摘 要: 本文介紹了計算機控制實驗系統(tǒng)的開發(fā)及研究。在該系統(tǒng)硬件構(gòu)成中，采用加熱爐作為控制對象，試驗儀器，線路板，數(shù)據(jù)采集卡及PC機，實現(xiàn)了對計算機控制技術(shù)的實踐教學系統(tǒng)的硬件環(huán)境配置。實驗系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器 （Virtual Instruments, VI）技術(shù)，開發(fā)環(huán)境是美國國家儀器公司 （NationalInstruments，NI）推出的虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)平臺LabVIEW7.0。系統(tǒng)投入使用后取得良好的教學效果。 關(guān)鍵詞: 虛擬儀器 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 　　《計算機控制技術(shù)》是我國高等院校各類自動化、電子與電氣工程、計算機應(yīng)用、機電一體化等專業(yè)的專業(yè)主干課程。為了配合本課程的理論教學，加強學生對本課程的感性認識，提高學生的創(chuàng)新實踐能力，我校從2003年開始研究開發(fā)相應(yīng)的試驗系統(tǒng)，2004開始組裝調(diào)試試用，2005年正式投入試驗教學。 2 試驗裝置功能介紹 　　考慮到在《計算機控制技術(shù)》理論教學中，學生對計算機控制的硬件系統(tǒng)構(gòu)成缺乏感性認識，對控制器的控制算法及相關(guān)參數(shù)的選擇缺乏實踐的機會，我們在做系統(tǒng)開發(fā)時詳細深入研究教材及教學大綱，確立本試驗裝置應(yīng)具備功能如下：可以開展計算機輸入輸出技術(shù)的試驗;可以進行試驗法確定控制對象數(shù)學模型的試驗;可以開展數(shù)據(jù)處理試驗;可以進行控制算法試驗?？梢蚤_展綜合控制試驗。 3 試驗裝置系統(tǒng)主要硬件組成 　　實驗系統(tǒng)由信號發(fā)生器、溫控爐、試驗接線印刷板、數(shù)據(jù)采集卡、計算機等組成如圖1所示。 　　3.1系統(tǒng)所需電源 　　系統(tǒng)中溫控爐、試驗印刷板所需直流電源由信號發(fā)生器供給。試驗系統(tǒng)中所需直流電源范圍為±12 V,±10V, ±5V.其中±12及±5V為溫控爐測量轉(zhuǎn)換電路所需電源;±10V提供給數(shù)據(jù)采集卡作A/D轉(zhuǎn)換試驗使用;溫控爐加熱所需220V電源直接由試驗臺供給。 　　3.2溫控爐控制原理及電路實現(xiàn) 　　溫控爐主控電路如圖2所示。在加溫前，先有計算機鍵盤或鼠標通過虛擬儀器輸入溫度給定值，上電后溫控爐內(nèi)的檢測元件檢測到實時溫度后經(jīng)試驗板、數(shù)據(jù)采集卡作D/A變換，然后送到計算機進行數(shù)據(jù)處理。處理完畢后將處理好的控制信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送到印刷接線板，由印刷接線板送出到溫控爐的控制線路板上CONTROL INPUT端子，通過此信號改變加熱元件功率，達到控溫目的。 　　溫度信號的檢測電路轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。溫度信號檢測采用熱敏電阻作測量元件，實時溫度經(jīng)過圖2所示轉(zhuǎn)換放大電路將溫度信號變?yōu)?10V——+10V的電壓信號，通過實驗板進入數(shù)據(jù)采集卡作A/D轉(zhuǎn)換后，送入計算機作數(shù)據(jù)處理。圖2中，W1為調(diào)零電位器。 　　3.2 PCL-818數(shù)據(jù)采集卡 　　本系統(tǒng)采用了研華科技的PCL—818-B數(shù)據(jù)采集卡. PCL-818 是一系列高性能、多功能 DAS 卡，能夠提供五種最常用的測量和控制功能：100KHZ的12 位 A/D 轉(zhuǎn)換、D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出和可編程計數(shù)器/定時器, 具有較強的數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入輸出、自動檢測設(shè)定的通道和定時/計數(shù)等功能, 還帶 DMA 的自動通道/增益掃描，具有較高的性價比。支持單端方式下16 個數(shù)字量輸入和 16 個數(shù)字量輸出，差分方式下8個數(shù)字量輸入和8個數(shù)字量輸出。軟件支持包括 VisiDAQ 3.1TM、ActiveDAQ、LabVIEWTM 和 Windows 3.1/95/NT 高速 DLL 驅(qū)動程序。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用虛擬儀器 （Virtual Instruments, VI）技術(shù)，VI是由用戶利用一些基本硬件及軟件編程技術(shù)組成的各種各樣的儀器系統(tǒng),它的功能是可由用戶自己定義的。在VI的技術(shù)的支持下,用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的意愿,設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)。它集成測量計、記錄、信號分析、控制等功能于一體,在同一基本硬件上配置不同的軟件而實現(xiàn)。 　　