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系统设计的实用性论文
概要设计解决软件系统的模块划分和模块的层次机构以及数据库设计;详细设计解决每个模块的控制流程,内部算法和数据结构的设计。这个阶段结束,要交付概要设计说明书和设计说明,也可以合并在一起,称为设计说明书。
第一篇
1LabVIEW简介
LabVIEW是虚拟仪器编程软件中的一种,是一种仪器控制与数据采集的图形化编程环境.
它具有直观明了的前面板用户界面和流程图式的编程风格,内置的编译器可加快执行速度;
内置GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的库函数可无缝连接各类采集卡;
内容丰富的高级分析库,可进行信号处理、统计、曲线拟合以及复杂的分析工作;
利用ActiveX,DDE以及TCP/IP进行网络连接和进程通信.
正是出于这些特点,基于LabVIEW计算机测试系统在各个领域的应用非常广泛.
该系统也是一种基于Lab-VIEW和PCI采集卡的计算机测试系统.
2测量原理
电阻应变式扭矩传感器由敏感元件,信号调理电路,固定封装机构等几部分构成,它测得的是在扭矩作用下转轴表面的主应变ε,而该主应变和所受到的扭矩成正比.
当扭矩传感器的弹性轴在承受扭矩时,在相对于轴中心线45°方向上会产生压缩或拉伸力,从而将力加载到旋转轴上.
在其外圆表面上两个主要应力方向与轴线成45°及135°夹角的两方向上粘贴上电阻应变片,当传感器的弹性轴受到扭矩M作用时,应变片产生应变,其应变量ε与转矩M成线性关系,满足如下关系式M=πGD3ε45°16=πGD3ε135°16,式中:G为弹性轴材料的切变模量,D为弹性轴的直径,ε45°,ε135°为弹性轴上与轴线45°和135°角方向上的主应变.
将两个方向上的应变片并联结成半桥或全桥,这样该测量电路不但能使测量灵敏度提高一倍,还能消除由于弹性轴安装不善产生的附加弯矩和轴向的影响来减小系统测量的系统误差.
电桥中的电压信号,经信号调理电路进行信号放大,调频处理等,将测量电压信号变成与扭矩成正比的频率信号并通过低输出阻抗电路将信号输出[3,6,7].
3系统构建
该测量系统由主电机、传动轴、万向联轴节、减速机、测量装置,轧辊、机架、支撑座等构成.
其结构构成和传感器安装位置如图1所示.
该系统是一个典型测试系统,系统功能是测量、显示和记录主轴的转速、扭矩和实时功率.
构建该系统时应注意:传感器的选型与固定,PCI板卡的跳线,工控机中LabVIEW模块的选择以及软硬件接口.
3.
1硬件组装注意事项传感器的安装:传感器安装应严格按照传感器使用说明书进行.
此外还需注意将扭矩传感器固定牢靠,避免振动;
但又要避免由于固定过紧或中心高不匹配而产生弯矩,以至造成系统误差.
采集卡:由于该采集卡为集计数器输入/输出、数字量输入/输出等功能为一身的多功能PCI板卡,因而在使用本板卡进行实验测量前必须根据需要进行跳线,且不支持热插拔.
3.
2LabVIEW模块NI公司的LabVIEW是一个模块化的仪器,而且当前的模块繁多,应用LabVIEW软件平台进行程序开发,首要任务就是根据设计需求完善所需要的模块,否则有些功能就无法实现,给程序设计带来难以预计的困难.
结合本系统的属性,应用到的模块有:LabVIEW2012SP1,ReportGenerationandDataStorageModule,LabVIEWReal-timeModule.
如果采用NI或研华的采集卡,还需安装DAQ模块.
需要指出的是用RGD模块中小数据量采集和大数据量采集的数据保存方法略有不同[8,9].
3.
3软硬件接口与NI和研华板卡可以通过DAQ模块中的快捷VI编程不同,国产的很多板卡LabVIEW不提供其驱动,也不可能在右键快捷菜单中找到相应的函数.
这类板卡与LabVIEW的接口是通过调用动态链接库的方式实现的.
板卡供应商将所有板卡的驱动函数封装在一个后缀为dll的动态链接库中,用VB,VC和LabVIEW等软件进行二次开发时,可以通过调用动态链接库中的函数来驱动板卡工作.
在通过LabVIEW的调用库函数节点进行编程时,一定要确保安装板卡与LabVIEW对应的驱动.
