系統設計的實用性論文

　　概要設計解決軟件系統的模塊劃分和模塊的層次機構以及數據庫設計;詳細設計解決每個模塊的控制流程，內部算法和數據結構的設計。這個階段結束，要交付概要設計說明書和設計說明，也可以合并在一起，稱為設計說明書。

　　第一篇

　　1LabVIEW簡介

　　LabVIEW是虛擬儀器編程軟件中的一種，是一種儀器控制與數據采集的圖形化編程環境.

　　它具有直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風格，內置的編譯器可加快執行速度;

　　內置GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的庫函數可無縫連接各類采集卡;

　　內容豐富的高級分析庫，可進行信號處理、統計、曲線擬合以及復雜的分析工作;

　　利用ActiveX，DDE以及TCP/IP進行網絡連接和進程通信.

　　正是出于這些特點，基于LabVIEW計算機測試系統在各個領域的應用非常廣泛.

　　該系統也是一種基于Lab-VIEW和PCI采集卡的計算機測試系統.

　　2測量原理

　　電阻應變式扭矩傳感器由敏感元件，信號調理電路，固定封裝機構等幾部分構成，它測得的是在扭矩作用下轉軸表面的主應變ε，而該主應變和所受到的扭矩成正比.

　　當扭矩傳感器的彈性軸在承受扭矩時，在相對于軸中心線45°方向上會產生壓縮或拉伸力，從而將力加載到旋轉軸上.

　　在其外圓表面上兩個主要應力方向與軸線成45°及135°夾角的兩方向上粘貼上電阻應變片，當傳感器的彈性軸受到扭矩M作用時，應變片產生應變，其應變量ε與轉矩M成線性關系，滿足如下關系式M=πGD3ε45°16=πGD3ε135°16，式中：G為彈性軸材料的切變模量，D為彈性軸的直徑，ε45°，ε135°為彈性軸上與軸線45°和135°角方向上的主應變.

　　將兩個方向上的應變片并聯結成半橋或全橋，這樣該測量電路不但能使測量靈敏度提高一倍，還能消除由于彈性軸安裝不善產生的附加彎矩和軸向的影響來減小系統測量的系統誤差.

　　電橋中的電壓信號，經信號調理電路進行信號放大，調頻處理等，將測量電壓信號變成與扭矩成正比的頻率信號并通過低輸出阻抗電路將信號輸出[3，6，7].

　　3系統構建

　　該測量系統由主電機、傳動軸、萬向聯軸節、減速機、測量裝置，軋輥、機架、支撐座等構成.

　　其結構構成和傳感器安裝位置如圖1所示.

　　該系統是一個典型測試系統，系統功能是測量、顯示和記錄主軸的轉速、扭矩和實時功率.

　　構建該系統時應注意：傳感器的選型與固定，PCI板卡的跳線，工控機中LabVIEW模塊的選擇以及軟硬件接口.

　　3.

　　1硬件組裝注意事項傳感器的安裝：傳感器安裝應嚴格按照傳感器使用說明書進行.

　　此外還需注意將扭矩傳感器固定牢靠，避免振動;

　　但又要避免由于固定過緊或中心高不匹配而產生彎矩，以至造成系統誤差.

　　采集卡：由于該采集卡為集計數器輸入/輸出、數字量輸入/輸出等功能為一身的多功能PCI板卡，因而在使用本板卡進行實驗測量前必須根據需要進行跳線，且不支持熱插拔.

　　3.

　　2LabVIEW模塊NI公司的LabVIEW是一個模塊化的儀器，而且當前的模塊繁多，應用LabVIEW軟件平臺進行程序開發，首要任務就是根據設計需求完善所需要的模塊，否則有些功能就無法實現，給程序設計帶來難以預計的困難.

　　結合本系統的屬性，應用到的模塊有：LabVIEW2012SP1，ReportGenerationandDataStorageModule，LabVIEWReal-timeModule.

