现代检测系统设计实用化技术教学教材

1、现代检测系统设计实用化技术MVOUT1ALMAN2ALPVSV写入加减/A MSTOPRUN显示转换参数设置 调节器面板图计算机技术和仪器技术结合：计算机技术和仪器技术结合： 以以计算机计算机为核心，由测量为核心，由测量应用软件应用软件支持，具有支持，具有虚拟的仪器操作面板、足够的仪器硬件与通信虚拟的仪器操作面板、足够的仪器硬件与通信功能的功能的测量信息处理装置测量信息处理装置。 仪器的三大功能仪器的三大功能信号的采集与控制、信号的分信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的输出析与处理、结果的输出均放在计算机上实现。均放在计算机上实现。 虚拟示波器、虚拟信号发生器、虚拟频谱仪。虚拟示波器、虚

2、拟信号发生器、虚拟频谱仪。组成组成 PC机机+硬件接口卡硬件接口卡+开发系统的开发系统的“软功能库软功能库”、“软控件库软控件库”。 特点特点 根据系统的功能要求进行根据系统的功能要求进行软装配、软连接、软组软装配、软连接、软组合、软修改、软测试合、软修改、软测试等一系列软操作，最后形等一系列软操作，最后形成一台从外观到功能到操作方法都于同类硬件成一台从外观到功能到操作方法都于同类硬件仪器一样的虚拟仪器。仪器一样的虚拟仪器。 “硬件搭台，软件唱戏硬件搭台，软件唱戏”。 组成：组成：计算机、模块化功能硬件及软件系统。计算机、模块化功能硬件及软件系统。GPIB（General Purpose In

3、terface Bus）通用总线）通用总线接口卡接口卡(挂接挂接GPIB接口仪器接口仪器)DAQ（Data Acquisition）数据采集接口卡）数据采集接口卡VXI（VMEbus eXtension Instrumentation）总线）总线接口系统接口系统RS485串行总线、串行总线、Field现场总线现场总线(CAN、FF等等)功能硬件功能硬件一个典型的数据采集系统由四部分组成。一个典型的数据采集系统由四部分组成。虚拟仪器软件系统虚拟仪器软件系统系统管理系统管理虚拟仪器开发软件虚拟仪器开发软件虚拟仪器驱动程序虚拟仪器驱动程序DAQ、总线通信接口、总线通信接口DAQ接口卡接口卡总线通信接

4、口卡总线通信接口卡数据采集数据处理9.1.3虚拟仪器的特点1、仪器的功能由用户按需要定义。仪器的功能由用户按需要定义。修改软件，增减仪器系统的功能与规模，灵活方便。2、显示器取代传统的检测仪器面板。显示器取代传统的检测仪器面板。3、数字信号处理成为系统软件的核心。数字信号处理成为系统软件的核心。图形化编程语言编程图形化编程语言编程，控制仪器的运行，完成对被控制仪器的运行，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。4、利用集成的虚拟仪器库可生成多台不同种类的利用集成的虚拟仪器库可生成多台不同种类的虚拟仪器。虚拟仪器。系统组建快速方便。系统

5、组建快速方便。美国国家仪器公司（National Instruments）NI 推出LabVIEW7.0 和LabWindows/CVI , HP公司推出了VEE，Tektronix公司推出了TekTMS LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）实验室虚拟集成环境）实验室虚拟集成环境是一种基于G（Graphic）图形化语言的开发语言，图形化语言的开发语言，是一种面向仪器的图形化编程环境，用来进行数是一种面向仪器的图形化编程环境，用来进行数据采集和控制、数据分析和数据表达、测试和测据采集和控制、数据分析和数据表达、测

6、试和测量、实验室自动化以及过程监控。量、实验室自动化以及过程监控。应用程序：使用应用程序：使用LabVIEW软件开发平台编制的程软件开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为序称为虚拟仪器程序，简称为VI。VI：程序前面板、框图程序和图标程序前面板、框图程序和图标/连接器。连接器。功能：功能：数学运算、逻辑运算各种输入输出功能。数学运算、逻辑运算各种输入输出功能。资源：资源：用于数据采集和仪器控制的用于数据采集和仪器控制的各种库函数、开各种库函数、开发工具包、数学分析程序包和仪器的驱动程序等。发工具包、数学分析程序包和仪器的驱动程序等。 程序前面板程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于设

