基于数据采集卡的动态电阻检测系统详解.docx

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基于数据采集卡的动态电阻检测系统详解

大连海事大学

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毕业论文

二○一三年六月

基于数据采集卡的动态电阻

检测系统

专业班级：

电子信息科学与技术2班

姓名：

王凯

指导教师：

刘剑桥

信息科学技术学院

摘要

目前，国内外PTC元件的应用日益广泛，测试与确定其性能参数意义重大。

本文从PTC热敏电阻器测试规范出发，充分利用高速通用串行总线（USB）所具有的传输速度快、支持热插拔、即插即用、易于扩展、占用的系统资源少等优点，将其与传统的数据采集技术相结合，设计实现了一种基于USB的集数据采集、处理显示为一体的数据采集系统。

论文重点阐述了系统的整体工作流程，各部分的原理，软件各模块的设计。

系统采用USB接口作为PC机与测试仪器的通信端口，用MPS-010602多功能信号采集卡采集模拟信号，简化了硬件电路，降低了成本，提高了系统的抗干扰能力。

系统软件以VisualC++作为开发平台，采用MFC可视化编程，根据PTC的测试流程，系统提供了友好的测试界面，用户只需简单的设置之后，便可以开始系统的测试，实时准确地对数据进行处理，实现曲线的显示。

在数据误差处理中，分析了测试系统中存在的误差源，软件算法做了相应的处理。

论文完成的基于USB总线的数据采集系统，为数据的采集提供了一种更有效、更经济、更方便的数据采集方式。

关键词：

PTC；数据采集；编程；MFC

Abstract

Atpresent,thePTCelementisusedwidelyathomeandabroad,thetestingandperformanceparametersissignificant.thisarticlewasstartedfromthePTCthermistortestcode.TheadvantagesofUSBwithhigh-speed,hot-swappable,plugandplay,easilytoextendandlesssystemresourceswerefullyused.Thenwecombineditwithtraditionaldataacquisitiontechnology,designedandachievedasystemwhichwasbasedUSBtechnologywithdataacquisition,processinganddisplaytogether.

Inthisthesis,theoverallworkflowofthesystem,eachpartoftheprinciple,designofsoftwaremoduleweremainlydiscussed.SystemusesaUSBinterfaceforPCmachinesandapparatusforcommunicationports,collectsanalogsignalbyMPS-010602signalacquisitioncard,sothecircuitwassimplifyed,expenseofthesystemwerereduced,andtheanti-disturbingabilitywasenhanced.

C++wasadoptedastheprogramminglanguageandVisualC++waschosenasthedevelopingplatform.AccordingtoPTC'stestingprocess,thesystemprovidestest-friendlyinterface,usersonlyneedsimplesettings,thenyoucanstartthesystemtest,accuratedatainrealtime,achievecurveddisplay.Indataprocessing,theerrorsourcesinthetestsystemwereanalyzed,softwarealgorithmswasalsoprocessedproperly.

Inthisthesis,thedataacquisitionsystemwhichbasedonUSBbus,providedamoreeffective,moreeconomicalandmoreconvenientwayofdatacollectionfordatacollection.

Keywords:

PTC;datacollection;programmingMFC

目录

第1章绪论1

1.1背景1

1.2意义2

第2章原理3

2.1测试系统原理框架3

2.2MPS-010602多功能USB信号采集卡4

2.3数据采集与控制的方式6

2.3.1动态链接库与API函数7

2.3.2调用DLL有两种方法9

2.4板卡提供的DLL文件中用到的函数11

2.5热敏电阻的工作原理14

第3章软件设计流程及运行结果17

3.1程序界面设计17

3.2程序代码设计19

3.3热敏电阻阻值采集29

第4章测试结果分析30

4.1测得数据30

4.2误差分析及改进方案31

4.2.1主回路采样电阻的误差31

4.2.2采集误差31

第5章结论与展望32

5.1总结32

5.2展望32

参考文献33

致谢34

基于数据采集卡的动态电压检测系统

第1章绪论

1.1背景

数据采集（dataacqusition）是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，是与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。

它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等，具有很强的实用性。

随着科学技术的发展，数据采集系统得到了越来越广泛的应用，同时人们对数据采集系统的各项技术指标，如:

