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1、第一章 计算机测控系统导论,1.1 引言 1.2 计算机测控系统的任务 1.3 计算机测控系统的基本结构与类型 1.4 计算机测控系统的组成 1.5 现代电测技术的发展趋势,1.1 引 言,计算机自动测量和控制(Computer Automated Measurement And Control）系统(简称测控系统)是一门新兴的技术。它是自动控制技术、计算机科学、微电子学和通信技术有机结合、综合发展的产物。测控系统包含的内容十分广泛， 它包括各种数据采集和处理系统、自动测量系统、生产过程控制系统、导弹与卫星的检测及发射控制系统等，广泛用于航空、航天、核科学研究、工厂自动化、实验室自动测量和控制
2、，以及办公自动化、 商业自动化、 家庭自动化等人类活动的各个领域。,1.2 计算机测控系统的任务,图1-1是一般生产过程控制系统的示意图。计算机测控系统借助传感器从生产过程中收集信息，对生产过程进行监视并提供控制信号。被收集的信息在不同层次上进行分析计算， 得出对生产装置提供的调节量，完成自动控制，或者为生产管理人员、工程师和操作员提供所需要的信息。,图 1-1 一般生产过程控制系统示意图,1. 测量 生产装置的工作情况是由传感器进行监视的，传感器产生与被测物理量(如温度、压力、流量、液位等)成正比的电信号。 传感器信号被接收到计算机系统的接口之后，首先要转换成一种标准形式，通常是把传感器的0
3、100%量程转换成420 mA电流或15 V电压。有时对热电偶或热电阻的温度测量值也采用其它标准形式。,另一类测量值是关于被控过程的状态信息。例如, 阀门是否关闭? 容器是否注满? 泵是否打开? 这些信息是以开关量的形式提供给计算机的，例如，通过继电器接点的开闭或TTL电平的变化来表示。 计算机也可通过串行或并行通信口直接接收数字量信息。 目前，很多传感器都带有微处理器(例如某些分析仪表), 可以直接给出数字量信息。,在工作过程中，计算机周期地对被测信号进行扫描，把电信号通过模数转换成等效的数字量。有时，对输入信号还必须进行线性化处理, 对某些流量传感器的测量值要进行平方根处理，对热电偶产生的
4、电压值要进行多项式处理。 如果在测量信号上叠加有噪声，则应当通过数字滤波进行平滑处理，以保证信号的正确性。 为了检查生产装置是否处于安全工作状态，对大多数测量值还必须检查是否超过上、下限，如果超过，则应发出越限报警信号。越限报警是过程控制计算机的一项重要任务。,2. 执行机构的驱动 对生产装置的控制通常是通过对阀门或伺服机构等执行机构进行调节,对泵和马达进行控制来达到的。计算机可以产生一串脉冲去驱动执行机构达到所需要的位置，可以通过继电器接点闭合或产生某个电平的跳变去启动或停止某个马达，也可通过数-模转换(DAC）产生一个正比于某设定值的电压或电流去驱动执行机构。执行机构在收到控制信号之后，
5、通常还要反馈一个测量信号给计算机，以便检查控制命令是否被执行。,3. 控制 利用计算机测控系统可以方便地实现各种控制方案。在工业过程控制系统中常用的控制方案有三种类型：直接数字控制（DDC）、顺序控制和监督控制(SPC)。大多数生产过程的控制需要其中一种或几种控制方案的组合。,4. 人机交互 计算机控制系统必须为操作员提供关于被控过程和控制系统本身运行情况的全部信息，为操作员直观地进行操作提供各种手段，例如改变设定值，手动调节各种执行机构， 在发生报警的情况下进行处理等。因此，它应当能显示各种信息和画面，打印各种记录，通过专用键盘对被控过程进行操作等。 此外，计算机控制系统还必须为管理人员和工
6、程师提供各种信息，例如，生产装置每天的工作记录以及历史情况的记录，各种分析报表等，以便掌握生产过程的状况和做出改进生产状况的各种决策。,5. 通信 现今的工业过程控制系统一般都采用分级分散式结构， 即由多台计算机组成计算机网络，共同完成上述的各种任务。 因此，各级计算机之间必须能按时地交换信息。此外，有时生产过程控制系统还需要与其它计算机系统(例如，全厂的综合信息管理系统)进行数据通信。,在一个典型的广泛用于现代化工业生产中的分级分散式计算机控制系统中，第1级完成全部的现场测量和对执行器的驱动任务；第2级完成DDC计算; 第3级完成顺序控制计算任务； 第4级作为人-机界面，完成与操作员之间的通
