基于USB的流量检测.docx
《基于USB的流量检测.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于USB的流量检测.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于USB的流量检测
概1.1课程设计的目的
通过本课程的设计，使学生掌握基于计算机的数据采集系统的设计方法，掌握热工参数检测方法、原理及选用；数据采集模块结构、特点及应用；组态软件应用。
培养学生独立分析和解决问题的工作能力，以及综合运用所学知识进行实际工程设计的基本技能，查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力，工程绘图能力，初步编写技术报告的能力。
1.2课程设计的要求
本设计要求对水箱压力信号进行采集和显示。
熟悉压力检测仪表及数据采集模块的应用。
掌握压力检测系统的设计方法。
设计要求压力范围：
0～50KPa，精度为0.5级；输出：
4～20mADC，并且整个设计具有低功耗的功能。
通过本课程的设计，使我们掌握基于数据采集模块的参数检测与控制系统的设计方法，掌握压力测量元件的使用，测量电路的设计、信号的获取、调理、A/D转换、数据采集模块硬件及软件应用方法。
1.3课程设计预备知识
THKGK-1型为对象完成本实验，实验的控制信号及被控信号均采用IEC标准，即电压0～5V或1～5V，电流0～10mA或4～20mA。
实验系统供电要求为单相交流220V±10%，10A；外型尺寸为：
182×160×70，重量：
380Kg。
被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱以及管道。
调节器主要有模拟调节器、位式调节器、智能仪表调节器、PLC控制器、单片机控制、计算机控等。
执行器模块主要有固态继电器、磁力驱动泵、电加热丝。
变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）等。
变送器的零位、增益可调，并均以标准信号DC0-5V输出。
另外，根据用户需要，配置微机通讯接口单元（RS232），以满足计算机实时控制实验的需要。
被控对象供水有两路：
一路是由磁力泵1从储水箱中抽水，通过阀1再经阀3向上水箱供水、经阀4向下水箱供水、经阀5向复合加热水箱的内胆供水；另一路是磁力泵2从储水箱中抽水，分别通过阀2经阀9向上水箱供水、经阀10向下水箱供水、经阀11向复合加热水箱的夹套供水。
每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀6流到下水箱，在上水箱中安装了压力传感器（PT、LT1），用于检测压力、液位的大小;而下水箱的水经阀7流到复合加热水箱的外套，再经阀8流回储水箱，各水箱都设有溢流口，保证水箱满后不外流并顺利经溢流口流回储水箱。
在复合加热水箱的内套安装了加热器和PT100温度传感器（TT），它们分别用于加热和检测温度。
第2章计算机数据采集系统总体方案的设计
2.1数据采集系统概述
随着计算机、微型机及信息技术的高速发展，数据采集及过程控制技术变的愈来愈重要。
为了把需要处理的信息输入给计算机，把计算机处理的结果输出到所需的场所，就需要一系列输入、输出设备（计算机外围设备）来完成信息的调理、采样、A/D、D/A转换、打印、显示等工作。
这些处理信息的输入输出设备与计算机一起就构成一个数据采集系统DAS（DataAcquisitionSystem）。
2.1.1数据采集系统的分类
数据采集系统的结构形式多种多样，用途和功能也各不相同，常见的分类方法有以下几种：
根据数据采集系统的功能分类：
数据收集和数据分配；根据数据采集系统适应环境分类：
隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根据数据采集系统的控制功能分类：
智能化数据采集系统，非智能化数据采集系统；根据模拟信号的性质分类：
电压信号和电流信号，高电平信号和低电平信号，单端输入（SE）和差动输入（DE），单极性和双极性；根据信号通道的结构方式分类：
单通道方式，多通道方式。
2.1.2数据采集系统的基本功能
数据采集系统是处理信息的I/O设备、计算机软硬件等的总称。
其基本功能有：
数据采集：
就是将生产过程或控制过程中要检测或监视的信号（模拟或数字）按一定的时间间隔，通过一定的信号处理变成计算机所能接受的数据形式，并存储在计算机的存储器中。
数据处理：
处理采集的数据的过程（属于数字信号处理范畴）。
如：
平滑、滤波、剔除奇异项、相关、卷积、频谱分析等。
过程控制：
就是将采集处理后的数据经D/A转换成模拟量或直接通过I/O接口或网络输出数字量对被控对象起作用。
2.1.3数据采集系统设计的基本原则
