现代检测系统设计实用化技术-

高等院校自动化新编系列教材现代检测技术虚拟仪器智能仪器伏特表安培表功率表压力表电位差计第九章现代检测系统设计实用化技术数字频率计数显表数字万用表示波器微机+接口电路+传感器PC+接口板+系统软件

软件化仪器9、1虚拟仪器9.1.1概述检测仪器的发展模拟仪器

数字仪器高等院校自动化新编系列教材现代检测技术传统仪器结构形式操作面板，信号输入输出端，信号处理线路板。功能信号的采集和控制信号的分析与处理结果的表达与输出局限性全部都是以硬件(或固化的软件)的形式存在。这种框架式的结构，决定了传统的仪表只能由仪器厂家来定义、制造，用户无法改变的现实。第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术调节器面板图第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术虚拟仪器计算机技术和仪器技术结合：以计算机为核心，由测量应用软件支持，具有虚拟的仪器操作面板、足够的仪器硬件与通信功能的测量信息处理装置。仪器的三大功能信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的输出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。第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术组成PC机+硬件接口卡+开发系统的“软功能库”、

“软控件库”。特点根据系统的功能要求进行软装配、软连接、软组合、软修改、软测试等一系列软操作，最后形成一台从外观到功能到操作方法都于同类硬件仪器一样的虚拟仪器。“硬件搭台，软件唱戏”。第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术信号发生器前面板图9-1信号发生器前面板第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术温度计前面板图9-2温度计前面板第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术9.1.2虚拟仪器的组成组成：计算机、模块化功能硬件及软件系统。功能硬件GPIB（GeneralPurpose

Interface

Bus）通用总线接口卡(挂接GPIB接口仪器)DAQ（Data

Acquisition）数据采集接口卡

VXI（VMEbus

eXtension

Instrumentation）总线接口系统RS485串行总线、Field现场总线(CAN、FF等)第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术图9-3虚拟仪器硬件组成第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术一个典型的数据采集系统由四部分组成。第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术虚拟仪器软件系统系统管理虚拟仪器开发软件虚拟仪器驱动程序数据采集数据处理DAQ、总线通信接口DAQ接口卡

总线通信接口卡图9-4信号发生器前面板第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术9.1.3虚拟仪器的特点第九章现代检测系统设计实用化技术1、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。3、数字信号处理成为系统软件的核心。图形化编程语言编程，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。

4、利用集成的虚拟仪器库可生成多台不同种类的虚拟仪器。系统组建快速方便。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术9.1.4虚拟仪器软件开发平台第九章现代检测系统设计实用化技术美国国家仪器公司（National

Instruments）NI推出LabVIEW7.0

和LabWindows/CVI

, HP公司推出了VEE，Tektronix公司推出了TekTMSLabVIEW（Laboratory

Virtual

InstrumentEngineering

Workbench）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，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、测试和测量、实验室自动化以及过程监控。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术应用程序：使用LabVIEW软件开发平台编制的程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/连接器。第九章现代检测系统设计实用化技术功能：数学运算、逻辑运算各种输入输出功能。

资源：用于数据采集和仪器控制的各种库函数、开发工具包、数学分析程序包和仪器的驱动程序等。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。图9-5频谱分析仪前面板第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术框图程序用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：端口、节点、图框和连线图9-6软件流程图第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术功能模板第九章现代检测系统设计实用化技术控制模板工具模板高等院校自动化新编系列教材现代检测技术方案设计仪器的总体逻辑图技术设计仪器电路图程序清单仪器制造制板/装配/调试仪器成品设计室工厂车间仓库传统硬件仪器开发虚拟仪器开发方案设计仪器建模技术设计模型算法仪器制造程序编制仪器成品计算机完成第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术9.2

现场总线仪表第九章现代检测系统设计实用化技术9.2.1现场总线系统概述定义现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备（现场总线仪表）之间实现双向串行多节点数字通信系统。是开放式、数字化、多节点通信的底层控制网络（局域网）。类型HART、CAN、LonWork、PufiBus、FF。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术变送器调节器24VR电流表传输线显示器HART手操器图9-7基于HART协议的变送器接线图第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术2200HZ“0”I01100HZ“1”t0.5-0.5图9-8

HART协议传递的二进制数字信号第九章现代检测系统设计实用化技术Di(

mA)

D调制 解调高等院校自动化新编系列教材现代检测技术CAN控制器CAN收发器MCU其它外设CAN总线第九章现代检测系统设计实用化技术传感器/执行器接口图9-9

CAN底层模块的硬件结构高等院校自动化新编系列教材现代检测技术网络拓扑结构（总线型、环型和星型）星型结构：1对N图9-10星型网络拓扑结构第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术环型结构：点对点图9-11环型网络拓扑结构第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术总线型结构：共享介质图9-12总线型网络拓扑结构第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术星型结构：1对N。中央节点，其它节点都要通过中央节点交换信息。局域网交换机。第九章现代检测系统设计实用化技术环型结构：点对点。环中数据沿着一个方向环绕逐站传输。总线型结构：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。需防止数据“碰撞”。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术网络协议第九章现代检测系统设计实用化技术为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。构成要素：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、完成动作及作出的响应。时序：对事件实现顺序的详细说明。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术网络层次第九章现代检测系统设计实用化技术ISO/IEC

