基于LABVIEW的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要隨著電子測試技術(shù)的不斷發(fā)展，測試技術(shù)正向自動(dòng)化，智能化，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。其中數(shù)字濾波器作為測試技術(shù)的重要工具而被廣泛的使用與各個(gè)領(lǐng)域。本課題是用Labview來實(shí)現(xiàn)溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用首先，本論文介紹Labview相關(guān)知識(shí)，利用虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái)Labview開發(fā)的軟件系統(tǒng)，主要包括五個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集，顯示記錄，數(shù)據(jù)回放，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。VI是計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)的儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向，Labview是一個(gè)基于圖形虛擬儀器的軟件開發(fā)工具，主要用于自動(dòng)測試、過程控制、儀器設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，其基本思想是在儀器設(shè)計(jì)或測試系統(tǒng)中盡可能用軟件代替硬件，

2、即“軟件就是儀器”，他是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)用戶需求來定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能，其實(shí)質(zhì)是充分利用計(jì)算機(jī)的最新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。本文重點(diǎn)介紹了虛擬儀器的界面 Labview的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)一個(gè)基于虛擬儀器的數(shù)字和控制系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)開發(fā)過程中數(shù)據(jù)的采集和軟硬件的設(shè)計(jì)關(guān)鍵字：Labview 溫度測量 數(shù)據(jù)采集AbstractAlong with the electronic test technology's unceasing development, the testtechnology forward automation, the intellectualizati

3、on, digitized and the networkdirection develops. Andthedigital filter take the test technology the important tool by the widespread use and each domain. This topic is realizes the temperatureexamination system's design as well as the application with Labview first, the present paper introduced t

4、hat the Labview related knowledge, the use hypothesizedinstrument's development platform - - Labview development's software system,mainly includes five modules: The data acquisition, demonstrates the record,playbacking, the data processing and the data analysis.VI is the product which the co

5、mputer technology and the traditional instrument technology unifies, is an important direction which the instrument develops, Labview is one based on the graph hypothesized instrument's software development tool, mainly uses in domains and so on test automation, process control, instrumental des

6、ign and data analysis, its basic philosophy is uses the software in the instrumental design or the test system to replace the hardware as far as possible, namely “the software is the instrument”, he is in the general-purpose calculator platform, defines and designs instrument's test function acc

7、ording to the user's needs, its essence is realizes fully using computer's newest technology with the expansion tradition instrument's function. This article introduced with emphasis the hypothesized instrument's contact surface Labview application, and designs one based on the hypot

8、hesized instrument's digit and the control system, elaborated in the system performance history data gathering and software and hardware's designKeyword: LabVIEW Temperature survey Data acquisition 目 錄摘要Abstract第一章 緒論 1.1課題背景 1 1.1.1背景簡介2 1.1.2引言2第二章 虛擬儀器簡介 2.1虛擬儀器特點(diǎn)3 2.2虛擬儀器構(gòu)成4 .3 Labview8.

9、5的安裝及應(yīng)用 5第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程模塊6 3.2硬件電路設(shè)計(jì)7 3.2.1硬件電路基本組成9 3.2.2硬件電路基本功能描述0 3.2.3硬件電路模塊功能分析3 3.2.3.1溫度傳感器電路原理4 3.2.3.2模數(shù)轉(zhuǎn)化以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理2第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本流程34.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)測量參數(shù)原理24.3 數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì)3 4.3.1 數(shù)據(jù)采集卡USB2013簡介44.3.2 數(shù)據(jù)采集卡工作原理及分析44.4系統(tǒng)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)過程5 4.4.1系統(tǒng)閉環(huán)基本工作原理5 4.4.2工程PID算法分析控制器原理54.5溫度檢測系統(tǒng)VI程序設(shè)計(jì)6總結(jié)5

10、結(jié)束語3參考文獻(xiàn)4致謝4 課 題 背 景背景簡介：虛擬儀器（VI）是計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)的儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。LabVIEW是一個(gè)基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。本文重點(diǎn)介紹了虛擬儀器的界面，LabVIEW應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器的數(shù)字化溫度測量和控制系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)開發(fā)過程中數(shù)據(jù)的采集和軟硬件的設(shè)計(jì)，虛擬儀器設(shè)備可以由使用者自己定義，這意味著可以自由地組合計(jì)算機(jī)平臺(tái)，硬件（包括傳統(tǒng)儀器），軟件，以及各種實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需要的附件。這種靈活性在由供應(yīng)商定義，功能固定，獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器上是很難達(dá)到的。常用的數(shù)字萬用表，示波器，信號發(fā)生器，數(shù)據(jù)記錄儀，以及溫度和壓力