7、信， 第5级完成监督控制计算任务；第6级实现与其它计算机系统的通信。 当然， 各级之间的界限并不需要严格划分，例如，DDC级也可实现某些顺序控制任务，或直接与现场的生产装置连接。 每个处理单元都包含1台微机，各个微机通过串行通信链路连接起来形成一个分级分散式结构，可覆盖很宽的范围，一般距离可达数公里。,1.3 计算机测控系统的基本结构与类型,1. 基本型 图1-2所示为计算机测控系统的基本形式。它能完成对多点、 多种随时间变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰，进行数据处理、信号分析，由测得的信号求出与研究对象有关信息的量值或给出其状态的判别。以下分别介绍图1-2所示系统各组成部分的功能。
8、,图 1-2 计算机测控系统基本形式,1) 传感器 传感器完成信号的获得，它将被测参量转换成相应的可用信号。 被测参量可以是各种非电气参量，也可以是电气参量。 如电力输电线路高电压电网，可通过电压互感器将电网高电压变为100 V电压，通过电流互感器将电网大电流变为5 A电流， 之后仍需采用电压、电流传感器或变送器再将100 V电压及5 A电流分别转换成5 V低电压、小电流送入数据采集卡(板)中的A/D转换器。,2) 信号调理 来自传感器的输出信号通常是含有干扰噪声的微弱信号。 因此，传感器后面配接的信号调理电路的基本作用有两个： 其一是放大，将信号放大到与数据采集卡(板)中的A/D转换器相适配
9、; 其二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量， 将频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆。如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号，即420 mA电流信号， 则称这种信号调理电路为变送器。此外，根据需要还可进行信号隔离与变换等。,3) 数据采集卡(板) 数据采集卡(板)主要功能有三个：其一是由衰减器和增益可控放大器进行量程自动变换; 其二是由多路切换开关完成对多点多通道信号的分时采样， 时间连续信号x(t)经过采样后变为离散时间序列x(n)(n=0,1, 2,:); 其三是将信号的采样值由A/D转换器转换为幅值离散化的数字量，或由V/F转换器转换为脉冲频率以适应计算机工作。,4) 计算机 计算机
10、是系统的神经中枢，它使整个测量系统成为一个智能化的有机整体，在软件导引下按预定的程序自动进行信号采集与存储，自动进行数据的运算分析与处理，以适当形式输出、显示或记录测量结果。 图1-2所示的基本形式测控系统是目前以计算机为中心的测量与控制系统的主要形式。还需特别指出的是，随着微电子技术的发展， 将传感器与信号调理电路集成为一体化的芯片已经实现，甚至将传感器、信号调理电路、数据采集以及微计算机或微处理器全部系统集成在一块芯片的产品也已面世， 因此， 传感器与仪器的界线正在消失。,2. 标准通用接口型,1) GPIB(General Purpose Interface Bus)测试系统 GPIB测
11、试系统是一种通用接口测试系统， 其结构形式如图1-3所示。它是由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器子系统构成。 其中每个仪器子系统是一台带GPIB接口的单台仪器。该接口在功能、电气上和机械接插上都按国际标准设计，内含16条信号线，每条线都有特定的意义。即使不同厂家的产品也可相互兼容并具有互换性，组建系统时非常方便，拆散后各仪器子系统又可作单台仪表独立使用。一块GPIB接口卡可带多达14台仪器。,图 1-3 GPIB通用接口测试系统,2) VXI总线系统 VXI是结合GPIB仪器和数据采集板(DAQ)的最先进技术而发展起来的高速、多厂商、开放式工业标准。VXI总线是一种高速计算机
