欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 EIC Vo.l 16 2009 No . 5 37 3 总结 本文着重论述了我们自主设计的一种过程控制实验系 统, 这种水箱水位控制系统具有强大的实验功能.本实验平 台不仅可以进行常规控制系统算法的研究, 而且可以为更复 杂的控制系统提供理论算法研究.为本科教学和教师在理论 层次的科研提供一个验证性的硬件平台, 而且使实验室资源 得到了充分的利用. 参考文献 [ 1] 王志新, 谷云东, 李洪兴. 三水箱多变量液位控制实验室设计 [ J]. 实验技术与管理, 2007, 24( 1): 32 36 . [ 2] 李佳, 朱浩悦, 毕萍, 等. 过程控制 综合实 验平台 的研 究与开 发[J]. 西安文理学院学报, 2008 , 11( 2): 36 41. [ 3] 涂植草, 朱麟章. 过程控制系统 [M ]. 北京: 机械工 业出版社, 1988 : 153 157 . [ 4] 王晓静, 潘 迪夫, 韩锟. 基于 LabV I EW 平台 的三容 水箱 实验 系统的设计和实现 [ J]. 企业技术开发, 2008 , 27( 1): 3 6. [ 5] 居滋培. 过程控制系统 和应用 [ M ]. 北京: 机械 工业出 版社, 2005 : 1 5. [ 6] 陆爱晶, 薄翠梅, 张广明. 三水箱综合实验仿真平台 的设计与 应用 [ J]. 南京工业大学学报, 2007, ( 3): 66 70 . [ 7] 曹立学, 令朝霞. 基于组 态软件的 计算机 液位串 级控制 系统 设计与研究 [ J]. 工业控制计算机, 2008 , ( 6): 16 17 . 作者简介: 王咏 梅(1979 ), 女, 硕士, 工 程师, 研 究方 向: 计算 机测 控 技术. 收稿日期: 2009 03 24( 9122) Do: i 10. 3969 / . j issn. 1671- 1041 . 2009 . 05. 022 基于 LabVIE W 的光电信号采集和控制 曾亚光, 梁俊杰, 韩定安 (佛山科学技术学院 光电子与物理学系, 广东 佛山 528000) 摘要: 本文设计了一种基于 LabVIEW 平台的 光电信号采集 和控制系 统.通过设计、 计算、 布线、 以及用感光法制作电路板等一系列步骤, 使 电路板实现光电信号的采集和控制功 能.其中采集 部分由 LabVIEW 输出信号通过放大后由红外发光二极管 发出, 光敏 二极管接 收信号放 大后由 LabV IEW 采集并予以处理.通过 LabV IEW 输出的 信号来控 制两个继电器, 从而控制三盏灯的有序变化. 关键词: LabV IEW; 信号; P rote; l 感光法 中图分类号: TN911 . 7 文献标识码: B Photoelectric signal acquisition and control based on LabV IEW ZENG Ya guang, LI ANG Jun jie , HAN D ing an ( PhysicsD epart ment , Foshan University , Foshan 528000 , China) Abstrac: t Photoe l ectric signa l acqu isition and contro l system is de si gned based on LabV IE W. A circuit boar d i s used as a hardw ar e platfor m. W ith a series of desi gning , computing, routing, and usi ng a photosensitive meathod , we achi eve a circuit boar d to accomplish acquisition and control functions . In the part o f acquisition, the out put signal programmed by LabV IE W fr om PC has been am plified