11、監(jiān)控儀器就是這種傳統(tǒng)儀器的代表。從傳統(tǒng)儀器設(shè)備向虛擬儀器設(shè)備的轉(zhuǎn)變，為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)帶來了更多實(shí)際的利益，同時(shí)也促進(jìn)著實(shí)驗(yàn)手段不斷更新。引 言 虛擬儀器技術(shù)，就是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)測試任務(wù)的需要來定義和設(shè)計(jì)的測試功能，其實(shí)質(zhì)是充分利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，軟件就是儀器反映了虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征，美國國家儀器公司生產(chǎn)的NI-LABVIEW是目前最為成功，應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)，它是一種基于G語言的32位編譯型圖形化編程語言，其圖形化界面可以方便的進(jìn)行虛擬儀器的開發(fā)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，需要對溫度測量和控制的場合越來越多，測量溫度方法也是多種多樣的LabVIEW是圖形化開發(fā)

12、環(huán)境,它具有功能強(qiáng)大、編程效率高、界面友好、參數(shù)修改方便等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)它在功能完整性和應(yīng)用靈活性上也不遜于任何高級語言 VI技術(shù)也表著目前測試儀器領(lǐng)域的發(fā)展方向，LabVIEW是一種功能強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。數(shù)字濾波技術(shù)是數(shù)字信號處理的一個(gè)重要組成部分，濾波器的設(shè)計(jì)是信號處理的核心問題之一.在LabVIEW環(huán)境下可以隨時(shí)對比設(shè)計(jì)要求調(diào)整參數(shù)，有利于數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，有效地克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式中存在的濾波器系數(shù)不易調(diào)整、與硬件接口程序復(fù)雜、開發(fā)周期長等問題。LabVIEW為設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器提供了一個(gè)可靠而有效的途徑 2 labview虛擬儀器簡介 2.1虛擬儀器特點(diǎn)與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有

13、高效、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性 好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：智能化程度高，處理能力強(qiáng) 虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。    復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低 應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個(gè)高 速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀 器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛 擬儀

14、器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值?？刹僮餍詮?qiáng)，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的 多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù) 據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線，這些都使得儀器的 可操作性大大提高而且易用、靈活。2.2虛擬儀器構(gòu)成 虛擬儀器的構(gòu)建主要從硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)2個(gè)方面考慮。硬件電路的設(shè)計(jì)主要根據(jù)用戶所面對的任務(wù)決定，其中接口設(shè)計(jì)可選用的接口總線標(biāo)準(zhǔn)包 括GP IB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因?yàn)樗哂型ㄓ眯詮?qiáng)、可擴(kuò)充性好、傳輸速 率高

15、、抗干擾能力強(qiáng)以及良好的開放性能等優(yōu)點(diǎn)，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀 器生產(chǎn)廠家的認(rèn)可，目前VXI模塊化儀器被認(rèn)為是虛擬儀器的最理想平臺(tái)，是儀器硬件的發(fā) 展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺(tái)的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電 路的設(shè)計(jì)一般可以選擇用現(xiàn)有的各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號調(diào) 理和高速數(shù)據(jù)采集；信號輸出與控制；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。這3部分概括了數(shù)字化儀 器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構(gòu)成任何一種虛擬儀器。 例如使用高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)示波器、1臺(tái)數(shù)字化儀或 1臺(tái)頻譜分析儀；使用信號輸出與控制模塊

16、和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)函數(shù)發(fā)生器、 1臺(tái)信號源或1臺(tái)控制器。專用接口是針對特定用途儀器需要的設(shè)計(jì)，也包括一些現(xiàn)場總線 接口和各類傳感器接口。系統(tǒng)的主要硬件包括控制器、主機(jī)箱和儀器模塊。常用的控制方案 有GPIB總線控制方式的硬件方案、MXI總線控制方式的硬件方案、嵌入式計(jì)算機(jī)控制方式的 硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱為器件（devices）。VXI有4種器件：寄存器基器件、消 息基器件、存儲(chǔ)器器件和擴(kuò)展器件。存儲(chǔ)器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸 大量數(shù)據(jù)。擴(kuò)展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。將VXI儀器制作成寄存器 基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄

17、存器基器件的通信情況極像VME總線器件 ，是在低層用二進(jìn)制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點(diǎn)在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制這一層次上進(jìn)行通信的。這種高速通信可以使測試系統(tǒng)吞吐量大大提高。因此，寄 存器基器件適用于虛擬儀器中信號/輸出部分的模塊（如開關(guān)、多路復(fù)用器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出 卡、模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡、信號調(diào)理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用A SCII字符進(jìn)行通信，與這種器件十分相似是獨(dú)立HPIB儀器。消息基器件用一組意義 明確的 “字串行協(xié)議”相互進(jìn)行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據(jù)所需的掛鉤 要求。消息基器件必須有CPU（或DSP）進(jìn)行管理與控制。因

18、此，消息基器件適用于虛擬儀器 中數(shù)字信號處理部分的模塊。軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)包括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件（軟面板） 。軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。   VXI總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和 編程函數(shù)庫等。該軟件在編程語言和VXI總線之間建立連接，提供對VXI背板總線的控制和支 持，是實(shí)現(xiàn)VXI系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。    儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅(qū)動(dòng)軟件，他 的設(shè)計(jì)必須符合VPP的2個(gè)規(guī)范，即VPP3.1儀器驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和模型和VPP3.2儀器 驅(qū)動(dòng)