　　如果采用NI或研華的采集卡，還需安裝DAQ模塊.

　　需要指出的是用RGD模塊中小數據量采集和大數據量采集的數據保存方法略有不同[8，9].

　　3.

　　3軟硬件接口與NI和研華板卡可以通過DAQ模塊中的快捷VI編程不同，國產的很多板卡LabVIEW不提供其驅動，也不可能在右鍵快捷菜單中找到相應的函數.

　　這類板卡與LabVIEW的接口是通過調用動態鏈接庫的方式實現的.

　　板卡供應商將所有板卡的驅動函數封裝在一個后綴為dll的動態鏈接庫中，用VB，VC和LabVIEW等軟件進行二次開發時，可以通過調用動態鏈接庫中的函數來驅動板卡工作.

　　在通過LabVIEW的調用庫函數節點進行編程時，一定要確保安裝板卡與LabVIEW對應的驅動.

　　很多板卡的驅動程序針對VB，VC和LabVIEW的驅動程序是不同的，庫函數的種類也是不同的(如PCI-8501N)，因此在編程前必須確保正確安裝驅動，否則在調用庫函數節點時出錯就很難找出錯誤原因，且影響實驗進度.

　　庫函數一般是形為ZTAPIlongstdcallZT8501OpenDevice(unsignedlongcardNO);

　　其中，“ZTAPI”為中泰的API函數縮寫，“long”為函數返回值類型，“stdcall”為調用規范，“ZT8501OpenDe-vice”為該函數的函數名，括號內的量為函數入口參量及其類型.

　　下面以該函數為例，將LabVIEW調用動態鏈接庫的方法介紹如下：從右鍵快捷菜單中找互連接口庫與可執行程序調用庫函數節點;

　　雙擊該節點配置庫函數屬圖4扭轉測試.

　　llbFig.

　　4Torquetest.

　　llb性，“庫名/路徑”中選擇LabVIEW驅動目錄下的pci8501.

　　dll，在函數名一欄中選擇ZT8501OpenDe-vice函數，根據函數庫函數中的前綴選擇調用規范，此處應為“stdcall”，線程一欄選用在UI線程中運行.

　　設定參數類型，返回值類型為整型，入口參數cardNO為無符號整型，如圖2所示.

　　設置好后的，給函數配上輸入輸出，然后封裝成“打開設備”子VI(如圖3)，保存在創建的“扭矩測試.

　　llb”中(如圖4)，這樣就可以簡化程序框圖，也方便編程[10].

　　在調試過程中可以用布爾指示燈來通過判斷庫函數調用后的返回值來顯示板卡的工作狀態，這樣一方面不易出錯，另一方面也便于查找問題.

　　用這種方法作為LabVIEW軟件與PCI-8501N板卡的接口，就可以在LabVIEW開發平臺上進行程序設計了.

　　4系統程序設計

　　本系統設計軟件部分，應具有數據采集、實時顯示、數據保存等功能，實現這些功能的程序設計流程如圖5所示.

　　該LabVIEW程序可分為設備初始化;

　　計數器初始化;

　　啟動計數器;

　　打開中斷;

　　計數器讀數、顯示與保存;

　　關閉設備5個環節.

　　但總的來講，計數器初始化;

　　啟動計數器;

　　打開中斷屬于板卡操作;

　　計數器讀數、顯示、與數據保存環節為數據操作.

　　4.

　　1板卡操作設備初始化中的操作包括：打開設備、獲取板卡基地址、返回錯誤號、清除緩存、關閉中斷、判斷板卡是否打開等.

　　這部分主要是由DLL調用子VI構成，每個子VI封裝相應功能一個或多個庫函數.

　　如果板卡正常工作將返回板卡號，并傳遞給后續程序.

　　設備初始化完成后，就需要對16個通道計數器進行初始化.

　　它是通過調用封裝了庫函數“ZT8501AdvCTinit”的子VI，對各個通道相應的參數按照測試需要不同進行初始化配置來實現的.

