李菊葉

(陜西理工學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)系，陜西 漢中 723003)

在藥品生產(chǎn)工藝流程中，溫度控制是影響藥品質(zhì)量的一個重要因素.為避免藥品的有效成分損失或遭到破壞，在藥物加工中需要對反應(yīng)罐的溫度進行實時監(jiān)測.一個溫度檢測系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度.在保證精度的條件下，盡可能采用更高的采樣速度，以滿足實時采集、實時控制和實時處理對速度的要求.而微機總線的選擇，是決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的一個很關(guān)鍵的因素.本研究實現(xiàn)了對陜西漢江藥業(yè)公司化學(xué)車間生產(chǎn)過程中的化學(xué)反應(yīng)罐溫度的實時監(jiān)測.根據(jù)產(chǎn)品性能指標的要求，將采用局部總線(Local Bus)中的PCI總線接口的9113A數(shù)據(jù)的采集卡完成數(shù)據(jù)采集及處理，以滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?

1 PCI-9113A數(shù)據(jù)采集卡簡介

在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場測控的工業(yè)PC機(簡稱IPC)已得到了廣泛的應(yīng)用.為了滿足IPC用于數(shù)據(jù)采集與控制的需要，國內(nèi)外許多廠商生產(chǎn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集卡.這類板卡均參照PC機的總線技術(shù)標準設(shè)計和生產(chǎn)，在一塊印刷電路板上集成了模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等器件，用戶只要把這類板卡插入PC機主板上相應(yīng)的I/O(ISA或PCI)擴展槽中，就可以迅速、方便地構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從而大大節(jié)省硬件的研制時間和投資，并可以充分利用PC機的軟硬件資源.

PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡主要由PCI接口模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊以及CPLD邏輯控制模塊等組成，其基本工作原理是通過高速A/D將外部模擬信道的信號進行采樣，先將采樣數(shù)據(jù)存儲在FIFO中，當(dāng)FIFO半滿時，會產(chǎn)生一個半滿信號HF通知CPLD使其產(chǎn)生控制信號用來控制PCI9054執(zhí)行DMA傳送，將數(shù)據(jù)讀入到電腦內(nèi)存中，這樣就可以在電腦中對數(shù)據(jù)進行分析和處理[1].

(1)采集卡主要性能指標

具有32路單端12位模擬量輸入通道；超過5 000 Vrms絕緣 ；12位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器(ADS774或兼容芯片)；32位PCI總線，即插即用；可編程增益 X1，X10，X100；雙極性或單極性模擬輸入范圍；最高至60 kHz的采樣速率；自動掃描通道選擇；板上低通濾波用以改善或衰減信號.

(2)采集卡系統(tǒng)規(guī)格

模擬量輸入(A/D)；通道數(shù)：32路隔離通道；分辨率：12位； 輸入范圍： 雙極性：±10 V，±1 V，±0.1 V，±0.625 V； 單極性： 0～10 V， 0～1 V， 0～0.1 V； 過電壓保護：連續(xù)±30 V(最大)； 轉(zhuǎn)換類型：逐次逼近； 轉(zhuǎn)換器：B.B.ADS774(或兼容芯片)； 轉(zhuǎn)換速度：25 kHz 最大(25 us轉(zhuǎn)換時間)； 精度：讀數(shù)的0.015%，±1位； 觸發(fā)模式：軟件觸發(fā)； 數(shù)據(jù)傳輸：軟件控制；輸入阻抗：>10 MW； 溫度系數(shù)：5×10-6(典型值)，5×10-6(最大值).其硬件原理結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 PCI-9113A 硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 PCI hardware structure 9113A

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件由工控機、采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成.PT100傳感器直接和被測量物質(zhì)相接觸，利用調(diào)理電路將來自于現(xiàn)場傳感器的信號變換成前向通道中A/D能夠接受的電壓信號，傳送到數(shù)據(jù)采集卡.采集模塊將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳至計算機， 由計算機對溫度進行連續(xù)采集[2].原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The hardware structure diagram

檢測溫度的敏感元器件——熱電阻式溫度傳感器PT100、信號的采集電路——恒流源電路是專門為本系統(tǒng)多路溫度測量要求而設(shè)置的.在信號的前向通道的最后一個環(huán)節(jié)，采用PCI-9113A數(shù)據(jù)采集卡作為模擬信號與計算機之間的接口器件.前置處理的作用是將傳感器輸出來的信號處理成適合后面的A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號，該電壓信號直接輸入PCI-9113A采集卡數(shù)字輸入通道[3].信號采集流程如圖3所示.

圖3 信號采集過程Fig.3 Signal acquisition process

由于傳感器從工業(yè)現(xiàn)場采集到的電信號(電阻)不能滿足A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字量輸入的要求,需要利用信號調(diào)理技術(shù).數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道中應(yīng)采取對現(xiàn)場信號進行放大、濾波、線性化、隔離和保護等措施，使信號能夠滿足數(shù)據(jù)采集的要求.信號調(diào)理是指將現(xiàn)場輸入信號經(jīng)隔離放大，成為工控機能夠接收到的統(tǒng)一信號電平,并將計算機的輸出信號經(jīng)過放大、隔離轉(zhuǎn)換成工業(yè)現(xiàn)場所需的信號電平的處理過程.傳感器輸出的是各種形式的電信號(電阻、電壓、電流等)，信號處理電路將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換或頻率檢測得到的數(shù)據(jù)進行必要的處理或計算，得到能夠進行顯示、傳送結(jié)果的電信號形式(如1～5 V電壓或4～20 mA電流信號)[4].

