智能化测控系统设计概论.ppt

1,1 智能化测控系统设计概论,1.1智能化测控系统概论智能化测控系统广泛应用于工农业生产、科研、国防、医疗卫生、体育及社会服务等各个领域。它的主要作用有以下几点：对被测对象的有关物理、化学参量进行信号采集与处理；以模拟、数字、图表、图像等方式显示记录测量和处理结果；对有关对象进行有效的控制。,2,1.1.1智能化测控系统的特点,智能化测控系统与传统的测控系统相比，通常有如下一些特点：能实现程序控制下的多通道、快速实时测量与处理，测试速度显著提高。通常为人工操作传统测控系统测试工效的几倍、十几倍、几十倍甚至更高。具有自动校正零位、自选量程、自动校准满度等功能，可大大减少系统零漂和温漂所造成的误差，从而不仅可以适当降低系统对传感器、滤波器、放大器等一次、二次仪表（电路及器件）的要求，而且使计算机测控系统具有更高的精度。能对传感器、放大器的非线性在不增加任何硬件的情况下采用软件校正，而且精度高，应用范围不受限制。,3,无需另加专用的硬件运算电路，利用CPU强大的运算能力可以对测试数据进行所要求的复杂运算和统计、分析、处理等。根据需要，可方便地实现LED、LCD、CRT等显示和打印、记录输出，其中CRT显示和打印输出可以是数据、表格、曲线、直方图等等。在许多不同应用场合，往往可以在不改变或很少改变系统硬件电路的情况下，根据不同应用需要，通过修改测控软件便能方便地构成完全满足不同测控要求的新系统的需要。,4,无需另加专用的硬件运算电路，利用CPU强大的运算能力可以对测试数据进行所要求的复杂运算和统计、分析、处理等。根据需要，可方便地实现LED、LCD、CRT等显示和打印、记录输出，其中CRT显示和打印输出可以是数据、表格、曲线、直方图等等。在许多不同应用场合，往往可以在不改变或很少改变系统硬件电路的情况下，根据不同应用需要，通过修改测控软件便能方便地构成完全满足不同测控要求的新系统的需要。,5,在许多情况下，计算机测控系统可采用分时复用技术使系统具有更高的性能/价格比。能方便实现传统测控系统无法或难以实现的一些功能。允许进行远程操作，随时可以调整设定参数，下达各种操作命令等。能方便地构成不同规模的实时测量、控制与管理网络；从而使整条生产线，整个车间乃至整个企业实现科学高效运行。,6,112 计算机测控系统的分类,1.按被测控参量分类电工量 包括电压、电流、电功率、电阻、电感、电容、频率、磁场强度等；热工量 包括温度、热量、比热、热流、热分布，压力、压差、真空度，流量、流速，物位、液位、界面等；机械量 包括位移、形状，力、应力、力矩，质量、重量，速度、加速度，振动、噪声等；物理和化学成分 包括酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重，气体成分、液体成分、固体成分等；状态量 包括颜色、透明度、裂纹、缺陷等五大类。,7,2.按控制方式及系统的构成分类,程序控制系统 程序控制系统属于计算机开环控制系统，计算机根据事先输入的控制条件、动作次序和各类参数按规定的程序顺序进行各项固定的控制。其系统组成框图如图11所示。,8,实时闭环控制系统 其系统组成框图如图12所示。这类系统工作时，将定时采集被控对象的各项被测参数，并把测量值与设定值相比较，根据偏差的大小、方向、趋势实现调节（控制），最终实现偏差为“0”的控制。它广泛用于生产过程控制，武器装备系统。,9,程序控制和闭环系统组成框图,10,分散式控制系统和分布式控制系统,11,分散式控制系统的主要特点有：,按地理、位置和工作任务分散布置；各个计算机系统或智能型设备均可独立完成所需的数据采集、处理、控制和管理任务；各个计算机系统连成局部网络，实现相互通信，为实现同一控制与管理目标而协调工作。,12,典型分布式集散测控系统,13,此外，还可以按系统所含CPU的数量分为单机测控系统和多机测控系统，以及按系统的用途分为通用型计算机测控系统（例如Honey Well公司推出的TDC3000通用集散控制系统）和专用型计算机测控系统（例如某热处理炉温测控系统）等等。,14,113 计算机测控系统的一般组成,一个典型的计算机测控系统通常有以下几个部分组成：信号源部分各种传感器、变送器、（监测设备的）信号发生电路等；数据采集系统包括模拟量、数字量、开关量、脉冲量输入子系统；信号处理机包括处理器（CPU）本身及配套电路构成的处理机硬件和软件；信号存储、显示各种存储器，模拟、数字或图形显示器、指示灯、报警器等；信号输出（控制）包括模拟量、数字量、开关量、脉冲量输出及相应的锁存、转换、功率放大等；系统的其它配套装置输入设备（键盘等）、各种稳压电源、各种执行器等。