基于AD采集卡和组态软件的控制系统.docx
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基于AD采集卡和组态软件的控制系统
湘潭大学毕业论文
题目：
基于A/D卡数据采集和MCGS组态软件的
实验控制系统
学院：
机械工程学院
专业：
过程装备与控制工程
学号：
姓名：
指导教师：
完成日期：
2011年5月29日
湘潭大学
毕业论文（设计）任务书
论文（设计）题目：
基于A/D卡数据采集和MCGS组态软件的实验控制系统
学号：
姓名：
专业：
过程装备与控制工程
指导教师：
系主任：
一、主要内容及基本要求
工控组态软件是近年来在自动控制领域兴起的新型软件开发技术，可用来快速构造和成上位机监控系统．它集计算机技术、测量技术、控制技术和现代通信技术于一体，使用户避开复杂的计算机软件代码编制，集中精力解决好系统本身的控制问题，体现了现代工业自动化系统向信息化、集成化、分布化和网络化发展的趋势川。
在当今的工业控制中，数据采集卡已经成为配合数字化时代生存的基本条件。
组态软件与数据采集卡的配合使用在计算机控制系统中应用广泛。
本文研究采用研华PCL-813数据采集卡和MCGS组态软件的实验室控制系统，主要研究内容如下：
1）研究数据采集卡工作原理。
2）简述MCGS组态软件的构成及原理。
3）介绍利用MCGS软件开发实验控制系统应用软件的方法。
4）利用VB编程软件和MCGS高级开发向导开发本实验控制系统所需要的PCL813驱动设备。
5）完成各设备的安装、调试，整合实验控制系统的硬件和软件，完成对压力、温度、流量等各参数的数据采集及控制。
二、重点研究的问题
1、利用MCGS组态软件完成实验控制系统软件的设计。
2、利用VB开发数据采集卡的设备驱动程序和研究PCL-813数据采集卡的工作原理。
三、进度安排
序号
各阶段完成的内容
完成时间
1
选题及开题
第4周
2
查阅相关资料，获取需要书籍，完成开题报告
第5周
3
学习MCGS软件的使用
第6周
4
学习VB编程的基础知识
第7—8周
5
学习利用VB进行MCGS设备构件的二次开发
第8—9周
6
利用MCGS完成控制系统软件设计任务
第9—13周
7
完成整个实验控制系统的调试
第12—13周
8
总结及撰写论文
第14周
毕业论文答辩
第15周
四、主要参考文献
1、王汉义.模-数与数模转换基础[M].哈尔滨:
哈尔滨船舶工程学院出版社，2004:
3-5.
2、包建华等.工控组态软件MCGS及其应用[J].工矿自动化,，2007，第3期，
3、祡宝玉，林晓鹏等.模数转换（A/D）集成电路设计原理及其应用技术[J].西安石油大学学报（自然科学版），2006
4、高光天.模数转换器应用技术[M].北京：
科学出版社，2001：
250-253.
5、王晶.模拟缴字转换技术及其发展趋势[J].2005，微电子学.
6、吉红，张涛.基于MCGS的水流量标准装置计算机控制系统的研究.天津大学硕士学位文.2005-7.
7、张冬，丁金华.基于Qt/E的A/D数据采集系统的设计.大连工业大学学报.第27卷第4期.