19、程序設(shè)計(jì)規(guī)范。   “軟面板”設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板，這個(gè)面板應(yīng)不 僅同傳統(tǒng)儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動(dòng)條、開關(guān)按鈕、報(bào)警裝 置等功能部件，而且應(yīng)還具有多個(gè)連貫操作面板、在線幫助功能等。2.3 LabVIEW8.5的安裝及應(yīng)用圖1圖2  圖3圖4圖5安裝完畢后，重啟計(jì)算機(jī)，即可使用labview軟件完成設(shè)計(jì)，執(zhí)行功能。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程模塊 圖63.2 硬件電路設(shè)計(jì) 3.2.1硬件電路基本組成系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，虛擬儀器系統(tǒng)的硬件主要由個(gè)人計(jì)算機(jī)活著工作站和硬件接口模塊組成，其中計(jì)算機(jī)是主體，主要用

20、來提供實(shí)施高校的數(shù)據(jù)處理性能，硬件接口模塊包括儀器和各種通用接口總線，主要用來采集，傳輸信號。儀器硬件，溫度傳感器，插入式數(shù)據(jù)采集卡DAQ，信號調(diào)理器等，通用總線用來把獨(dú)立的儀器連接到計(jì)算機(jī)上，目前較為常用的儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)，GPIB儀器控制系統(tǒng)，VXI儀器系統(tǒng)以及三者之間的任意結(jié)合。 3.2.2硬件電路基本功能描述此硬件系統(tǒng)主要利用半導(dǎo)體來調(diào)節(jié)溫度大小，利用溫度傳感器來對溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用LABVIEW編程來實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體與PC機(jī)之間的串行通訊以及虛擬面板的設(shè)計(jì)，最后由PC機(jī)來顯示測量目標(biāo)的溫度，對溫度測量而言，溫度傳感器的選擇是整個(gè)系統(tǒng)第一步，也是直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性能的重要因素之

21、一，金屬鉑的純度可以達(dá)到0.9989，熱性能穩(wěn)定，線性較好，電阻溫度系數(shù)分散性小，因此在這里我們選擇鉑電阻作為溫度傳感器的材料，由溫度傳感器電路實(shí)現(xiàn)對溫度的采集，并將傳感器輸出的信號與A/D轉(zhuǎn)化器匹配，對于弱信號輸出的溫度傳感器，采用放大電路以減小測量誤差，如果傳感器在輸出信號和傳輸過程中混入虛假成分，需要加入濾波器進(jìn)行抗干擾濾波 硬件電路基本功能描述如圖 圖73.3硬件電路模塊功能分析3.3.1溫度傳感器電路原理數(shù)字溫度傳感器AD7416及其應(yīng)用AD7416 是美國模擬器件公司（ADI）出品的單片機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)集成電路。其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將感應(yīng)溫度轉(zhuǎn)換為0.25

22、量化間隔的數(shù)字信號，以便用來與用戶設(shè)置的溫度點(diǎn)進(jìn)行比較。AD7416片內(nèi)寄存器可以進(jìn)行高/低溫度門限的設(shè)置當(dāng)溫度超過設(shè)置門限時(shí)，過溫漏級開路指示器（OTI）將輸出有效信號。另外，可 2C接口對AD7416的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀/寫操作，最多可允許8片AD7416掛接在同一個(gè)串行總線上。該溫度傳感器可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的環(huán)境溫度監(jiān)測、工業(yè)過程控制、電池充電以及個(gè)為計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)。 1 基本特性與引腳功能AD AD7416具有如下基本特性：圖8 工作電壓范圍為+2.7V+5.5V；測溫范圍為-55+125；具有10位數(shù)字輸出溫度值，分辨率為0.25；精度為±2(-25+100)和

23、7;3（-55+125）；轉(zhuǎn)換時(shí)間為1530s，更新速率為400s；帶有過溫漏級開路指示器（OTI）；具有I2C兼容的串行接口和可選的串行總線地址；具有低功耗關(guān)閉模式（典型值為0.2A）；可用來升級替換LM75。AD7416采用8腳表面貼SO和8腳小型SOIC封裝形式，圖1所示為AD7416的引腳排列圖，各引腳功能如表1所列。表1 AD7416引腳功能引  腳符  號功 能 描 述1SDA串行數(shù)據(jù)輸入、輸出端2SCL時(shí)鐘信號輸入端3OTI過溫漏級開路輸出端4GND接地端5A2串行總線地址輸入端6A1串行總線地址輸入端7A0串行總線地址輸入端8VDD電源端表12 工作原理AD

24、7416的內(nèi)部功能框圖如圖2所示。它的片內(nèi)帶隙溫度傳感器可按預(yù)先設(shè)置的工作方式對環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存入到溫度值寄存器中（地址00H），其環(huán)境溫度與輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系如表2所列。圖9表2 環(huán)境溫度與輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系環(huán) 境 溫 度二進(jìn)制數(shù)字輸出-5011 0011 1000-2511 1001 1100-0.2511 1111 1111000 0000 0000+0.2500 0000 0001+1000 0010 1000+2500 0110 0100+5000 1100 1000+7501 0010 1100+10001 1001 0000+12501 1111 0100表二

