PCI-9113A在化学反应罐温度监测系统中的应用

李菊叶

(陕西理工学院 计算机科学与技术系，陕西 汉中 723003)

在药品生产工艺流程中，温度控制是影响药品质量的一个重要因素.为避免药品的有效成分损失或遭到破坏，在药物加工中需要对反应罐的温度进行实时监测.一个温度检测系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度.在保证精度的条件下，尽可能采用更高的采样速度，以满足实时采集、实时控制和实时处理对速度的要求.而微机总线的选择，是决定数据采集系统性能的一个很关键的因素.本研究实现了对陕西汉江药业公司化学车间生产过程中的化学反应罐温度的实时监测.根据产品性能指标的要求，将采用局部总线(Local Bus)中的PCI总线接口的9113A数据的采集卡完成数据采集及处理，以满足高速数据传输的要求.

1 PCI-9113A数据采集卡简介

在工业生产现场测控的工业PC机(简称IPC)已得到了广泛的应用.为了满足IPC用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各种各样的数据采集卡.这类板卡均参照PC机的总线技术标准设计和生产，在一块印刷电路板上集成了模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D和D/A转换器等器件，用户只要把这类板卡插入PC机主板上相应的I/O(ISA或PCI)扩展槽中，就可以迅速、方便地构成一个数据采集与处理系统，从而大大节省硬件的研制时间和投资，并可以充分利用PC机的软硬件资源.

PCI总线的数据采集卡主要由PCI接口模块、数据存储模块、AD转换模块以及CPLD逻辑控制模块等组成，其基本工作原理是通过高速A/D将外部模拟信道的信号进行采样，先将采样数据存储在FIFO中，当FIFO半满时，会产生一个半满信号HF通知CPLD使其产生控制信号用来控制PCI9054执行DMA传送，将数据读入到电脑内存中，这样就可以在电脑中对数据进行分析和处理[1].

(1)采集卡主要性能指标

具有32路单端12位模拟量输入通道；超过5 000 Vrms绝缘 ；12位逐次逼近A/D转换器(ADS774或兼容芯片)；32位PCI总线，即插即用；可编程增益 X1，X10，X100；双极性或单极性模拟输入范围；最高至60 kHz的采样速率；自动扫描通道选择；板上低通滤波用以改善或衰减信号.

(2)采集卡系统规格

模拟量输入(A/D)；通道数：32路隔离通道；分辨率：12位； 输入范围： 双极性：±10 V，±1 V，±0.1 V，±0.625 V； 单极性： 0～10 V， 0～1 V， 0～0.1 V； 过电压保护：连续±30 V(最大)； 转换类型：逐次逼近； 转换器：B.B.ADS774(或兼容芯片)； 转换速度：25 kHz 最大(25 us转换时间)； 精度：读数的0.015%，±1位； 触发模式：软件触发； 数据传输：软件控制；输入阻抗：>10 MW； 温度系数：5×10-6(典型值)，5×10-6(最大值).其硬件原理结构见图1.

图1 PCI-9113A 硬件结构Fig.1 PCI hardware structure 9113A

2 系统硬件结构设计

系统硬件由工控机、采集模块和数据处理模块组成.PT100传感器直接和被测量物质相接触，利用调理电路将来自于现场传感器的信号变换成前向通道中A/D能够接受的电压信号，传送到数据采集卡.采集模块将采集到的模拟信号转换为数字信号并传至计算机， 由计算机对温度进行连续采集[2].原理结构框图如图2所示.

图2 硬件结构框图Fig.2 The hardware structure diagram

检测温度的敏感元器件——热电阻式温度传感器PT100、信号的采集电路——恒流源电路是专门为本系统多路温度测量要求而设置的.在信号的前向通道的最后一个环节，采用PCI-9113A数据采集卡作为模拟信号与计算机之间的接口器件.前置处理的作用是将传感器输出来的信号处理成适合后面的A/D转换的电压信号，该电压信号直接输入PCI-9113A采集卡数字输入通道[3].信号采集流程如图3所示.

图3 信号采集过程Fig.3 Signal acquisition process

由于传感器从工业现场采集到的电信号(电阻)不能满足A/D转换和数字量输入的要求,需要利用信号调理技术.数据采集系统的输入通道中应采取对现场信号进行放大、滤波、线性化、隔离和保护等措施，使信号能够满足数据采集的要求.信号调理是指将现场输入信号经隔离放大，成为工控机能够接收到的统一信号电平,并将计算机的输出信号经过放大、隔离转换成工业现场所需的信号电平的处理过程.传感器输出的是各种形式的电信号(电阻、电压、电流等)，信号处理电路将经A/D转换或频率检测得到的数据进行必要的处理或计算，得到能够进行显示、传送结果的电信号形式(如1～5 V电压或4～20 mA电流信号)[4].

