基于组态王研华板的数据采集应用.docx

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基于组态王研华板的数据采集应用

基于组态王研华板的数据采集系统应用

各种计算机测控系统中，PC插卡式是最基本最廉价的构成形式。

它充分利用了PC计算机的机箱、总线、电源与软件资源。

本章以研华（中国）公司生产的PCI-1710HG多功能数据采集卡为例，详细介绍数据采集卡的软、硬件安装过程，并以此为基础，对基于板卡的模拟量输入/输出、开关量输入/输出程序的设计过程进行详细的描述。

5.1基于板卡的计算机测控系统的组成

基于板卡的计算机测控系统的组成如图5-1所示，它可分为硬件和软件两大部分。

图5-1基于板卡的测控系统组成框图

5.1.1测控硬件子系统

1．传感器

传感器的作用是把非电物理量（如温度、压力、速度等）转换成电压或电流信号。

例如，使用热电偶可以获得随着温度变化而变化的电压信号，转速传感器可以把转速转换为电脉冲信号。

2．信号调理器

信号调理器（电路）的作用是对传感器输出的电信号进行加工和处理，转换成便于输送、显示和记录的电信号（电压或电流）。

常见的信号调理电路有电桥电路、调制/解调电路、滤波电路、放大电路、线性化电路、A/D转换电路与隔离电路等。

例如，传感器输出信号是微弱的，就需要放大电路将微弱信号加以放大，以满足过程通道的要求；为了与计算机接口方便，需要A/D转换电路将模拟信号变换成数字信号等。

如果信号调理电路输出的是规化的标准信号（如4～20mA、1～5V等），这种信号调理电路称为变送器。

在工业控制领域，常常将传感器与变送器做成一体，统称为变送器。

变送器输出的标准信号一般送往智能仪表或计算机系统。

3．输入输出板卡

应用IPC对工业现场进行控制，首先要采集各种被测量，计算机对这些被测量进行一系列处理后，将结果数据输出。

计算机输出的数字量还必须转换成可对生产过程进行控制的量。

因此，构成一个工业控制系统，除了IPC主机外，还需要配备各种用途的I/O接口产品，即I/O板卡。

常用的I/O板卡包括模拟量输入/输出（AI/AO）板卡、数字量（开关量）输入/输出（DI/DO）板卡、脉冲量输入/输出板卡与混合功能的接口板卡等。

各种板卡是不能直接由计算机主机控制的，必须由I/O接口来传送相应的信息和命令。

I/O接口是主机与板卡和外围设备进行信息交换的纽带。

目前绝大部分I/O接口都是采用可编程接口芯片，它们的工作方式可以通过编程设置。

常用的I/O接口有并行接口、串行接口等。

4．执行机构

它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成执行机构的动作，使被控对象按预先规定的要求进行调整，保证其正常运行。

生产过程按预先规定的要求正常运行，即控制生产过程。

常用的执行机构有各种电动、液动与气动开关，电液伺服阀，交直流电动机，步进电机，各种有触点和无触点开关，电磁阀等。

在系统设计中需根据系统的要求来选择。

5．驱动电路

要想驱动执行机构，必须具有较大的输出功率，即向执行机构提供大电流、高电压驱动信号，以带动其动作。

另一方面，由于各种执行机构的动作原理不尽一样，有的用电动，有的用气动或液动，如何使计算机输出的信号与之匹配，也是执行机构必须解决的重要问题。

因此，为了实现与执行机构的功率配合，一般都要在计算机输出板卡与执行机构之间配置驱动电路。

6．计算机主机

它是整个计算机控制系统的核心。

主机由CPU、存储器等构成。

它通过由过程输入通道发送来的工业对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序自动地进行信息处理、分析和计算，并作出相应的控制决策或调节，以信息的形式通过输出通道，与时发出控制命令，实现良好的人机联系。

