PCI6211采集卡实验说明书.docx
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PCI6211采集卡实验说明书.docx
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PCI6211采集卡实验说明书
前言
本实验系统是为本科生、研究生开设的《测控技术与虚拟仪器》课程提供的实验设备。
它提供验证性、设计性、创新性的各种典型实验。
通过实验了解和掌握常用的物理量如位移、速度、力、温度、浓度、湿度等检测方法,并能初步分析典型测控系统中传感器的工作原理及其在检测与控制中的作用于地位:
认识到传感器技术在信息技术应用的重要性。
训练具有根据被测对象及测量要求合理选用传感器及相应测量电路的能力。
并能构建相应的测控系统。
了解仪器接口的规范和技术,懂得如何建立特定测试目的的自动化测量系统。
懂得编写仪器控制软件,了解虚拟仪器技术的概念,体验虚拟仪器环境的实验研究。
了解LabVIEW软件及相应的虚拟仪器技术,了解传感器技术与计算机技术、通信技术及微电子技术等相关技术结合的现状与发展趋势,从而提高学生们毕业后独立设计自动化检测系统和智能化仪器仪表的能力。
实验箱底板功能说明
一.本系统所用NIPCI-6221数据采集卡资源如是,24路双向数字I/O,16路模拟输入、2路模拟输出,2路定时计数器,底板上68针插座接口为采集卡68-pinVHDCI母头接口。
采集卡用法详见NI-DAQmx帮助。
二.《步进电机控制与霍尔元件位置检测》实验模块集成在实验箱板底上。
目录
第一部分传感器模块实验
实验一双向磁场场强计设计3
实验二人体感应报警系统设计5
实验三电子秤设计7
实验四可燃气体检测系统设计9
实验五湿度测量计设计11
实验六光强检测与控制系统设计13
实验七红外数据传输系统设计15
实验八步进电机控制与霍尔元件位置检测系统设计17
实验九温度测量与温度控制PID系统设计21
实验十电机调速与测速开环系统设计23
实验十一电机调速与测速闭环PID系统设计25
实验十二模拟电梯超重报警系统设计27
实验十三遥控电风扇系统设计30
实验十四自动控制窗帘系统设计32
实验十五模拟小车遇障系统设计35
第二部分信号处理实验
实验一典型信号的频谱分析实验38
实验二典型信号的概率密度分析实验40
实验三典型信号的相关分析实验42
实验四信号的采样与恢复实验44
实验五数字FIR滤波器实验46
实验六 数字IIR滤波器实验48
实验七 信号的调制(调幅)实验50
实验八 信号的调制(调频)实验52
实验九信号的调制(调相)实验54
实验十 信号的合成与分解实验56
第一部分传感器模块实验
实验一双向磁场场强计设计
1、实验目的
1.初步认识采集卡,了解采集卡AD采集功能。
2.学会读取、运算数据,并使用各种控件显示采集卡采集到的数据。
2、实验内容
1.利用“双向磁场场强计”采集磁场信号。
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、磁场强度传感器与调理电路模块一块、导线若干、磁性螺丝刀一把。
4、实验原理
美国物理学家霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应。
这个电势差也被叫做霍尔电势差。
利用此特性即可检测场强。
本实验利用AllegroMicroSystems公司推出A1301线性感应器作为敏感元件,A1301是连续的时间,比例,线性霍尔效应传感器,能够提供准确的与磁场强度成正比的电压输出,最高灵敏度为2.5mV/G。
A1301感应产生的信号通过放大电路处理转化为NIPCI-6221采集卡准确采集范围内的电压,然后利用NIPCI-6221采集卡采集输入计算机,最后通过labview编程运算和显示采集到的信号。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将磁场强度传感器与调理电路模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上MAG_OUT端(或TP4)用导线连接至采集卡AI15端(实际接线以程序中设置的通道为准,以后不再说明),模块上GND端连接至采集卡AIGND端。
4.接通电源,打开“双向磁场场强计.vi”程序,运行。
5.用带磁性的螺丝刀靠近模块上A1302霍尔传感器元件,改变方位,观察采集到的信号。
6.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验截图
实验二人体感应报警系统设计
1、实验目的
1.进一步认识采集卡,了解采集卡AD采集功能。
2.学会读取、运算数据,并使用各种控件显示采集卡采集到的数据,同时学会利用采集的数据做其他处理。
2、实验内容
1.利用“人体感应报警系统系统”采集人体热源信号。
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、热释电人体感应系统电路模块一块、导线若干。
4、实验原理
当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷,这种由于热变化产生的电极化现象,被称为热释电效应。
通常,晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和,其自发极化电矩不能表现出来。
当温度变化时,晶体结构中的正负电荷重心相对移位,自发极化发生变化,晶体表面就会产生电荷耗尽,电荷耗尽的状况正比于极化程度,下图表示了热释电效应形成的原理。
热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件,其常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。