25、AD7416預(yù)先設(shè)置的工作方式分兩種：自動(dòng)測溫方式。在這種方式下，AD7416每隔400s對環(huán)境溫度測量一次，每次的量化轉(zhuǎn)換時(shí)間為1530s，其余時(shí)間芯片則自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；D7 D6 D5D4 D3D2D1D0通道選擇故障排隊(duì)OTI輸出極性比較/中斷工作方式表三低功耗方式。這種方式通常應(yīng)用在測溫頻率較低的場合。當(dāng)用戶需要對環(huán)境溫度進(jìn)行測量時(shí)，可通過I2C串行接口總線來寫入操作命令，此時(shí)，芯片將由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入測溫狀態(tài)。當(dāng)溫度量化轉(zhuǎn)換結(jié)束后，芯片將重新轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。AD7416內(nèi)部的配置寄存器（地址01H）為8位讀/寫寄存器，可用于設(shè)置操作方式，其格式為：配置寄存器各部分的功能如下：D7D5始終

26、設(shè)置為000；D4和 D3用于設(shè)置故障排隊(duì)長度，以防止測溫系統(tǒng)在受到干擾時(shí)錯(cuò)誤地觸發(fā)過溫指示器（OTI），故障排隊(duì)長度可分別設(shè)置為1、2、4和6次；D2用于設(shè)置OTI的輸出極性。0表示低電平輸出，1表示高電平輸出；D1 用于設(shè)置OTI的工作方式。0表示采用比較方式工作，即當(dāng)環(huán)境溫度超過TOTI時(shí)觸發(fā)OUT輸出，其輸出電平一直保持到環(huán)境溫度降至THYST；1表示采用中斷方式工作，即當(dāng)環(huán)境溫度超過TOTI的觸發(fā)OTI輸出，其輸出電將一直保持到下一次讀操作，而在這期間，即使環(huán)境溫度降到THYST，輸出電平也不翻轉(zhuǎn)；D0用于設(shè)置工作方式。0表示采用自動(dòng)測溫方式，1表示采用低功耗方式。THYST溫度點(diǎn)寄

27、存器（地址02H）和TOTI溫度點(diǎn)寄存器（地址03H）均是16位讀/寫寄存器，分別用于設(shè)置低端和高端溫度點(diǎn)的門限值，所設(shè)數(shù)值以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存入高9位，其余位置0。圖10AD7416采用I2C串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來實(shí)現(xiàn)同外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中AD7416作為從器件通過數(shù)據(jù)輸入/輸出線SDA以及時(shí)鐘信號線SCL與總線相連。其傳輸時(shí)序如圖3所示。當(dāng)SCL保持高電平時(shí)，SDA從高電平到低電平的跳變?yōu)閿?shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始信號，隨后傳送AD7416的地址信息的讀/寫控制位。其地址信息的格式為：100A2A1A0R/W。 根據(jù)A2A1A0的不同編碼，最多可允許8片AD7416掛接同一個(gè)串行總線上。

28、讀/寫控制位為1時(shí)，表示對AD7416進(jìn)行讀操作，為0時(shí)，則表示進(jìn)行寫操作。當(dāng)每個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束時(shí)，必須在收到接收數(shù)據(jù)一方的確認(rèn)信號（ACK）后方可開始下一步的操作。然后在地址信息和讀/寫控制位之后傳送片內(nèi)寄存器地址和數(shù)據(jù)。最后，在SCL保持高電平的情況下，當(dāng)SDA從低電平跳變到高電平時(shí)將終止數(shù)據(jù)的傳輸操作。圖113 應(yīng)用實(shí)例AD7416在每次上電時(shí)的默認(rèn)參數(shù)如下： TOUI設(shè)置為80、THYST設(shè)置為75；OTI采用比較方式工作；OTI輸出低電平有效；故障排隊(duì)長度設(shè)置為1。這些默認(rèn)值可使該溫度傳感器在不連接串行總線時(shí)用作自動(dòng)調(diào)溫器，圖4所示就是AD7416作為自動(dòng)調(diào)溫器的典型應(yīng)用電路原理圖。當(dāng)

29、被測量的環(huán)境溫度低于 THYST時(shí)，OTI輸出高電平，Q1導(dǎo)通，繼電器吸合，加熱器開始工作；當(dāng)被測量的環(huán)境溫度高于TOTI時(shí)，OTI輸出低電平，將Q1的基極電位拉低以使其截止，繼電器釋放，加熱器停止工作。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：為防止環(huán)境干擾，AD7416的電源同地線之間要并接容值大于0.1F的鉭電容；AD7416的感溫器件在芯片內(nèi)部，因此芯片表面要被測物體緊密接觸；由于芯片自耗電的存在，AD7416工作時(shí)的自身溫升約為0.2，所以在精確測溫時(shí)應(yīng)采取低功耗的工作方式；OTI輸出端的上拉電阻的阻值越大，流入AD7416的電流越小，其溫升也越小，但上拉電阻最大不能超過30k，通常選10k；與

