劉 恩，楊 紅，蔡國齊，雷 鵬，張 威

（武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，武漢 430205）

0 引言

針對《工程測試技術(shù)》、《過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用》和《先進測試技術(shù)》等相關(guān)課程實驗課程較少的情況，為了加深學(xué)生對相關(guān)理論的理解而開發(fā)一套實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)以北京阿爾泰公司的系列數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品為例，以VB6.0為軟件開發(fā)平臺，構(gòu)建了開放式的計算機數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)以時鐘驅(qū)動的單通道周期采樣為例，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件程序，可實現(xiàn)實時曲線動態(tài)顯示、采樣頻率動態(tài)調(diào)整、采樣數(shù)據(jù)文件保存等功能。實驗時學(xué)生自己動手搭建線路并完成測試，具有操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短等特點。通過實驗加強了學(xué)生的實踐能力，培養(yǎng)了相關(guān)專業(yè)學(xué)生的學(xué)科興趣，深化對課程知識的理解[1]。

1 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)平臺采用模塊化[2]、開放式[3]結(jié)構(gòu)設(shè)計，配開放式安裝底板，采用工業(yè)標準的安裝導(dǎo)軌、接線端子排，電氣接口與工業(yè)現(xiàn)場接口一致。實驗系統(tǒng)硬件由變送器、二線制電路、采集模塊、通訊接口以及上位機組成。系統(tǒng)軟件分別對不同的采集模塊進行程序設(shè)計，實現(xiàn)其主要功能。變送器將被測信號轉(zhuǎn)換標準電流信號[4]，在二線制線路中將電流信號轉(zhuǎn)換為標準電壓信號。數(shù)據(jù)采集模塊通過各種總線接口將數(shù)字信號傳輸給上位機，上位機中的驅(qū)動程序可以實現(xiàn)軟件對硬件的調(diào)用，開發(fā)者在VB6.0開發(fā)平臺進行程序的編寫。最后，開發(fā)好的程序在上位機中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2 檢測變送模塊

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 檢測變送模塊

檢測變送模塊由24 V（D.C.）電源、傳感變送器、250 Ω負載電阻串聯(lián)而成的二線制回路組成，如圖2所示。其中傳感變送器選取武漢松野智能儀表有限公司的SY-DFW-DB100PM20*6*25型號的Pt100[5]溫度變送器。溫度作為被測量可以在實驗中方便控制，變化明顯。變送器輸出標準電流信號在250 Ω電阻兩端形成標準電壓信號，輸出到采集模塊。

2.2 采集模塊

本實驗系統(tǒng)采用的是北京阿爾泰公司生產(chǎn)的型號為USB3100的數(shù)據(jù)采集卡和型號為DAM-3058R的遠程I/O模塊，如圖3所示。USB3100數(shù)據(jù)采集卡主要由ADC模塊、PFI復(fù)用功能控制模塊、USB設(shè)備控制器組成，可對8路單端信號進行采集，輸入量程為±10 V。DAM-3058R模塊可輸入6路差分、2路單端信號或8路差分信號，輸入量程為0～10 V，采用RS-485通訊協(xié)議。USB3100使用USB（通用串行總線）與上位機通訊，USB采用4芯線纜，其中信號線與電源線各2條。其主要特點是：允許連接外設(shè)多，傳輸速度快，不需外接電源，數(shù)據(jù)傳輸類型多、支持熱插拔、良好的容錯性能。本實驗系統(tǒng)中，USB主機在上位機主板中，起到了管理上位機與USB3100數(shù)據(jù)采集模塊之間的控制流和數(shù)據(jù)流、向USB設(shè)備提供小功率電源和收集系統(tǒng)狀態(tài)等作用。DAM-3058R的遠程I/O模塊使用的RS-485通訊協(xié)議是一種遵循ISO7498標準的OSI模型物理層的協(xié)議標準的電氣標準。RS-485采用一對平衡差分信號線，便于高速、遠端傳送。RS-485一般采用半雙工方式，即同一時刻只能由某一端發(fā)送，另一端接收。RS-485的信號的串行傳送必須依靠必要的接口來實現(xiàn)。PC機上提供國際通用的RS-232C標準的串行接口實現(xiàn)串行傳送，因此需要將RS-485接口的輸出轉(zhuǎn)換成RS-232C的輸出。這里就需要轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)RS-232/RS-485的電平轉(zhuǎn)換。RS-232C標準是美國電子工程學(xué)會推薦的一種串行通信標準，它被廣泛應(yīng)用于計算機串行接口外設(shè)連接。本實驗系統(tǒng)使用的為北京阿爾泰公司生產(chǎn)的型號為DAM-3210A的光電隔離轉(zhuǎn)換器，兼容EIA/TIA的RS-232C和RS-485標準，可實現(xiàn)自動發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，無須外部流量控制信號（RTS），三線（TXD、RXD、GND）制通信。

