关键词: 虚拟仪器 PCL -818 LabVIEW
Abstract：In this paper the experiment System for The course of computer control are introduced.The experiment system is made up of control object, test instrument, connection board, date gather card and computer. The experiment system software based on LabVIEW7.0 and PCL -818L is devoleped. The new modularization system based on the platform of virtual instrument is established. A good teaching effect has been brought after the experiment system for the course of computer control had been applied.
Keywords：virtual instrument;PCL -818 ; LabVIEW
1 前言
《计算机控制技术》是我国高等院校各类自动化、电子与电气工程、计算机应用、机电一体化等专业的专业主干课程。为了配合本课程的理论教学，加强学生对本课程的感性认识，提高学生的创新实践能力，我校从2003年开始研究开发相应的试验系统，2004开始组装调试试用，2005年正式投入试验教学。
2 试验装置功能介绍
考虑到在《计算机控制技术》理论教学中，学生对计算机控制的硬件系统构成缺乏感性认识，对控制器的控制算法及相关参数的选择缺乏实践的机会，我们在做系统开发时详细深入研究教材及教学大纲，确立本试验装置应具备功能如下：可以开展计算机输入输出技术的试验;可以进行试验法确定控制对象数学模型的试验;可以开展数据处理试验;可以进行控制算法试验。可以开展综合控制试验。
3 试验装置系统主要硬件组成
实验系统由信号发生器、温控炉、试验接线印刷板、数据采集卡、计算机等组成如图1所示。
3.1系统所需电源
系统中温控炉、试验印刷板所需直流电源由信号发生器供给。试验系统中所需直流电源范围为±12 V,±10V, ±5V.其中±12及±5V为温控炉测量转换电路所需电源;±10V提供给数据采集卡作A/D转换试验使用;温控炉加热所需220V电源直接由试验台供给。
3.2温控炉控制原理及电路实现
温控炉主控电路如图2所示。在加温前，先有计算机键盘或鼠标通过虚拟仪器输入温度给定值，上电后温控炉内的检测元件检测到实时温度后经试验板、数据采集卡作D/A变换，然后送到计算机进行数据处理。处理完毕后将处理好的控制信号经数据采集卡送到印刷接线板，由印刷接线板送出到温控炉的控制线路板上CONTROL INPUT端子，通过此信号改变加热元件功率，达到控温目的。
温度信号的检测电路转换电路如图3所示。温度信号检测采用热敏电阻作测量元件，实时温度经过图2所示转换放大电路将温度信号变为-10V——+10V的电压信号，通过实验板进入数据采集卡作A/D转换后，送入计算机作数据处理。图2中，W1为调零电位器。
3.2 PCL-818数据采集卡
本系统采用了研华科技的PCL—818-B数据采集卡. PCL-818 是一系列高性能、多功能 DAS 卡，能够提供五种最常用的测量和控制功能：100KHZ的12 位 A/D 转换、D/A 转换、数字量输入、数字量输出和可编程计数器/定时器, 具有较强的数据采集、A/D转换、D/A转换、数字量输入输出、自动检测设定的通道和定时/计数等功能, 还带 DMA 的自动通道/增益扫描，具有较高的性价比。支持单端方式下16 个数字量输入和 16 个数字量输出，差分方式下8个数字量输入和8个数字量输出。软件支持包括 VisiDAQ 3.1TM、ActiveDAQ、LabVIEWTM 和 Windows 3.1/95/NT 高速 DLL 驱动程序。
4 系统软件设计