,15,整个系统的组成框图如下图,16,1 信号发生部分智能测控系统的信号来源是各种传感器、变送器和行程开关、继电器、脉冲发生电路等。按信号的形式可分为模拟信号和数字信号两大类；模拟信号通常可分电压信号和电流信号，数字信号又可分为开关量信号、脉冲信号和数字形式信号。对数字信号发生器（开关量、脉冲量、数字量）的要求主要是稳定、动作可靠、抖动小和抖动延续时间短。,17,对各类传感器和变送器要求如下：,准确性高 传感器、变送器的输出应准确跟随其输入，即被测参量变化；其输出输入关系应呈严格的单值关系，最好是线性关系，且上、下行程尽可能一致。稳定性好 其输出、输入关系随时间的推移和温度的变化以及外界其它因素干扰的影响愈小，则它们的稳定性愈好，稳定性好其重复性亦好。灵敏度高 即希望被测参数较小的变化，传感器就有较大的输出。这样，便于后续测量与处理。其它指标 如响应速度、体积重量、安装方式、耐腐蚀性和价格等等指标在具体应用时也应一并考虑。,18,2 数据采集系统,又称过程输入通道。根据输入信号形式，它又分成模拟量输入通道和数字量（包括开关量、脉冲量、数字量）输入通道。数据采集系统最主要作用是把各种输入信号经适当调理、处理，最终转化为便于计算机接收和处理的数字信号。,19,3 信号处理部分,目前国内设计和研制的各类智能化测控系统的信号处理部分由硬件和软件两个部分组成，其硬件通常由各类单片机、DSP、嵌入式系统及PC系列微机担任。,20,测控系统的软件一般包括系统软件和应用软件两大类,21,4 信号显示、记录部分,1）信号显示 通常人们都需要了解和观察被测参量的瞬时值、平均值、累积值及随时间的变化情况等信息，因此智能化测控系统一般均有各种形式的显示器或存储、记录设备或者两者兼而有之，作为测控系统与人交互重要环节之一的显示器，通常分为模拟式、数字式和屏幕式三种。,22,（1）模拟式显示,被测参数的大小由指针（或其它指示器）相对标尺的位置来表示。模拟式显示器主要由电磁偏转机构与偏转机构连动的指针以及分度和固定好的标尺组成。机构简单、价格低廉和显示直观是模拟显示的主要优点。由于受结构本身及标尺长度的限制，使指示精度受影响，以及在不同位置进行读数会得到不同的结果，即容易引入主观读数误差使模拟式显示的两个主要缺点。,23,（2）数字式显示,直接以数字形式显示被测参数数值。数字显示消除了读数的人为误差，具有读数直接及准确，显示本身不增加系统的误差等优点，其次数字显示与计算机连接方便，所以数字式显示在自动化仪表和各种测控系统应用中越来越广泛。,24,（3）屏幕显示,实际上是一种类似电视的显示方式。显示屏幕也叫计算机图形显示器，通常简称CRT或LCD屏。它由计算机控制，同时兼有显示形象性化和易于读数的优点。由于CRT分辨率高、屏幕大，可以在同一屏幕上同时显示多个被测参量的信息，并能以表格、曲线、图形等各种方式显示各被测参量的历史和当前情况。,25,2）信号记录,（1）打印机 虽然打印机型号众多，体积和性能差异很大，但它们都有一个共同点，即只能接收数字信号。通常在工业现场的小型测控仪表选用各种微型打印机；而在仪表室、实验室等环境条件良好，空间不受限制的场所，通常选用大家熟悉，使用方便的通用24阵或9针打印机、激光打印机。,26,（2）绘图仪和笔式记录仪,绘图仪的种类也很多，有的可接受模拟信号，有的只能接受数字信号，有的模拟、数字两种信号可人选。绘图仪所绘曲线光滑流畅，相对位置精度高；但因绘图仪价格较贵、体积较大、需定时换纸或换笔（或加墨水）所以它在各种计算机测控系统中应用不很广。XY等笔式记录仪型号也较多，它们一般接收模拟信号，它们的定位精度和价格比专用绘图仪低，也存在需定时换笔换纸的缺点。,27,（3）磁记录 各种磁卡、磁条和磁盘等。磁盘又分为硬盘、软盘，通常由测控系统中的计算机控制。（4）半导体存储器 优盘、各种E2ROM等。,28,5 输出控制部分,智能化测控系统控制主要有两种方式：一种是以输出开关（包括脉冲、数字）量，控制诸如继电器、电磁阀、可控硅、步进电机等执行器；另一种输出PWM信号或经D/A转换成模拟信号控制伺服电机等。通常测控系统处理器最初的控制信号均为数字量或以高低电平相区分的开关（脉冲）量。视执行器的不同，通常需要对信号作适当的调理，如D/A、F-V、I-V、V-I转换和脉宽调制及电压放大、功率放大等。