30、I2C兼容的接口總線在AD7416上電后就一直有效，因此在芯片處于休眠狀態(tài)下仍可進(jìn)行片內(nèi)數(shù)據(jù)的讀出和寫入。 由溫度傳感器獲取的溫度信號作為輸入端模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號讀入PC機(jī)由LABIVEW自行分析處理，執(zhí)行并輸出控制量3.3.2模數(shù)轉(zhuǎn)化以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理A模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)    設(shè)置具有通用性的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，一般應(yīng)滿足能對多路信號盡可能同步地進(jìn)行采集， 為了使所采集到的數(shù)據(jù)不但能夠在數(shù)據(jù)采集器上進(jìn)行存儲(chǔ)，而且還能及時(shí)地在采集過程中 將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，選用存儲(chǔ)量比較適中的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，這樣既能滿足少量數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 的需要，又能在需要實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，在A

31、/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不丟失任何數(shù)據(jù)。)VXI總線接口     VXI總線數(shù)據(jù)采集器通常可以利用兩種VXI總線通用接口消息基接口和寄存器基接口。消 息基接口的作用是通過總線傳送命令，從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡單的讀寫來控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體消息基接口的框圖見圖2。 B采樣通道控制    為了滿足幾種典型系統(tǒng)通道控制的要求，使通道的數(shù)量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預(yù)置計(jì)數(shù)器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設(shè)計(jì)成最多64路、最少2路可以任意選擇，而且

32、可以從任意一路開始采樣，也可以到任意一路結(jié)束采樣，只要截止通道號大于起始通道號就可以了。整個(gè)控制在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行操作，通過消息基接口將命令寫在這部分的控制寄存器中，從而設(shè)置計(jì)數(shù)器的初值以及采樣的通道總數(shù)。   C定時(shí)采樣控制    由于不同的自動(dòng)測試系統(tǒng)對采樣時(shí)間間隔的要求不同，以及同一系統(tǒng)在不同的試驗(yàn)中 需要的采樣時(shí)間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時(shí)間間隔設(shè)置在2 s13. 0 ms之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是2 s。所有這些選擇設(shè)置可以在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行。   

33、60;D采樣點(diǎn)數(shù)控制    根據(jù)不同測試系統(tǒng)的需求，將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)成可在一個(gè)比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進(jìn)行。   E采樣方式控制總結(jié)各種自動(dòng)測試系統(tǒng)的采樣方式不外乎軟件觸發(fā)采樣和硬件 觸發(fā)采樣。在硬件觸發(fā)采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣，這2種采樣又可 以是定時(shí)進(jìn)行的或等轉(zhuǎn)速差進(jìn)行的。所有這些采樣方式，對于數(shù)據(jù)采集器來說都可以在軟面 板上進(jìn)行選擇。 4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本流程 軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，為使VI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡潔，一般可采用組件化設(shè)計(jì)思想，將各部分彼此獨(dú)立的軟件單元分別制成標(biāo)準(zhǔn)的

34、組件，然后按照系統(tǒng)的總體要求組成完整的應(yīng)用系統(tǒng)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的組件化的虛擬儀器軟件系統(tǒng)，如圖3所示。應(yīng)用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴(kuò)展其功能的必要工具，以及利用PC機(jī)、工作站的 強(qiáng)大功能。同時(shí)VPP聯(lián)盟提出了建立虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫（VISA）的建議，為虛擬儀器的研 制與開發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)。這也進(jìn)一步使由通用的VXI數(shù)據(jù)采集模塊、CPU/DSP模塊來構(gòu)成虛擬儀 器成為可能。    基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集器的軟件包括系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用程序、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和I/O接 口 軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發(fā)，往往很困難，但現(xiàn)在NI公司提供了所有這 四部分軟件，使應(yīng)用開發(fā)比

35、以往容易得多。    下面簡單介紹以NI公司的Lab Windows/CVI為開發(fā)環(huán)境，來進(jìn)行VXI虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)程序開 發(fā)的方法。    第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（UIR）。用戶接口資源、文件是儀器模塊 開 發(fā)者利用Lab Windows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)圖形用戶界面（GUI）。 一個(gè)Lab Windows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標(biāo)、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及 許多其他控制項(xiàng)和說明項(xiàng)構(gòu)成。    第二步：Lab Windows/CVI事件驅(qū)動(dòng)編程