目前采用的主机有PC机与工业PC机（IPC）等。

7．外围设备

主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。

它用来显示、存储、打印、记录各种数据，包括输入设备、输出设备和存储设备。

常用的外围设备有打印机、记录仪、图形显示器（CRT）、外部存储器（软盘、硬盘、光盘等）、记录仪、声光报警器等。

8．人机联系设备

操作台是人机对话的纽带。

计算机向生产过程的操作人员显示系统运行状态和运行参数，发出报警信号；生产过程的操作人员通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；程序员使用操作台检查程序；维修人员利用操作台判断故障等。

9．网络通信接口

对于复杂的生产过程，通过网络通信接口可构成网络集成式计算机控制系统。

系统采用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能同时控制分布在不同区域的多台设备，又能实现管理功能。

数据采集硬件的选择要根据具体的应用场合并考虑到自己现有的技术资源。

5.1.2测控软件子系统

软件使PC和数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。

没有软件，数据采集硬件是毫无用处的——或者使用比较差的软件，数据采集硬件也几乎无法工作。

大部分数据采集应用实例都使用了驱动软件。

软件层中的驱动软件可以直接对数据采集硬件的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断，将DMA和存这样的计算机资源结合在一起。

驱动软件隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供了容易理解的接口。

随着数据采集硬件、计算机和软件复杂程度的增加，好的驱动软件就显得尤为重要。

合适的驱动软件可以最佳地结合灵活性和高性能，同时还能极降低开发数据采集程序所需的时间。

为了开发出用于测量和控制的高质量数据采集系统，用户必须了解组成系统的各个部分。

在所有数据采集系统的组成部分中，软件是最重要的。

这是由于插入式数据采集设备没有显示功能，软件是您和系统的惟一接口。

软件提供了系统的所有信息，您也需要通过它来控制系统。

软件把传感器、信号调理、数据采集硬件和分析硬件集成为一个完整的多功能数据采集系统。

组态软件Kingview（即组态王）是目前国具有自主知识产权、市场占有率相对较高的组态软件。

组态王运行于MicrosoftWindows9x/NT/XP平台，主要特点：

支持真正客户/服务器和Internet/Intranet浏览器技术，适应各种规模的网络系统，支持分布式网络开发；可直接插入第三方ActiveX控件；可以导入导出ODBC数据库；组态王既是OPC客户，又是OPC服务器；允许VisualBasic、VisualC++直接访问组态王等。

组态王的应用领域几乎囊括了大多数行业的工业控制，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行可靠。

5.1.3测控系统的特点

随着计算机和总线技术的发展，越来越多的科学家和工程师采用基于PC的数据采集系统来完成实验室研究和工业控制中的测试测、量任务。

基于PC的DAQ系统（简称PCs）的基本特点是，输入/输出装置为板卡的形式，并将板卡直接与个人计算机的系统总线相连，即直接插在计算机主机的扩展槽上。

这些输入/输出板卡往往按照某种标准由第三方批量生产，开发者或用户可以直接在市场上购买，也可以由开发者自行制作。

一块板卡的点数（指测控信号的数量）少的有几点，多的可达24点、32点甚至更多。

5.2PCI-1710HG多功能板卡的安装

5.2.1PCI-1710HG多功能板卡介绍

图5-2PCI-1710HG多功能卡

PCI-1710HG是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡，如图5-2所示。

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5种最常用的测量和控制功能：

16路单端或8路差分模拟量输入、12位A/D转换器（采样速率可达100kHz）、2路12位模拟量输出、16路数字量输入、16路数字量输出与计数器/定时器功能。

PCI-1710HG多功能板卡的主要特性如下。

（1）单端或差分混合的模拟量输入。

PCI-1710HG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与配置。

这种设计能让您对不同通道使用不同的增益，并可自由组合单端和差分输入来完成多通道的高速采样（可达100kHz）。

（2）卡上FIFO存储器。

PCI-1710HG卡上有一个FIFO（先入先出）缓冲器，它能存储4KB的A/D采样值。

当FIFO半满时，PCI-1710HG会产生一个中断。

（3）卡上可编程计数器。

PCI-1710HG提供了可编程的计数器，用于为A/D变换提供触发脉冲。

计数器芯片8254或与8254兼容的芯片，它包含3个16位的10MHz时钟的计数器。

（4）支持即插即用功能。

PCI-1710HG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调线和DIP拨码开关，所有与总线相关的配置，比如基地址、中断等均由即插即用功能完成。