,29,6 系统其它配套装置,1）输入设备 2）稳压电源 3）执行器 4)传输通道,30,12 智能化测控系统总体设计方法,1.2.1设计依据,通常用户单位（委托方）要提出一份完整的可作为用户和研制单位之间的合同（协议书）作为研制方设计该测控系统依据的设计任务书。该任务书实际上规定了测控系统应具有的功能和性能，故它是系统总体方案及系统的硬件、软件设计基础，也是用户单位对该测控系统组织验收的依据。,31,设计任务书一般应包括下列内容：,1 主要技术指标，它包括1）系统的精度等级，或允许误差；2）被测量的参数个数、性质及参数变化的范围；3）各被测参数所需的测量速度（次/秒）；4）输出控制通道数，输出控制方式（是数字信号、开关量、脉冲量还是模拟量输出）；5）被测、被控对象的分布、范围和相互距离及系统的工作环境条件（是否有特殊性，如超高温、超低温、强振动、冲击和腐蚀性环境等）；6)稳定性要求，例如，对工业过程在线测量，通常要求系统长年运行，不需人工调整。,32,2 系统的人机交互要求，它包括1）显示方式（LED显示或CRT显示等），记录方式（打印机打印记录还是绘图记录、磁盘存储记录等）的选择与配置；2）输入与设定功能，例如光笔、键盘输入、拨盘、开关设定以及屏幕的菜单设置与鼠标选择等；3）出错和越限声光报警功能；3 研制开发经费数额及支付、结算方式4 研制开发计划进度和检查方法5 验收标准与方法6 成果的归属7 风险责任划分及违约与损失赔偿（额）计算方式 除上述条目外，双方还可以根据双方意愿及该课题具体情况，加订其它条款。,33,1.2.2 设计思想,降低成本(测控系统的造价取决于研制成本和生产成本)缩短研制周期提高可靠性 操作简便、维护方便,34,以不同配套基础的(产品化)系统设计周期及成本,表11,35,1.2.3设计原则,1.开放式系统和规范化设计原则2.先总体后局部的原则 3.指标分解留有余地的原则,36,1.2.4设计步骤,课题调研 课题调研的第一步是文献信息检索，通过专利索引、专业文献、新产品目录等跟踪查阅与课题有关的专利申请说明、专业杂志、国际、国内会议论文集及新产品说明书等。课题调研的第二步是深入进行国内情况调研。第三步是对用户测控现场条件、被测控设备情况、工作过程与工艺特点作深入的调查和分析研究。,37,2.方案论证,完成课题调研后，接下来是根据课题提出单位所确定的总体要求，主要技术指标及综合调研所获得的信息、资料进行原理方案设计。原理方案设计的第一步是确定采用什么检测方法进行各项参数检测，以及选用什么传感器才能进行这些参数检测；考虑采用何种算法和选择什么样的执行器进行控制。接下来设计人员从系统应具备的功能以及应达到主要技术指标、可靠性、可维护性、输入输出的要求，系统成本等提出该测控课题的功能原理框图。为了能设计出性能/价格比，操作、维护方便的测控系统，在作方案论证时应多考虑几种可行方案，经综合分析，互为补充最后择优确定实施方案。,38,3.设计,在设计阶段，负责系统总体的总设计师，首先要合理地把系统总的功能指标逐项分解到各个分系统（分机）；例如，把系统总的精度逐一分解（有的也叫允许误差分配），确定传感器部分允许误差是多少，信号调理电路误差多少，A/D转换、微机信号处理、输出等部分允许误差各是多少。分解工作完成后，总设计师给各分系统提出具体的设计要求与分工；尔后系统各个部分的设计便全面展开，各分系统设计人员在设计出满足总体要求的原理性分机简图后，再在总设计师主持、协同下确定、解决各分系统之间的连接问题。,39,4.系统调试,信号调理、数据采集、微机及其接口电路、微机外围设备、输出电路及执行器和机械固定装置等各部分都装配起来后，首先应分开调试；直至都实现了规定的功能和达到了规定的指标后，在把传感器和执行器加入整个系统进行调试；模拟信号通道都正常后，再把应用软件（通常存储在软盘或EPROM上）装入微机，进行软硬件联调。通过调试能发现问题和故障，跟踪测试信号的传输情况和通过编制针对性的调试程序，可是识别是硬件造成的故障还是软件造成的故障，进而采取措施排除所有故障，直到整个系统能正常、可靠地工作为止。,40,5.现场试运行,在实验室装配调试通过并试验运行一段时间后，接下来试送到（用户单位）测控现场】安装与被测控对象联结起来，进行联机调试。该系统在现场能实现计划任务书规定的所有功能后，再对计划任务书中规定的各项工作指标（比如精度、抗干扰能力、处理速度等等）逐项进行考核。若某一项或几项达不到规定指标时，应首先设法改进软件，如仍达不到要求时再对个别的硬件作尽可能小的改动，这样不断改进、调试、测量、修改，直到全部指标达到设计要求为止。