摘 要: 本文介紹了計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)及研究。在該系統(tǒng)硬件構(gòu)成中，采用加熱爐作為控制對(duì)象，試驗(yàn)儀器，線路板，數(shù)據(jù)采集卡及PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的硬件環(huán)境配置。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器 （Virtual Instruments, VI）技術(shù)，開發(fā)環(huán)境是美國國家儀器公司 （NationalInstruments，NI）推出的虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW7.0。系統(tǒng)投入使用后取得良好的教學(xué)效果。 關(guān)鍵詞: 虛擬儀器 PCL -818 LabVIEW Abstract：In this paper the experiment System for The course of computer control are introduced.The experiment system is made up of control object, test instrument, connection board, date gather card and computer. The experiment system software based on LabVIEW7.0 and PCL -818L is devoleped. The new modularization system based on the platform of virtual instrument is established. A good teaching effect has been brought after the experiment system for the course of computer control had been applied. Keywords：virtual instrument;PCL -818 ; LabVIEW 1 前言 　　《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》是我國高等院校各類自動(dòng)化、電子與電氣工程、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、機(jī)電一體化等專業(yè)的專業(yè)主干課程。為了配合本課程的理論教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)本課程的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，我校從2003年開始研究開發(fā)相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，2004開始組裝調(diào)試試用，2005年正式投入試驗(yàn)教學(xué)。 2 試驗(yàn)裝置功能介紹 　　考慮到在《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》理論教學(xué)中，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)控制的硬件系統(tǒng)構(gòu)成缺乏感性認(rèn)識(shí)，對(duì)控制器的控制算法及相關(guān)參數(shù)的選擇缺乏實(shí)踐的機(jī)會(huì)，我們?cè)谧鱿到y(tǒng)開發(fā)時(shí)詳細(xì)深入研究教材及教學(xué)大綱，確立本試驗(yàn)裝置應(yīng)具備功能如下：可以開展計(jì)算機(jī)輸入輸出技術(shù)的試驗(yàn);可以進(jìn)行試驗(yàn)法確定控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的試驗(yàn);可以開展數(shù)據(jù)處理試驗(yàn);可以進(jìn)行控制算法試驗(yàn)?？梢蚤_展綜合控制試驗(yàn)。 3 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要硬件組成 　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、溫控爐、試驗(yàn)接線印刷板、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等組成如圖1所示。 　　3.1系統(tǒng)所需電源 　　系統(tǒng)中溫控爐、試驗(yàn)印刷板所需直流電源由信號(hào)發(fā)生器供給。試驗(yàn)系統(tǒng)中所需直流電源范圍為±12 V,±10V, ±5V.其中±12及±5V為溫控爐測(cè)量轉(zhuǎn)換電路所需電源;±10V提供給數(shù)據(jù)采集卡作A/D轉(zhuǎn)換試驗(yàn)使用;溫控爐加熱所需220V電源直接由試驗(yàn)臺(tái)供給。 　　3.2溫控爐控制原理及電路實(shí)現(xiàn) 　　溫控爐主控電路如圖2所示。在加溫前，先有計(jì)算機(jī)鍵盤或鼠標(biāo)通過虛擬儀器輸入溫度給定值，上電后溫控爐內(nèi)的檢測(cè)元件檢測(cè)到實(shí)時(shí)溫度后經(jīng)試驗(yàn)板、數(shù)據(jù)采集卡作D/A變換，然后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理完畢后將處理好的控制信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送到印刷接線板，由印刷接線板送出到溫控爐的控制線路板上CONTROL INPUT端子，通過此信號(hào)改變加熱元件功率，達(dá)到控溫目的。 　　溫度信號(hào)的檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。溫度信號(hào)檢測(cè)采用熱敏電阻作測(cè)量元件，實(shí)時(shí)溫度經(jīng)過圖2所示轉(zhuǎn)換放大電路將溫度信號(hào)變?yōu)?10V——+10V的電壓信號(hào)，通過實(shí)驗(yàn)板進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡作A/D轉(zhuǎn)換后，送入計(jì)算機(jī)作數(shù)據(jù)處理。圖2中，W1為調(diào)零電位器。 　　3.2 PCL-818數(shù)據(jù)采集卡 　　本系統(tǒng)采用了研華科技的PCL—818-B數(shù)據(jù)采集卡. PCL-818 是一系列高性能、多功能 DAS 卡，能夠提供五種最常用的測(cè)量和控制功能：100KHZ的12 位 A/D 轉(zhuǎn)換、D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出和可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器, 具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入輸出、自動(dòng)檢測(cè)設(shè)定的通道和定時(shí)/計(jì)數(shù)等功能, 還帶 DMA 的自動(dòng)通道/增益掃描，具有較高的性價(jià)比。支持單端方式下16 個(gè)數(shù)字量輸入和 16 個(gè)數(shù)字量輸出，差分方式下8個(gè)數(shù)字量輸入和8個(gè)數(shù)字量輸出。軟件支持包括 VisiDAQ 3.1TM、ActiveDAQ、LabVIEWTM 和 Windows 3.1/95/NT 高速 DLL 驅(qū)動(dòng)程序。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用虛擬儀器 （Virtual Instruments, VI）技術(shù)，VI是由用戶利用一些基本硬件及軟件編程技術(shù)組成的各種各樣的儀器系統(tǒng),它的功能是可由用戶自己定義的。