7、置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。用于模拟真实仪表的前面板。框图程序框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。构成：构成：端口、节点、图框和连线功能模板功能模板 控制模板控制模板 工具模板工具模板 方案设计方案设计仪器的总体逻辑图仪器的总体逻辑图技术设计技术设计仪器电路图仪器电路图程序清单程序清单仪器制造仪器制造制板制板/装配装配/调试调试仪器成品仪器成品设设计计室室工工厂厂车车间间仓仓库库传统硬件仪器开发传统硬件仪器开发虚拟仪器开发虚拟仪器开发方案设计方案设计仪器建模仪器建模技术设计技术设计模型算法模型算法

8、仪器制造仪器制造程序编制程序编制仪器成品仪器成品计计算算机机完完成成9.2 现场总线仪表现场总线仪表定义定义现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备（设备（现场总线仪表现场总线仪表）之间实现双向串行多节点）之间实现双向串行多节点数字通信系统。是开放式、数字化、多节点通信数字通信系统。是开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络（局域网）。的底层控制网络（局域网）。9.2.1 现场总线系统概述现场总线系统概述类型类型HART、CAN、LonWork、PufiBus、FF。变送器调节器HART手操器显示器24VR电流表传输线2200HZ“0”I0110

9、0HZ“1”i( mA)t0.5-0.5图图9-8 HART协议传递的二进制数字信号协议传递的二进制数字信号D调制D解调CAN控制器CAN收发器MCU传感器传感器/执行器接口执行器接口其它外设CAN总线网络拓扑结构（总线型、环型和星型）网络拓扑结构（总线型、环型和星型）星型结构：星型结构：1对对N 图图9-10星型网络拓扑结构星型网络拓扑结构环型结构：点对点环型结构：点对点 图图9-11 环型网络拓扑结构环型网络拓扑结构总线型结构：共享介质总线型结构：共享介质 图图9-12 总线型网络拓扑结构总线型网络拓扑结构星型结构：星型结构：1对对N。中央节点，其它节点都要通过。中央节点，其它节点都要通过

10、中央节点交换信息。局域网交换机。中央节点交换信息。局域网交换机。环型结构：环型结构：点对点。环中数据沿着一个方向环绕点对点。环中数据沿着一个方向环绕逐站传输。逐站传输。总线型结构：总线型结构：各站地位平等，传递方向从发送信各站地位平等，传递方向从发送信息的节点开始向两端扩散，各个节点在接收信息息的节点开始向两端扩散，各个节点在接收信息时都检查地址，对比地址是否与本站地址相符，时都检查地址，对比地址是否与本站地址相符，相符则接收网上的信息。相符则接收网上的信息。需防止数据需防止数据“碰撞碰撞”。网络协议网络协议为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。构成要

11、素：构成要素：语法：用户数据和控制信息的结构与方式。语法：用户数据和控制信息的结构与方式。语义：需要发出的控制信息、完成动作及作出的语义：需要发出的控制信息、完成动作及作出的响应。响应。时序：对事件实现顺序的详细说明。时序：对事件实现顺序的详细说明。网络层次网络层次ISO/IEC 7498标准规定标准规定7层框架。层框架。（物理层、数据链路层、网络层）涉及通信系统（物理层、数据链路层、网络层）涉及通信系统协议；（会话层、表示层、应用层）面向应用，协议；（会话层、表示层、应用层）面向应用，涉及终端用户应用进程操作协议；传输层从会话涉及终端用户应用进程操作协议；传输层从会话层取得数据传递到网络层。

12、层取得数据传递到网络层。物理层（物理层（physical layer）：）：作用：为数据链路层提供物理连接，以实现信息流传输。作用：为数据链路层提供物理连接，以实现信息流传输。协议：规定通信介质，驱动和接收电路接口电气特性和机协议：规定通信介质，驱动和接收电路接口电气特性和机械特性。械特性。信息流通路信息流通路数据链路层数据链路层(data link layer)：作用：在通信的实体之间建立数据链路连接。作用：在通信的实体之间建立数据链路连接。功能：确定链路的使用权分配，传输以位为单位的数据，功能：确定链路的使用权分配，传输以位为单位的数据，差错控制。差错控制。数据通路数据通路网络层网络层(n