and is sent by infr ared li ght LEDs . The photoe l ectric si gnal has been re ceived by photodiode, and LabVIEW acquires to PC and pr ocess the signa.l In the part o f contr o,l LabV IEW controls two output si gnals through t w o relays to m ake three LED l amps change orderly . Keyw or ds : LabVIEW; photoelectric signa;l P r o te;l exposure 0 引言 数据采集与处理已经成为计算机应用的一个重要分支, 它主要研究信息数据的采集、 存贮、 处理及控制等内容.主要 包括数模、 模数转换 ( A /D、 D /A)、 数据处理等问题.现在的微 机, 只需在其扩展槽内插上一块数据采集板, 并辅以应用软 件, 即可组成一套微机数据采集与处理系统, 从而实现信息采 集、 处理和实时控制的功能.随着光波逐渐进入到人们的生 活中, 例如手机信号等, 这使得光电信号的采集和处理更有研 究意义, 更具实用性.发光二极管 ( LED)作为一种半导体的发 光器件, 具有体积小、 耐冲击、 功耗低、 响应快、 成本低、 可靠性 高、 颜色鲜明、 易和集成电路匹配等特点, 因而获得广泛的应 用[1] .在其工作范围内, 随着电参数的变化, LED的发光强度 也发生相应的变化, 这使得发光二极管成为一种实用的电转 化为光的器件.与之相对应的是光敏二极管, 这是一种将光信 号转变为电信号的半导体器件, 它不仅体积小、 寿命长、 抗干扰 能力强, 而且灵敏度高, 这使得它可应用于很多不同的领域中. 本系统中将以红外发光二极管和光敏二极管为基础制作一个 光电信号的转换电路. 1 光电采集和控制电路的设计 实验中设计的电路分为两个部分: 采集电路和控制电路. 采集电路由发射部分和接收部分组成, 这两部分是相对 独立的.发射部分通过接收来自 PC 机输出的变化信号, 经过 放大电路放大后, 将变化反应到红外发光二极管, 由红外发光 二极管把变化的电信号转化为光信号输出.接收部分由光敏 二极管接收来自红外发光二极管的光信号, 把光信号转化为 微弱的电信号, 再通过放大电路, 把电信号放大到数据采集卡 接收的范围, 然后通过数据采集卡将变化的电信号采集进入 PC 机, 由LabV IEW 对采集到的信号进行处理. 控制电路由继电器和发光二极管组成, 通过 PC 机输出的 两路数字信号, 控制继电器 的开关, 从 而控制 LED 的有序 变化. 1. 1 采集电路设计 红外发射原理图如图 1( a) 所示.在没信号输入时, 电流 由Vcc输入后, 一部分电流经过二极管和 R1由三极管的基级 进入, 另一部分电流经两个红外发光二极管由三极管的集电 极进入.由于 三极管基极与集电极的电流放大系数是固定 的, 因此, 当信号从 V in+输入改变三极管基极电流 Ib, 可以使 三极管的集电极电流 Ic发生相应的变化, 从而使连接三极管 集电极的两个红外发光二极管的发光强度也发生相应的变 化, 从而达到电光转换的效果[ 2] . 红外接收电路原理图如图 1( b)所示.和发射电路的原理 相同, 当光敏二极管接收到来自红外二极管变化的光强信号 时, 其光电流也发生改变, 从而使三极管基极电流 Ib 随着光强 信号发生变化.当Ic 发生变化, 输出信号即三极管的基 - 射 级电压 VCE 也作出相应的改变.因此, 红外接收电路实现了电 光转换的功能 [ 3] . 仪器仪表用户 经验交流 38 EI C Vo.l 16 2009 No . 5 欢迎光临本刊网站 http : / /www. eic. co m. cn 1. 2 继电器控制电路 继电器控制电路如图 2所示.当IN1 和IN2 都输入低电 平时, 最上面的 LED 亮, 当IN1 输入高电平, I N2 输入低电平 时, IN1控制的继电器开关打开, 这时中间的 LED 亮.当IN1 输入低电平, I N2输入高电平时, I N2控制的继电器开关打开, 这时最底的 LED亮.