基于PCI-6221数据采集卡的虚拟仪器系统组建-张凯强

实验二基于PCI-6221数据采集卡的虚拟仪器系统组建
张凯强
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PCI－6221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、PCI－6221卡将作为本次实验的数据采集卡，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0~15)模拟输入和AO0模拟输出通道，下面对其进行介绍。

（1）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1~5V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-68LP和PCI-6221的AIx（x为各实验小组组长学号的最后1位）通道的连接方式，，方法如下：
①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”：.
②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输出信号范围：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DAQmx Start.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、实验内容：
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1~5V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，将平均值的范围
强制在1~5V（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（0~100，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4~20mA的电流信号，而PCI-6221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输出一个范围为2.0~3.0V，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：
①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范围内，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。

②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 时间内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
系统
张凯强
0902100202 一、实验目的：
学习如何利用LabVIEW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。

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：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
增压泵
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4~20mA电流信号转换为1~5V电压信号后，使用PCI-6221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：
C I
D 0
()[()(1)]()[()2(1)(2)]()()u k K e k e k K e k K e k e k e k u k u k u ∆=--++--+-⎧⎨=∆+⎩ 式中，△u ( k ) 为PID 调节器增量输出值；K C 为PID 调节器的比例系数；K I 为PID 调节器的积分系数；K D 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，u 0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：
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：
① 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K C 、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。

② 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 )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。

③ 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K C 值下系统的
响应曲线，记录下最佳响应曲线对应的K C 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K I 值下系统的响应曲
线，与纯比例控制的效果进行对比。

六、实验截图
七、回答以下问题：
①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循环的移位寄存器可以得到实现。

②你在程序中对液位进行采样的间隔取多少？请说明理由。

答：2000ms.水箱液位控制属于慢过程，采样间隔过短会使得两次采集的偏差值很小，控制器（电磁阀）动作过于频繁可能会导致仪器损坏。

③你所编写的PID控制程序是否取得了较好的控制效果？如果不能，请分析下原因。

答：没有取得较好的控制效果，增量PID运算不适合运用在对液位的控制。

因为增量PID 适合运用在比较快速的响应上，比如电机转速；可以改用位置PID运算对液位进行控制，能得到比较的控制效果。