本系统软件设计采用虚拟仪器 （Virtual Instruments, VI）技术，VI是由用户利用一些基本硬件及软件编程技术组成的各种各样的仪器系统,它的功能是可由用户自己定义的。在VI的技术的支持下,用户可以随心所欲地根据自己的意愿,设计自己的仪器系统。它集成测量计、记录、信号分析、控制等功能于一体,在同一基本硬件上配置不同的软件而实现。
本系统的开发环境是美国国家仪器公司 （NationalInstruments，NI）推出的虚拟仪器应用软件开发平台LabVIEW7.0, LabVIEW是一个基于图形化编程语言（G语言）的虚拟仪器开发环境,它提供了一种全新的编程方法,利用LabVIEW,可以通过交互式的图形化前面板来设计控制系统,例如:可以对几千种硬件设备（GPIB、VXI、PXI、RS—232、RS—485、PLC、插入式数据采集卡等）进行数据采集;可以通过网络、交互应用通讯和结构化查询语言（SQL）等方式与其他数据源相联;可以利用其功能强大的数据分析程序对原始数据进行分析,得到有意义的结果并加以显示输出。
4.1仪器驱动程序
仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器, 并设置特定的参数和工作方式, 使虚拟仪器保持正常的工作状态。研华科技的PCL-818系列数据采集卡提供了LabVIEW的软件支持,所以,按照提示就可以完成该卡的驱动程序安装。各主要选项选择如下：
Board Type：PCL-818L
A/D Channels Configuration: 8 Differential
4.2应用程序
应用程序主要对输入计算机的数据进行分析和处理,定义虚拟仪器的功能。应用程序包括数据的采集和存储、波形的显示和回放、数据的处理。
数据采集模块采用了Function模板/All Functions子模板/Data Acquisition子模板中的节点来控制数据采集卡进行数据采集。在设计时要求系统能对多通道进行数据连续采集,所以必须有通道选择控制。LabVIEW中的Measurement&Automation Explorer软件以浏览器的形式来配置采集设备及其通道。在使用相关功能时,可以配置设备的虚拟通道,在LabVIEW中进行编程时,直接指定这些虚拟通道的名称,就可以控制这些通道完成数据采集。在数据采集程序中,主要控制数据采集的通道、采样点数及扫描频率等各种参数。系统信号的采样点数及扫描频率用户可以根据不同信号的要求手动在前板上设置。
在试验系统开发中,要求对采集数据的进行显示、处理, 还要进行保存,实现离线的数据分析。本系统采用的是电子表格文件（Spreadsheet Text File）来存储信号波形。该系统还能把任意一种试验数据备份到指定的位置。在已知备份文件的目录的前提条件下,可以通过数据模拟再现的功能把以前的数据调出来进行研究、分析。
为了配合教学，在软件系统设计时还应用了LabVIEW中分析信号和系统的环境。例如经典控制理论中的PID算法、信号分析的曲线拟合、傅立叶变换、数字滤波等功能;热敏电阻的非线性温度特性的曲线拟合等等。此外，也可利用其信号发生器生成了典型测试信号，如脉冲、阶跃、正弦等，对系统性能进行仿真分析。其G语言框图程序如图4所示。
图4 恒温控制的框图程序
4.3前面板程序
前面板程序与真实的物理仪器面板相似，用来提供虚拟仪器与用户的接口,用户可以通过键盘和鼠标对虚拟仪器面板上的开关,按钮等进行各种操作。本系统中加热炉恒温控制系统前面板如图5所示。
图5 恒温控制系统前面板
在前面板上，可以设置模拟通道、数据输出通道;设定控制参数如给定值、P、I、D参数值;可以利用按钮对系统的启动、停止进行控制;可以显示实时温度曲线、历史温度曲线。
5 结束语
利用虚拟仪器技术开发的计算机控制试验系统, 具有易于实际操作,功能定义灵活,可扩展性强的优点。本试验系统已投入使用近一年，
在教学中，采用本系统后，极大的提高了学生学习该课程的兴趣，为学生学习抽象理论提供了一个可实践的环境，加强了学生对理论的感知认识，同时也激发了学生创新的兴趣，取得了良好的教学效果。
[参考文献]
[1]李震，等.基于Labview测试音频功率放大器，微计算机信息, 2006年第22卷第4-2期
[2]张毅,等. 虚拟仪器技术分析与应用 ,北京: 机械工业出版社,2004.
[3]Rober H.Bishop LabVIEW6i实用教程. 北京:电子工业出版社2003.
[4]李刚林,等.现代测控电路.北京:高等教育出版社. 2004
