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1、微机测控技术Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 微机测试系统概况微机测试系统概况 1.1.1 1.1.1 测试技术作用及其发展测试技术作用及其发展 1.1.2 1.1.2 测试系统的分类及特点测试系统的分类及特点n n 1. 1. 测试系统的分类测试系统从不同的角度出发可以分为不测试系统的分类测试系统从不同的角度出发可以分为不同的类型。从所用程控设备来分，可分为程控器控制型和同的类型。从所用程控设备来分，可分为程控器控制型和微机控制型
2、两类从系统的结构形式分，可分为专门接口微机控制型两类从系统的结构形式分，可分为专门接口型和通用接口型。从系统用途的适应程度分，可分为专用型和通用接口型。从系统用途的适应程度分，可分为专用系统和通用系统。系统和通用系统。 n n2. 2. 微机测试系统的特点微机测试系统的特点 n n 1 1）通道多）通道多 n n2 2）精度高）精度高 n n3 3）速度快）速度快 n n4 4）功能强）功能强 n n典型的功能归结为以下几个方面：典型的功能归结为以下几个方面：n n选择功能选择功能量程选择、信号通道选择、通道扫描方式选量程选择、信号通道选择、通道扫描方式选择、采样频率选择等。择、采样频率选择等
3、。n n信号分析与处理信号分析与处理FFTFFT、相关分析、统计分析、平滑滤、相关分析、统计分析、平滑滤波。波。n n波形显示波形显示实时显示多个被测信号的时域波形，即具有实时显示多个被测信号的时域波形，即具有存储示波器功能。存储示波器功能。n n自诊断自诊断系统越复杂，自身故障的诊断越显得重要。目系统越复杂，自身故障的诊断越显得重要。目前计算机都具有自诊断能力，一般可诊断到插件板一级。前计算机都具有自诊断能力，一般可诊断到插件板一级。一些通用性较强的测试系统，可以诊断到关键部位。自校一些通用性较强的测试系统，可以诊断到关键部位。自校准一准一高精度的自动测试系统都配有标准信号源。测试时，高精度
4、的自动测试系统都配有标准信号源。测试时，对标准信号和被测信号对标准信号和被测信号 1.1.3 1.1.3 现代测试系统的基本结构现代测试系统的基本结构 1. 1. 非电量的特征非电量的特征n n1)1)从时域特性来看，非电信号有模拟信号和离散信号之别。从时域特性来看，非电信号有模拟信号和离散信号之别。n n2)2)从频域特性来看，国防试验和机械工艺中信号的频率有从频域特性来看，国防试验和机械工艺中信号的频率有高有低，但大多数属低频范围，有的近于直流量。高有低，但大多数属低频范围，有的近于直流量。n n3)3)非电信号并非独立存在，它们都处于环境的干扰和噪音非电信号并非独立存在，它们都处于环境的
5、干扰和噪音的包围之中。的包围之中。n n4)4)非电信号能量强弱悬殊，其中强信号的测试指标容易达非电信号能量强弱悬殊，其中强信号的测试指标容易达到，而弱信号的测试较之要难得多。到，而弱信号的测试较之要难得多。n n5) 5) 理论和实践证明，大多数非电信号通过一定形式的变换，理论和实践证明，大多数非电信号通过一定形式的变换，可变成相应的电量。可变成相应的电量。微机测试系统微机测试系统1）典型的微机测试系统传感器传感器传感器 数字传感器信号调理电路信号调理电路信号调理电路多路开关采样/保持器A/D微机绘图仪 显示器 打印机接口图1.1 微机测试系统基本结构图微机测试系统在系统中作用：n n(1)
6、使测试自动化n n(2)提高测试精度n n(3)通过数据变换实现多功能(4)降低了测试系统成本n n(5)提高了系统的可靠性独立式微机测试系统独立式微机测试系统 传感器传感器传感器信号调理电路信号调理电路信号调理电路多路开关 采样/保持器微机绘图仪 显示器 打印机图1.2 独立式微机测试系统结构图A/D 采样/保持器 采样/保持器A/DA/D1.2 微机控制系统概况微机控制系统概况 1.2.1 微机控制系统的分类n n1.按控制方式分按照控制方式的不同，计算机控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。微机执行机构被控对象传感器信号调理电路接口微 机接口执行机构被控对象(a)(b)图1.3微机控
7、制的闭环与开环系统框图(a) 微机控制的闭环系统框图(b)微机控制的系统框图微机控制系统，从本质上来看，它的控制过程可以归结为以下三个步骤： n n 实时数据检测:对被控参数的瞬时值进行检测，并输入。 n n实时决策:对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定进一步的控制过程。 n n 实时控制:根据决策，适时地对控制机构发出控制信号。 2.按照功能分n n1)操作指导控制系统: 微机A/D打印机CRT采样保持器传感器工业对象人工调节器图1.4 操作指导微机控制系统n n2)直接数字控制系统：微机A/D报警采样保持器传感器工业对象图1.5 直接数字控制系统人机接口执行机构
