《检测与控制技术》课件第5章

第5章微机测控系统的消化器—数据处理技术5.1标度变换5.2零位和灵敏度的误差校正5.3非线性校正5.4报警处理思考题与习题5.1标度变换

通常，微机测控系统中的测量结果都需要显示、记录或打印，以便操作人员观察和了解。这些测量结果要由测控系统对被测物理参数经过多个环节的处理才能得到，这些环节连成的通道称为测量通道，其简化框图如图5-1所示。

图5-1测量通道简化框图（a）

数字式测量通道；

（b）

模拟式测量通道

5.1.1模拟量标度变换模拟量标度变换适用于采用模拟显示器显示测量结果的场合。最常见的模拟显示器是模拟表头（例如mA表，mV表等），这类表头的指针偏转角θ与被测量x成对应关系，因此只要将表头的刻度改换成按被测量刻度就可实现标度变换。通常的做法是在规定条件下依次给仪表施加标准输入量x1，x2，…，xn，在表头指针对应偏转角θ1，θ2，…，θn处各刻一刻线，并在刻线处依次标出x1，x2，…，xn的值。这样，当指针偏转到θi处或其附近时，操作人员便可从指针所指处读到被测量的值xi。普通万用表上电阻、电流和电压的刻度就是这种标度变换的典型实例。如果测量通道中不包含任何非线性环节，那么表头指针的偏转角θ就与被测量x成线性关系，刻度盘的刻度就可采用线性均匀刻度，这样不仅读数很方便而且读数误差也比较小。但是很多传感器的输入/输出特性都不是线性的，如果测量通道中不采取相应的非线性校正措施，那么指针的偏转角与被测量x也就不成线性关系。在这种情况下，表头的刻度就必须采用相应的非线性刻度。这样读数既不习惯也不方便，还容易产生较大的读数误差。为了在非线性情况下，刻度盘仍采用线性刻度，就必须进行非线性校正。例如一个流量测量仪表，采用差压式流量传感器，差压ΔP与流量Q的平方成正比，即ΔP＝K1Q2，后接差压变送器，差压变送器输出A与差压ΔP成正比，即A＝K2ΔP，最后接模拟显示仪表，指针偏转角θ与模拟输入量A成正比，即θ＝K3A。于是有θ=K3A=K3(K2ΔP)=K3(K2K1Q2)=K3K2K1Q2

（5-1）

显然，指针偏转角与流量Q成非线性关系。

如果在模拟显示仪表与差压变送器之间增设一个开方器，

则有

（5-2）可见，增设开方器后，指针偏转角θ便与流量Q成线性关系，该流量仪表就可采用线性刻度了。

5.1.2数字量标度变换

1.线性标度变换这种标度变换的前提是被测参数值与A/D转换结果Nx之间为线性关系，是最常用的标度变换方法。数字量Nx对应的工程量Ax（标度变换公式）为

（5-3）

式中:Ax为实际测量值（有量纲）；Amax为一次仪表上限（测量范围最大值）；Amin为一次仪表下限（测量范围最小值）；Nx为Ax所对应的数字量；Nmax为Amax所对应的数字量；Nmin为Amin所对应的数字量。为了使程序简单，一般把被测参数的起点所对应的A/D转换值调节为0，即Nmin＝0，

这样，式（5-3）变为

（5-4）

在微机测控系统中，为了实现上述转换，可设计专门的子程序，将各个不同参数所对应的Amin、Amax、Nmin、Nmax存放在存储器中，然后当某一参数需要进行标度变换时，只调用标度变换子程序即可。

2.非线性标度变换必须指出，上面介绍的标度变换方法只适用于线性参量，如果被测量为非线性时，则其标度变换应根据具体情况具体分析。一种解决方案是在非线性测量通道中增设线性校正电路，将非线性通道改造为线性通道；另一种解决方案是推导出它所对应的标度变换公式，然后再进行程序设计。例如，