热释电元件感应产生的信号通过放大电路处理转化为NIPCI-6221采集卡准确采集范围内的电压,然后利用NIPCI-6221采集卡采集输入计算机,最后通过labview编程运算处理和显示采集到的信号,进而判断人(热源)的靠近和远离。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将热释电电路模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上OUT端(或TP3)用导线连接至采集卡AI13端,模块上GND端连接至采集卡AIGND端。
4.接通电源,打开“人体感应报警系统系统.vi”程序,运行。
5.人靠近传感器,观察采集到的信号;远离传感器,再观察采集到的信号。
6.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验截图
实验三电子秤设计
1、实验目的
1.熟练掌握采集卡AD采集功能。
2.学会利用软件修正采集卡采集到的数据,即定标。
2、实验内容
1.利用“电子称”采集压力信号
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、压力传感器与桥用激励电路模块一个、导线若干。
4、实验原理
通过力敏传感器将压力信号转化为电压信号,再将电压信号通过电路处理成NIPCI-6221采集卡准确采集范围内的电压,然后利用NIPCI-6221采集卡采集输入计算机,最后通过labview编程运算和显示采集到的信号。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将压力传感器模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上OUT端用导线连接至实验箱AI8端,将模块外接电源接口-5V端用导线连接至实验箱-5V端,将模块上GND端连接至实验箱AGND端。
4接通电源,打开“电子称.vi”程序,运行。
5按照前面板上的“实验步骤”操作。
6仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验截图
实验四可燃气体检测系统设计
1、实验目的
1.进一步认识采集卡,掌握采集卡AD采集功能。
2.巩固前面所学知识,会读取、运算数据,并使用各种控件显示采集卡采集到的数据。
2、实验内容
1.利用“可燃气体检测系统”检测酒精在空气中的浓度
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、可燃性气体检测电路模块一块、导线若干。
4、实验原理
以酒精为例,当传感器遇酒精气体时,电压生高;当浓度降低时,电压降低。
传感器产生的信号通过电路处理后利用NIPCI-6221采集卡采集输入计算机,最后通过labview编程运算和显示采集到的信号。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将可燃性气体电路模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上TP1端接至采集卡AI14端,模块上GND端连接至采集卡AIGND端。
4.接通电源,打开“可燃气体检测系统.vi”程序,运行。
5.用酒精靠近传感器,观察采集到的信号;移开酒精,再次观察采集到的信号。
6.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验截图
实验五湿度测量计设计
1、实验目的
1.初步掌握采集卡计数器功能。
2.学会利用采集卡计数器检测脉冲信号频率。
2、实验内容
1.利用“湿度测量计”采集大气湿度信号
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、湿度传感器与调理电路模块一块、导线若干。
4、实验原理
水是一种极强的电解质。
水分子有较大的电偶极矩,在氢原子附近有极大的正电场,因而它有很大的电子亲和力,使得水分子易吸附在固体表面并渗透到固体内部。
利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。
而把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器。
在现代工业上使用的湿度传感器大多是水分子亲和力型传感器,它们将湿度的变化转换为阻抗或电容值的变化后输出。
本实验中采用水分子亲和力型传感器HS1101作为敏感元件,控制TLC555输出频率,达到检测湿度的目的
湿度传感器感应的湿度信号通过电路转化为脉冲信号,再将脉冲信号然后利用NIPCI-6221采集卡计数器功能采集输入计算机,最后通过labview编程运算和显示采集到的信号。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将湿度传感器与调理电路模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上HUM_OUT端(或TP4)用导线连接至采集卡PFI3/P1.3端(计数器引脚应用请参照PCI6221采集卡计数器引脚说明),模块上GND端连接至采集卡DGND端。
4.接通电源,打开“湿度测量计.vi”程序,运行。
5.程序稳定后,对着传感器吹一口气,观察信号变化;待湿气耗散后,再观察信号变化。
6.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验程序
实验六光强检测与控制系统设计
1、实验目的
1.进一步熟练掌握采集卡AD采集功能。
2.初步学会使用DA功能。
2、实验内容
1.利用“光强检测与控制系统”采集光强信号,并调节控制光强。