12、总线VME总线在仪器领域的扩展，它是VME(Bus Extension for Instrumentation)的缩写。VME总线标准自1981年确立以来，在国际上得到了广泛应用。但是，基于仪器的VME总线存在着一个最大的问题是缺乏配套标准。1987年7月，美国五家大仪器公司主动联合起来，在VME总线标准的基础上制定了开放系统结构仪器所必需的附加标准， 命名为VXI总线。,VXI总线系统是机箱式结构，如图1-4所示。一个接插模件就相当于一台仪器或特定功能的器件，多个模件共存于一个机箱组成一个测试系统。随着VXI总线规范的不断完善和发展以及VXI即插即用系统联盟的不懈努力，VXI系统的组建和使用
13、越来越方便，它的高速率传输、模块式结构不仅使得仪器结构紧凑，小巧轻便，更使得集多种功能于一体的现代集成式虚拟仪器变成现实。,3. 闭环控制型 闭环控制型是指应用于闭环控制系统中的测试系统(如图1-5所示)。生产工艺过程的自动控制是人们长期探索的生产方式，但是，只有在计算机技术及现代测试技术突飞猛进的今天， 才能达到高度的控制水平。通过对关键参数实时在线检测并控制这些参数按预定的规律变化，来达到维持生产的正常进行和达到高产优质的目的。过程的自动控制大体上可归纳为三个环节： 实时数据采集对过程中的有关物理量的瞬时值进行采集。,实时判断决策对采集的表征过程状态的物理量进行运算分析、判断决策，并按已定
14、的原则或算法决定下一步过程控制的措施。 实时控制根据决策，按照自动控制理论实时地对各个执行机构发出控制信号。 很显然，计算机控制的测试系统基本型就是闭环控制系统的前两个环节，这是以计算机为中心的测试系统应用于大规模、 现代化生产中的主要形式，是正在发展的现场总线(Fieldbus， CAN Bus)中的智能仪表、设备。,图 1.4 典型的VXI总线系统配置,图 1-5 生产工艺过程闭环控制系统中的测试系统,1.4 计算机测控系统的组成,1.4.1 硬件部分 硬件部分一般由被控对象(生产机械或生产过程)、过程通道、微型计算机主机及人机联系设备等部分组成，如图1-6所示。,图 1-6 计算机测控系
15、统的硬件组成,1.微型计算机主机 由微处理器、内存储器及时钟电路组成的微型计算机主机是控制系统的核心。主机的任务主要是进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等。 同时主机还通过接口电路向系统的各个部分发出各种控制命令， 指挥整个计算机控制系统有条不紊地协调工作。 考虑到实时控制的特点，选择主机时应注意其数据存取速度及运算速度，应满足在一个采样周期内能完成单路或多路数据采集、处理、运算及将输出量输出到执行机构等所需的时间。 其信息处理能力要与控制系统的动态性能要求相适应。,目前，计算机控制系统中常用的微处理器有以下几种： (1) 8位微处理器。典型产品有MCS-51系列单片机、
16、Intel8085、 M6800、Z80等。 (2) 16位微处理器。典型产品有MCS-96系列单片机、 8086、80186、80286、68000、Z8000等。 (3) 32位微处理器。典型产品有80386、80486等。 (4) 64位微处理器。 典型产品有Pentium、 Pentium、 Pentium等。,2. 过程通道 过程通道是计算机和被控对象之间交换信息的桥梁， 通常由以下几部分组成。 (1) 模拟量输入通道。用来将被控对象的模拟量被控(或被测)参数转变为数字信号并送计算机处理，它由以下几部分组成。 传感器(检测元件)用来对被控参数瞬时值进行检测， 将其变为电信号。 变送器用来将传感器得到的电信号转变为统一的直流电流(010 mA或420 mA)或直流电压(05 V或15 V)信号。,多路采样器亦称多路模拟开路或多路转换器，它用于对多路模拟量信号进行分时切换，即将时间上连续的模拟量信号转换为时间上离散的模拟量信号。 A