很多板卡的驱动程序针对VB,VC和LabVIEW的驱动程序是不同的,库函数的种类也是不同的(如PCI-8501N),因此在编程前必须确保正确安装驱动,否则在调用库函数节点时出错就很难找出错误原因,且影响实验进度.
库函数一般是形为ZTAPIlongstdcallZT8501OpenDevice(unsignedlongcardNO);
其中,“ZTAPI”为中泰的API函数缩写,“long”为函数返回值类型,“stdcall”为调用规范,“ZT8501OpenDe-vice”为该函数的函数名,括号内的量为函数入口参量及其类型.
下面以该函数为例,将LabVIEW调用动态链接库的方法介绍如下:从右键快捷菜单中找互连接口库与可执行程序调用库函数节点;
双击该节点配置库函数属图4扭转测试.
llbFig.
4Torquetest.
llb性,“库名/路径”中选择LabVIEW驱动目录下的pci8501.
dll,在函数名一栏中选择ZT8501OpenDe-vice函数,根据函数库函数中的前缀选择调用规范,此处应为“stdcall”,线程一栏选用在UI线程中运行.
设定参数类型,返回值类型为整型,入口参数cardNO为无符号整型,如图2所示.
设置好后的,给函数配上输入输出,然后封装成“打开设备”子VI(如图3),保存在创建的“扭矩测试.
llb”中(如图4),这样就可以简化程序框图,也方便编程[10].
在调试过程中可以用布尔指示灯来通过判断库函数调用后的返回值来显示板卡的工作状态,这样一方面不易出错,另一方面也便于查找问题.
用这种方法作为LabVIEW软件与PCI-8501N板卡的接口,就可以在LabVIEW开发平台上进行程序设计了.
4系统程序设计
本系统设计软件部分,应具有数据采集、实时显示、数据保存等功能,实现这些功能的程序设计流程如图5所示.
该LabVIEW程序可分为设备初始化;
计数器初始化;
启动计数器;
打开中断;
计数器读数、显示与保存;
关闭设备5个环节.
但总的来讲,计数器初始化;
启动计数器;
打开中断属于板卡操作;
计数器读数、显示、与数据保存环节为数据操作.
4.
1板卡操作设备初始化中的操作包括:打开设备、获取板卡基地址、返回错误号、清除缓存、关闭中断、判断板卡是否打开等.
这部分主要是由DLL调用子VI构成,每个子VI封装相应功能一个或多个库函数.
如果板卡正常工作将返回板卡号,并传递给后续程序.
设备初始化完成后,就需要对16个通道计数器进行初始化.
它是通过调用封装了库函数“ZT8501AdvCTinit”的子VI,对各个通道相应的参数按照测试需要不同进行初始化配置来实现的.
0-14通道初始化为基本计数,15通道初始化为定时中断.
作为中断时,其中的参量“updatePerNirq”表示中断多少次刷新一次值,此处的值设置不能大于采样间隔.
本系统共有3路扭矩信号和3路速度信号,可在板卡上任选6路通道进行测量,本系统占用了1,2,3,12,13,14,共6个通道.
初始化完成后,板卡各个通道即可用于测量计数,但默认它们处于关断状态,需要通过相应的操作来启动计数器和打开中断.
该部分程序如图6.
4.
2数据操作完成板卡操作后,计数器开始工作,计数器读数VI读取计时器中的值,并将从计数器中读取的数据放在一个常量数组中.
程序按照设定的采样间隔执行While循环,刷新数据,通过数组显示控件即可读取当前采集到的数据值.
通过采样数组,抽取各个通道的值,进行索引后通过波形图表就能单独显示各个通道的值,观察采样信号的变化情况.
若将测得的扭矩与转速相乘则可得到电机的实时功率.
本系统中,为了便于观察各个机架的运行状态,将同一机架上的转速信号和扭矩信号合并后在一个波形图表中显示;
为了便于观察钢管轧制过程中轧制力的变化,将各机架的扭矩信号合并后放在一起显示.
测得的数据,附加以时间信息,保存到Excel表格中.
这用到了LabVIEW的Office报表生成工具,需要必要的模块和相应的设置.
计数完成后,关闭中断,关闭设备,返回错误号,该部分程序如图7所示.
4.
3测试系统主界面及测量结果该测量系统主界面如图8所示,其中包括板卡状态指示、参量设置、板卡基地址、错误显示、测量结果显示等.
由于转速传感器的测量通道为12,13,14,故转速值应从12开始索引.