圖3 USB3100系統(tǒng)框圖

2.3 上位機模塊

上位機為運行Windows 7系統(tǒng)的PC機，系統(tǒng)安裝Vi?sual Basic 6.0進行開發(fā)。上位機對數(shù)據(jù)采集工作進行管理和控制，并對采集到的數(shù)據(jù)做必要的處理，如數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示與保存。

2.4 實驗平臺

為了方便實驗，系統(tǒng)所用硬件應(yīng)在實驗平臺上進行。因此，實驗平臺的設(shè)計也是必不可少的。實驗平臺的主體為一塊約1 000 mm×500 mm的圓孔板。采用圓孔板是為了方便在孔板上安裝導(dǎo)軌，可以將實驗所用裝置安裝在導(dǎo)軌上。為了方便學(xué)生接線，需要為其配置一定的附件。比如導(dǎo)線、接線端子、平口起子等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

以VB6.0為開發(fā)平臺，分別對2種不同的數(shù)據(jù)采集硬件進行軟件開發(fā)。在產(chǎn)品硬件的驅(qū)動文件中提供了函數(shù)接口頭文件：USB3100.bas、DAM3000M.bas。驅(qū)動程序采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)[6]，通過調(diào)用函數(shù)實現(xiàn)創(chuàng)建設(shè)備對象、初始化串口、獲取設(shè)備信息和對AD數(shù)據(jù)的采樣讀取。在采樣結(jié)束之后，還需調(diào)用函數(shù)釋放設(shè)備，以釋放被占用系統(tǒng)的軟硬件資源。只有這樣，再次創(chuàng)建設(shè)備對象時，資源才可以被再次使用。其部分函數(shù)如表1所示，整個程序流程如圖4所示。

表1 部分接口函數(shù)

圖4 程序運行流程圖

在軟件開發(fā)中，最重要的就是讀取AD數(shù)據(jù)。這一功能由ReadDeviceAD函數(shù)完成。讀取成功后獲取的數(shù)據(jù)Lsb為原碼值，需要與電壓進行換算，換算關(guān)系如下：

式中：Value為電壓，V；Lsb為采集的原碼值；0xFFFF轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)為65535；URV、LRV分別代表量程上下限。

以0～10 V為例，若原碼值為13412，則：

經(jīng)計算電壓值約2.05 V，結(jié)合溫度變送器量程輸入（0～100℃）可計算出溫度約26℃。

4 實驗測試

系統(tǒng)搭建完成后進入運行，圖5所示為利用DAM-3058R模塊進行數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)搭建，圖6所示為相應(yīng)軟件運行界面。點擊“創(chuàng)建設(shè)備”按鈕進行設(shè)備初始化，在“輸入設(shè)置”區(qū)域可對輸入通道、顯示類型進行選擇。右邊的Picture控件將顯示實時的溫度值。按下“停止采集”按鈕即可停止數(shù)據(jù)采集?！氨４鏀?shù)據(jù)”按鈕可自動將數(shù)據(jù)以Excel文件的形式進行保存?！皵?shù)據(jù)查閱”可以查看以往的歷史數(shù)據(jù)。表2所示為采集到的溫度值。利用USB3100數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集的軟件與此類似，不再列出。

圖5 實驗平臺

圖6 程序運行界面

表2 采集數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

采用標準二線制線路，通過不同的采集模塊實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的采集，上位機中以VB6.0為開發(fā)平臺實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時顯示與保存。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)搭建快速簡單，軟件部分具有良好的擴展性，學(xué)生可進行二次開發(fā)。實驗結(jié)果表明，溫度數(shù)據(jù)傳輸平穩(wěn)，可靠性高，彌補了相關(guān)課程實驗內(nèi)容較少的不足，為學(xué)生營造了更寬松和更有利于個性發(fā)展的學(xué)習(xí)氛圍。