5、 加入積分作用，在 PI狀態(tài)下整定系統(tǒng)，觀察并記錄在不同的KI值下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，與純比例控制的效果進(jìn)行對比。實驗截圖七、回答以下問題：增量PID運算需要使用到上2次的偏差值即 e(k-1)