采样率、分辨率、线性度、精度、输入范围、控制方法以及抗干扰能力等提出了越来越高的要求，特别是精度和采样率更是使用者和设计者所共同关注的重要问题，于是，高速及超高速数据采集系统应运而生并且得到了快速发展。

今天,数据采集技术己在工业生产和科学技术研究等众多领域中得到了广泛应用并取得了良好效果。

现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，如A/D卡或422、485等总线板卡，它们一般多是通过ISA或是PCI等内置式接口实现PC机与外围系统之间的通信。

内置式插卡容易受到PC机箱内高频信号的干扰影响，从而降低系统的采样精度和稳定性。

此外，计算机主板上的插槽个数是有限的，加上仪器电路插卡的安装（必须断电、打开机箱操作）很不方便。

更有甚者，在PC机箱内插入的专用插卡必须进行资源重配置，以避免资源冲突，而此项工作专业性很强，往往令人头疼。

这些弱点使得他们的应用受到了很大的局限。

现在的UART串行口虽然支持外插，但因其速度太慢，远不能适用现今高速设备的发展需求。

而通用串行总线（UnveisralSerialBus,简称USB）使高传输速度、易扩展性、方便的即插即用有机的结合在一起，很好地解决了以上这些冲突，很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。

PTC材料是一种温度敏感性的导电材料，PTC（PositiveTemperatureCoefficient）即正温度系数，是指材料电阻率随自身温度升高而增大的一种特性[1]。

通常人们所称的PTC材料是特指具有非线性PTC效应的材料，即材料的电阻率在某一定的温度范围内时基本保持不变或仅有很小的变化，而当温度达到材料的特定转变点温度（居里温度）附近时，材料的电阻率会在几度或几十度狭窄的温度范围内发生突变，电阻率迅速增大103~109数量级。

目前使用的PTC材料主要分为陶瓷基PTC材料和高分子基PTC材料两种类型。

陶瓷基PTC材料在1955年由荷兰菲利浦公司的Herman最早发现并公开报道的，经贝尔实验室和日本村田制作所于1961年实用化，现在仍是以BaTiO3基和V3O3基为主。

高分子基PTC复合材料是以有机聚合物（大多数为结晶聚合物如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯和聚环氧乙烷等）为基体，掺入炭黑、石墨或金属粉、金属氧化物等导电填料，经过特殊设计，采用分散复合、层积复合以及形成表面导电膜等方式而制得的一种多相复合高分子导电体。

前者起骨架与填料载体的作用,后者起电流通道的作用，受热时聚合物膨胀，碳链断裂形成高阻。

它最先由Frydman在1948年首先发现，但当时没有引起人们的重视。

直到1966年Kohler报道了聚乙烯-炭黑复合材料具有PTC特性后，才引起人们的广泛关注，工业化高分子基PTC复合材料是20世纪80年代初由美国首先开发成功的[2]。

陶瓷PTC热敏电阻器是以钛酸钡为主要成分的高技术半导体功能陶瓷，当温度达到某定值时，其电阻值会显著增加，特别是在居里温度点附近电阻值跃升有3~7个数量级[3]。

虽然高聚物基的PTC材料准变温度低一些，但其成本低及易加工成型，可设计性好等特点是陶瓷基材料所不可代替的。

在新产品方面研制出了片式PTC复合元件、多层结构PTC和高可靠性PTC等[4]。

目前我国的PTC加热元件和PTC保护元件基本依靠进口。

但中国石油天然气集团公司和不少高校院所已投入力量开发高分子基PTC系列元件[5]。

1.2意义

目前，USB数据采集技术在国外已处于高速发展阶段，尤其是在高速数据传输速度、高实时性、高同步性等方面有雄厚的技术实力，从事USB数据采集开发的企业公司也很多，如DATX公司的DT9834[6]系列产品，美国OceanOptics公司的ADC1000_USB[7]，NI公司的USBDAQ[8]卡系列。