　　0-14通道初始化為基本計數，15通道初始化為定時中斷.

　　作為中斷時，其中的參量“updatePerNirq”表示中斷多少次刷新一次值，此處的值設置不能大于采樣間隔.

　　本系統共有3路扭矩信號和3路速度信號，可在板卡上任選6路通道進行測量，本系統占用了1，2，3，12，13，14，共6個通道.

　　初始化完成后，板卡各個通道即可用于測量計數，但默認它們處于關斷狀態，需要通過相應的操作來啟動計數器和打開中斷.

　　該部分程序如圖6.

　　4.

　　2數據操作完成板卡操作后，計數器開始工作，計數器讀數VI讀取計時器中的值，并將從計數器中讀取的數據放在一個常量數組中.

　　程序按照設定的采樣間隔執行While循環，刷新數據，通過數組顯示控件即可讀取當前采集到的數據值.

　　通過采樣數組，抽取各個通道的值，進行索引后通過波形圖表就能單獨顯示各個通道的值，觀察采樣信號的變化情況.

　　若將測得的扭矩與轉速相乘則可得到電機的實時功率.

　　本系統中，為了便于觀察各個機架的運行狀態，將同一機架上的轉速信號和扭矩信號合并后在一個波形圖表中顯示;

　　為了便于觀察鋼管軋制過程中軋制力的變化，將各機架的扭矩信號合并后放在一起顯示.

　　測得的數據，附加以時間信息，保存到Excel表格中.

　　這用到了LabVIEW的Office報表生成工具，需要必要的模塊和相應的設置.

　　計數完成后，關閉中斷，關閉設備，返回錯誤號，該部分程序如圖7所示.

　　4.

　　3測試系統主界面及測量結果該測量系統主界面如圖8所示，其中包括板卡狀態指示、參量設置、板卡基地址、錯誤顯示、測量結果顯示等.

　　由于轉速傳感器的測量通道為12，13，14，故轉速值應從12開始索引.

　　為了避免不設采樣頻率引起系統錯誤，系統采樣間隔初始值設為50ms.

　　選項卡控件中除了數組顯示控件用于顯示當前的轉速值和扭矩值外，還放置4個波形圖表用于分別顯示3個機架的轉速和扭矩，以及各個機架的扭矩對比.

　　圖9為在鋼管軋制過程中3個機架主軸扭矩的變化對比圖.

　　為確保信號不失真，板卡提供了直流偏置電壓，因而測量初值并不處在理想的零點，會有一定的提升.

　　該板卡的零點位于10K位置處，測量范圍為5K～15K.

　　實際測量時，應先對測量系統進行標定，并測試機架在空載時，各機架的扭矩值.

　　本次鋼管軋制過程中，工控軟件設定的各機架主軸電機轉速值分別為12r/min，15r/min，18r/min，測量結果如圖9所示.

　　5結論

　　針對主軸轉速和扭矩測量的問題，本文以某鋼管軋機3個機架主軸為研究對象，采用扭矩傳感器、通用的PCI板卡、計算機及LabVIEW軟件等來構建測試系統，測定主軸轉速、扭矩和實時功率.

　　通過調用庫函數節點，應用調用動態鏈接庫的方法，能夠用普通的數據采集卡與LabVIEW來構建測控系統.

　　使得國產板卡的價格優勢與LabVIEW強大的編程能力相結合，促進測控系統在工業系統中的應用和普及.

　　該系統程序設計，通過子VI調用的方法，將程序功能模塊化，縮短了編程時間，方便項目管理，并增強了程序的可讀性.

　　該測量程序能夠準確、快速、可靠地獲取各個機架主軸的轉速和轉矩值.

　　且該系統程序具有很強的通用性，可直接應用于其他旋轉機械的轉速和扭矩的測量.

