智能化测控系统设计概论.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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。
8、,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
9、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
10、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
11、)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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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/
18、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
19、,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,
20、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
21、、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
22、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
23、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
24、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
25、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
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