系统设计的恒流源电路如图4所示.

图4 运放构成的恒流源电路Fig.4 Amp constitute the constant-current source circuit

3 软件功能的实现

利用C++Builder 6.0开发了 Windows平台下具有图形界面温度采集系统的控制软件，采样前可以通过菜单设置采样频率；采样时每一通道采集的温度值及对应的时刻均能及时地记录到以对应通道名命名的文本文件中，图形界面实时显示32个通道实时采集温度与时间的关系曲线.

C++Builder 6.0虽具备功能强大、高效及界面友好等特点，但并不具备直接对硬件 I/O 地址进行访问的能力，需要调用 DLL 函数实现对 I/O 口的访问和控制.因而,我们在设计中直接利用研华设备驱动程序提供的 DLL 文件操采集卡PCI-9113A自身携带的驱动程序作为硬件驱动软件[5].软件充分考虑了使用的方便性与运行的可靠性，采样时间理论上仅受计算机硬盘容量的限制，即便在采样过程中发生了意外，此前采集的数据也会永久地保存在计算机硬盘中.

4 系统实现的功能

4.1 对温度场的实时监测、周期采集与存储

开机后自动运行采集系统软件至巡检界面.巡检界面切换至其他操作界面时需要操作员密码.切换至采集系统软件Windows界面时应有管理员密码，该密码应和操作员密码不同.操作员密码和管理员密码应能随时修改,切换出该采集系统软件后应使其在后台运行，在不关闭硬件的情况下应不停止对数据的采集和存储.该系统应能对分厂32个点的温度和湿度(实际使用32个点)进行实时监测、定期巡检,并可以对任意采集点设置不同的报警上下限，使其超限报警.采集系统应可以周期(周期应小于等于5 min)自动采集和存储数据,并具有采集点方便扩充能力.32个点的温度、湿度误差应小于等于±0.2 ℃(-25 ℃～175 ℃).采集速度应大于每分钟32个点.所选择的计算机应具有足够大的空间，以存储庞大的温度数据.本系统的温度数据采集系统不应对分厂原有的温度显示仪表造成影响.

4.2 工控机的数据查询与打印

对实际使用的32个采集点，操作员可根据需要在任何时间对采集点的温度和湿度数据进行存储.但无论数据存储与否，都不影响巡检画面上温度和湿度的监控,并可以将任何时段、任何采集点存储的数据以曲线或列表的形式显示并打印出来.可以通过选择反应罐编号、生产时间、生产批号的方式查询和打印采集存储的数据.

要求具体查询的方式有以下三种.第一种查询方式：生产时间+生产批号；第二种查询方式：生产时间+设备名；第三种查询方式：生产批号+设备名,通过上述三种方式查询出的曲线或列表在显示屏或打印的图纸上均应体现出生产时间、生产批号、设备名、产品名称以及产品编码的信息.人工调用存储数据的数据库，对数据库里的数据可进行查看和修改.

5 结 论

系统将PCI-9113A 数据采集卡与PT100传感器、研华工控机等有机结合，很好地实现了对化学反应罐温度场的实时监测和周期采集存储，基本上达到了先前提出的设计技术指标.PCI-9113A 的高速采样特性，很好地解决了数据的采集和存储等问题.但在系统运行中,还无法做到快速地将采集来的数据进行处理并绘制成实时曲线，所以当采样速率过高时,曲线会在一定程度上失真，这一点还有待于进一步改进.

参考文献：

[1] 马建明.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社,2005:15-20.

[2] 肖忠祥.数据采集原理[M].西安：西北工业大学出版社,2001.

[3] 李宛州.随机等效采样原理在远程超宽带雷达信号采样中的应用研究[J].电子学报,2001,29(7):940-942.

[4] 张如洲.微型计算机数据采集与处理 [M].北京:北京工业大学出版社,1987:23-24.

[5] 张蕴玉，宋宇明，胡修林,等.多通道高速数据采集系统PCI接口的结构设计[J].华中科技大学学报:自然科学版,2004,32(8):73-75.

[6] 黄贤斌.传感器原理与应用[M].成都:成都电子科技大学出版社,2002.

[7] 刘笃仁.传感器原理与应用技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.

[8] 谭博钊，徐元军，单涛,等.PCI总线接口技术及其在高速数据采集系统中的应用[J].电子技术应用, 2002(1):21-23.

[9] 吴赟,张蕴玉,胡修林.PCI总线接口设计及其专用芯片应用[J].华中科技大学学报:自然科学版,2002(6):52-54.