数据采集系统设计的基本原则：
1）、硬件设计的基本原则：
【1】良好的性价比
系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素。
因为系统在设计完成后，主要的成本便集中在硬件方面，当然也成为产品争取市场关键因素之一。
【2】安全性和可靠性
选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定、工作可靠。
要有超量程和过载保护，保证输人、输出通道正常工作。
要注意对交流市电以及电火花等的隔离。
【3】较强抗干扰能力
有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。
例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，正确接地、高输人阻抗下的防止漏电等。
2）、软件设计的基本原则：
【1】结构合理。
程序应该采用结构模块化设计。
这不仅有利于程序的进一步扩充或完善，而且也有利于程序的后期修改和维护。
【2】操作性能好，使用方便，具备良好的人机界面。
【3】具有一定的保护措施和容错功能。
系统应设计一定的检测程序，例如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位。
对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。
【4】提高程序的执行速度，尽量减小占用系统的内存。
【5】给出必要的程序说明，便于后期程序维护。
2.1.4数据采集技术与系统的发展方向
微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。
数据采集系统应用非常广泛，主要有：
⑴工业过程控制：
实时检测控制，DCS、SCADA；⑵遥测遥控：
航天、航空、火箭、卫星发射；⑶智能仪表、测试仪器：
微机控制、数字显示；⑷家用电器、民用电子产品：
智能控制、红外、电视、洗衣机、录象机、智能记录、存储；⑸计算机仿真系统：
汽车驾驶培训、潜艇仿真运行、钻井仿真培训等均离不开DAS的应用（数据来自现场，输出却不对现场起作用）。
数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面：
（1）新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性能。
（2）高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系统的广泛应用。
（3）智能化传感器（Smartsnor）的发展，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的影响。
（4）与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。
（5）分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势
2.2数据采集系统的结构原理
数据采集系统的结构随其用途而具有不同的组成形式。
一般地，一个数据采集系统应包括以下六个组成部分：
1、传感器（Sensor）：
将非电量（如：
压力、温度、流量、液位、位移等）变成电信号。
常称为一次仪表，其输出一般是模拟量，但也有的输出数字量。
2、信号调理电路（SignalConditioning）：
信号调理电路的主要功能包括信号的转换和标准化。
⑴对模拟信号而言：
mV--V；kV--V；交流—直流；R--V等。
总之，要进行滤波、衰减、放大、整形等，得到计算机所‘认识’的标准信号（4—20mA、1—5V、±5V、±10V）。
⑵对数字信号而言：
缓冲、锁存、整形等。
3、多路模拟开关（MUX）：
作用：
使多路被测信号共享一路A/D。
当被测量信号的通道比较多时，为了节省开支和减轻电路的复杂程度，一般在信号调理电路后面，加多路模拟切换开关，从而使各路信号共享一路A/D通道。
当然，这样做会影响采样速度，因而对于变化很快的被测信号，就需要为每一路单独配置A/D通道，成本必然提高。
实际设计时，可根据具体情况灵活掌握。
4、采样保持电路（S/H）：
S/H的基本功能是：
获取输入信号并在其后A/D转换期间使信号保持不变。
特别是当被测信号为高频信号时，都应加采样保持电路。
5、A/D转换电路（ADC）：
DAS的核心器件是A/D转换器。
因为只有通过它才能将模拟量变成计算机所能接受的数字量。
具体讲，A/D转换部分应包括以下两项功能：
⑴将模拟量转换为数字量。
⑵能与计算机进行接口。
6、计算机及数据输出设备：
一般采用工控机及打印机、绘图仪等，用于将采集处理后的数据打印或显示出来（报表、曲线等）。