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、光强传感器与控制电路模块一块、导线若干。
4、实验原理
通过光敏电阻将光强信号转化为电压信号,再将电压信号通过电路处理成NIPCI-6221采集卡准确采集范围内的电压,然后利用NIPCI-6221采集卡采集输入计算机,最后通过labview编程运算和显示采集到的信号。
通过程序输出控制信号给采集卡,采集卡DA输出信号给电路驱动发光二极管发光,从而达到调节控制光强的目的。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将光强传感器与控制电路模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上LIG_OUT端(或TP4)用导线连接至采集卡AI8端,CON_IN端(或TP1)连接至采集卡AO0,GND端连接至采集卡AIGND端和AOGND。
4.接通电源,打开“光强检测与控制系统.vi”程序,运行。
5.调节“光强控制”控件值,观察硬件上光强变化,同时观察采集信号的变化。
6.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验截图
实验七红外数据传输系统设计
1、实验目的
1.进一步掌握采集卡数字IO功能。
2.了解红外传输原理及工作过程。
2、实验内容
1.利用“红外数据传输系统”采集红外光信号。
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、红外数据传输与控制电路模块一块、导线若干。
4、实验原理
Labview程序输出信号给采集卡,控制采集卡DO口输出数字信号驱动红外发光二极管工作,实现DO控制。
发出的红外光由HS0038红外光传感器门电路接收,转换成TTL电平信号传输给采集卡DI口,采集卡将采集到的数字信号进一步传输给计算机,计算机通过labview程序判断和处理接受的信号,实现DI采集。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将红外数据传输与控制电路模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上DI9端(或TP7)用导线连接至采集卡P1.2端,CON_IN端(或TP1)连接至采集卡P1.7,GND端连接至采集卡DGND端。
4.接通电源,打开“红外数据传输系统.vi”程序,运行。
5.在“发送”控件内输入任意0-65535范围内数值,观察结果。
6.单击“输入类型”控件,改变“传输数组”控件值,观察结果。
7.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验截图
实验八步进电机控制与霍尔元件位置检测系统设计
1、实验目的
1.学习掌握采集卡DI、DO功能,掌握labview的数字通信。
2.了解步进电机的控制方法。
2、实验内容
1.利用“步进电机控制与霍尔元件位置检测系统”模拟电梯工作。
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、导线若干。
4、实验原理
本实验使用的步进电机用直流+12V电压,电机线圈由A、/A、B、/B四相组成。
驱动方式为四相四拍方式,各线圈通电顺序如下表。
表中首先向A线圈输入驱动电流,接着/A、B、/B线圈驱动,最后又返回到A线圈驱动,按这种顺序切换,电机轴按顺时针方向旋转。
若通电顺序相反,则电机轴按逆时针方向旋转。
(注:
为提高步进电机负载能力和运行平稳可使用四相八拍驱动方式。
)
电机带动磁铁转动,磁铁的位置代表“电梯”的位置,利用霍尔元件检测“电梯”的位置,即“电梯”处于某个霍尔元件位置时,相应霍尔传感器通过电路传出TTL高电平信号,信号由采集卡DI采集传给计算机,通过labview程序判断“电梯”的“当前楼层”,此即实现DI采集功能。
由Labview程序判断“当前楼层”后,输出数字信号给采集卡,控制采集卡输出数字控制信号,一部分信号传递给ULN2003芯片电路驱动步进电机转动,一部分信号驱动数码管,在硬件上显示“当前楼层”,此即实现DO控制。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2接通电源,打开“步进电机控制与霍尔元件位置检测系统.vi”程序,运行。
3增大“楼层选择”控件的值,观察“电梯”运行状态,同时观察程序界面显示信息;减小“楼层选择”控件的值,再次观察“电梯”运行状态,同时观察程序界面显示信息。
4改变“驱动方式”控件值,重复步骤4。
比较电机运行有何异同。
5仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验程序
实验九温度测量与温度控制PID系统设计
1、实验目的
1.进一步熟练掌握采集卡AD采集功能与DA功能。
。
2.了解PID控制原理。
2、实验内容
1.利用“温度测量与温度控制PID系统”采集温度信号,并实现温度的PID控制。
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、温度测量与控制电路模块一块、导线若干。
4、实验原理
通过热敏电阻将温度信号转化为电压信号,再将电压信号通过电路处理成NIPCI-6221采集卡准确采集范围内的电压,然后利用NIPCI-6221采集卡采集输入计算机,最后通过labview编程运算和显示采集到的信号。
通过程序输出控制信号给采集卡,采集卡DA输出信号给加热电阻加热,从而达到调节控制光强的目的。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将温度测量与控制电路模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上CH0端(或TP3)用导线连接至采集卡AI10端,DA3端或连接至采集卡AO1,GND端连接至采集卡AIGND端。