36、。應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境Lab Windows/CVI中設(shè)計(jì)一個(gè) 用戶接口，實(shí)際上是在用戶計(jì)算機(jī)屏幕上定義一個(gè)面板，他由各種控制項(xiàng)（如命令按鈕、菜 單、曲線等）構(gòu)成。用戶選中這些控制項(xiàng)就可以產(chǎn)生一系列用戶接口事件（events）。例如 ，當(dāng)用戶單擊一個(gè)命令按鈕，這個(gè)按鈕產(chǎn)生一個(gè)用戶接口事件，并傳遞給開發(fā)者編寫的C語 言驅(qū)動(dòng)程序。這是運(yùn)用了Windows編程的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制。Lab Windows/CVI中使用不同類型的 控制項(xiàng)，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產(chǎn)生不同操作的接口事件。在Lab Wind ows/CVI的開發(fā)平臺(tái)中，對事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行C程序編程時(shí)可采用2種基本的方法：回調(diào)函數(shù)法和 事件

37、循環(huán)處理法。    回調(diào)函數(shù)法是開發(fā)者為每一個(gè)用戶界面的控制項(xiàng)寫一個(gè)獨(dú)立的用戶界面的控制函數(shù) ，當(dāng)選中某個(gè)控制項(xiàng)，就調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行事件處理。在循環(huán)處理法中，只處理GUI控制 項(xiàng)所產(chǎn)生的COMMIT事件。通過Get User Event函數(shù)過濾，將所有的COMMIT事件區(qū)分開，識(shí)別 出是由哪個(gè)控制項(xiàng)所產(chǎn)生的事件，并執(zhí)行相應(yīng)的處理。 第三步：應(yīng)用函數(shù)/VI集與應(yīng)用程序軟件包編寫。應(yīng)用函數(shù)/VI集需針對具體儀器模塊 功能進(jìn)行編程，應(yīng)用程序軟件包只是一些功能強(qiáng)大、需要完善的數(shù)據(jù)處理能力的模塊才需要 提供，如波形分析儀模塊、DSP模塊等。 4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)測

38、量參數(shù)原理 對于同一物理量，用不同的傳感器測量得到的不同的電信號，或者對于不同的物理量，不同的傳感器測量得到的相同的電壓信號，為了顯示正確的物理量，就需要對參數(shù)進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換，因?yàn)楸粶y量對象的各種數(shù)據(jù)量綱與A/D轉(zhuǎn)化輸入值是不一樣的，例如，溫度的單位為攝氏度，壓力單位為帕斯卡，頻率單位為赫茲，這些參量并不等于原來帶有量綱的參數(shù)值，必須把它轉(zhuǎn)化為帶有量綱的數(shù)值才能計(jì)算，一般的線性系統(tǒng)的標(biāo)度轉(zhuǎn)化公式為：圖124.3數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì) Labview圖形編程語言中的基本編程單元是VI,VI包括三個(gè)部分：前面板，框圖程序，圖標(biāo)、連接器，其中前面板即接受來自框圖程序的指令，又是用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗

39、口，這個(gè)窗口模擬真實(shí)儀表的前面板，具有很多數(shù)據(jù)參數(shù)指針，用于設(shè)置輸入和輸出觀察，輸入量稱為控件，輸出量稱為指示器，當(dāng)把一個(gè)控件或者指示器放到前面板上，框圖上對應(yīng)一個(gè)端子，這個(gè)端子永久性保存，用戶可以使用多個(gè)圖標(biāo)使用該功能。 其顯示和控制以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，圖二是一個(gè)虛擬溫度測量儀前面板，該面板通過對一個(gè)模擬溫度計(jì)實(shí)時(shí)顯示溫度的大小，并接入一個(gè)布爾量開關(guān)可以對采集過程加以控制，綠色的為一個(gè)預(yù)警信號燈，當(dāng)溫度超過某個(gè)預(yù)設(shè)的溫度值，該警示燈就變亮。圖13如圖，所示，計(jì)算機(jī)虛擬溫度示意圖，溫度傳感器的信號通過A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行給定的函數(shù)計(jì)算。輸出形式可以由使用者選定，要么選定

40、為溫度計(jì)，要么選定為指針式儀表，指針的刻度可以任意選擇，運(yùn)行時(shí)，顯示器上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)指針式溫度計(jì)，它的指針就會(huì)隨著溫度傳感器上的檢測實(shí)際溫度變化，這個(gè)溫度計(jì)并不存在，用計(jì)算機(jī)模擬的這個(gè)溫度計(jì)僅是虛擬儀器的一種。數(shù)據(jù)的采集離不開數(shù)據(jù)采集卡DAQ，DAQ的基本任務(wù)是對產(chǎn)生的物理信號進(jìn)行提取和測量，但是要使計(jì)算機(jī)能夠測量物理信號，必須使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，例如，熱敏電阻，熱電偶，光電管等，由于由傳感器輸出的信號比較弱，并且可能含有大量的噪聲信號，所以要使用信號調(diào)節(jié)裝置，對弱信號進(jìn)行一定處理，數(shù)據(jù)采集是借用軟件來控制整個(gè)DAQ系統(tǒng)，包括采集原始數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果等，在此電路設(shè)計(jì)中，我