为了避免不设采样频率引起系统错误,系统采样间隔初始值设为50ms.
选项卡控件中除了数组显示控件用于显示当前的转速值和扭矩值外,还放置4个波形图表用于分别显示3个机架的转速和扭矩,以及各个机架的扭矩对比.
图9为在钢管轧制过程中3个机架主轴扭矩的变化对比图.
为确保信号不失真,板卡提供了直流偏置电压,因而测量初值并不处在理想的零点,会有一定的提升.
该板卡的零点位于10K位置处,测量范围为5K~15K.
实际测量时,应先对测量系统进行标定,并测试机架在空载时,各机架的扭矩值.
本次钢管轧制过程中,工控软件设定的各机架主轴电机转速值分别为12r/min,15r/min,18r/min,测量结果如图9所示.
5结论
针对主轴转速和扭矩测量的问题,本文以某钢管轧机3个机架主轴为研究对象,采用扭矩传感器、通用的PCI板卡、计算机及LabVIEW软件等来构建测试系统,测定主轴转速、扭矩和实时功率.
通过调用库函数节点,应用调用动态链接库的方法,能够用普通的数据采集卡与LabVIEW来构建测控系统.
使得国产板卡的价格优势与LabVIEW强大的编程能力相结合,促进测控系统在工业系统中的应用和普及.
该系统程序设计,通过子VI调用的方法,将程序功能模块化,缩短了编程时间,方便项目管理,并增强了程序的可读性.
该测量程序能够准确、快速、可靠地获取各个机架主轴的转速和转矩值.
且该系统程序具有很强的通用性,可直接应用于其他旋转机械的转速和扭矩的测量.
作者:袁东磊 黄庆学 李昕涛 同育全 申宝成 单位:太原科技大学 机械工程学院
第二篇
1DZ-H扩散硅液位变送器工作原理
被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与介质压力呈正比的微位移,使传感器的等效电阻值R变为R',根据扩散硅的特性可知R'=1/(d1·d2·p·S),(1)式中d1为扩散硅的压阻特性系数;
d2为扩散硅受力与发生位移的线性比例系数;
p为传感器所在介质位置的压强;
S为传感器膜片的面积。
当液位变送器投入到被测液体中时,传感器受到的压力为p=ρ·g·H+po,(2)式中ρ为被测液体密度;
g为当地重力加速度;
po为液面上大气压;
H为变送器投入到液体的深度。
DZ-H扩散硅液位变送器采用+24V的直流电源供电,根据伏安特性I=E/(R'+r),(3)式中E为电源电压;
R'为传感器受压后的阻值;
r为250Ω的采样电阻,r?R',忽略r的大小I≈E/R'.
(4)综合式(1)、式(2)、式(4)可得I=E·d1·d2·S(ρ·g·H+po).
(5)由式(5)可知,液体的深度H与测得的电流I呈线性关系,传感器输出4~20mA的标准电流信号。
但是由于空气大气压po的存在,给输出信号带来了4mA的偏置电流,可以通过硬件的方法进行校正。
2系统结构设计
本设计采用STC12C5A60S2单片机作为控制器,对采集得到的数据进行处理。
单片机可采集的信号为0~5V标准电压信号,而变送器输出的是4~20mA标准电流信号,因此,需要设计压流转换电路将标准的电流信号转换为电压信号。
本设计通过与变送器串接250Ω相对误差为0.
1%的高精密采样电阻器,将电流信号转换为1~5V的电压信号,然后通过一个高阻抗的差动放大电路,将减去1V的基值电压,得到0~4V的电压信号,再经过运算放大器放大1.
25倍,最后得到标准的0~5V电压信号,送给单片机进行数据处理和显示,系统的总体结构框图如图1所示[4,5]。
2.
1传感采集电路的设计DZ-H扩散硅液位变送器是电流型变送器,采用+24V电源供电,将测量水深转换为4~20mA的标准电流信号,本设计采用250Ω精度为0.
1%的精密电阻器作为压流转换元件,得到1~5V的电压信号,供后面的电路进行处理,其模块电路如图2所示。
2.
2带零点补偿的差分放大电路为了得到0~5V的标准电压信号,就必须将传感采集模块得到的1~5V的电压信号减掉1V的基值电压,然后再进行放大,因此,需要设计提供1V电压的零点补偿电路。
本设计采用电压细分技术,可以精确地得到0.
8~1.