根据 I N1 和IN2 输入电平的不同, 控制 不同 LED的亮暗. 图2继电器控制电路图 2 电路板的设计和制作 Protel设计电路板 [ 4] 的过程如下.作电路原理图, 通过导 入元件, 对元件进行连线, 确认电路原理图无错误以后, 双击 原理图中的元件对其添加封装.确认封装无误后, 根据原理 图对元件的针脚进行连线. 3 光电信号采集和控制的 LabVIEW 编程 3. 1 采集系统 采集系统是负责产生一个有规律的波形输出作为信号源, 通 过电路板的发送和接收信号, 由电路板的接收端输入连接 PC 机 的数据采集卡, 再由 LabVIEW接收数据然后显示出波形[5 7] . 图 3中给出了输出信号的后面板, 信号由基本函数发生器 产生, 由输入信号类型、 频率、 幅值和相位来确定信号的参数, 最后通过 DAQ Assistant将信号输出到数据卡. 选择输入信号类型, ! 设置输入信号频率, ? 设置输入信号幅值, #设置输入信号相位, ? 设置采样信息 图3输出信号 图4( a)为接收信号的后面板.接收信号由 DAQ A ssistant 通过采集卡收集后, 通过单频测量控件测量采集到的信号, 得 到接收信号的频率、 幅值、 相位和波形, 并显示在前面板, 如图 4( b)所示.通过前面板, 可以看到输出信号和接收信号的波 形以及它们的频率、 幅值和相位, 这样就便于对两组信号进行 比对. 3. 2 控制系统 控制系统通过输出两路高低电平信号来控制电路板上的 两个继电器的开和关, 从而控制三盏灯的亮和暗.根据需要输 出有规律的信号, 可获得三盏灯有序的变化.本系统中, 输出 % 00&黄灯亮, % 01&绿灯亮, % 10&红灯亮, 为了达到三盏灯按顺 序变化, 在系统中设置一个 for循环, 循环三次, 每次分别输出 0、 1和2, 再将其转换为二进制写入, 再输出到数据卡. 4 结束语 通过设计和制作一个简单的光电信号采集和控制系统, 从而实现光电和电光转换.从构思设计、 元件的选取、 利用 Protel制作电路原理图和布置电路板, 再到用曝光法制作电路 板一系列工作, 从中不但了解和学习到电路板的制作过程, 而 且利用了 LabV IEW 如何去构建一个光电采集和控制系统.本 系统成本低, 通过适当的改造就可以应用到日常生活当中. 本系统对输入信号的电压有一定的限制, 对于太微弱的 电压信号不能很好的识别.因此可以对采集电路中的电阻阻 值进行适当的调整, 可使静态工作点工作在一个更佳的区域 中, 从而提高电路的识别能力. 参考文献 [ 1]雷玉 堂等编著. 光 电检 测技术[M]. 北京: 中国 计量出版社, 1997 . [ 2]康华光主编. 电 子技术 基础 (模 拟部分 ) [M ]. 第五版. 北京: 高等教育出版社, 1999. [ 3]王庆有主编. 光电技术 [M ]. 北京: 电子工业出版社, 2005 . [ 4]李东生等编 著. Protel 99SE 电路 设计 技术入 门与 应用 [M ]. 北京: 电子工业出版社, 2002. [ 5]陈敏, 汤晓安. 虚拟仪器 软件 LabV I EW 与数 据采集 [ J]. 小型 微型计算机系统, 2001 , ( 4): 25 26. [ 6]韩定安, 曾亚光, 林镇河, 等. 基于 LabVIE W 和USB 摄像头的 莫尔条纹 测量 微 小位 移[J]. 仪 器仪 表 用户, 2007, 14 ( 3): 89 90. [ 7]韩定安, 曾亚光, 陈晓龙, 等. 基于Labview 平 台的重力 加速度 测量系统 [ J]. 实验室研究与探索, 2007 , 26( 11): 33 35 . 作者简介: 曾亚光, ( 1975 ), 博士, 讲师, 主要研究方向为光电子与计算 机应用; 梁俊杰, ( 1985 ), 学士, 主要研究 方向为计 算机应用; 韩定安, ( 1976 ), 博士, 副教授, 主要研究 方向为光 电子与计 算机应用, 半导体 微结构材料. 基金项目: 国家自然科学基金 ( 10547108) 收稿日期: 2009 03 25( 9127) 经验交流 仪器仪表用户