7498标准规定7层框架。（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，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。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。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。信息流通路高等院校自动化新编系列教材现代检测技术数据链路层(data

link

layer)：第九章现代检测系统设计实用化技术作用：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，差错控制。数据通路网络层(network

layer)：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。实现路由选择、拥塞控制、网络互连。指挥传输层(transportlayer)：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、信息优先权调度等。调度高等院校自动化新编系列教材现代检测技术会话层(session

layer)：第九章现代检测系统设计实用化技术功能：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。主持表示层(presentation

layer)：功能：处理两个通信系统中交换信息的表示方式。数据格式变换、数据的加密和解密、数据压缩与恢复等。翻译应用层(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信息交换。服务高等院校自动化新编系列教材现代检测技术9.2.2

CAN总线系统(Controller

Area

Network)1、CAN总线系统的构成控制器1控制器2控制器N人机界面传感器

传感器节点1

节点2传感器

执行器

执行器节点N

节点1

节点2执行器节点N网关其它设备图9-13

CAN总线系统的结构第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术CAN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CAN适配卡与总线连接。相当网络中的一个节点。第九章现代检测系统设计实用化技术传感器节点、控制器节点、执行器节点一般有微控制器系统组成。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。2、

CAN总线网络结构多主发送结构主从发送结构高等院校自动化新编系列教材现代检测技术CAN接口CAN接口CAN接口CAN接口图9-14

基本CAN总线系统第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术CAN总线第九章现代检测系统设计实用化技术CAN总线收发器（82C250）CAN总线控制器（SJA1000）微机（DSP、单片机等）传感器/执行器接口图9-15

CAN总线节点组成高等院校自动化新编系列教材现代检测技术3、

CAN总线特点第九章现代检测系统设计实用化技术多主方式工作，采用非破坏性的基于优先权的总线仲裁技术；借助接收滤波可实现多地址的帧传送；数据采用短帧结构，抗干扰性强，数据帧的信息ＣＲＣ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。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术最大传输速率为１ＭＢ／ｓ时传输距离最大为４０传输速率为５ｋＢ／ｓ时的最大传输距离为１０ｋｍ总线的传输介质可为双绞线、同轴电缆等第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术4、

CAN总线软件流程第九章现代检测系统设计实用化技术ＣＡＮ控制器的初始化、ＣＡＮ总线数据的发送和接等几个部分ＣＡＮ的通信协议主要是由ＣＡＮ控制器完成的，对

１０００进行初始化实际上就是通过单片机向其片内的各个寄存器写入控制字的过程。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。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术9.3

智能化(网络化仪器)的设计第九章现代检测系统设计实用化技术1、

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，将总任务分解成子任务，子任务分解为模块设计。如智能热量表的设计。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。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术智能热量表的设计第九章现代检测系统设计实用化技术热或力中站央锅空炉调温度传感器温度传感器积算仪流量计用户热量表热量测量组成设计要求：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，显示参数：进水温度、回水温度、进回水温差、流速、流量高等院校自动化新编系列教材现代检测技术热水锅炉温度、液位测控热水锅

炉液位传感器温度传感器流量控制器户热水用冷水流量计第九章现代检测系统设计实用化技术高等院校自动化新编系列教材现代检测技术热功率、热量、运行时间等。第九章现代检测系统设计实用化技术子任务：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。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、A/D转换模块、单片机及最小系统、键盘显示模块、存储器模块、通信模块等。每个模块中包括硬件电路设计和软件程序设计。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术（2）

软硬件合理分工、相互配合“硬件软化”：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。。第九章现代检测系统设计实用化技术如温度补偿、非线性处理、调零、滤波等。“软件硬化”：芯片的集成度提高，各种信号处理算法固化于存储器中。如DSP芯片原来快速傅立叶变换由程序实现，现在利用DSP进行FFT变换。许多单片机集成硬件乘法器A/D转换器、定时器、

WDT、总线控制器等，提高信号处理速度，提高可靠性。趋势：软硬件功能界限日益淡化。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术2、

智能仪器的设计开发过程第九章现代检测系统设计实用化技术1）确定任务，拟订总体设计方案确定仪器的功能、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

率、输出方式（显示、打印、通信等）。仪器的

使用环境、结构、尺寸、成本、可靠性、维护性、性能价格比等。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、整理、设计。高等院校自动化新编系列教材现代检测技术单片机键盘显示A/D转换器非易失存储通信电路流量传感器进水温度传感器回水温度

传感器A/