3V之间的任意电压,不仅满足了系统的要求,还能减小系统误差。
得到0~4V的电压信号后,要想得到0~5V的标准电压信号,需要将其放大1.
25倍,供单片机处理使用。
本设计首先用电压跟随器,来隔离采集电路和放大电路之间,防止2个模块电路相互干扰。
采用高阻抗差分放大电路,具有差分电路的性能,不仅可以抑制共模信号造成的偏差,还可以在一定程度上抑制温度漂移。
在2个运放LM324的反相输入端,用1kΩ的固定电阻器和2kΩ的滑动变阻器代替2kΩ的固定电阻器,这样可以精确调节放大倍数,确保放大倍数为1.
25,减小系统的误差,其模块电路图如图3所示。
2.
3单片机最小系统电路与显示电路本系统采用STC12C5A60S2单片机作为总的控制器,进行数据的处理。
STC12C5A60S2自身带有10位的A/D转换器,完全可以满足本系统对转换精度的要求。
扩散硅变送器输出的电流信号经过处理后,最后转换为标准的电压信号,送给单片机进行处理,经过一系列的数据运算后,转换为4位十进制数据,用数码管SM4105进行显示。
数码管采用74LS164进行驱动,并采用虚拟I/O口技术,通过I2C数据总线将数据传送给74LS164,驱动数码管进行显示。
另外,DZ-H扩散硅变送器需要用到+24V电源供电,而单片机和显示模块需要+5V电源供电,为了避免因设备工作时需要多路电源供电带来的不便,本系统采用B2405S电压转换模块,将+24V的电压直接转换为+5V电压,供单片机使用,也使设备的安装更加简捷[6~8]。
3软件设计
软件部分对单片机和液位传感器的初始化,并对采集到的电压进行保留2位小数的处理,然后对采集到的电压进行A/D转换,并对A/D转换的结果Res进行分段处理。
通过对大量实验数据的分析,得知各段的水深值Disp和A/D转换的结果Res之间均是线性关系,符合Disp=k·Res-b的形式,但不同段的Res值对应的k和b的值不同。
不同段的Res值经过不同的运算之后,最后将处理后的值保存在Disp,送显示模块进行显示,系统的软件流程如图4。
4实验结果
1)温度对DZ-H扩散硅变送器的影响DZ-H扩散硅变送器的工作温度在-20~60℃,将变送器分别放在不同的水温下,测量不同深度时变送器的输出电流,转换为测量深度后与实际深度作对比,得到的结果如表1所示。
对上表的数据进行分析可以看出:在DZ-H扩散硅变送器的工作温度范围之内,随着温度的上升,变送器的输出电流略有上升,当快要达到变送器的极限工作温度时,会有较大的变化,由于温度变化引起的最大温漂误差为0.
07mA/℃,平均温漂误差为0.
06mA/℃。
因此,在变送器的工作温度范围之内,温度对变送器测量精度的影响可以忽略。
2)DZ-H扩散硅变送器测量液位的数据分析在采用二线式扩散硅液位变送器进行水深测量时,根据变送器的工作原理p=ρ·g·H+po,实际由水深产生的压强,等于测量得到的压强减去水面上由于大气压产生的压强po[9,10]。
但是由于变送器受到试验环境里水流等的影响,再加上元器件本身的制造工艺误差等原因,导致试验结果无法避免地存在误差。
2013年5月4日,在南京市中山码头进行了测试,对得到的数据如表2所示。
对数据进行分析,得到本次测试结果的最大偏差为0.
04m,最大相对误差为2%,平均相对误差为0.
775%,同时从Matlab仿真对比的曲线看出:实际水深和测量值的曲线几乎重合,只在个别数据有较大偏离,但总体上还是可以达到对精度的要求。
根据以上测得的实验数据,在Matlab里进行绘图,得到实际水深与电流的曲线,如图5所示。
5结论
本文针对目前国内水位监测控制存在的弊端,设计了一种基于DZ-H扩散硅变送器的水位测量系统。
通过对测量数据的分析,DZ-H扩散硅变送器在工作的温度范围内,随着温度的上升,测量结果会略有上升,但是温漂引起的误差比较小,在可以接受的范围内。
对水位的测量也比较准确,完全满足航道船闸水位监测对精度的要求,在航道船闸水位监测领域中有具有较好的应用前景。
作者:徐磊 时维铎 邢玉秀 徐振 李阳 单位:南京林业大学 信息科学技术学院
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