　　作者：袁東磊 黃慶學 李昕濤 同育全 申寶成 單位：太原科技大學 機械工程學院

　　第二篇

　　1DZ-H擴散硅液位變送器工作原理

　　被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷)，使膜片產生與介質壓力呈正比的微位移，使傳感器的等效電阻值R變為R'，根據擴散硅的特性可知R'=1/(d1·d2·p·S)，(1)式中d1為擴散硅的壓阻特性系數;

　　d2為擴散硅受力與發生位移的線性比例系數;

　　p為傳感器所在介質位置的壓強;

　　S為傳感器膜片的面積。

　　當液位變送器投入到被測液體中時，傳感器受到的壓力為p=ρ·g·H+po，(2)式中ρ為被測液體密度;

　　g為當地重力加速度;

　　po為液面上大氣壓;

　　H為變送器投入到液體的深度。

　　DZ-H擴散硅液位變送器采用+24V的直流電源供電，根據伏安特性I=E/(R'+r)，(3)式中E為電源電壓;

　　R'為傳感器受壓后的阻值;

　　r為250Ω的采樣電阻，r?R'，忽略r的大小I≈E/R'.

　　(4)綜合式(1)、式(2)、式(4)可得I=E·d1·d2·S(ρ·g·H+po).

　　(5)由式(5)可知，液體的深度H與測得的電流I呈線性關系，傳感器輸出4～20mA的標準電流信號。

　　但是由于空氣大氣壓po的存在，給輸出信號帶來了4mA的偏置電流，可以通過硬件的方法進行校正。

　　2系統結構設計

　　本設計采用STC12C5A60S2單片機作為控制器，對采集得到的數據進行處理。

　　單片機可采集的信號為0～5V標準電壓信號，而變送器輸出的是4～20mA標準電流信號，因此，需要設計壓流轉換電路將標準的電流信號轉換為電壓信號。

　　本設計通過與變送器串接250Ω相對誤差為0.

　　1%的高精密采樣電阻器，將電流信號轉換為1～5V的電壓信號，然后通過一個高阻抗的差動放大電路，將減去1V的基值電壓，得到0～4V的電壓信號，再經過運算放大器放大1.

　　25倍，最后得到標準的0～5V電壓信號，送給單片機進行數據處理和顯示，系統的總體結構框圖如圖1所示[4，5]。

　　2.

　　1傳感采集電路的設計DZ-H擴散硅液位變送器是電流型變送器，采用+24V電源供電，將測量水深轉換為4～20mA的標準電流信號，本設計采用250Ω精度為0.

　　1%的精密電阻器作為壓流轉換元件，得到1～5V的電壓信號，供后面的電路進行處理，其模塊電路如圖2所示。

　　2.

　　2帶零點補償的差分放大電路為了得到0～5V的標準電壓信號，就必須將傳感采集模塊得到的1～5V的電壓信號減掉1V的基值電壓，然后再進行放大，因此，需要設計提供1V電壓的零點補償電路。

　　本設計采用電壓細分技術，可以精確地得到0.

　　8～1.

　　3V之間的任意電壓，不僅滿足了系統的要求，還能減小系統誤差。

　　得到0～4V的電壓信號后，要想得到0～5V的標準電壓信號，需要將其放大1.

　　25倍，供單片機處理使用。

　　本設計首先用電壓跟隨器，來隔離采集電路和放大電路之間，防止2個模塊電路相互干擾。

　　采用高阻抗差分放大電路，具有差分電路的性能，不僅可以抑制共模信號造成的偏差，還可以在一定程度上抑制溫度漂移。

　　在2個運放LM324的反相輸入端，用1kΩ的固定電阻器和2kΩ的滑動變阻器代替2kΩ的固定電阻器，這樣可以精確調節放大倍數，確保放大倍數為1.

　　25，減小系統的誤差，其模塊電路圖如圖3所示。

　　2.