8、D/A 调理电路n n3)监督控制系统图1.6 监督控制系统(a)SCC+模拟调节器(b)SCC+DDC控制系统监 督 计 算 机A/D采样器传感器工 业 对 象执行机构D/A 多路开关模拟调节器监 督 计 算 机A/D采样器传感器工 业 对 象执行机构D/A 多路开关信号调节器 DDC用微机(a)(b)n n4)分级计算机控制系统：工厂级集中监督计算机图1.7 分级计算机控制系统信息网络企业级管理计算机工 业 对 象车间监督级计算机SCC组级计算机DDC输出通道输入通道检测工 业 对 象车间监督级计算机组级计算机输出通道输入通道检测3.按控制规律分 n n1）程序和顺序控制 n n2）比例积
9、分微分控制 n n 3) 最小拍控制 n n4）复杂规律的控制 n n 5）智能控制1.2.2 微机控制系统的发展概况目前，微机控制系统的发展趋势有如下几个方面：n n1.工业用可编程序控制器(Programmable Logic ControllerPLC)的应用：n n2.提高控制性能、采用新型的控制系统：n n3.用微机实现最优控制和自适应控制：n n4.智能机器人：1.3 微机测控系统概况微机测控系统概况工 业 对 象系 统 总 线 接 口人机对话设备主机A/D转换 接 口D/A转换采样设备开关量输入开关量输出多路开关传感元件图1.8 微机测控系统基本硬件组成1.3.1 测控系统硬件组
10、成n n1.主机n n2.输入输出通道n n3.外部设备n n4.接口电路n n5.运行操作台n n6.系统总线1.3.2 测控系统软件组成n n1. 系统软件n n2. 应用软件第二章第二章 微机测控系统接口电路设计微机测控系统接口电路设计n n2.1 概述n n1.人机对话接口：n n2.过程通道接口：n n3通用外设接口：2.2 人机接口设计人机接口设计n n2.2.1 输入接口设计n n1. 拨盘输入接口设计n n2. 键盘接口设计 n n 1）线性键盘接口图2.5线性键盘接口 微 机并 行 接 口n n 2）矩阵键盘接口图2.7 矩阵键盘接口n n2.2.2 七段LED显示器及其驱动
11、2.2.3 点阵式LED显示器驱动接口n n点阵式LED显示器通常由7行5列共35个LED组成。单个点阵式LED显示器能够显示各种字母，数字和常用的符号。用多个点阵式LED显示器可以组成大屏幕LED显示屏，用于显示汉字，图形及表格，因此在大屏幕显示牌，智能化仪器及家用电器中有着较广泛的应用。n n2.2.4 2.2.4 液晶显示器液晶显示器n n2.2.4.1 LCD2.2.4.1 LCD的机构及工作原理的机构及工作原理n nLCDLCD的结构液晶材料上偏振片上电极基板上电极基板下偏的结构液晶材料上偏振片上电极基板上电极基板下偏振片反射板封接剂电极液晶显示器的结构如图振片反射板封接剂电极液晶显
12、示器的结构如图2.122.12所示。所示。在上、下玻璃电极之间封入行列型液晶材料，液光通过平在上、下玻璃电极之间封入行列型液晶材料，液光通过平行排列的液晶材料被旋转行排列的液晶材料被旋转9090，再通过与上偏振片面相垂直，再通过与上偏振片面相垂直的下偏振片，被反射板反射回来，呈透明状态；当上，下的下偏振片，被反射板反射回来，呈透明状态；当上，下电极加上电极加上定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色根据需要，将电极无法通过下
13、偏振片返回，因而呈黑色根据需要，将电极做成各种文字、数字、图形，就可以获得各种状态显示。做成各种文字、数字、图形，就可以获得各种状态显示。 2.2.4.2 YM12864X图形点阵液晶显示器 n n 1. 是一种图形点阵液晶显示器 n n 2. 特性 n n3. 管脚介绍 n n 4. 原理简图 n n5. 软件说明 n n6. 写显示数据2.3 A/D转换器与微机接口设计转换器与微机接口设计n n2.3.1 8位A/D转换器与微机接口设计n n2.3.1.1 ADC0809管脚图2.18 ADC0809的管脚图n n2.3.1.2 ADC08092.3.1.2 ADC0809转换器与微机接口
14、硬件电路设计转换器与微机接口硬件电路设计n nADC0809ADC0809带有三态锁存器，可以与带有三态锁存器，可以与80318031单片机的总线直接单片机的总线直接连接。图连接。图2.202.20给出了给出了ADC0809ADC0809的接口电路。从图的接口电路。从图2.202.20和结和结合图合图2.192.19的时序图可以看出，当的时序图可以看出，当P2.3P2.3和信号均为低电平时，和信号均为低电平时，使启动脉冲使启动脉冲STARTSTART及地址锁存允许脉冲及地址锁存允许脉冲ALEALE信号有效，将信号有效，将地址送到地址总线，模拟量经地址送到地址总线，模拟量经C C、B B、A A