5.2.2用PCI-1710HG多功能板卡组成的测控系统

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5-3所示。

电缆采用PCL-10168型，如图5-4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5-5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。

图5-3PCI-1710HG产品的成套性图5-4PCL-10168电缆

图5-5ADAM-3968接线端子板

用PCI-1710HG板卡构成的控制系统框图如图5-6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。

图5-6基于PCI-1710板卡的控制私系统框图

接线端子板各端子的位置与功能如图5-7所示，信号描述如表5-1所示。

图5-7ADAM-3968接线端子板信号端子位置与功能

表5-1ADAM-3968接线端子板各端子信号功能描述

信号名称

参考端

方向

描述

AI<0～15>

AIGND

Input

模拟量输入通道：

0～15

AIGND

-

-

模拟量输入地

AO0_REF

AO1_REF

AOGND

Input

模拟量输出通道0/1外部基准电压输入端

AO0_OUT

AO1_OUT

AOGND

Output

模拟量输出通道：

0/1

AOGND

-

-

模拟量输出地

DI<0～15>

DGND

Input

数字量输入通道：

0～15

DO<0～15>

DGND

Output

数字量输出通道：

0～15

DGND

-

-

数字地（输入或输出）

CNT0_CLK

DGND

Input

计数器0通道时钟输入端

CNT0_OUT

DGND

Output

计数器0通道输出端

CNT0_GATE

DGND

Input

计数器0通道门控输入端

续表

信号名称

参考端

方向

描述

PACER_OUT

DGND

Output

定速时钟输出端

TRG_GATE

DGND

Input

A/D外部触发器门控输入端

EXT_TRG

DGND

Input

A/D外部触发器输入端

+12V

DGND

Output

+12V直流电源输出

+5V

DGND

Output

+5V直流电源输出

5.2.3PCI-1710HG板卡设备的安装

首先进入研华公司官方找到并下载下列程序：

PCI1710.exe、DevMgr.exe、PortIO.exe、All_Examples.exe、Utility.exe等。

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。

（1）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。

（2）接着执行PCI1710.exe程序，按照提示完成驱动程序的安装。

（3）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。

2．安装硬件

（1）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5-8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（例如，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。

图5-8PCI-1710HG板卡安装

（2）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。

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。

（3）检查板卡是否安装正确。

右击“我的电脑”图标，单击“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5-9所示。

（4）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围：

C000-C0FF，其中首地址为C000，分配的中断号为22，如图5-10所示。

图5-9设备管理器中的板卡信息图5-10板卡资源信息界面

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，通过研华板卡配置软件DeviceManager来实现。

（1）从开始菜单\所有程序\AdvantechAutomation\DeviceManager打开设备管理程序AdvantechDeviceManager，如图5-11所示。

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将没有红色叉号，说明驱动程序已经安装成功。

例如，图5-11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DeviceManagerde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。

（2）单击“Setup”按钮，弹出“PCI-1710HGDeviceSetting”对话框，如图5-12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。

图5-11配置板卡界面图5-12板卡A/D、D/A通道配置界面

到此，PCI-1710HG数据采集卡的硬件和软件已经安装完毕，可以进行板卡测试了。

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5-13所示。

图5-13模拟量输入功能测试界面

测试界面说明。

∙ChannelNo：

模拟量输入通道号（0～16）。

∙Inputrange：

输入电压围选择。

∙Analoginputreading：

模拟量输入通道读取的电压数值。

∙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。

例如，在单端输入模式下，测试通道1，需将待测信号接至通道1所对应接线端子的34（AI1）与60（AIGND）管脚，这时在通道1对应的Analoginputreading框中将显示输入信号的电压值。

（2）模拟量输出功能测试。

选择“AnalogOutput”选项卡，如图5-14所示。

图5-14模拟量输出功能测试界面

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与输出电压幅值。

例如，要使通道0输出4.5V电压，在“ManualOutput”中设置输出值为4.5V，单击“Out”按钮，即可在管脚58（AO0_OUT）与57（AOGND）之间输出4.5V电压，这个值可用万用表测得。