13、etwork layer)：功能：处理信息的传输路径，通过算法，为分组通过通信功能：处理信息的传输路径，通过算法，为分组通过通信网络的数据选择最适当的路径。网络的数据选择最适当的路径。实现路由选择、拥塞控制、网络互连。实现路由选择、拥塞控制、网络互连。指挥指挥传输层传输层(transport layer)：功能：提供点到点服务，传送报文，确认接点间的数据传功能：提供点到点服务，传送报文，确认接点间的数据传输是否完成。包括：信息确认、误码检测、信息重发、信输是否完成。包括：信息确认、误码检测、信息重发、信息优先权调度等。息优先权调度等。调度调度会话层会话层(session layer)：功能：组

14、织两个会话进程之间的通信，管理数据交换，对功能：组织两个会话进程之间的通信，管理数据交换，对节点之间的通信任务进行启动和停止调度。节点之间的通信任务进行启动和停止调度。主持主持表示层表示层(presentation layer)：功能：处理两个通信系统中交换信息的表示方式。功能：处理两个通信系统中交换信息的表示方式。数据格式变换、数据的加密和解密、数据压缩与恢复等。数据格式变换、数据的加密和解密、数据压缩与恢复等。翻译翻译应用层应用层(application layer)：功能：确定进程之间通信的性质。提供应用进程所需要的功能：确定进程之间通信的性质。提供应用进程所需要的信息交换。信息交换。

15、服务服务9.2.2 CAN总线系统总线系统(Controller Area Network)1、 CAN总线系统的构成总线系统的构成控制器控制器1控制器控制器2控制器控制器N人机界面人机界面传感器传感器节点节点1传感器传感器节点节点2传感器传感器节点节点N执行器执行器节点节点1执行器执行器节点节点2执行器执行器节点节点N网关网关其它设备其它设备图图9-13 CAN总线系统的结构总线系统的结构CAN总线系统多数由上位计算机和微控制器构成。总线系统多数由上位计算机和微控制器构成。上位计算机通过上位计算机通过CAN适配卡与总线连接。适配卡与总线连接。相当网络中的一个节点。相当网络中的一个节点。传感器

16、节点、控制器节点、执行器节点一般有微传感器节点、控制器节点、执行器节点一般有微控制器系统组成。控制器系统组成。可以将传感器的数据传送到总线上或将网络中传可以将传感器的数据传送到总线上或将网络中传来的数据输出到执行器控制执行器的动作。来的数据输出到执行器控制执行器的动作。2、 CAN总线网络结构总线网络结构（1）多主发送结构）多主发送结构（2）主从发送结构）主从发送结构CAN接口接口主机120120CAN接口接口从机1CAN接口接口从机2CAN接口接口从机N图图9-14 基本基本CAN总线系统总线系统CAN总线收发器（82C250）CAN总线控制器（SJA1000）微机（DSP、单片机等）传感器

17、/执行器接口CAN总线图图9-15 CAN总线节点组成总线节点组成3、 CAN总线特点总线特点1多主方式工作，采用非破坏性的基于优先权的总线仲裁技术；2借助接收滤波可实现多地址的帧传送；3数据采用短帧结构，抗干扰性强，数据帧的信息校验及其它错误检测措施完善；4发送期间丢失仲裁或由于出错而遭破获的帧可以自动重发；5严重错误时可自动关闭总线功能，以使总线其它操作不受影响。最大传输速率为时传输距离最大为；传输速率为时的最大传输距离为。总线的传输介质可为双绞线、同轴电缆等 控制器的初始化、总线数据的发送和接收等几个部分 的通信协议主要是由控制器完成的，对进行初始化实际上就是通过单片机向其片内的各个寄存

18、器写入控制字的过程。 4、 CAN总线软件流程总线软件流程控制器按规定格式和周期发送数据到总线上，同时接受其他控制器的信息。总线上的其他控制器则根据需要各取所需的报文。 9.3 智能化智能化(网络化仪器网络化仪器)的设计的设计1、 设计思想和设计原则设计思想和设计原则（1） 采取自顶向下的设计方法，从总体到局部采取自顶向下的设计方法，从总体到局部再到设计和实现的具体细节。再到设计和实现的具体细节。根据设计要求，确定总任务，将总任务分解成子根据设计要求，确定总任务，将总任务分解成子任务，子任务分解为模块设计。任务，子任务分解为模块设计。如智能热量表的设计。如智能热量表的设计。热水锅炉温度、液位测