数据采集系统基本框图如图1所示：
图1数据采集系统基本框图
2.3数据采集系统的结构形式
从硬件力向来看，目前数据采集系统的结构形式主要有三种：
一种是微型计算机数据采集系统；另一种是集散型数据采集系统；另一种是分布式数据采集系统。
2.3.1微型计算机数据采集系统
微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、AD转换器、计算机及外设等部分组成。
其框图如图2所示：
图2微型计算机数据采集系统框图
2.3.2集散型数据采集系统
集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。
数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成。
位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。
其框图如图3所示：
图3集散型数据采集系统框图
2.3.3分布式数据采集系统
分布式数据采集系统是相对于集中式数据采集系统而言的。
它一般是由地面采集站、遥测数传电缆以及中央控制站三部分组成，其中地面采集站按测线的方向布置，负责采集一个或几个测点的地球物理数据，而中央控智站的主要任务是完成数据的记录和质量监控。
目前这种系统已在地震勘探和高密度电法中被采用。
2.4不同的数据采集方案
1、USB技术的主要特点：
1）能覆盖高、中、低速范围的总线，适用范围广；
2）成本低；
3）热插拔；
4）最多能通过网络连接127个设备。
每个USB总线支持127个设备的连接；
5）独立供电；
6）电源保护；
7）支持四种类型的传输方式。
包括同步传输、块传输、中断传输和控制传输。
2、PCI数据采集模块：
PCI总线：
一种高带宽、独立于处理器的总线，主要用于高速外设的I/O接口和主机相连。
PCI总线特点：
1.它与CPU的时钟频率无关，采用自身的33MHz总线频率
2.数据线宽度为32位，可扩充到64位
3.它比VL总线的速度更快。
它支持无限突发传输方式，而VL仅支持有限的突发数据传送；PCI总线支持并发工作，即挂接在PCI总线上的外设能与CPU并发工作
4.一个或多个PCI总线通过PCI桥（PCI控制器）和处理器总线相连；而处理器总线只连接处理器/Cache、主存储器和PCI桥
5.PCI桥使PCI总线于处理器，并且提供了数据缓冲功能
6.高速的PCI总线和低速的ISA/EISA总线之间通过PCI桥相连接，使得高速设备挂接在PCI总线上，而低速设备挂接在ISA、EISA上
7.可以有多个PCI总线，PCI总线之间也是用相应的PCI桥连接。
PCI总线支持广泛的基于微处理器的配置。
PCI总线可以用在单处理器系统中，也可以用于多处理器系统中。
3、ADAM4000模块：
ADAM4000模块是为恶劣环境下可靠工作专门设计的传感器对计算机接口单元。
特别适用于采样及控制点分散、与主机距离较远的数据采集和控制场合。
不同功能的ADAM模块配以完成管理功能的上位机及通讯线，就可以构成一个完整的网络系统，实现对工业生产过程的检测与控制。
AS3020子系统为24V直流电驱动，通过RS485转换网络到以太网，再将数据传到上位机，数据位8，停止位1。
以ADAM4017为例是16位，8通道模拟量输入模块，它对每个通道输入量提供多种范围，可以自行选择设定。
这个模块用于工业操作和检测，其性价比很高。
通过光隔离输入方式对输入信号与模块之间提供3000VDC隔离，而且具有过压保护功能。
2.5本次设计数据采集方案的确定
本次设计决定使用USB-4711A通用模块进行数据采集。
基于USB的采集系统硬件主要由三部分构成：
USB接口模块、A/D控制模块和A/D转换模块。
基于USB的采集系统软件分为三个部分：
采集设备固件程序，设备驱动程序和用户应用程序。
第3章数据采集系统的硬件设计
3.1压力参数检测
3.1.1压力检测方法
1、霍尔压力传感器属于位移式压力传感器。
它利用霍尔效应，把压力作用所产生的弹性元件的位移转变为电视信号，实现压力信号的远传。
霍尔片被置于弹簧管的自由端，被测压力p由弹簧管固定端引入，这样弹簧管感测到压力的变化，引起弹簧管自由端的变化，带动霍尔片位移，将压力值转换成霍尔片的位移，霍尔压力传感器实质就是一个位移-电势的变换元件，其输出信号为0~20mVDC,且输出电势与被测压力成线性关系。
2、电容式压力传感器是通过弹性膜片位移引起电容量的变化从而测出压力（或差压）的。
弹性膜片作为感压元件，它由弹性稳度性好的特殊合金薄片制成，作为差动定容的活动电极。
被测压力作用于左右隔离膜片时，通过内充的硅油传递压力在弹性膜片上产生与左、右室的压力差成正比的微小位移△d，引起弹性膜片与两侧固定极板间的电容产生差动变化。