在流量测量中，

其流量与压差的关系为

（5-5）

式中:Q为流量；K为刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关；ΔP为节流装置的压差。根据上式，流体的流量与被测流体流过节流装置时前后的压力差的平方根成正比，于是可得到测量流量的标度变换公式：

式中:Qx为被测流量值；Qm为流量仪表的上限值；Q0为流量仪表的下限值；Nx为差压变送器所测得的差压值（数字量）；Nm为差压变送器上限所对应的数字量；N0为差压变送器下限所对应的数字量。

对应流量测量仪表，一般下限均取零，这样Q0＝0，N0＝0，则式（5－6）就变为（5-7）有些非线性测量通道的A/D转换结果与被测量x写不出像上式那样简单的标度变换公式。此时，可以在测量通道中增设EPROM线性化器（查表方式），

如图5-2所示。

图5-2EPROM线性化器

即首先通过校准实验获得每个标准输入Xi产生的A/D转换数据Ni，再将Xi经标度变化后的值写入以Ni为地址的EPROM存储单元中，这样每当A/D转换器产生一个数据Ni时，就能以Ni作为访问地址从EPROM的相应单元中读出与Xi相对应的值。这种标度变换方案的优点是变换速度快；缺点是需要标准数据太多，因为一个n位二进制A/D转换器的转换数据Ni有2n

个，这就需要获得和存储2n个校准实验数据。5.2零位和灵敏度的误差校正

对于一个理想的线性测试系统来说，如果把被测量的真值x作为它的输入，把N作为它的输出读数即A/D转换结果，则（5-8）

式中，k0为该通道的增益或标称灵敏度。但是实际的线性测试系统由于温度变化和元器件老化总难免存在零位误差和灵敏度误差，从而引起系统误差。所谓零位误差，就是指输入x为零时,输出N不为零而为N0；所谓灵敏度误差,是指实际灵敏度k与标称灵敏度k0的偏差，即k=k0+Δk。在这两项误差都存在的情况下，被测量真值x所产生的输出读数N为N＝x·k＋N0

(5-9)在这种情况下，如果仍然按式（5-8）将输出读数N除以标称灵敏度k0，这样确定出的值就不是被测量的真值x。对于灵敏度误差的校正方法是，输入不同输入值x1、x2，得到输出值N1、N2，代入式（5-10)求得k。（5-10)零位误差N0的校正方法是，在x为零输入条件下，测量得到N0′，或通过已知两点作直线，用坐标法求得N0′，然后利用式（5-11）进行校正。

（5-11)式中，N为在x输入下的A/D转换值。

5.3非

线

性

校

正

5.3.1查表法所谓查表法，就是将预先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格，存入存储器中，然后根据测量值查出所需要的结果。n对数据（xi，yi）（i=1，2，…，n）建立一张输入／输出数据表，再根据A/D数据N查该表得到y，并将查得的y作为显示数据z。具体步骤与5.1.2中的EPROM线性化器相似。5.3.2插值法常用的插值法有线性插值法和二次抛物线插值法，这里只介绍线性插值法。所谓线性插值法，是指在给定的两点之间用一条直线去代替两点之间的曲线，使非线性参数线性化，以便于参数的计算。若已知某非线性传感器的输出特性曲线，为使计算方便，将该曲线划分为若干段，然后把相邻分段点间的曲线用直线代替，这样，在每一分段里，输入xi和输出yi就为线性关系。设输入值x在区间（xi，xi＋1）内，则其对应的逼近值为

（5-12）

令

则式(5-12)可写为

y=yi+ki(x-xi)（5-13）式中，ki为第i段直线的斜率。

用计算机实现线性插值法的步骤如下：

(1)用实验法测出传感器的输出特性曲线y＝f（x）。

(2)合理选择插值点。

(3)计算各插值点xi、yi的值以及两相邻点间的逼近直线的斜率ki，并存入存储器。

(4)在获取采样值x后，计算x-xi，以找出x所在的区间（xi，xi＋1），并确定出该区间的斜率ki。

(5)利用式（5-13）计算出输出值y。5.4报警处理

5.4.1越限报警处理越限报警是检测与控制系统中最常见而又最实用的一种报警方式，它分为上限报警、下限报警及上、下限报警。设需要判断的报警参数为x（可以是被控参数、被测参数、偏差或控制量等），该参数的上、下限约束值分别为xmax和xmin，则上下限报警的物理意义如下：