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欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 EIC Vo.l 16 2009 No . 5 37 3 总结 本文着重论述了我们自主设计的一种过程控制实验系 统, 这种水箱水位控制系统具有强大的实验功能.本实验平 台不仅可以进行常规控制系统算法的研究, 而且可以为更复 杂的控制系统提供理论算法研究.为本科教学和教师在理论 层次的科研提供一个验证性的硬件平台, 而且使实验室资源 得到了充分的利用. 参考文献 [ 1] 王志新, 谷云东, 李洪兴. 三水箱多变量液位控制实验室设计 [ J]. 实验技术与管理, 2007, 24( 1): 32 36 . [ 2] 李佳, 朱浩悦, 毕萍, 等. 过程控制 综合实 验平台 的研 究与开 发[J]. 西安文理学院学报, 2008 , 11( 2): 36 41. [ 3] 涂植草, 朱麟章. 过程控制系统 [M ]. 北京: 机械工 业出版社, 1988 : 153 157 . [ 4] 王晓静, 潘 迪夫, 韩锟. 基于 LabV I EW 平台 的三容 水箱 实验 系统的设计和实现 [ J]. 企业技术开发, 2008 , 27( 1): 3 6. [ 5] 居滋培. 过程控制系统 和应用 [ M ]. 北京: 机械 工业出 版社, 2005 : 1 5. [ 6] 陆爱晶, 薄翠梅, 张广明. 三水箱综合实验仿真平台 的设计与 应用 [ J]. 南京工业大学学报, 2007, ( 3): 66 70 . [ 7] 曹立学, 令朝霞. 基于组 态软件的 计算机 液位串 级控制 系统 设计与研究 [ J]. 工业控制计算机, 2008 , ( 6): 16 17 . 作者简介: 王咏 梅(1979 ), 女, 硕士, 工 程师, 研 究方 向: 计算 机测 控 技术. 收稿日期: 2009 03 24( 9122) Do: i 10. 3969 / . j issn. 1671- 1041 . 2009 . 05. 022 基于 LabVIE W 的光电信号采集和控制 曾亚光, 梁俊杰, 韩定安 (佛山科学技术学院 光电子与物理学系, 广东 佛山 528000) 摘要: 本文设计了一种基于 LabVIEW 平台的 光电信号采集 和控制系 统.通过设计、 计算、 布线、 以及用感光法制作电路板等一系列步骤, 使 电路板实现光电信号的采集和控制功 能.其中采集 部分由 LabVIEW 输出信号通过放大后由红外发光二极管 发出, 光敏 二极管接 收信号放 大后由 LabV IEW 采集并予以处理.通过 LabV IEW 输出的 信号来控 制两个继电器, 从而控制三盏灯的有序变化. 关键词: LabV IEW; 信号; P rote; l 感光法 中图分类号: TN911 . 7 文献标识码: B Photoelectric signal acquisition and control based on LabV IEW ZENG Ya guang, LI ANG Jun jie , HAN D ing an ( PhysicsD epart ment , Foshan University , Foshan 528000 , China) Abstrac: t Photoe l ectric signa l acqu isition and contro l system is de si gned based on LabV IE W. A circuit boar d i s used as a hardw ar e platfor m. W ith a series of desi gning , computing, routing, and usi ng a photosensitive meathod , we achi eve a circuit boar d to accomplish acquisition and control functions . In the part o f acquisition, the out put signal programmed by LabV IE W fr