,41,6.整理资料准备技术鉴定,系统在现场运行正常后，便可着手整理所有硬件和软件设计资料并加上必要的说明，汇编成册。另一个方面，请试用该测控系统的操作人员及时记录各种测控数据，并请质检或计量部门复核。据此，整理出验收或鉴定所需的最后文件。一般说，若该测控系统被技术鉴定委员会，或双方认可的验收组验收通过，则便可认为计算机测控系统的设计、研制工作已告全面完成。,42,1.3智能化测控系统的硬件设计方法,总体方案完成后，接下来便可着手进行系统硬件和软件的设计。计算机测控系统的硬件有广义和狭义之区别，广义上的系统硬件时软件以外的所有硬设备。即从传感器、放大调理电路、A/D转换电路、微机主机及其外设（包括输入、显示、记录）以及各种稳压电源、控制器、执行器等，都是广义上的硬件；狭义上的硬件是指微机主机，通常包括其外围接口及输入、输出、显示、记录等设备。下面以工程上需求最多，大家最为关注的以专用型单机系统为例介绍计算机测控系统广义上的硬件设计方法。,43,1.3.1合理选择微处理器,微处理器是计算机测控系统的核心部件，它的特性不仅对整个系统的数据处理能力、处理速度、对接口芯片的选择、硬件设备的配备和软件设计的繁简有重大的影响，而且还直接影响到系统的中断能力、抗干扰能力、扩展能力、功耗、成本等。此外微处理器的选择还影响到印刷线路板布线是否方便以及是否易于和其它智能设备进行通信等。总之，微处理器的选择对整个测控系统的设计，特别是数据采集系统以及对外通信和输出控制，微机主机的外围接口电路等硬件设计和整个软件设计工作影响很大，并直接影响系统的性能和指标。,44,选择微处理器的一般原则是：,使系统能完成规定的任务 处理速度上要满足系统要求 有利于降低整机成本 其它特性,45,1.3.2硬件设计方法与步骤,测控系统硬件的主要功能是实现被测非电量到电量的转换（若被测量就是电量，则不用此环节），进行模拟信号调理（包括放大、滤波等），完成信号的模/数（A/D）转换，为开关量（包括频率、脉冲量）配置适当的调理电路及为微处理器提供完成系统规定任务而配置必需的输入、输出接口电路（包括显示、记录、通信、控制等）和一定容量的RAM、ROM、中断申请电路、时钟电路、掉电保护电路、故障诊断和恢复电路等等。专用型测控系统硬件设计的原则是技术合理、简单实用、成本低廉、操作简便、使用可靠。,46,硬件设计工作流程图,开 始 系统指标量化 硬、软件分工 硬件指标量化 画硬件总框图 分块画出详细逻辑图 借助试验板进行部分电路模拟试验 分别画印刷线路图 制板及外购件测试、老化、筛选 焊接、装配自制模板 自制模板调试 组装成硬件系统 编写测试程序调试硬件 完成样机调试 硬、软件联调 结 束,47,1.4微机测控系统的软件设计方法,1.4.1软件开发的任务与步骤软件指标细化与任务分块程序框图设计编程 子程序调试 汇编与系统联调 现场联调 文件整理,48,1.4.2软件的设计方法,测控系统的应用软件即用户监控程序设计，通常采用模块化设计方法。首先将整个任务按功能分成一系列子任务或模块，这些子任务又可进一步再分成若干个子任务，一直分到最下层，使每一模块仅完成一个相对独立的小任务，使编写容易、调试方便。这种方法称为“模块化程序设计”。,49,模块化程序设计的优点如下：,1.一个个单个模块程序易于编写、查错和测试；2.完整的小模块程序可方便地被其它程序模块任意调用，也可移植到以后研制的计算机测控系统中去；3.模块化程序设计有利于程序员之间的任务划分，困难的模块让又经验的程序员来编写。此外，还可充分利用以前设计并调试通过的程序模块；4.对系列化的计算机测控系统，其监控程序的差异往往仅几个模块，不同型号的系统仅需调换这几个模块即可，而无需全面修改整个程序；5.模块化程序便于查错，容易调试、检查与修改，且不相互影响；6.有利于掌握软件开发的过程，因为几个模块完成了，还有多少模块未完成等一清二楚，有利于协调。,50,2.高性价比数据采集系统设计技术,任何一种优良的计算机测控系统都离不开高性能数据采集系统。数据采集是计算机测控系统的基础。数据采集系统的设计水平直接影响到整个计算机测控系统的测控精度、测控能力与系统成本。故数据采集系统的优化设计历来倍受人们的重视。,51,根据输入信息的形式，计算机测控系统的数据采集系统又可分为模拟量输入子系统（简称模入子系统），又称模拟量输入通道（简称模入通道）和数字量输入子系统（简称数入子系统），也称数字量输入通道。