3、扩散硅式压传感器是一种基于压阻效应工作的一种压力敏感元件。
单晶硅平膜片上的扩散电阻通常构成全桥测量电路。
单晶硅平膜片在圆形硅杯的底部，硅杯的内外两侧输入被测压差压或被测压力及参考压力。
压力差使膜片变形，膜片上的两对电阻的阻值发生变化，使电桥输出相应压力变化的信号。
并通过接入桥路作为温度补偿电阻，以提高精度。
3.1.2压力传感器的确定
霍尔压力传感器对温度比较敏感，电容式压力传感器对压力敏感，成本较高。
因此本次设计选用扩散硅式压力传感器，其实物图如图4所示：
图4压力传感器实物图
此压力传感器的具体参数如表1所示：
接口尺寸：
M20*1.5,G1/2（mm）
加工定制：
是
防护等级：
IP65
测量范围：
-100~2KPa~4000bar（kPa）
类型：
扩散硅压力变送器
防爆等级：
非防爆
型号：
PT330
测量介质：
与不锈钢兼容的气体和液体
精度等级：
0.5%FS,0.2%FS
品牌：
奇正
输出信号：
4~20mA（mA）
电源电压：
16~32VDC（V）
表1压力传感器具体参数
PT330型压力变送器采用进口敏感芯体，配合优良的运放电路，具有很好的稳定性和可靠性，精度高，抗冲击压力较好，适合测量各种与316不锈钢兼容的介质。
它采用标准隔爆铸铝外壳，可全天候使用，并且可选带表头指示，是工业现场和过程控制的最佳选择。
其特点：
精度高，稳定性好，全天候铸铝外壳，可以配置显示表头，适用于室外环境。
3.2数据采集模块（USB4711-A）
3.2.1概述
USB通用串行总线是计算机外设接口的发展趋势，它的最大特点就是传输速度快、即插即用、易扩展，使用非常方便，被越来越广泛的应用于工业控制和数字设备中。
其连接方式非常灵活，既可使用串行连接，也可使用集线器（HUB）把多个设备连接在一起，与同PC机的USB接口相连。
此外，它还可以从系统中直接汲取电源，无需单独的供电系统。
3.2.2模块技术参数
所选用的USB4711-A模块技术参数如下：
USB-4711A
150kS/s,12位多功能USB模块
∙支持USB2.0
∙便携设计
∙总线供电
∙16路模拟输入通道
∙12位分辨率
∙采样速率高达150kS/s
∙8路DI,8路DO,2路AO和1路32位计数器
∙带有接线端子
∙适合DIN导轨安装
∙锁紧式USB电缆用于紧固式连接
3.3.3数据传输、通讯、连接
基于USB总线数据采集系统包括两部分：
系统的硬件和软件。
硬件部分完成数据采集功能，并将采集的数据通过USB接口将传送给PC机。
软件部分包括采集设备固件程序、设备的驱动程序和用户应用程序。
基于USB的采集系统主要由三部分构成：
USB接口模块、A/D控制模块和A/D转换模块。
而USB接口模块和A/D控制模块通常有一块控制器芯片完成。
和其他接口的数据采集系统相比，系统不需要电源模块，而采用USB供电方式。
其硬件结构框图如图5所示：
图5硬件结构框图
USB数据采集系统的软件层次图如图6所示：
图6基于USB数据采集系统软件层次图
用户应用程序根据用户应用的需要对采集到的数据进行处理，包括显示、存储和分析等。
设备驱动程序是用户应用程序与设备固件程序之间数据交换的中介，负责传递用户应用程序向固件程序发送的命令数据和设备固件程序上传的采集数据。
在基于USB的数据采集系统中，它将会是一个USBWDM驱动。
设备固件程序是运行在采集设备上的程序，负责A/D控制以及和PC及数据交互。
3.4计算机系统
一个开放式PLC—DCS结构系统的自动化系统，将系统与设备有机地结合在一起，它通常包含有三个网络层：
设备层、控制层及信息层。
设备层网络是基于现场总线技术的工业标准开放网络或PLC厂家各自推出的总线网络，用于提供底层工业装置（传感器、门阀等）与高层设备（计算机、PLC）之间的连接。
控制层网络是基于PLC工业网络和现场总线技术的开放或半开放网络。
它将I/O网络结合起来，成为可满足实时性和高吞吐量要求的网络。
信息层网络是以太网工业标准TCP/IP网络，内置或侧挂具有TCP/IP通信能力的处理器之间能进行对等通信。
DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。
分布式控制系统的软件可分为系统软件、组态软件、应用软件。
其功能如下所述：
系统软件：
提供系统运行和管理的基本环境。
组态软件：
对过程管理系统组态、系统内各设备的定义、确定各设备的工作要求，设备网地址分配、定义各种控制点、点数据在显示图上的编排等。
应用软件：
用于整个生产过程的操作和控制，过程数据收集，信息分析、优化，监控控制，外来设备的网络化及完善。
运行于系统人机界面工作站、服务器等节点中的软件，提供数据采集和事件分析处理、信息存储和管理、二次计算、人机界面监视、远程控制操作及其他的应用功能。
第4章系统组态与界面设计