近两年，USB数据采集开发在国内已经开始起步，并迅速发展，水平不断提高。

市场上国内的主要产品有北京优采公司的UA300系列、四川拓普公司的UDAQ、UBOX、UCARD-7等系列。

虽然与国外同类产品相比，国内USB数据采集系统性能有一定差距，如大部分产品仍采用USB1.1协议,数据采集频率低，精度和分辨率低,数据处理能力差：

存储容量小等等，但是国内各企业、科研机构正积极跟踪国外最新技术，不断提高USB数据采集的研究开发，力争保持国内产品低价位的同时达到国外产品的高品质。

PTC系列热敏电阻应用非常广泛，涉及到许多领域具体表现在以下几个方面：

1、在电路控制及传感器中的应用：

晶体管温度补偿电路、测温控温电路、电风扇、彩卷冲洗、电热水器、电热毯、日光灯、节能灯、电池充电、变压器、取暖器、彩电、程控交换机等；

2、在电热器具中的应用：

家用暖风机、暖房机、干燥机（柜）、空调、干衣机、干手器、卷发器、电饭煲、暖手器、电熨斗（烙铁）、电吹风、复印机、传真机等；

3、在汽车中的应用：

过载保护装置、混合加热器、低温启动加热器、燃料加热器、蜂窝状加热器、燃油液位指示器、发动机冷却水温度检测表等。

目前正处于对PTC陶瓷材料性能的进一步优化和对PTC陶瓷元件应用的进一步推广的阶段，PTC技术是一种前景十分宽广的新型应用技术[9]。

仪器仪表是人们对物质世界的信息进行测量、控制及有效利用的基本手段和设备，是信息产业的源头和重要组成部分，“没有测量就没有科学”。

现代社会中，仪器仪表的发展水平已成为国家科技水平和综合国力的重要标志之一[10]。

目前已经存在部分参数综合的PTC测试仪器，但是为了提高测试效率，需要实现仪器的多工位化。

本课题研究目的在于充分利用USB总线所具有的即插即用、自供电、自动检测等优点来有效的解决传统数据采集系统的缺陷，动态测量热敏电阻阻值的变化情况。

参考目前市场情况和智能仪器的设计要求，本系统以计算机为核心，给出了一种基于USB总线的集数据采集、分析、显示为一体的数据采集系统，开发了专门的应用程序，测试时用户只需设置测试的参数后即可开始系统的测量工作，系统会自动完成余下的测试工作，大大提高了测试效率，提高了仪器的自动化、智能化程度。

该系统实现了低成本、高可靠性的数据采集，并且易于携带，可以将数据采集产品模块轻松地带到现场完成数据采集工作。

对数据的采集提供了一种更有效、更经济、更方便的数据采集方式。

第2章原理

2.1测试系统原理框架

根据数据采集系统测试的要求，提出了基于计算机USB口的数据采集系统方案，其原理框图如图2.1所示。

图2.1数据采集系统原理框图

2.2MPS-010602多功能USB信号采集卡

所用板卡实物图如下

MPS-010602信号采集卡是一款基于USB总线的多功能信号采集卡，具有16路单端模拟信号采集、4路模拟信号输出、8路数字信号输入/输出、2路比较器、2路计数器及2路PWM输出。

可用于传感器信号数据采集与分析、工业现场监测与控制、高等院校科研与教学等多种领域。

使用MPS-010602可以将传感器和控制器与计算机结合在一起，利用计算机强大的数据处理能力和灵活的软件编程方式，对信号进行分析、处理、显示与记录，从而用低廉的成本取代多种价格昂贵的专用仪器，并且能通过编程来获得免费的功能升级。

先进的设计理念、丰富的硬件功能与简洁的编程方式使MPS-010602成为工业企业和科研机构必备的强大设计工具。

MPS-010602采用USB2.0高速总线接口，支持即插即用和热插拔，是便携式系统用户的最佳选择，可以取代传统仪器与PCI等接口板卡。

MPS-010602可工作在Win9X/Me、Win2000/XP等常用操作系统中，并提供可供VB，VC，C++Builder，Dephi，LabVIEW，Matlab等常用编程语言调用的动态链接库，编程函数接口简单易用，易于编写应用程序。