数字量输入子系统用于处理和接收诸如各种开关电路、数字式传感器（变送器）、数字拨盘、面板式数字仪表、各种比较脉冲发生电路及其它带CPU的智能化仪表计算机所产生的信号。这些信号均可用电平的高和低或它们的组态表示，相当于二进制数的“1”和“0”及它们的组态。模拟量输入子系统的作用是对测控系统所属各传感器来的模拟电信号进行适当的调整、放大、滤波及最终把模拟信号转换成数字化代码（即完成通常所说的模拟/数字转换A/D转换）供计算机采集、处理。,52,2.2一般开关量输入通道设计方法,计算机测控系统通常要监控大量的形成开关、继电器、接触器、按键和各种报警电路的状态。工程上，习惯称这类只有“开”（断开）和“关”（闭合）或信号“有”与“无”两种状态为开关量。由于开关量种类很多，其信号的形式有电压、电流、电阻等不同形式。为了使计算机能接收、处理这些开关量信号，必须把电流、电阻型开关量转换成符合TTL逻辑电平的电压量。,53,1 直流电压型开关量信号转换电路,(a)最简单的直流信号电压TTL电平转换电路（b）带光电隔离的直流信号电压TTL电平转换电路TTL逻辑电平：,54,采用光电隔离的开关量信号转换电路具有如下优点：,1）使测控系统计算机（开关量）输入回路与通常电压较高的开关量供电源在电气上完全隔离；从而极大地减少计算机系统受到以外损害的可能性；2）各个开关量输入电路相互独立，互不干扰，有利于建立规模较大的测控系统；3）因为光电耦合器是电流型器件，所以该电路对幅值大，作用时间短，能量小的瞬态尖峰电压干扰有很强的抑制能力。,55,2.电流型开关量信号转换电路 a)不带隔离的转换电路 b）采用光电耦合器的隔离转换电路,56,2.电阻型开关量信号转换电路,电阻型开关信号转换电路有两种形式，即开关和电阻相串联以及开关和电阻相并联。它们可分别采用图2-4(a)、(b)所示的转换电路。,57,图2-4 电阻型开关信号TTL电平转换电路,58,4.交流电压型开关量转换电路,59,60,2.2.2 开关式输入通道的消颤和保护电路设计,1、几种使用消颤方法,1）选用无触点开关解决开关抖动最简单方法是选用无触点的湿簧（水银）继电器代替有机械触点的各类机电式开关。但由于湿簧继电器的功率通常较小和价格相对昂贵使其应用受到很大的限制。为此，需从硬件电路或软件处理方面寻求解决开关抖动的办法。2）采用硬件消颤电路在开、闭时有抖动的继电器机械触点后面加接如图2-7所示简单电路就可消除开关触点抖动的不良影响。,61,图2-7 开关量消颤电路,62,该电路不但消除了开关抖动造成的不良影响，而且能使电路在新的开关状态完全可靠确立之前就可靠、快速地进入了新的逻辑状态。鉴于此，在需要计算机对某些重要回路的机电开关动作作出快速反应的场合（通常采用中断输入方式），采用此电路将具有可靠和快速的特点。图2-7电路的核心是一个基本的RS触发器，由于其触头2不可能与1和3两个触点同时接触，这就从根本上消除了RS触发器固有的因R和S两输入端同时为高，而导致电路输出不确定的缺陷。因此，该电路在这儿应用具有简单、可靠、实用等优点。,63,3）采用软件处理方法,除上述两种方法外，还可采用软件的方法处理，除机电式开关开、闭时的抖动造成的开关量信号输入的不稳定问题。具体方法为计算机对每组具有机械触点的开关信号量采样时，重复多次读入并进行比较。若重复读入的时间大于在开关开、闭（从触头与一触点开始断开到与另一触点可靠接触）动作周期，且该组开关量前后读数相同；则可认为这组开关量输入数据有效；若在此期间前后读数不一致，则需重读，直至满足上述条件，以确保读入的开关量数据可靠。,64,2.开关量输入通道的保护技术,65,VK为开关外接电压，VD是二极管正向压取0.5V，VF为光耦发光二极管正向压降约为1.2V，VZ为稳压管标准稳压值。正常情况下，VK值稳定，稳压管微导通（VT），光耦发光二极管得到约10mA电流；一旦A点电位随VK意外上升超过VT，稳压管反向击穿；这时流过开关K、二极管D和R1的电流虽然增大了，但由于稳压管的分流和箝位作用，A点电位基本维持在VT，使光耦输入电流IF基本上仍保持在10mA左右，达到了保护光耦和整个开关量输入回路不被损坏的目的。,66,2.2.3 一般开关量输入通道的综合设计,在设计计算机测控系统一般开关量输入通道时，应先按测控区域（或对象）分成若干块，然后再分区域按信号的不同形式分成几大类，接下来再按信号幅度大小逐步分级分组。同一对象同一区间的开关量尽可能就近编在同一组。