om PC has been am plified and is sent by infr ared li ght LEDs . The photoe l ectric si gnal has been re ceived by photodiode, and LabVIEW acquires to PC and pr ocess the signa.l In the part o f contr o,l LabV IEW controls two output si gnals through t w o relays to m ake three LED l amps change orderly . Keyw or ds : LabVIEW; photoelectric signa;l P r o te;l exposure 0 引言 数据采集与处理已经成为计算机应用的一个重要分支, 它主要研究信息数据的采集、 存贮、 处理及控制等内容.主要 包括数模、 模数转换 ( A /D、 D /A)、 数据处理等问题.现在的微 机, 只需在其扩展槽内插上一块数据采集板, 并辅以应用软 件, 即可组成一套微机数据采集与处理系统, 从而实现信息采 集、 处理和实时控制的功能.随着光波逐渐进入到人们的生 活中, 例如手机信号等, 这使得光电信号的采集和处理更有研 究意义, 更具实用性.发光二极管 ( LED)作为一种半导体的发 光器件, 具有体积小、 耐冲击、 功耗低、 响应快、 成本低、 可靠性 高、 颜色鲜明、 易和集成电路匹配等特点, 因而获得广泛的应 用[1] .在其工作范围内, 随着电参数的变化, LED的发光强度 也发生相应的变化, 这使得发光二极管成为一种实用的电转 化为光的器件.与之相对应的是光敏二极管, 这是一种将光信 号转变为电信号的半导体器件, 它不仅体积小、 寿命长、 抗干扰 能力强, 而且灵敏度高, 这使得它可应用于很多不同的领域中. 本系统中将以红外发光二极管和光敏二极管为基础制作一个 光电信号的转换电路. 1 光电采集和控制电路的设计 实验中设计的电路分为两个部分: 采集电路和控制电路. 采集电路由发射部分和接收部分组成, 这两部分是相对 独立的.发射部分通过接收来自 PC 机输出的变化信号, 经过 放大电路放大后, 将变化反应到红外发光二极管, 由红外发光 二极管把变化的电信号转化为光信号输出.接收部分由光敏 二极管接收来自红外发光二极管的光信号, 把光信号转化为 微弱的电信号, 再通过放大电路, 把电信号放大到数据采集卡 接收的范围, 然后通过数据采集卡将变化的电信号采集进入 PC 机, 由LabV IEW 对采集到的信号进行处理. 控制电路由继电器和发光二极管组成, 通过 PC 机输出的 两路数字信号, 控制继电器 的开关, 从 而控制 LED 的有序 变化. 1. 1 采集电路设计 红外发射原理图如图 1( a) 所示.在没信号输入时, 电流 由Vcc输入后, 一部分电流经过二极管和 R1由三极管的基级 进入, 另一部分电流经两个红外发光二极管由三极管的集电 极进入.由于 三极管基极与集电极的电流放大系数是固定 的, 因此, 当信号从 V in+输入改变三极管基极电流 Ib, 可以使 三极管的集电极电流 Ic发生相应的变化, 从而使连接三极管 集电极的两个红外发光二极管的发光强度也发生相应的变 化, 从而达到电光转换的效果[ 2] . 红外接收电路原理图如图 1( b)所示.和发射电路的原理 相同, 当光敏二极管接收到来自红外二极管变化的光强信号 时, 其光电流也发生改变, 从而使三极管基极电流 Ib 随着光强 信号发生变化.当Ic 发生变化, 输出信号即三极管的基 - 射 级电压 VCE 也作出相应的改变.因此, 红外接收电路实现了电 光转换的功能 [ 3] . 仪器仪表用户 经验交流 38 EI C Vo.l 16 2009 No . 5 欢迎光临本刊网站 http : / /www. eic. co m. cn 1. 2 继电器控制电路 继电器控制电路如图 2所示.当IN1 和IN2 都输入低电 平时, 最上面的 LED 亮, 当IN1 输入高电平, I N2 输入低电平 时, IN1控制的继电器开关打开, 这时中间的 LED 亮.