性能指标  

1、USB总线性能 

▪ USB2.0高速总线传输 

▪ 支持热插拔和即插即用 

2、模拟信号输入 

▪ 模拟输入通道：

  2路单端（同步）；4路单端、8路单端、16路单端（多路扫描） 

▪ 输入端口耐压：

 0V—10V 

▪ 输入信号量程0V—10V （PGA = 1）、0V—5V （PGA = 2）、0V—2.5V （PGA = 4）、0V—1.25V （PGA = 8）、0V—0.625V （PGA = 16） 

▪ 模拟输入阻抗：

40K欧姆 

▪ 分辨率：

 12Bit（4096）

▪ 分辨力：

 2.5mV（PGA = 1）、1.22mV（PGA = 2）、0.6mV（PGA = 4）、0.3mV（PGA = 8）、0.152mV（PGA = 16） 

▪ 最大总误差：

 < 0.2% 

▪ 可编程增益：

1、2、4、8、16 

▪ 采样时钟：

5Ksps-80Ksps内部时钟或外部时钟 

3、模拟信号输出 

▪ 模拟输出通道：

 4路单端（同步） 

▪ 模拟输出范围：

 0-2.5V 

▪ 模拟输出电流：

   300微安

▪ 分辨率：

   12Bit（4096） 

▪ 非线性误差：

   ±2LSB 

▪ 刷新时钟：

   5Ksps-80Ksps内部时钟或外部时钟 

4、数字信号输入/输出

▪ 输入/输出通道：

 8路 

▪ 输入/输出模式：

 全输入/全输出/半输入半输出 

▪ 输入电平：

  兼容TTL或CMOS 

▪ 输出电平：

  CMOS 

▪ 输入/输出时钟：

 5Ksps-80Ksps内部时钟或外部时钟 

5、比较器 

▪ 比较器个数：

  2 

▪ 输入电压：

  0-3.3v

▪ 响应时间：

  ≤10微秒 

▪ 回差电压：

   正向与反向各2mv 

▪ 比较器输出：

  CMOS电平 

6、计数器 

▪ 计数器个数：

  2

▪ 输入电平：

   TTL或CMOS 

▪ 计数位：

   16位（最大65535） 

▪ 工作时钟：

   5Ksps-80Ksps内部时钟或外部时钟 

7、PWM输出 

▪ PWM输出通道：

  2 ▪ PWM输出电平：

  CMOS 

▪ PWM输出脉宽：

  8bit或16bit

▪ PWM时基：

   2M或24M 

▪ PWM状态显示：

  LED 

8、FIFO存储器  

▪ FIFO个数：

   4  

▪ 存储深度：

   1K 

9、工作温度 

▪ 0℃ - 70℃

应用领域：

便携式仪表和测试设备、传感器信号采集与分析、工业控制。

软件支持：

提供 Windows95/98/NT/2000/XP下的驱动程序及DLL文件，并提供LabVIEW编写的应用软件范例程序。

2.3数据采集与控制的方式

在Windows环境下使用VC++无法直接实现数据采集与控制功能。

要实现数据采集与控制，一般需要编写DLL和ActiveX控件，然后通过VC++的API功能调用和控件调用，实现对模拟量输入的功能。

就VC++应用来说，一般厂商都为其数据采集卡提供了丰富的DLL函数和ActiveX控件，以便灵活地实现各种数据采集与控制功能。

因此，通过厂商所提供的DLL或ActiveX控件，我们所写的控制程序代码就经过层层的转译，一直到DAQ卡上的缓存器，而检测程序代码则通过相反的管道将状态返回到我们所写的程序里。

使用DLL编程较灵活，但实现较复杂，尤其对于中断触发的需求，需要设置多线程同步；使用ActiveX控件则可以用很少的代码实现软件触发、中断触发和DMA的数据采集功能。

由于MPS-010602只提供了DLL（Dynamic Linkable Library，动态链接库）文件，所以只能使用动态链接库（DLL）通过编程来实现模拟电压的采集。

2.3.1动态链接库与API函数

MPS-010602采用DLL（Dynamic Linkable Library，动态链接库）的方式来进行编程驱动。

DLL的编制与具体的编程语言及编译器无关，只要遵循约定的DLL接口规范和调用方式，用各种语言编写的DLL都可以相互调用。

 DLL可以方便的在VC、VB、LabVIEW等语言下被调用，具体方式分别为：

 VC下调用DLL 

 typedef void （ * FUNC ）（void）;     //定义一个函数指针  

FUNC Func;          //定义一个函数指针变量  

HINSTANCE hDLL=LoadLibrary（"DllTest.dll"）; //加载dll 

Func=（FUNC）GetProcAddress（hDLL,"FuncInDLL"）; //找到dll中的函数  

Func（）;            //调用dll里的函数 

先来阐述一下DLL（DynamicLinkableLibrary）的概念，自从微软推出16位的Windows操作系统起，此后每种版本的Windows操作系统都非常依赖于动态链接库（DLL）中的函数和数据，实际上Windows操作系统中几乎所有的内容都由DLL以一种或另外一种形式代表着，例如显示的字体和图标存储在GDIDLL中、显示Windows桌面和处理用户的输入所需要的代码被存储在一个USERDLL中、Windows编程所需要的大量的API函数也被包含在KernelDLL中。