在VI的技術(shù)的支持下,用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的意愿,設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。它集成測(cè)量計(jì)、記錄、信號(hào)分析、控制等功能于一體,在同一基本硬件上配置不同的軟件而實(shí)現(xiàn)。 　　本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境是美國國家儀器公司 （NationalInstruments，NI）推出的虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW7.0, LabVIEW是一個(gè)基于圖形化編程語言（G語言）的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境,它提供了一種全新的編程方法,利用LabVIEW,可以通過交互式的圖形化前面板來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),例如:可以對(duì)幾千種硬件設(shè)備（GPIB、VXI、PXI、RS—232、RS—485、PLC、插入式數(shù)據(jù)采集卡等）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;可以通過網(wǎng)絡(luò)、交互應(yīng)用通訊和結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）等方式與其他數(shù)據(jù)源相聯(lián);可以利用其功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到有意義的結(jié)果并加以顯示輸出。 　　4.1儀器驅(qū)動(dòng)程序 　　儀器驅(qū)動(dòng)程序主要用來初始化虛擬儀器, 并設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式, 使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)。研華科技的PCL-818系列數(shù)據(jù)采集卡提供了LabVIEW的軟件支持,所以,按照提示就可以完成該卡的驅(qū)動(dòng)程序安裝。各主要選項(xiàng)選擇如下： 　　Board Type：PCL-818L 　　A/D Channels Configuration: 8 Differential 　　4.2應(yīng)用程序 　　應(yīng)用程序主要對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,定義虛擬儀器的功能。應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)、波形的顯示和回放、數(shù)據(jù)的處理。 　　數(shù)據(jù)采集模塊采用了Function模板/All Functions子模板/Data Acquisition子模板中的節(jié)點(diǎn)來控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在設(shè)計(jì)時(shí)要求系統(tǒng)能對(duì)多通道進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)采集,所以必須有通道選擇控制。LabVIEW中的Measurement&Automation Explorer軟件以瀏覽器的形式來配置采集設(shè)備及其通道。在使用相關(guān)功能時(shí),可以配置設(shè)備的虛擬通道,在LabVIEW中進(jìn)行編程時(shí),直接指定這些虛擬通道的名稱,就可以控制這些通道完成數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集程序中,主要控制數(shù)據(jù)采集的通道、采樣點(diǎn)數(shù)及掃描頻率等各種參數(shù)。系統(tǒng)信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)及掃描頻率用戶可以根據(jù)不同信號(hào)的要求手動(dòng)在前板上設(shè)置。 　　在試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)中,要求對(duì)采集數(shù)據(jù)的進(jìn)行顯示、處理, 還要進(jìn)行保存,實(shí)現(xiàn)離線的數(shù)據(jù)分析。本系統(tǒng)采用的是電子表格文件（Spreadsheet Text File）來存儲(chǔ)信號(hào)波形。該系統(tǒng)還能把任意一種試驗(yàn)數(shù)據(jù)備份到指定的位置。在已知備份文件的目錄的前提條件下,可以通過數(shù)據(jù)模擬再現(xiàn)的功能把以前的數(shù)據(jù)調(diào)出來進(jìn)行研究、分析。 　　為了配合教學(xué)，在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)用了LabVIEW中分析信號(hào)和系統(tǒng)的環(huán)境。例如經(jīng)典控制理論中的PID算法、信號(hào)分析的曲線擬合、傅立葉變換、數(shù)字濾波等功能;熱敏電阻的非線性溫度特性的曲線擬合等等。此外，也可利用其信號(hào)發(fā)生器生成了典型測(cè)試信號(hào)，如脈沖、階躍、正弦等，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析。其G語言框圖程序如圖4所示。 [align=center] 圖4 恒溫控制的框圖程序[/align] 　　4.3前面板程序 　　前面板程序與真實(shí)的物理儀器面板相似，用來提供虛擬儀器與用戶的接口,用戶可以通過鍵盤和鼠標(biāo)對(duì)虛擬儀器面板上的開關(guān),按鈕等進(jìn)行各種操作。本系統(tǒng)中加熱爐恒溫控制系統(tǒng)前面板如圖5所示。 [align=center] 圖5 恒溫控制系統(tǒng)前面板[/align] 　　在前面板上，可以設(shè)置模擬通道、數(shù)據(jù)輸出通道;設(shè)定控制參數(shù)如給定值、P、I、D參數(shù)值;可以利用按鈕對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止進(jìn)行控制;可以顯示實(shí)時(shí)溫度曲線、歷史溫度曲線。 5 結(jié)束語 　　利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng), 具有易于實(shí)際操作,功能定義靈活,可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本試驗(yàn)系統(tǒng)已投入使用近一年， 　　在教學(xué)中，采用本系統(tǒng)后，極大的提高了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，為學(xué)生學(xué)習(xí)抽象理論提供了一個(gè)可實(shí)踐的環(huán)境，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論的感知認(rèn)識(shí)，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新的興趣，取得了良好的教學(xué)效果。 [參考文獻(xiàn)] 　　[1]李震，等.基于Labview測(cè)試音頻功率放大器，微計(jì)算機(jī)信息, 2006年第22卷第4-2期 　　[2]張毅,等. 虛擬儀器技術(shù)分析與應(yīng)用 ,北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2004. 　　[3]Rober H.Bishop LabVIEW6i實(shí)用教程. 北京:電子工業(yè)出版社2003. 　　[4]李剛林,等.現(xiàn)代測(cè)控電路.北京:高等教育出版社. 2004