　　3單片機最小系統電路與顯示電路本系統采用STC12C5A60S2單片機作為總的控制器，進行數據的處理。

　　STC12C5A60S2自身帶有10位的A/D轉換器，完全可以滿足本系統對轉換精度的要求。

　　擴散硅變送器輸出的電流信號經過處理后，最后轉換為標準的電壓信號，送給單片機進行處理，經過一系列的數據運算后，轉換為4位十進制數據，用數碼管SM4105進行顯示。

　　數碼管采用74LS164進行驅動，并采用虛擬I/O口技術，通過I2C數據總線將數據傳送給74LS164，驅動數碼管進行顯示。

　　另外，DZ-H擴散硅變送器需要用到+24V電源供電，而單片機和顯示模塊需要+5V電源供電，為了避免因設備工作時需要多路電源供電帶來的不便，本系統采用B2405S電壓轉換模塊，將+24V的電壓直接轉換為+5V電壓，供單片機使用，也使設備的安裝更加簡捷[6～8]。

　　3軟件設計

　　軟件部分對單片機和液位傳感器的初始化，并對采集到的電壓進行保留2位小數的處理，然后對采集到的電壓進行A/D轉換，并對A/D轉換的結果Res進行分段處理。

　　通過對大量實驗數據的分析，得知各段的水深值Disp和A/D轉換的結果Res之間均是線性關系，符合Disp=k·Res-b的形式，但不同段的Res值對應的k和b的值不同。

　　不同段的Res值經過不同的運算之后，最后將處理后的值保存在Disp，送顯示模塊進行顯示，系統的軟件流程如圖4。

　　4實驗結果

　　1)溫度對DZ-H擴散硅變送器的影響DZ-H擴散硅變送器的工作溫度在-20～60℃，將變送器分別放在不同的水溫下，測量不同深度時變送器的輸出電流，轉換為測量深度后與實際深度作對比，得到的結果如表1所示。

　　對上表的數據進行分析可以看出:在DZ-H擴散硅變送器的工作溫度范圍之內，隨著溫度的上升，變送器的輸出電流略有上升，當快要達到變送器的極限工作溫度時，會有較大的變化，由于溫度變化引起的最大溫漂誤差為0.

　　07mA/℃，平均溫漂誤差為0.

　　06mA/℃。

　　因此，在變送器的工作溫度范圍之內，溫度對變送器測量精度的影響可以忽略。

　　2)DZ-H擴散硅變送器測量液位的數據分析在采用二線式擴散硅液位變送器進行水深測量時，根據變送器的工作原理p=ρ·g·H+po，實際由水深產生的壓強，等于測量得到的壓強減去水面上由于大氣壓產生的壓強po[9，10]。

　　但是由于變送器受到試驗環境里水流等的影響，再加上元器件本身的制造工藝誤差等原因，導致試驗結果無法避免地存在誤差。

　　2013年5月4日，在南京市中山碼頭進行了測試，對得到的數據如表2所示。

　　對數據進行分析，得到本次測試結果的最大偏差為0.

　　04m，最大相對誤差為2%，平均相對誤差為0.

　　775%，同時從Matlab仿真對比的曲線看出:實際水深和測量值的曲線幾乎重合，只在個別數據有較大偏離，但總體上還是可以達到對精度的要求。

　　根據以上測得的實驗數據，在Matlab里進行繪圖，得到實際水深與電流的曲線，如圖5所示。

　　5結論

　　本文針對目前國內水位監測控制存在的弊端，設計了一種基于DZ-H擴散硅變送器的水位測量系統。

　　通過對測量數據的分析，DZ-H擴散硅變送器在工作的溫度范圍內，隨著溫度的上升，測量結果會略有上升，但是溫漂引起的誤差比較小，在可以接受的范圍內。

　　對水位的測量也比較準確，完全滿足航道船閘水位監測對精度的要求，在航道船閘水位監測領域中有具有較好的應用前景。

　　作者：徐磊 時維鐸 邢玉秀 徐振 李陽 單位：南京林業大學 信息科學技術學院

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