在Windows操作系统中使用DLL有很多优点，最主要的一点是多个应用程序、甚至是不同语言编写的应用程序可以共享一个DLL文件，真正实现了资源“共享”，大大缩小了应用程序的执行代码，更加有效的利用了内存；使用DLL的另一个优点是DLL文件作为一个单独的程序模块，封装性、独立性好，在软件需要升级的时候，开发人员只需要修改相应的DLL文件就可以了，而且，当DLL中的函数改变后，只要不是参数的改变,程序代码并不需要重新编译。

这在编程时十分有用，大大提高了软件开发和维护的效率。

DLL是建立在客户/服务器通信的概念上，包含若干函数、类或资源的库文件，函数和数据被存储在一个DLL（服务器）上并由一个或多个客户导出而使用，这些客户可以是应用程序或者是其它的DLL。

DLL库不同于静态库，在静态库情况下，函数和数据被编译进一个二进制文件（通常扩展名为*.LIB），VisualC++的编译器在处理程序代码时将从静态库中恢复这些函数和数据并把他们和应用程序中的其他模块组合在一起生成可执行文件。

这个过程称为"静态链接"，此时因为应用程序所需的全部内容都是从库中复制了出来，所以静态库本身并不需要与可执行文件一起发行。

在动态库的情况下，有两个文件，一个是引入库（.LIB）文件，一个是DLL文件，引入库文件包含被DLL导出的函数的名称和位置，DLL包含实际的函数和数据，应用程序使用LIB文件链接到所需要使用的DLL文件，库中的函数和数据并不复制到可执行文件中，因此在应用程序的可执行文件中，存放的不是被调用的函数代码，而是DLL中所要调用的函数的内存地址，这样当一个或多个应用程序运行是再把程序代码和被调用的函数代码链接起来，从而节省了内存资源。

从上面的说明可以看出，DLL和.LIB文件必须随应用程序一起发行，否则应用程序将会产生错误。

微软的VisualC++支持三种DLL，它们分别是Non-MFCDll（非MFC动态库）、RegularDll（常规DLL）、ExtensionDll（扩展DLL）。

Non-MFCDLL指的是不用MFC的类库结构，直接用C语言写的DLL，其导出的函数是标准的C接口，能被非MFC或MFC编写的应用程序所调用。

RegularDLL:

和下述的ExtensionDlls一样，是用MFC类库编写的，它的一个明显的特点是在源文件里有一个继承CWinApp的类（注意：

此类DLL虽然从CWinApp派生，但没有消息循环）,被导出的函数是C函数、C++类或者C++成员函数（注意不要把术语C++类与MFC的微软基础C++类相混淆），调用常规DLL的应用程序不必是MFC应用程序，只要是能调用类C函数的应用程序就可以，它们可以是在VisualC++、Dephi、VisualBasic、BorlandC等编译环境下利用DLL开发应用程序。

常规DLL又可细分成静态链接到MFC和动态链接到MFC上的，这两种常规DLL的区别将在下面介绍。

与常规DLL相比，使用扩展DLL用于导出增强MFC基础类的函数或子类，用这种类型的动态链接库，可以用来输出一个从MFC所继承下来的类。

扩展DLL是使用MFC的动态链接版本所创建的，并且它只被用MFC类库所编写的应用程序所调用。

例如你已经创建了一个从MFC的CtoolBar类的派生类用于创建一个新的工具栏，为了导出这个类，你必须把它放到一个MFC扩展的DLL中。

扩展DLL和常规DLL不一样，它没有一个从CWinApp继承而来的类的对象，所以，开发人员必须在DLL中的DllMain函数添加初始化代码和结束代码。

对动态链接库，我们还需建立如下概念：

（1）DLL的编制与具体的编程语言及编译器无关

　　只要遵循约定的DLL接口规范和调用方式，用各种语言编写的DLL都可以相互调用。

譬如Windows提供的系统DLL（其中包括了Windows