当IN1 输入低电平, I N2输入高电平时, I N2控制的继电器开关打开, 这时最底的 LED亮.根据 I N1 和IN2 输入电平的不同, 控制 不同 LED的亮暗. 图2继电器控制电路图 2 电路板的设计和制作 Protel设计电路板 [ 4] 的过程如下.作电路原理图, 通过导 入元件, 对元件进行连线, 确认电路原理图无错误以后, 双击 原理图中的元件对其添加封装.确认封装无误后, 根据原理 图对元件的针脚进行连线. 3 光电信号采集和控制的 LabVIEW 编程 3. 1 采集系统 采集系统是负责产生一个有规律的波形输出作为信号源, 通 过电路板的发送和接收信号, 由电路板的接收端输入连接 PC 机 的数据采集卡, 再由 LabVIEW接收数据然后显示出波形[5 7] . 图 3中给出了输出信号的后面板, 信号由基本函数发生器 产生, 由输入信号类型、 频率、 幅值和相位来确定信号的参数, 最后通过 DAQ Assistant将信号输出到数据卡. 选择输入信号类型, ! 设置输入信号频率, ? 设置输入信号幅值, #设置输入信号相位, ? 设置采样信息 图3输出信号 图4( a)为接收信号的后面板.接收信号由 DAQ A ssistant 通过采集卡收集后, 通过单频测量控件测量采集到的信号, 得 到接收信号的频率、 幅值、 相位和波形, 并显示在前面板, 如图 4( b)所示.通过前面板, 可以看到输出信号和接收信号的波 形以及它们的频率、 幅值和相位, 这样就便于对两组信号进行 比对. 3. 2 控制系统 控制系统通过输出两路高低电平信号来控制电路板上的 两个继电器的开和关, 从而控制三盏灯的亮和暗.根据需要输 出有规律的信号, 可获得三盏灯有序的变化.本系统中, 输出 % 00&黄灯亮, % 01&绿灯亮, % 10&红灯亮, 为了达到三盏灯按顺 序变化, 在系统中设置一个 for循环, 循环三次, 每次分别输出 0、 1和2, 再将其转换为二进制写入, 再输出到数据卡. 4 结束语 通过设计和制作一个简单的光电信号采集和控制系统, 从而实现光电和电光转换.从构思设计、 元件的选取、 利用 Protel制作电路原理图和布置电路板, 再到用曝光法制作电路 板一系列工作, 从中不但了解和学习到电路板的制作过程, 而 且利用了 LabV IEW 如何去构建一个光电采集和控制系统.本 系统成本低, 通过适当的改造就可以应用到日常生活当中. 本系统对输入信号的电压有一定的限制, 对于太微弱的 电压信号不能很好的识别.因此可以对采集电路中的电阻阻 值进行适当的调整, 可使静态工作点工作在一个更佳的区域 中, 从而提高电路的识别能力. 参考文献 [ 1]雷玉 堂等编著. 光 电检 测技术[M]. 北京: 中国 计量出版社, 1997 . [ 2]康华光主编. 电 子技术 基础 (模 拟部分 ) [M ]. 第五版. 北京: 高等教育出版社, 1999. [ 3]王庆有主编. 光电技术 [M ]. 北京: 电子工业出版社, 2005 . [ 4]李东生等编 著. Protel 99SE 电路 设计 技术入 门与 应用 [M ]. 北京: 电子工业出版社, 2002. [ 5]陈敏, 汤晓安. 虚拟仪器 软件 LabV I EW 与数 据采集 [ J]. 小型 微型计算机系统, 2001 , ( 4): 25 26. [ 6]韩定安, 曾亚光, 林镇河, 等. 基于 LabVIE W 和USB 摄像头的 莫尔条纹 测量 微 小位 移[J]. 仪 器仪 表 用户, 2007, 14 ( 3): 89 90. [ 7]韩定安, 曾亚光, 陈晓龙, 等. 基于Labview 平 台的重力 加速度 测量系统 [ J]. 实验室研究与探索, 2007 , 26( 11): 33 35 . 作者简介: 曾亚光, ( 1975 ), 博士, 讲师, 主要研究方向为光电子与计算 机应用; 梁俊杰, ( 1985 ), 学士, 主要研究 方向为计 算机应用; 韩定安, ( 1976 ), 博士, 副教授, 主要研究 方向为光 电子与计 算机应用, 半导体 微结构材料. 基金项目: 国家自然科学基金 ( 10547108) 收稿日期: 2009 03 25( 9127) 经验交流 仪器仪表用户