8、张沛．高速信号采集与存储系统．北京交通大学硕士学位论文．2007
9、武涛.数据采集与显示控制系统设计.哈尔滨工程大学工学硕士学位论文.2009
10、MCGS教程.北京昆仑通态自动化软件科技有限公司。
11、钟伟红，关宏伟.工控组态软件的现状及发展.安徽电子信息职业技术学院学报.2006年第4期
摘要1
Abstract1
第1章引言2
1.1选题依据及课题意义2
1.2国内外基本研究情况3
1.3论文研究的主要内容及特色4
第2章实验控制系统方案设计5
2.1实验控制系统的总体结构设计5
2.2上位机系统软件开发平台的选择6
2.3下位机硬件开发平台的选择6
第3章A/D卡的数据采集与处理研究7
3.1模数转换的基本原理7
3.2PCL-813的总体结构与接线图8
3.3PCL-813的工作原理11
第4章MCGS设备驱动开发14
4.1动态链接库与API函数14
4.2IO端口的操作14
4.3增加设备构件的属性15
4.4编写设备驱动程序17
第5章控制系统软件设计20
5.1MCGS组态软件简介20
5.2构造实时数据库20
5.3主控窗口组态21
5.4用户窗口组态及动画连接21
5.5报表输出25
5.6报警信息组态27
5.7运行策略组态28
5.8设备连接29
第6章实验控制系统的调试30
6.1PCL-813数据采集卡的安装30
6.2设备连接测试31
致谢33
参考文献34
附录1:
设备驱动程序35
附录2：
外文翻译41
附录3：
翻译原文49
基于A/D卡数据采集和MCGS组态软件的实验控制系统
摘要
工控组态软件是近年来在自动控制领域兴起的新型软件开发技术，可用来快速构造和成上位机监控系统．它集计算机技术、测量技术、控制技术和现代通信技术于一体，使用户避开复杂的计算机软件代码编制，集中精力解决好系统本身的控制问题，体现了现代工业自动化系统向信息化、集成化、分布化和网络化发展的趋势。
在当今的工业控制中，数据采集卡已经成为配合数字化时代生存的重要条件。
组态软件与数据采集卡的配合使用在计算机控制系统中应用广泛。
本文简要介绍了MCGS组态软件的基本知识，叙述了数据采集卡及VisualBasic程序设计基础；重点介绍了利用MCGS组态软件组态应用工程的过程及数据采集卡的设备驱动构件的开发过程，说明如何完成整个实验控制系统的调试工作及如何显示及控制实验系统的流量、温度等参数。
关键词：
A/D数据采集卡；MCGS；实验控制系统
ExperimentalControlSystembasedontheA/DCardDataAcquisitionandMCGSConfigurationSoftware
Abstract
IndustrialControlConfigurationSoftwareisanewly-developedtechniquearisingintheautomaticcontrolfieldinrecentyears,whichCanbeusedtomakeupPCMonitoringSystemquicklyandcombinescomputertechnology,measurementtechnology,controltechnologyandmoderncommunicationtechnology.WiththehelpofConfigurationSoftware,Theusercanavoidcompilingcomplexcomputersoftwarecodesothattheusercanfocusonresolvingtheproblemofacontrolsystemitself.TheConfigurationSoftwarereflectthedevelopmenttendencyofthemodernindustrialautomationsystemofinformation,integration,Decentralizationandnetworking.Nowadays,Dataacquisitioncardplayanextraordinaryimportantroleindigitalageinindustrialcontrolfield.TheuseCombiningbothConfigurationsoftwareanddataacquisitioncardwidelyuseIncomputercontrolsystem.ThispaperbrieflyintroducethebasicknowledgeofMCGSConfigurationSoftware,DataAcquisitionCardandVisualBasicsoftware.ThepaperMainlyintroducedtheDevicedrivercomponentsdevelopmentoftheA/DCardDataAcquisition，andthebuildprocessofapplicationengineeringtakeadvantageofMCGSSoftware.TheessayShowshowtocompletethewholeexperimentcontrolsystem'sdebuggingworkandhowtodisplayandcontrolexperimentalsystemparameterssuchastemperatureandflowquantity.
Key-words:
A/Ddataacquisitioncard；MCGSconfigurationSoftware；experimentsystem.