系統(tǒng)設(shè)計的恒流源電路如圖4所示.

圖4 運放構(gòu)成的恒流源電路Fig.4 Amp constitute the constant-current source circuit

3 軟件功能的實現(xiàn)

利用C++Builder 6.0開發(fā)了 Windows平臺下具有圖形界面溫度采集系統(tǒng)的控制軟件，采樣前可以通過菜單設(shè)置采樣頻率；采樣時每一通道采集的溫度值及對應(yīng)的時刻均能及時地記錄到以對應(yīng)通道名命名的文本文件中，圖形界面實時顯示32個通道實時采集溫度與時間的關(guān)系曲線.

C++Builder 6.0雖具備功能強大、高效及界面友好等特點，但并不具備直接對硬件 I/O 地址進行訪問的能力，需要調(diào)用 DLL 函數(shù)實現(xiàn)對 I/O 口的訪問和控制.因而,我們在設(shè)計中直接利用研華設(shè)備驅(qū)動程序提供的 DLL 文件操采集卡PCI-9113A自身攜帶的驅(qū)動程序作為硬件驅(qū)動軟件[5].軟件充分考慮了使用的方便性與運行的可靠性，采樣時間理論上僅受計算機硬盤容量的限制，即便在采樣過程中發(fā)生了意外，此前采集的數(shù)據(jù)也會永久地保存在計算機硬盤中.

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

4.1 對溫度場的實時監(jiān)測、周期采集與存儲

開機后自動運行采集系統(tǒng)軟件至巡檢界面.巡檢界面切換至其他操作界面時需要操作員密碼.切換至采集系統(tǒng)軟件Windows界面時應(yīng)有管理員密碼，該密碼應(yīng)和操作員密碼不同.操作員密碼和管理員密碼應(yīng)能隨時修改,切換出該采集系統(tǒng)軟件后應(yīng)使其在后臺運行，在不關(guān)閉硬件的情況下應(yīng)不停止對數(shù)據(jù)的采集和存儲.該系統(tǒng)應(yīng)能對分廠32個點的溫度和濕度(實際使用32個點)進行實時監(jiān)測、定期巡檢,并可以對任意采集點設(shè)置不同的報警上下限，使其超限報警.采集系統(tǒng)應(yīng)可以周期(周期應(yīng)小于等于5 min)自動采集和存儲數(shù)據(jù),并具有采集點方便擴充能力.32個點的溫度、濕度誤差應(yīng)小于等于±0.2 ℃(-25 ℃～175 ℃).采集速度應(yīng)大于每分鐘32個點.所選擇的計算機應(yīng)具有足夠大的空間，以存儲龐大的溫度數(shù)據(jù).本系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不應(yīng)對分廠原有的溫度顯示儀表造成影響.

4.2 工控機的數(shù)據(jù)查詢與打印

對實際使用的32個采集點，操作員可根據(jù)需要在任何時間對采集點的溫度和濕度數(shù)據(jù)進行存儲.但無論數(shù)據(jù)存儲與否，都不影響巡檢畫面上溫度和濕度的監(jiān)控,并可以將任何時段、任何采集點存儲的數(shù)據(jù)以曲線或列表的形式顯示并打印出來.可以通過選擇反應(yīng)罐編號、生產(chǎn)時間、生產(chǎn)批號的方式查詢和打印采集存儲的數(shù)據(jù).

要求具體查詢的方式有以下三種.第一種查詢方式：生產(chǎn)時間+生產(chǎn)批號；第二種查詢方式：生產(chǎn)時間+設(shè)備名；第三種查詢方式：生產(chǎn)批號+設(shè)備名,通過上述三種方式查詢出的曲線或列表在顯示屏或打印的圖紙上均應(yīng)體現(xiàn)出生產(chǎn)時間、生產(chǎn)批號、設(shè)備名、產(chǎn)品名稱以及產(chǎn)品編碼的信息.人工調(diào)用存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)可進行查看和修改.

5 結(jié) 論

系統(tǒng)將PCI-9113A 數(shù)據(jù)采集卡與PT100傳感器、研華工控機等有機結(jié)合，很好地實現(xiàn)了對化學(xué)反應(yīng)罐溫度場的實時監(jiān)測和周期采集存儲，基本上達到了先前提出的設(shè)計技術(shù)指標.PCI-9113A 的高速采樣特性，很好地解決了數(shù)據(jù)的采集和存儲等問題.但在系統(tǒng)運行中,還無法做到快速地將采集來的數(shù)據(jù)進行處理并繪制成實時曲線，所以當(dāng)采樣速率過高時,曲線會在一定程度上失真，這一點還有待于進一步改進.

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