为接口和输入方便，最底层应以8个开关量为1组，并相应为每组设置一个8位输入缓冲器。通过按区域（对象）层层分组，可构成计算机测控系统简洁、排列有序、输入和处理方便的开关量输入系统。,67,关于一般开关量分组与译码有两点需要注意：,1.虽然不同型号的CPU型号其I/O端的译码电路可能有差别，但不论采用任种型号CPU其线一定要参与译码；2.开关量通道很多，译码芯片较多时，要充分考虑系统数据和地址总线的负载能力，一般超过8个负载就应另加总线驱动。,68,2.3 中断型开关量的输入通道设计方法,2.3.1 中断开关量与CPU简易接口方式 中断开关量输入通道有关信号变换、隔离、防抖动、过压保护等信号调理部分都与同类一般开关量输入通道相同，在中断开关量数目小于CPU外中断线数时，可把信号调理后的中断开关量直接与CPU的各外中断引脚相连。在连接时注意以下两点：1.根据各中断开关量的作用和特点确定它们的优先级，并对号入座与CPU各级中断（引脚）一一相连；2.2.调整中断开关量的输入通道，使之满足CPU外中断对信号的要求（通常为低电平或负跳变有效）。,69,2.3.2 扩展接口方式,70,2.3.3 具有广泛适应性的中断处理实用接口新方法,71,经实际应用证明此电路具有如下优点,1.不论CPU实际执行各开关量对应中断服务程序需要多少时间，最后都能返回主程序；并从根本上彻底杜绝图2-10这类常用接口电路可能因一个开关量一次状态变化使CPU重复响应多次的错误；2.不论是CPU在响应和执行有关开关量中断处理服务程序期间，该组另有其它开关量状态发生变化，还是CPU在执行级别更高的中断暂时无法响应该组中断开关量变化引起的中断；该电路均具有“中断挂号“作用（只要CPU没有响应此中断，373没有输出该组开关量最近状态，其中断申请将始终有效）；3.此电路能可靠监视该组开关量的任何变化，不论是“1”“0”的变化，还是“0”“1”的变化，一旦状态改变，比较器立即就会产生中断申请。,72,2.4 频率和脉冲量的输入通道设计,应用于生产过程的计算机测控系统除大量的模拟量输入通道和一些一般开关量中断开关量外，通常还带有一定数量的特殊开关量频率、脉冲量的输入通道。频率、脉冲量就其信号的形式而言，它很像开关量，只有高低两种状态，而就其信号属性看，又具有模拟量连续的特点，因此它是兼有数字量和模拟量特点的特殊输入量。,73,由于在计算机测控系统中频率、脉冲量是比较容易实现低成本、高精度测量的一种电量，因此频率脉冲信号除直接来自测速、测长、计数、测时等各种光电、机电、磁电、霍耳等传感器外，往往还包括经V/F、VCO电路转换成频率、脉冲信号的其它电压信号。所以频率、脉冲量测量技术和输入通道优化设计方法受到人们普遍重视。下面就频率、脉宽、周期测量的有关问题分述如下。,74,2.4.1 频率（脉冲）量信号调理电路,从传感器和振荡电路产生的频率信号波形可能各种各样（如正弦波、三角波、矩形波、锯齿波），其幅度差异可小至几个微伏大至十几伏，甚至更高。频率（脉冲）量信号调理电路主要是信号进行放大或衰减和限幅整形，将波形幅度各异的频率（脉冲）信号变成满足计算机接口要求、符合TTL电平规范的等幅矩形脉冲序列。对于幅度小于2.4V的频率、脉冲信号，需要先放大、再经限幅、整形后才能输入计算机，图2-13就是这样一组小信号频率量调理电路。,75,2.4.2 频率量测量通道设计,频率量测量通道要根据被测量频率量的频率范围、要求达到测量精度以及与其接口的计算机(包括单片机和微处理器)本身的结构特点和硬件资源配置情况统筹进行优化设计。频率量测量通常可分为计数测频法和计时测周法以及改进测周法三种。,76,1、计数测频法,频率量信号f i经调理电路进行放大（衰减）整形后变成标准的TTL矩形脉冲序列，该信号经过一个由时基电路控制的闸门，送计数器进行计数。时基电路经适当分频产生诸如1S、0.5S、0.25S等便于处理的时间基准。门控电路根据时基间隔t对闸门进行控制。门控电路在时基信号的作用下，按确定的时间间隔打开和关闭闸门，并在门控电路由“1”“0”即停止计数的瞬间向CPU申请中断。CPU响应电路后，从计数器读入该测量时间t内所计得的脉冲数，再算出所测信号的频率；然后通过I/O线对计数器清“0”，等待下次测量。,77,式中ti为闸门打开时间，单位为秒；Ni为计数器所计脉冲数。,由（28）式可分析计数测频法的误差：,78,式中，为测频相对误差；,为计数相对误差；,为闸门控制时间的相对误差。,计数测频法测频误差来源于计数误差和闸门控制误差亦被称为时基误差。