(1)上限报警：若xi＞xmax，发出上限报警，否则继续进行原定操作。

(2)下限报警：若xi＜xmin，发出下限报警，否则继续进行原定操作。

(3)上、下限报警：若xi＞xmax，发出上限报警，否则继续判断xi是否小于xmin，若xi＜xmin，发出下限报警，否则继续进行原定操作。设计报警程序时，为了避免因测量值在极限值附近来回摆动而造成频繁报警，需要在上、下限附近设置一个回差带，如图5-3所示。图5-3越限报警示意图

图5-4实际中采用的越限报警程序流程图

5.4.2常用报警方式

1.光报警光报警通常采用发光二极管（LED）和白炽灯实现。如果采用LED，由于它需要20～30mA的驱动电流，有些微处理器的I/O口不能直接驱动，通常需要外接驱动器驱动，一般采用OC门驱动器，如74LS06、74LS07等。为了能保持报警状态，需要采用一般的锁存器（如74LS273、74LS373、74LS377）或带有锁存器的I/O接口芯片（如8155、8255A等）。如果采用白炽灯报警，其驱动电路就要使用微型继电器或固态继电器。这类报警方式的接口电路很简单，若某一路需要报警时，

就向该路输出相应的电平即可。

2.声报警所谓声报警，就是用报警声提醒操作人员。过去习惯用蜂鸣器作为声报警，现在最常用的方法是采用模拟声音集成芯片，如KD-956X系列。该系列芯片是一种采用CMOS工艺，软封装的声报警IC芯片，能够产生表5-1所列的声光报警效果。

表5-1KD-956X系列模拟声音报警集成电路芯片的功能

图5-5是KD-9651芯片的外形图。KD-9651内部具有振荡器、节拍器、音色发生器、计数器、控制和输出级等部分。它设有两个选声端SEL1和SEL2，改变这两端的电平，可以选择不同的内部程序，从而产生表5-1所列的功能。图5-6是KD-9651的典型应用电路，VDD接电源正端，VSS接电源负端。改变跨接在OSC1和OSC2之间的外接振荡电阻，可以调节模拟声音的放音节奏，阻值越大，报警声音越急促，该电阻的阻值范围一般为180～290kΩ。外接的小功率三极管（9013）是为了驱动扬声器。图5-5KD-9651芯片的外形图

图5-6

KD-9651的典型应用电路

3.语言报警随着单片机技术、语音信号处理技术和语音芯片制造技术的不断发展，增加语音功能已经成为智能仪表和微机测控系统的设计方向。毫无疑问，用微机直接发出语音信息告诉操作人员发生了什么以及应该采取什么应急措施，远比声、光报警更为明确，而且，利用微机语音系统还能实现运行参数的报读以及运行状态的提醒等功能。

ISD33240是ISD公司的单片智能型语音录放芯片，可记录长达4分钟的语音信息，由于采用直接模拟量存储技术（DAST）来完成语音的录入、存储及分段调出，因此可以较好地保留语音中的有效成分，减小失真，保证录放音质量。该芯片使用3V单电源供电，录音时耗电30mA，放音时耗电25mA，录放状态一结束就进入节电模式，静态电流仅1μA，功耗极小。该芯片可反复录制10万次，由于信息存储在E2PROM中，可实现零功耗保存信息，且信息可保存10年以上。它具有较强的选址能力，可处理多达100段的信息。

5.4.3报警处理实例

1.锅炉报警系统的基本组成设直接用8031单片机的P1口构成简单锅炉报警系统，其电路原理图如图5-7所示。