引言
选题依据及课题意义
数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、交通、通讯、制造与加工业等领域，随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,人们对工业自动化的要求越来越高,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用,使用传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。
组态软件的出现，解决了这个问题。
工控组态软件是伴随着集散型控制系统的出现而引入工业控制系统的。
随着现代微电子技术、计算机控制技术、工业以太网技术及现场总线技术的发展，组态软件日渐成熟。
在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的，编写程序不但工作量大、周期长，而且一旦工业被控对象稍有变动，必须修改该系统的源程序。
而通过组态软件的应用，对于过去需要几个月的工作，几天就可以完成[1]。
MCGS全中文工业自动化控制组态软件为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。
MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件，可稳定运行于Windows95/98/NT操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多、实验室等多种工程领域[2]。
在工控领域内，采集板卡起着相当重要的作用，它可以插在工控机的ISA或PCI插槽里，并且连接着外界现场信号或与由传感器转换过的外界信号，由PC机中的程序控制进而实现采集现场的信号，并且对采集到的现场信号进行处理并输出模拟控制信号以及数字量信号。
因此，采集板卡在工业控制领域内有着极其广泛的应用。
数据采集与控制卡的基本任务是物理信号（电压、电流）的产生或测量，一般包括PC总线接口部分，模板功能实现部分和信号条例3部分。
对于不同的工业现场信号以及工业控制要求，接口模板的特点在模板功能实现部分和信号调理部分显著体现。
对于模拟信号，模板主要实现采样、隔离、放大、AD和DA电路的设计以及接口控制逻辑的功能，根据工业控制的精度和可靠性来选取芯片。
对于数字量来说，模板主要在包括数据的输入缓冲和输出锁存器以及隔离电路等方面发挥作用。
控制系统中选择一款性能稳定、功能强大的采集卡是十分重要的，数据采集卡的选择是硬件系统开发的关键。
本实验控制系统选择的PCL-813，是一款32路单端带隔离的模拟量输入卡，广泛应用于工业现场和实验室，例如，变速器、传感器输出量检测，波形获取和检测，过程监控以及震动瞬时分析。
能满足本实验控制系统的需求。
MCGS提供了大多数常用设备的驱动程序，在本实验控制系统中，为了使采集卡完成要求的特定工作，选择用户开发PCL-813设备驱动构件。
国内外基本研究情况
“组态”的概念最早来自英文configuration，其含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置（括进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征属性参数），达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的[5]。
国内组态软件的发展主要经历了3个阶段，国内目前知名的组态软件公司大都从90年代中后期开始起步，经历了艰苦创业的过程，从1人或几个人开始，参照国外组态软件开发，具有较浓的模仿色彩；2000年到2005年是国内组态软件快速发展阶段，也造就了一批行业知名的状态软件公司，06年以后国内涌现出一批新的状态软件公司，一些高校、研究所、个人也积极地搞组态软件产品，但都没有形成规模[8]。
1、国外组态软件:
InTouch：
Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。
在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。
但是，早期的InTouch软件采用DDE方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。
IFix：
在iFiX中，Intellution提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.ｘ版本并不完全兼容。
原有的Script语言改为VBA（VisualBasicForApplication），并且在内部集成了微软的VBA开发环境。
在iFiX中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。