41、們要采用的DAQ包括模擬輸入，模擬輸出，計(jì)算器操作，數(shù)字輸入。輸出，如圖為DAQ功能模塊 圖14圖15圖164.3.1數(shù)據(jù)采集卡USB2013簡介數(shù)據(jù)采集卡USB2013  品牌：阿爾泰型號：USB2013更新時(shí)間：2010-3-25 17:37:55瀏覽次數(shù)：156表3模擬量輸入 單端16路/差分8路 16位 250K ；模擬量輸出 4路 12位 100K 上電自動(dòng)清零；數(shù)字量 8路DI 8路DO；定時(shí)計(jì)數(shù)器 3路  16位AD精度，250KS/s采樣頻率單端16路/差分8路 模擬量輸入表4模擬量輸入 單端16路/差分8路 16位 250K ；模擬量輸出 4路 12位 1

42、00K 上電自動(dòng)清零；數(shù)字量 8路DI 8路DO；定時(shí)計(jì)數(shù)器 3路  16位AD精度，250KS/s采樣頻率單端16路/差分8路 模擬量輸入AD量程：±10V、±5V、±2.5V、010V、05V硬件增益：11000倍12位DA精度，100KS/s轉(zhuǎn)換頻率4路模擬量輸出，上電自動(dòng)清零DA量程：05V、010V、±5V、±10V數(shù)字量輸入、輸出各8路3路16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（8253或8254）表54.3.2數(shù)據(jù)采集卡工作原理及分析一個(gè)實(shí)用的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件一般包括微控制器、USB通信接口以及根據(jù)系統(tǒng)需要添加的A/D轉(zhuǎn)換器和EPRO

43、M、SRAM等。為了擴(kuò)展其用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字I/O端口。系統(tǒng)的A/D、數(shù)字I/O的設(shè)計(jì)可沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等諸元素選擇合適的芯片，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意抗干擾性，尤其對A/D采集更是如此。在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式：一種是采用普通單片機(jī)加上專用的USB通信芯片；另一種是采用具備USB通信功能的單片機(jī)。USB的另一大優(yōu)點(diǎn)是可以總線供電，在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中耗電量通道不大，因此可以設(shè)計(jì)成總線供電。一個(gè)USB設(shè)備的軟件一般包括主機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和寫進(jìn)ROM里面的Firmware。Windows98提供了多種USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，但還沒有一種專門

44、針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所以必須針對特定的設(shè)備編制驅(qū)動(dòng)程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，但編制驅(qū)動(dòng)程序仍然是USB開發(fā)中最困難的一件事。通常采用Windows DDK實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，如Compuware的Driver Works、Blue Waters的Driver Wizard等軟件能夠輕易地生成高質(zhì)量的USB驅(qū)動(dòng)程序。單片機(jī)程序的編制也同樣困難，而且沒有任何一家廠商提供了自動(dòng)生成的工具。編制一個(gè)穩(wěn)定、完善的單片機(jī)程序直接關(guān)系到設(shè)備性能，必須給予充分的重視。以上兩個(gè)程序是開發(fā)者所關(guān)心的，而用戶卻不太關(guān)心。用戶關(guān)心的是如何高效地通過鼠標(biāo)操作設(shè)備，如何

45、處理和分析采集進(jìn)來的大量數(shù)據(jù)。因此還必須有高質(zhì)量的用戶軟件。用戶軟件必須有友好的界面、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力以及提供給用戶進(jìn)行再開發(fā)的接口。 USB采集卡的軟件構(gòu)成在USB的Firmware中，采取同步傳輸（Isochronous Transactions）和塊傳輸（Bulk Transactions）兩種傳輸方式。同步方式用來實(shí)時(shí)傳送采集的數(shù)據(jù)，塊傳輸主要用來傳輸主機(jī)命令信號和USB的狀態(tài)信息。塊傳輸中利用端點(diǎn)（Endpoint）2。兩種傳輸方式的核心中斷程序如下：void ISR_Sutok(void)interrupt 0 /塊傳輸方式/initialize the couters i

46、n the 8051TMOD=0x05；TCON=0x10；TH0=0；TL0=0;Thb=0,TH0=0；TL0=0;thb=0；EZUSB_IRQ_CLEAR（）；USBIRQ=bmSUTOK; /Clear SUTOK IRQvoid ISR_Sof(void)interrupt 0 /同步傳輸方式if(TCON&0x21) /Deal with the counter overflowTH0=0;Tl0=0;THB+;TCON&=0xdf;IN8DATA=TH0; /3 Bytes counter resultIN8DATA=TL0；IN8DATA=THB；EZUSB_

47、IRQ_CLEAR（）；USBIRQ=bmSOF; /Clear SOF IRQ在LabVIEW應(yīng)用程序中設(shè)計(jì)了一Usb.dll文件作為LabVIEW與USB的驅(qū)動(dòng)程序。由于EZ-USB開發(fā)系統(tǒng)中已經(jīng)提供了底層驅(qū)動(dòng)程序（GPD）接口函數(shù)，用戶只需調(diào)用這些函數(shù)即可與USB設(shè)備連接。因此在DLL的編制中只需調(diào)用它提供的函數(shù)，大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)間，提高了開發(fā)速度。創(chuàng)建的Usb.dll文件中包含了如下五個(gè)輸出函數(shù)，功能說明如表1所示。表六 Usb.dll包含函數(shù)的功能說明Control主機(jī)對USB設(shè)備的控制ReadResult獲取USB發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)StartIsoStream啟動(dòng)設(shè)備的同步傳輸流St