4.接通电源,打开“温度测量与温度控制PID系统.vi”程序,运行。
5.增大“要求温度”控件值,观察结果。
6.减小“要求温度”控件值,观察结果。
7.更改PID参数,重复步骤6、7。
8.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验程序
实验十电机调速与测速开环系统设计
1、实验目的
1.进一步熟练掌握采集卡AD采集功能和计数器功能。
2.初步学会数据的采样与保存。
2、实验内容
1.利用“电机调速与测速开环系统”控制电机转速,测量电机转速,并处理和保存数据。
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、电机转速控制与测速电路模块一块、导线若干。
4、实验原理
labview程序输出控制信号给采集卡,采集卡通过DA口输出相应电压,经过信号放大与功率放大控制电机旋转,实现DA控制。
利用光电门检测电机的旋转,转化的TTL脉冲电平信号由采集卡计数器采集,进而传给计算机,计算机再通过labview程序计算出脉冲频率进而计算出电机转速,最后显示出来,实现计数测速功能。
对于每一个DA控制值,电机稳定后都有一个对应的转速值,采样多组对应值后,可以绘制出“DA-转速曲线”,通过拟合,可以得出DA与转速之间的关系式。
电路原理图如下图:
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将电机转速控制与测速电路模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上OUT端用导线连接至采集卡PFI3端,IN端连接至采集卡AO1,GND端连接至采集卡AIGND端和DGND端。
4.接通电源,打开“电机调速与测速开环系统.vi”程序,运行。
5.从小到大调节DA值,每调节一次待电机运转稳定后单击“采样”控件一次。
6.选项卡控件选择“结果分析”,单击“获取采样曲线”控件。
7.选择保存路径,单击保存。
8.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验截图
实验十一电机调速与测速闭环PID系统设计
1、实验目的
1.进一步熟练掌握采集卡AD采集与计数器功能。
2.掌握使用labview实现PID控制的方法。
2、实验内容
1.利用“电机调速与测速闭环PID系统”实现电机PID控制。
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、电机转速控制与测速电路模块一块、导线若干。
4、实验原理
labview程序输出控制信号给采集卡,采集卡通过DA口输出相应电压,经过信号放大与功率放大控制电机旋转,实现DA控制。
利用光电门检测电机的旋转,转化的TTL脉冲电平信号由采集卡计数器采集,进而传给计算机,计算机再通过labview程序计算出脉冲频率进而计算出电机转速,最后显示出来,实现计数测速功能。
检测到的速度再次反馈代入PID函数,通过程序的比较和运算得出控制量给DA输出,进而调节电机转速,整个过程闭环,实现了电机的PID控制。
电路原理图参考“电机调速与测速(开环)”。
5、实验步骤
1.将采集卡连接计算机与实验箱。
2.将电机转速控制与测速电路模块装上实验箱,拧上彩色螺母固定。
3.将模块上OUT端用导线连接至采集卡PFI3端,IN端连接至采集卡AO0,GND端连接至采集卡AIGND端和DGND端。
4.接通电源,打开“电机调速与测速闭环PID系统.vi”程序,运行。
5.增大“要求转速”控件值,观察结果。
6.减小“要求转速”控件值,观察结果。
7.更改PID参数,重复步骤5、6。
8.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
6、实验截图
实验十二模拟电梯超重报警系统设计
1、实验目的
1.复习采集卡AD采集与数字IO功能。
2.掌握AD采集与数字IO的结合使用。
2、实验内容
1.利用“模拟电梯超重报警系统”模拟电梯运行情况受载重影响实验。
2.仿照实验程序自行编写程序,并连接仪器测试程序的运行状况。
3、实验仪器、设备及器材
虚拟仪器测控实验实训平台实验箱一台、NIPCI-6221采集卡一块、68针配套屏蔽线一根、导线若干。
4、实验原理
本实验使用的步进电机用直流+12V电压,电机线圈由A、/A、B、/B四相组成。
驱动方式为四相四拍方式,各线圈通电顺序如下表。
表中首先向A线圈输入驱动电流,接着/A、B、/B线圈驱动,最后又返回到A线圈驱动,按这种顺序切换,电机轴按顺时针方向旋转。
若通电顺序相反,则电机轴按逆时针方向旋转。
(注:
为提高步进电机负载能力和运行平稳可使用四相八拍驱动方式。
)
电机带动磁铁转动,磁铁的位置代表“电梯”的位置,利用霍尔元件检测“电梯”的位置,即“电梯”处于某个霍尔元件位置时,相应霍尔传感器通过电路传出TTL高电平信号,信号由采集卡DI采集传给计算机,通过labview程序判断“电梯”的“当前楼层”,此即实现DI采集功能。
由Labview程序判断“当前楼层”后,输出数字信号给采集卡,控制采集卡输出数字控制信号,一部分信号传递给ULN2003芯片电路驱动步进电机转动,一部分信号驱动数码管,在硬件上显示“当前楼层”,此即实现DO控制。
通过力敏传感器将压力信号转化为电压信号,再将电压信号通过电路处理成NIPCI-6221采集卡准确采集范围内的电压,然后利用NIPCI-6221采集卡采集输入计算机,最后通过labview编程运算和显示采集到的信号。
程序通过采集的AD值判断是否“超重”,进而通过数字IO控制“电梯”是否“运行”,此
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