Citech：
悉雅特集团（Citect）是世界领先的提供工业自动化系统、设施自动化系统、实时智能信息和新一代MES的独立供应商。
CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。
Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。
Citech提供了类似C语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于C语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。
WinCC：
Simens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，Simens提供类Ｃ语言的脚本，包括一个调试环境。
WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。
但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Simens的培训以掌握WinCC的应用。
2、国内组态软件：
紫金桥Realinfo（紫金桥软件技术有限公司）紫金桥实时数据库和监控组态软件设计起点高，适应性强，应用面广，已经在国家“九五”项目、国家“863”计划、CIMS示范工程等中发挥了重要作用。
多年来，公司持续不断地对软件进行改进与提高。
紫金桥组态软件是真正的客户/服务器软件，同时支持分布式服务器和分布式客户端。
组态王KingView：
北京亚控自动化软件有限公司开发的组态王是国内较有影响的组态软件组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。
提供多种硬件驱动程序。
具有易用性、开放性和集成能力。
力控：
国产监控组态软件唯一的完整的冗余与热备体系设计，完整的分布式网络结构；支持控制设备冗余、多重网络冗余，多客户端冗余；人机监控图形界面与过程数据处理分离，内置独立的实时历史数据库；实时历史数据库支持Windows/Unix/Linux操作系统，数据库开放接口支持远程访问；软件具备独立的WebServer，支持WebService接口，支持PDA终端访问方式；和设备支持多种通讯方式，上千种的驱动程序，支持多协议设备共用一条通讯总线，支持不同通讯链路切换。
MCGS（北京昆仑通态自动化软件科技有限公司）特点是：
全中文可视化组态软件，简洁、大方，使用方便灵活，真正的32位程序，支持多任务、多线程，运行Win95/98/NT/2000平台。
支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备等700多种国内外众多常用设备。
支持ODBC接口，可与SQLServer、Oracle、Access等关系型数据库互联。
支持OPC接口、DDE接口和OLE技术，可方便的与其他各种程序和设备互联等
论文研究的主要内容及特色
本文主要研究基于MCGS和数据采集卡的实验控制系统，如何实现温度等参数的采集、显示及控制，内容如下：
1）概述数据采集卡和简述MCGS组态软件的构成及原理。
3）简要介绍计算机与采集卡的硬件连接及计算机与智能仪表的连接。
4）详细说明利用MCGS软件开发实验控制系统应用软件的过程。
5）利用VB编程软件和MCGS高级开发向导开发本实验控制系统所需要的PCL813驱动设备，这是本文的重点之一。
6）完成各设备的安装、调试，整合实验控制系统的硬件和软件，完成对压力、温度、流量等各参数的数据采集及控制。
这是本文的特色，本控制系统结合了研华数据采集板卡、天辰智能仪表和采国产优秀MCGS组态软件，并能在湘潭大学过程装备与控制工程综合实验室测试系统性能。
实验控制系统方案设计
本实验控制系统的功能要求是，采集实验系统的压力等参数，并在计算机及试验台显示；能对压力等参数进行PID调节控制。
通过对设计任务和现场具体情况的分析，我们采用“监督控制系统SCC+PID模拟调节器”的计算机自动控制系统。
此方案成本低、速度快，而且在本项目中由于换热器硬件等与控制柜及计算机物理距离很近，布线成本几乎可以不用考虑。
教学中使用此系统，能使学生更直观的认识控制系统的结构和运行原理。
本章将简要介绍本实验控制的结果和原理，重点研究研PCL-813数据采集卡，为后面各章节的软件设计的讲解奠定基础。
1.1实验控制系统的总体结构设计
本实验控制系统的组成如图2-1所示。
以管道水流的恒流控制过程为例，说明其工作原理。
流量传感器采集流量信号，并将此模拟信号输入A/D板卡，数据采集卡经模数转换后经IO端口传给工控机，通过计算机的应用软件可以显示此流量值。
然后计算机通过RS232/485通讯口把流量信号传输给智能仪表，智能仪表接受该数据并通过PID运算后输出一个压力信号，直接控制电动阀开度，实现流量控制。