本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境是美國國家儀器公司 （NationalInstruments，NI）推出的虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)平臺LabVIEW7.0, LabVIEW是一個基于圖形化編程語言（G語言）的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境,它提供了一種全新的編程方法,利用LabVIEW,可以通過交互式的圖形化前面板來設(shè)計控制系統(tǒng),例如:可以對幾千種硬件設(shè)備（GPIB、VXI、PXI、RS—232、RS—485、PLC、插入式數(shù)據(jù)采集卡等）進行數(shù)據(jù)采集;可以通過網(wǎng)絡(luò)、交互應(yīng)用通訊和結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）等方式與其他數(shù)據(jù)源相聯(lián);可以利用其功能強大的數(shù)據(jù)分析程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進行分析,得到有意義的結(jié)果并加以顯示輸出。 　　4.1儀器驅(qū)動程序 　　儀器驅(qū)動程序主要用來初始化虛擬儀器, 并設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式, 使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)。研華科技的PCL-818系列數(shù)據(jù)采集卡提供了LabVIEW的軟件支持,所以,按照提示就可以完成該卡的驅(qū)動程序安裝。各主要選項選擇如下： 　　Board Type：PCL-818L 　　A/D Channels Configuration: 8 Differential 　　4.2應(yīng)用程序 　　應(yīng)用程序主要對輸入計算機的數(shù)據(jù)進行分析和處理,定義虛擬儀器的功能。應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)的采集和存儲、波形的顯示和回放、數(shù)據(jù)的處理。 　　數(shù)據(jù)采集模塊采用了Function模板/All Functions子模板/Data Acquisition子模板中的節(jié)點來控制數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集。在設(shè)計時要求系統(tǒng)能對多通道進行數(shù)據(jù)連續(xù)采集,所以必須有通道選擇控制。LabVIEW中的Measurement&Automation Explorer軟件以瀏覽器的形式來配置采集設(shè)備及其通道。在使用相關(guān)功能時,可以配置設(shè)備的虛擬通道,在LabVIEW中進行編程時,直接指定這些虛擬通道的名稱,就可以控制這些通道完成數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集程序中,主要控制數(shù)據(jù)采集的通道、采樣點數(shù)及掃描頻率等各種參數(shù)。系統(tǒng)信號的采樣點數(shù)及掃描頻率用戶可以根據(jù)不同信號的要求手動在前板上設(shè)置。 　　在試驗系統(tǒng)開發(fā)中,要求對采集數(shù)據(jù)的進行顯示、處理, 還要進行保存,實現(xiàn)離線的數(shù)據(jù)分析。本系統(tǒng)采用的是電子表格文件（Spreadsheet Text File）來存儲信號波形。該系統(tǒng)還能把任意一種試驗數(shù)據(jù)備份到指定的位置。在已知備份文件的目錄的前提條件下,可以通過數(shù)據(jù)模擬再現(xiàn)的功能把以前的數(shù)據(jù)調(diào)出來進行研究、分析。 　　為了配合教學，在軟件系統(tǒng)設(shè)計時還應(yīng)用了LabVIEW中分析信號和系統(tǒng)的環(huán)境。例如經(jīng)典控制理論中的PID算法、信號分析的曲線擬合、傅立葉變換、數(shù)字濾波等功能;熱敏電阻的非線性溫度特性的曲線擬合等等。此外，也可利用其信號發(fā)生器生成了典型測試信號，如脈沖、階躍、正弦等，對系統(tǒng)性能進行仿真分析。其G語言框圖程序如圖4所示。 [align=center] 圖4 恒溫控制的框圖程序[/align] 　　4.3前面板程序 　　前面板程序與真實的物理儀器面板相似，用來提供虛擬儀器與用戶的接口,用戶可以通過鍵盤和鼠標對虛擬儀器面板上的開關(guān),按鈕等進行各種操作。本系統(tǒng)中加熱爐恒溫控制系統(tǒng)前面板如圖5所示。 [align=center] 圖5 恒溫控制系統(tǒng)前面板[/align] 　　在前面板上，可以設(shè)置模擬通道、數(shù)據(jù)輸出通道;設(shè)定控制參數(shù)如給定值、P、I、D參數(shù)值;可以利用按鈕對系統(tǒng)的啟動、停止進行控制;可以顯示實時溫度曲線、歷史溫度曲線。 5 結(jié)束語 　　利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的計算機控制試驗系統(tǒng), 具有易于實際操作,功能定義靈活,可擴展性強的優(yōu)點。本試驗系統(tǒng)已投入使用近一年， 　　在教學中，采用本系統(tǒng)后，極大的提高了學生學習該課程的興趣，為學生學習抽象理論提供了一個可實踐的環(huán)境，加強了學生對理論的感知認識，同時也激發(fā)了學生創(chuàng)新的興趣，取得了良好的教學效果。 [參考文獻] 　　[1]李震，等.基于Labview測試音頻功率放大器，微計算機信息, 2006年第22卷第4-2期 　　[2]張毅,等. 虛擬儀器技術(shù)分析與應(yīng)用 ,北京: 機械工業(yè)出版社,2004. 　　[3]Rober H.Bishop LabVIEW6i實用教程. 北京:電子工業(yè)出版社2003. 　　[4]李剛林,等.現(xiàn)代測控電路.北京:高等教育出版社. 2004