,79,闸门控制误差与石英晶体振荡频率的稳定度，整形、分频和闸门的电路的响应速度稳定度有关。目前整形、分频等电路的响应速度一般为10ns左右，其重要性误差已在0.1ns以下，与通常为秒级的测量时间t相比已是一个高阶小量。因此，可以认为闸门控制误差主要取决于晶振的稳定度。品质较好的微机采用的石英晶体频率稳定度误差 通常小于 10-8。计数误差是由于闸门开放时间t不等于被测信号周期的整倍数所致，其最大误差为(计数值最末一位)1 LSB，亦称 误差。测频计数值愈小，测误差引起的测频相对误差愈大。,80,2.计时测周法,计时测周法的频率信号调理电路除放大（或衰减）整形电路外，通常再加一级二分频电路，使调理电路的输出为输入频率量二分频的标注TTL方波，再由这个方波序列作为闸门（与门或与非门）控制信号。当方波为高时（正好等于输入频率信号的周期），允许高频时钟通过闸门进入计数器计时，当方波由高变低，计时停止，并向CPU申请中断。CPU响应中断后读入计数器值N，算出信号频率值后再通过输出（或锁存器）引脚对计数器清0，准备下一次测量。如果高频时钟周期为 则输入频率信号周期等于N。,81,用计数测频法类似分析方法可知计时计时 测周法的最大测量误差 表达式为：,式中仍为测频相对误差；为计数器计时值相对误差，即 误差；为高频时钟周期的相对误差。,82,因此只要设法降低 的值，就可以减少测量误差。通常提高高频时钟的输出频率便可在同一低频率信号周期内增大计数值N，从而达到减少1/N 最大为）引起的误差，提高低频测量精度的目的。提高高频时钟信号频率，主要受后面计数器最高计数频率的限制。象通用计数器8253其上限计数频率为2MHZ，MCS-51单片机内计数器上限频率为晶振频率的1/24（其晶振最高频率为12MHZ），即最高为500KHZ。,83,在计数器的上限频率及时钟电路的晶振稳定度相同的情况下被测信号频率高应采用计数测频法；被测信号频率低应采用计时测周法。两种方法精度相同（误差相同）的分界频率 为：即式中（计数器上限频率）为时钟频率，t为计数测频法测量时间。如果、t=1S 则。,84,3.改进测周法,改进测周法是在被测频率信号的调理电路后面加了一个由CPU程控的分频器。通过对被测频率信号的测试，利用CPU逻辑判断能力，很快计算得到程序分频器合适的分频系数，由输出锁存器输出控制程控分频器后，适当地延长了闸门（即测量）时间，因而增大了计数值，达到减小误差，提高测频精度地目的。,85,2.6模入子系统的信号调理电路,许多工业计算机测控系统，往往要实时检测来自电阻式、电感式、电容式、霍耳式、光电式或利用其它物理效应产生的温度、压力、流量、物位、位移等模拟信号。反映被测参量的这些原始信号有电阻、电容、电感、电压、电流、电荷等多种形式。通常这些信号都比较弱，幅度一般很小，而且可能夹杂着各种干扰；因此，计算机不能通过A/D转换器直接采集和处理这些信号，需要现对在这些微弱模拟信号进行预处理、变换于调整；即对原始弱信号进行人们常说的信号调理。,86,2.6.1 模拟信号调理电路一般组成,1把非电压量原始信号转换成电压信号或频率信号的信号变换电路，它们通常是交、直流电桥、RC、LC振荡电路等；2针对原始信号非线性的线性化电路和某些传感器的配套补偿电路，诸如热电偶的冷端补偿电路，温度补偿电路等；3为消除和减小传感器普遍存在的零位和零位漂移而设置的调零电路；4为提高各模拟输入通道信噪比而设置的滤波电路；测控系统模入子系统各模拟通道的滤波电路以低通滤波器为主；5用于放大来自传感器或经电桥转换输出的微弱模拟信号（电压）的（电压）放大电路；6其它转换电路 如转换成标准的420mA电流信号VI转换电路或把此电压量转换成频率量VF电路等；7为传感器及以上电路供电的电源电路，如高精度恒压源、恒流源、高稳定度的交流激励源等。,87,对模入通道信号调理电路的一般要求：,1）能准确、稳定、可靠地传输、放大和转换信号；2）抗干扰性能好，信噪比高；3）和后续电路衔接方便，有利于提高信号处理速度。模拟信号调理电路设计地基本原则是：1）满足系统精度要求，并留有余地；2）尽量采用集成度高的标准化电路器件；3）能简则简，减少环节；4）在处理器速度允许情况下，尽量采用“以软代硬”技术；尽可能多地采用节省硬件成本的分时复用技术。,88,2.6.3 模拟信号调理电路一般设计方法,1.信号变换电路,工程上各种电阻式、电容式、电感式、应变片式（实际上也是电阻式）敏感元件应用最多。对单路信号转换直接采用Rf、Cf、Lf转换电路，可直接把原始信号转换成准数字的频率量。