19、控系统设计。热水锅炉温度、液位测控系统设计。电机轴振动测试系统设计。电机轴振动测试系统设计。智能热量表的设计智能热量表的设计热热 或或力力 中中站站 央央锅锅 空空炉炉 调调温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器积算仪积算仪流量计流量计用用户户热量表热量测量组成热量表热量测量组成 设计要求：设计要求：根据检测的管道进水与回水温度及流量，计根据检测的管道进水与回水温度及流量，计算出消耗的热量。保证温度、流量和热量的测量精度，显算出消耗的热量。保证温度、流量和热量的测量精度，显示参数：进水温度、回水温度、进回水温差、流速、流量示参数：进水温度、回水温度、进回水温差、流速、流量热水锅炉温度、液位测

20、控热水锅炉温度、液位测控热水热水锅锅 炉炉液位传感器液位传感器温度传感器温度传感器流量控制器流量控制器流量计流量计用用户户热水热水冷水冷水热功率、热量、运行时间等。热功率、热量、运行时间等。子任务：进回水温度传感器的选用与设计、流量子任务：进回水温度传感器的选用与设计、流量传感器的选用与设计、积算仪的设计。传感器的选用与设计、积算仪的设计。模块：温度传感器模块、流量传感器模块、温度模块：温度传感器模块、流量传感器模块、温度调理电路、流量调理电路、调理电路、流量调理电路、A/D转换模块、单片转换模块、单片机及最小系统、键盘显示模块、存储器模块、通机及最小系统、键盘显示模块、存储器模块、通信模块等

21、。信模块等。每个模块中包括硬件电路设计和软件程序设计。每个模块中包括硬件电路设计和软件程序设计。（2） 软硬件合理分工、相互配合软硬件合理分工、相互配合“硬件软化硬件软化”：模块中能够由软件实现的功能尽模块中能够由软件实现的功能尽可能由软件实现。降低成本、减小体积。可能由软件实现。降低成本、减小体积。如温度补偿、非线性处理、调零、滤波等。如温度补偿、非线性处理、调零、滤波等。“软件硬化软件硬化”：芯片的集成度提高，各种信号处：芯片的集成度提高，各种信号处理算法固化于存储器中。理算法固化于存储器中。如如DSP芯片原来快速傅芯片原来快速傅立叶变换由程序实现，现在利用立叶变换由程序实现，现在利用DS

22、P进行进行FFT变换。变换。许多单片机集成硬件乘法器许多单片机集成硬件乘法器A/D转换器、定时器、转换器、定时器、WDT、总线控制器等，提高信号处理速度，提高、总线控制器等，提高信号处理速度，提高可靠性。可靠性。趋势：软硬件功能界限日益淡化。趋势：软硬件功能界限日益淡化。2、 智能仪器的设计开发过程智能仪器的设计开发过程1）确定任务，拟订总体设计方案）确定任务，拟订总体设计方案（1）确定仪器的功能、技术指标及设计任务）确定仪器的功能、技术指标及设计任务被测量数目、类型、变化范围、测量精度、分辨被测量数目、类型、变化范围、测量精度、分辨率、输出方式（显示、打印、通信等）。仪器的率、输出方式（显示

23、、打印、通信等）。仪器的使用环境、结构、尺寸、成本、可靠性、维护性、使用环境、结构、尺寸、成本、可靠性、维护性、性能价格比等。性能价格比等。（2）拟订总体设计方案）拟订总体设计方案画出仪器的组成框图。对框图中各个模块进行收集、画出仪器的组成框图。对框图中各个模块进行收集、整理、设计。整理、设计。单片机键盘显示A /D转换器 非易失存储通信电路流量传感器进进水水温温度度传传感感器器回回水水温温度度传传感感器器A /D转换器 2）进行硬件和软件设计）进行硬件和软件设计同步进行，各个模块软硬件设计相互配合。同步进行，各个模块软硬件设计相互配合。（1）硬件电路设计和调试）硬件电路设计和调试各个功能模块电路（调理电路、采集电路、单片机各个功能模块电路（调理电路、采集电路、单片机及其外围电路、键盘显示电路、通信电路、存储电及其外围电路、键盘显示电路、通信电路、存储电路等设计），用路等设计），用PROTEL99等软件工具画原理图，等软件工具画原理图，在实验板上搭建实验电路，通过后，画出印刷电路在实验板上搭建实验电路，通过后，画出印刷电路板图，再调试。最后各个模块连接总调。板图，再调试。最后各个模块连接总调。（2）软件框图的设计和程序的编制）