图21实验控制系统结构
1.2上位机系统软件开发平台的选择
上位机监控程序可以采用组态软件开发，也可以采用ViusalBasic等软件来开发，ViusalBasic是一种功能非常强大的编程语言，它是基于窗口和面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式，ActiveX技术可以使用其它应用程序提供的功能，具有价格经济、易学易用、效率高等优点。
但是采用组态软件的方式构成控制系统更具有有优越性：
（1）开发周期短。
（2）系统可靠性高。
（3）对工程技术人员的要求不高，便于推广。
（4）构成的系统通用性强，便于维护。
1.3下位机硬件开发平台的选择
下位机系统的核心是实现数据采集与控制的处理器与板卡的选择，分析本实验现场设备和功能要求，数据采集选择数据采集卡，设备对象控制采用智能仪表，该方法组建系统快速方便，对设计者的硬件技术要求不高。
板卡的选择应考虑多方面的性能指标：
输入通道的类型的数量，决定板卡是否满足基本要求；分辨率位数，决定量化误差是否满足精度要求；转换类型、转换速度等。
PCL-813是研华公司生产的多通道模拟输入板卡，有如下性能特点，故数据采集卡选择PCL-813。
PCL813板卡的连接器使用DB-37插座，与扩展板PCLD-881B接线端子相连接。
数采卡的工作温度范围为0~55℃，工作环境的湿度应在5~95%之内，PCL813的工作功耗是电源电压在+5V时工作电流为660mA，温度系数为25PPM/℃。
☉通道数：
32路隔离通道
☉分辨率：
12位
☉输入范围：
双极性：
±5V,±2.5V,±1.25V,±0.625V（软件可编程）
单极性:
0~10V,0~5V,0~2.5V,0~1.25V（可跳线选择）
☉过电压保护：
连续±30V（最大）
☉转换类型：
逐次逼近
☉转换器：
B.B.AD574（或兼容芯片），
☉转换速度:
25KHz最大（25us转换时间）
☉精度：
读数的0.015%,±1位
☉触发模式：
软件触发
☉输入阻抗：
>10MW
A/D卡的数据采集与处理研究
所谓的数据采集卡，是将控制器、A/D转换器等芯片安装在一块卡上，还包括相关的软件或者开发SDK将其安装在计算机上，通过PCI总线或者USB/RS-232等通讯端口，配合专用的数据采集程序来完成数据采集的功能[3]。
整个数据采集卡的原理是这样的：
对输入的模拟信号进行调理，送入高速ADC进行采样，将采样后得到的数据送入控制逻辑电路中，对高速的数据流进行缓冲，最后送入存储体存储数据，存储的数据可以通过PCI总线，快速的传输到PC机，以进行数据的存储或分析处理。
其中信号调理通道和触发通道的控制信号由控制逻辑电路发出。
模数转换的基本原理
PCL-813模拟量输入卡其模拟一数字转换采用的是12位逐次比较式转换。
逐次逼近型模数转换器转换速度和精度适中，面积小，功耗、成本低，并且能够适应多种模拟输入方式（单级、双级、差分），在开关、多通路应用中能保证零数据延迟，因此具有较宽的应用范围，如：
便携式/电池供电仪表、笔输入量化器、工业控制和数据/信号采集器等。
模数转换器的基本结构如图3-1所示。
前置滤波器避免高频信号在模数转换器的基带中引起的混叠，它利用了模数转换器自身带宽有限的特性。
采样是指对一个时间上和量值上均是连续变化的模拟量按一定的时间间隔抽取样值。
随后是量化处理，量化器将参考信号分割成2N-1个子域，这里的N是数字输出编码的位数。
在找出对应于采样信号的子域后，数字处理器就开始对相应的数字位进行编码。
在转换周期内，一个被采样的模拟输入信号转化成一个等价的数字输出码。
图31模数转换器的基本结构[15]
模拟输入信号先经过预采样滤波器，然后由采样器每隔一个采样间隔读出一次数据，再由模数转换器（ADC）量化为二进制数码，计算机处理后经由数模转换器（DAC）将二进制码转化为连续时间脉冲，脉冲之间的空隙则经过平滑滤波器来填充平滑以恢复成模拟信号。
模拟信号的数字化过程如图3-2所示。
为了充分地得到一个模拟信号的特征，必须有足够高的采样率。
这就要满足一个基本法则——采样定理。
为了在采样后真实的保留原始模拟信号的信息，采样率必须至少为信号最高频率分量的2倍，这称之为采样定理。
图32模拟信号的数字化过程
如图3-2所示，采样量化就是把采样信号的幅值用有限个数码来近似表示。
编码是模/数转化的最后阶段，就是把量化信号的电平用数字代码表示出来，最常用的编码形式是二进制编码。
因为实际问题的模拟电平极性不同，模数转换器分为单极性和双极性两种编码方式。
在实际电路中，量化和编码是同时进行的。
PCL-813的总体结构与接线图
PCL-813是一块12位32通道隔离的模拟量输入卡，该卡可以隔离500VDC的高压，可以防止输入端串入的高压引起计算机和其它设备的损坏。
由于卡上有可编程增益放大器PGA，所以输入端的满量程电压可以从
1.25V到
10V。
PCL-813照片如图3-3所示。
图33
升级会员 