（3）数字量输入功能测试。

选择“DigitalInput”选项卡，如图5-15所示。

用户可以方便地通过数字量输入通道指示灯的颜色，得到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）。

例如，将通道0对应管脚DI0与数字地DGND短接，则通道0对应的状态指示灯（Bit0）变绿；在DI0与数字地之间接入+5V电压，则指示灯变红。

图5-15数字量输入功能测试界面

（4）数字量输出功能测试。

选择“DigitalOutput”选项卡，如图5-16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。

例如，图中低八位输出98，高八位输出09（十六进制）。

图5-16数字量输出功能测试界面

（5）计数器功能测试。

选择“Counter”选项卡，如图5-17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。

例如，在管脚CNT0_CLK接100Hz的方波信号，计数器将累加方波信号的频率。

如果选择脉冲输出，管脚CNT0_OUT将输出频率信号，输出信号的频率可以设置。

如图5-17所示，设置输出信号的频率为1kHz。

图5-17计数器功能测试界面

5.3计算机测控系统的输入与输出信号

工业生产过程实现计算机测控的前提是，必须将工业生产过程的工艺参数、工况逻辑和设备运行状况等物理量经过传感器或变送器转变为计算机可以识别的电信号（电压或电流）或逻辑量。

传感器和变送器输出的信号有多种规格，其中毫伏（mV）信号、0～5V电压信号、1～5V电压信号、0～10mA电流信号、4～20mA电流信号、电阻信号是计算机测控系统经常用到的信号规格。

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3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、量程围、线性关系、工程量换算等诸多要素。

5.3.1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。

模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间，其幅值为连续值，即从一个量变到下一个量时中间没有间断。

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。

模拟量输出信号可以直接控制过程设备，而过程又可以对模拟量信号进行反馈。

闭环PID控制系统采取的就是这种形式。

模拟量输出还可以用来产生波形，这种情况下D/A变换器就成了一个函数发生器。

模拟信号的常用规格有如下几种。

（1）1～5V电压信号。

此信号规格有时称为DDZ-Ⅲ型仪表电压信号规格。

1～5V电压信号规格通常用于计算机控制系统的过程通道。

工程量的量程下限值对应的电压信号为lV，工程量上限值对应的电压信号为5V，整个工程量的变化围与4V的电压变化围相对应。

过程通道也可输出1～5V电压信号，用于控制执行机构。

（2）4～20mA电流信号。

4～20mA电流信号通常用于过程通道和变送器之间的传输信号。

工程量或变送器的量程下限值对应的电流信号为4mA，量程上限对应的电流信号为20mA，整个工程量的变化围与16mA的电流变化围相对应。

过程通道也可以输出4～20mA的电流信号，用于控制执行机构。

有的传感器的输出信号是毫伏级的电压信号，如K分度热电偶在l000℃时输出信号为41.296mV。

这些信号要经过变送器转换成标准信号（4～20mA）再送给过程通道。

热电阻传感器的输出信号是电阻值，一般要经过变送器转换为标准信号（4～20mA），再送到过程通道。

对于采用4～20mA电流信号的系统，只需采用250Ω电阻就可将其变换为1～5V直流电压信号。

有必要说明的是，以上两种标准都不包括零值在，这是为了避免和断电或断线的情况混淆，使信息的传送更为确切；这样也同时把晶体管器件的起始非线性段避开了，使信号值与被测参数的大小更接近线性关系，所以受到国际的推荐和普遍的采用。

当计算机控制系统输出模拟信号需要传输较远的距离时，一般采用电流信号而不是电压信号，因为电流信号在一个回路中不会衰减，因而抗干扰能力比电压信号好。

当计算机控制系统输出模拟信号需要传输给多台其他仪器仪表或控制对象时，一般采用直流电压信号而不是直流电流信号。

5.3.2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、马达的启动和停止、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。

开关量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，开关量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。

开关量信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。

开关量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。

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1个开关量信号；又如工控机系统欲输出报警信号，则可以输出1个开关量信号，通过继电器或接触器驱动报警设备，发出声光报警。

如果开