采用上述转换电路往往最为经济，且后续处理也非常方便；但对多通道测量与控制的计算机测控系统来说，若其模入子系统的信号调理电路若都变成频率量信号，则后续测量处理电路用于多通道频率测量势必十分费时而难以达到实时测量、处理的要求。所以，各类计算机测控系统通常采用直流、交流电桥来实现RV、CV、LV转换。,89,图224一种简单的惠斯登直流电桥,90,其测量臂可为一臂（如热电阻），也可为两臂（一对电阻应变片），或者四臂（两对电阻应变片）。工作臂电阻一般采用温度系数极小的线绕电阻（通常采用锰铜丝绕制）或精密金属膜电阻。通常把直流电桥工作臂的电阻值设计成与测量臂在某种基准条件下的阻值相等。各桥臂电阻要仔细选配，应基准条件下最好能满足R1=R2=R3=R4，如有困难，至少要实现R1/R2=R4/R3，从而使电桥在基准条件下平衡（其输出Uo0）。,91,热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种,92,两线制,在热电阻感温元件的两端各连一根导线(见图6-4a)的引线形式为两线制。这种两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要带进引线电阻的附加误差。因此，不适用于A级。并且在使用时引线及导线都不宜过长。采用两线制的测温电桥如图6-5所示，5a)接线示意图，5b)为等效原理图。,93,三线制,在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线(见图6-4b)，此种引线形式称为三线制。用它构成如图6-6所示测量电桥，可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。而且，在测温范围窄或导线长或导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制。,94,三线制热电阻测量电桥 a)示意图 b)等效原理图,95,)四线制,在热电阻感温元件的两端各连两根引线称4线制热电阻。在高精度测量时，要采用如下图所示四线制。此种引线方式不仅可以消除内引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，消除该电阻的影响。还可以通过CPU定时控制继电器一对触点C和D的通断，改变测量热电阻中的电流方向，消除测量过程中的寄生电势影响。,96,四线制热电阻测量电桥 a)示意图 b)等效原理图,97,一般说来，增大电桥电源Es的值，在同样条件下可获得更大的信号电压。但这时必须注意电阻式传感器的子热限制条件，避免流过桥臂的电流太大造成测量臂电阻（传感器）出现温升而使桥臂阻值发生额外漂移。电感和电容式传感器大都采用交流电桥实现信号转换。通常交流电桥的设计与分析计算均较直流电桥复杂。采用稳频、稳幅、内阻小的交流电源作交流电桥的激励电源及适当的提高电桥激励电源的频率可降低电感线圈直流电阻的不利影响。,98,2线性化电路,对传感器信号非线性比较严重的模拟输入通道，计算机测控系统通常不为此一一设计专用的（硬件）模拟线性化电路而采用更为经济、方便、灵活和达到更高精度的软件线性化方法。即直接由数据采集系统输入经放大和A/D转换获得的非线性数字信号，然后计算机依据这些信号的非线性关系或通过查表、插值或根据该模拟信号的非线性表达式直接进行计算得到被测参考量。,99,对于某些与传感器配套的温度补偿及其它补偿电路的设计，可采用增加硬件补偿电路的办法或通过设计某些必要的简单输入电路，然后由计算机软件对模拟信号进行补偿的方法。通常高精度的硬件补偿电路设计比较复杂与困难，制作和调试也比较麻烦（在需要分段补偿时尤甚），而且通用型差。而以软件为主的补偿方法通常具有设计简单、成本低、精度高、通用性好等优点。例如，在热电偶作感温元件的温度测量系统可采用廉价的铜电阻（或半导体集成温度传感器AD590测出环境（冷端）温度，加上测得的热电偶（冷端即环境温度下的）热电势信号E(T,To)，计算机就可根据下式计算得到相当于进行精确冷端补偿后的标准电势E(T，To)。,100,可根据下式进行计算,E(T,0)=E(T,T0)+E(T0，0)式中E(T,To)为热电偶冷端处于环境温度To时，炉温为T时热电偶输出电势；即热电偶输入通道实际能测得的电势值。E(To,0)是热电偶冷端为0，测量端为环境温度To时所产生的热电势。环境温度To由计算机通过多