采用MCGS模拟压力检测流程，与计算机联机，通过USB数据采集与控制对实验水箱检测到的压力进行采集并完成相应的显示与图标功能。
4.1组态软件
组态软件，是指一些数据采集与过程控制的专用软件。
它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
本次设计中，我们采用MCGS组态软件完成课题设计。
4.2系统组态设计
4.2.1工程建立
在菜单“文件”中选→“新建工程”，如果MCGS安装在D：
根目录下，则会在D：
\MCGS\WORK\下自动生成新建工程，默认的工程名为新建工程X.MCG（X表示新建工程的顺序号，如：
0、1、2等）。
如图7：
图7新建工程
4.2.2构造实时数据库
实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。
数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也即是定义数据变量的过程。
定义数据变量的内容主要包括：
指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。
在新建工程的窗口中点击“实时数据库”，然后点右边的新增对象逐一进行编辑，如图8所示：
图8实时数据库
4.2.3构造工程画面
在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，即：
选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为：
压力控制；将“窗口标题”改为：
压力控制；在“窗口位置”中选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。
选中“水位控制”，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。
单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱，图标对应于选择器，用于在编辑图形时选取用户窗口中指定的图形对象。
最终结果如图9所示：
图9工程画面
4.2.4画面数据显示
在主界面我们建立了实时曲线图。
根据实际水箱高度（15cm）,以及传感器的型号，我们将纵坐标的最大值设为14700Pa,横坐标为MCGS时间（HH:
MM:
SS）,并分别用蓝色与红色曲线分别表示压力设定值与测量值，通过下边的按钮，可以切换到实时数据图表或历史数据图表，进行具体的查看。
如图10所示：
图10数据显示画面
4.3数据库
数据库是依照某种数据模型组织起来并存放二级存储器中的数据集合。
这种数据集合具有如下特点：
尽可能不重复，以最优方式为某个特定组织的多种应用服务，其数据结构独立于使用它的应用程序，对数据的增、删、改和检索由统一软件进行管理和控制。
本设计中，数据库相当重要，它应具备记录实时数据（水箱压力）并进行直观显示，同时应将历史数据（水箱压力）以时间顺序进行存储。
4.3.1数据报表
数据浏览以MCGS时间升序（YYYY：
MM：
DDHH：
mm:
SS）对所有存盘数据进行存储以及显示。
此数据浏每一分钟刷新一次，精确的反映了水箱压力的变化，显示直观，有利于实际工业生产对于产品质量、安全等问题的改善。
如图11所示：
图11数据浏览界面
4.3.2实时数据曲线
实时数据曲线反映了实时压力的设定值与测量值的变化以及两者的相对变化趋势，其中以蓝色表示设定值曲线变化，红色为测量值曲线变化。
实时数据曲线界面如下图12所示：
图12实时曲线
4.3.3历史数据曲线
历史数据曲线反映了过去时间压力的设定值与测量值的变化以及两者的相对变化趋势，其中以蓝色表示设定值曲线变化，红色为测量值曲线变化。
历史曲线可以自行设定时间调看所需数据。
历史数据曲线界面如下图13所示：
图13历史曲线
第5章系统运行与调试
5.1系统调试
模拟调试：
（1）进入环境；
（2）拖动滑块的指针，改变液位大小，观察压力数据能否准确采集以及图标显示是否准确；
在线调试：
（1）连接对象、接口卡和计算机，上电工作；
（2）进入组态环境，打开循环策略脚本程序，将液位模拟程序的每行前加的注释去掉。
这样做的原因是计算机与实际对象连接后，采入了实际压力信号，不再需要进行压力模拟了。
5.2结果分析
本设计“基于USB-4711A的压力检测与数据采集系统设计”能成功运行，并成功实现手动值的输入。
在设备窗口中，利用标准电信号的线性特性将其转换为对应的压力信号，如图14所示：
图14通道处理设置窗口
结束语：
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。
“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。
在这
升级会员 