48、artThread得到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的設(shè)備描述符StopThread關(guān)閉設(shè)備的同步傳輸流表六其定義如下：LPSTR_declspec(dllexport)_stdcall Control(int input);int_declspec(dllexport)_stdcall ReadResult(void);int_declspec(dllexport)_stdcall StartIsoStream(void);int_declspec(dllexport)_stdcall StartThread(void);int_declspec(dllexport)_stdcall StopThread(voi

49、d)；開啟設(shè)備和獲取采集數(shù)據(jù)的過程如圖2所示。它的主要功能有：開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置USB數(shù)據(jù)傳輸管道（pipe）和端點(diǎn)（endpoint）、實(shí)時(shí)從USB接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。程序在VC+6.0環(huán)境下編制成功后自動(dòng)生成DLL文件。調(diào)用時(shí)，在框圖程序窗口打開FunctionPalette（功能模板），在Advanced模塊包含有對庫函數(shù)的調(diào)模塊，即CallLibraryFunction。把編寫好的DLLs放在當(dāng)前目錄或特定目錄下。在功能模板放置函數(shù)調(diào)用模塊，然后選Configure，出現(xiàn)對話框。根據(jù)LabVIEW與DLLs的參數(shù)對應(yīng)關(guān)系填寫好DLL文件的路徑（DLL文

50、件不在當(dāng)前目錄下）、被調(diào)用函數(shù)名、參數(shù)的類型及返回類型。需要注意的是，當(dāng)調(diào)用多個(gè)函數(shù)時(shí)要分別填寫參數(shù)的個(gè)數(shù)和對應(yīng)的類型，而且在調(diào)用過程中應(yīng)保持?jǐn)?shù)據(jù)位的一致。填好選擇OK按鈕后，LabVIEW將自動(dòng)生成各參數(shù)的入口及出口狀態(tài)，這樣就實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與DLLs的調(diào)用。4.4系統(tǒng)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)過程4.4.1系統(tǒng)閉環(huán)基本工作原理我們將預(yù)先設(shè)計(jì)，編譯和調(diào)試通過的控制模塊程序下載到FO-2000中去，并通過FP-110模塊對唄測系統(tǒng)的溫度能夠進(jìn)行定期的數(shù)據(jù)采集，由控制程序?qū)Σ杉降臏囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行處理和優(yōu)化，同時(shí)根據(jù)溫度要求，使用PID算法和相應(yīng)的算法計(jì)算控制量，對控制模塊再次進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后，輸出控制信號

51、電壓觸發(fā)，調(diào)節(jié)可控硅執(zhí)行器的導(dǎo)通角，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體加熱器對系統(tǒng)進(jìn)行加熱，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。控制模塊中的PID調(diào)節(jié)，是工程實(shí)際中的一種算子，根據(jù)設(shè)定值和當(dāng)前的溫度值,LABVIEW中的CONTROL TOOLKIT中包括許多PID算法以及該井型PID算法，我們通過調(diào)用堆其中何時(shí)得算法，可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)核心控制功能 監(jiān)控模塊中溫度控制程序的顯示和存儲(chǔ)，利用所提供的CHART模塊，控制程序可以把采集到的數(shù)據(jù)顯示在計(jì)算機(jī)上，從而可以直觀的看出溫度的變化過程，基于虛擬儀器的溫度檢測體統(tǒng)采用的就是LABVIEW的測試與測量方面的應(yīng)用，它已經(jīng)成為測試和測量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過VIX和GPIB，串行設(shè)備和插

52、卡式數(shù)據(jù)采集卡可以構(gòu)成實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)用USB2013數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)該功能4.4.2工程PID算法分析控制器原理      在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近60年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一

53、個(gè)系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，便最適合用PID控制技術(shù)。 比例積分微分控制包含比例、積分、微分三部分，實(shí)際中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計(jì)算出控制量，圖1.2a中給出了一個(gè)PID控制的結(jié)構(gòu)圖，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中可用公式表示如下:公式中 表示誤差、控制器的輸入， 是控制器的輸出， 為比例系數(shù)、 積分時(shí)間常數(shù)、為 微分時(shí)間常數(shù)。式又可表示為： 公式中 和 分別為 和 的拉氏變換，  。 、 、 分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制

54、器的輸出與輸入誤差訊號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號的積分成正比關(guān)系。 對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取關(guān)于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 因此，比例+積分(PI)控制器，

55、可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后(delay)的組件，使力圖克服誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前”，即在誤差接近零時(shí)，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重地沖過頭。 所以對有較大慣性和（或）滯后的被控對象，比例+微分(PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。  圖17     PID控制的結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個(gè)誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個(gè)理論和應(yīng)用自動(dòng)控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有5