15、选择开关所指定的选择开关所指定的通道送到通道送到A/DA/D转换器。在转换器。在STARTSTART下降沿的作用下，一位一下降沿的作用下，一位一位的逼近，此时，转换结束信号位的逼近，此时，转换结束信号EOCEOC变低电平。由于逐次变低电平。由于逐次逼近需要一定的过程，所以在此期间，模拟量输入不变，逼近需要一定的过程，所以在此期间，模拟量输入不变，比较器也一直在工作，直到转换结束，发出一个转换结束比较器也一直在工作，直到转换结束，发出一个转换结束信号信号EOCEOC（高电平有效）经反向器后可向（高电平有效）经反向器后可向CPUCPU申请中断，申请中断，使使P3.3=0P3.3=0，表示已结束。此
16、时，单片机发出一个输出允许，表示已结束。此时，单片机发出一个输出允许信号，即信号，即P2.3P2.3与均为低电平，使与均为低电平，使OEOE高电平有效，允许从高电平有效，允许从A/DA/D转换器锁存器读取数字量转换器锁存器读取数字量. .2.3.1.3 82.3.1.3 8位位A/DA/D转换程序设计方法转换程序设计方法 n n目前常用的控制方式：目前常用的控制方式： n n1) 1) 程序查询方式程序查询方式 n n2 2）定时采样方式）定时采样方式 n n3 3）中断方式）中断方式2.3.2 122.3.2 12位位A/DA/D转换器接口设计转换器接口设计 n n1.AD5741.AD57
17、4的管脚的管脚 n n2.AD5742.AD574的技术指标的技术指标 n n3.AD5743.AD574的应用的应用 n n4.AD5744.AD574与单片机的接口及程序设计与单片机的接口及程序设计 2.4 D/A转换器和微机的接口设计转换器和微机的接口设计2.4.1 不带输入数据寄存器的D/A转换器接口图2.29 12位D/A转换器与CPU的接口 2.4.2 微机总线兼容型D/A转换器接口图2.30 微机总线兼容型D/A转换器基本结构n n2.4.3 双极性模拟量输出的实现VOUT1I1I2VOUT2图2.32 DAC0832双极性输出电路2.5 通用电路及功率接口通用电路及功率接口2.
18、5.1 波形整形电路波形整形电路n n通常作为波形的转换与信号调理，其组成方式可以通过比较器组成的电路实现或通过光电耦合器实现，但比较器可实现微信号的转换。电压比较器通常用来判断输入信号的相对大小，对信号幅度进行控制或根据输入信号的幅度决定输出信号的极性。2.5.2 V/F2.5.2 V/F电路设计电路设计采用采用V VF F转换器与计算机接口有下列优点：转换器与计算机接口有下列优点：n n (1) (1)接口简单、占用计算机资源少。对于一路模拟信号只接口简单、占用计算机资源少。对于一路模拟信号只要占用一个输入通道。要占用一个输入通道。 n n(2)(2)频率信号输入灵活。可以输入单片机或微处
19、理器的任频率信号输入灵活。可以输入单片机或微处理器的任何一根何一根I IO O口线或作为中断源输入计数输入等。口线或作为中断源输入计数输入等。n n (3) (3)抗干扰性能好。频率测量本身是一个计数过程。抗干扰性能好。频率测量本身是一个计数过程。V VF F转换过程是对输入信号的不断积分，因而能对噪声或变化转换过程是对输入信号的不断积分，因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑。另外，的输入信号进行平滑。另外，V VF F转换与计算机接口很容转换与计算机接口很容易采用光电隔离。易采用光电隔离。 n n(4)(4)便于远距离传输。它还可以调制在射频信号上，进行便于远距离传输。它还可以调制在射频信号
20、上，进行无线传播无线传播, ,实现遥测。调制成光脉冲，可用光纤传送，不实现遥测。调制成光脉冲，可用光纤传送，不受电磁干扰。受电磁干扰。2.5.3 继电器，接触器的功率接口n n1. 直流电磁式继电器，接触器功率接口图2.39 直流继电器接口n n2. 交流电磁式接触器的功率接口图2.40 交流接触器接口2.5.4 2.5.4 光电器件功率接口电光型功率接口光电器件功率接口电光型功率接口n n主要用于各类照明以及闪光指示器等的驱动。电主要用于各类照明以及闪光指示器等的驱动。电热型功率接口主要用于各种电炉和加热器等的驱热型功率接口主要用于各种电炉和加热器等的驱动。电光型功率接口采用连续方式控制，电
21、热型动。电光型功率接口采用连续方式控制，电热型功率接口采用连续或断续方式控制。功率接口采用连续或断续方式控制。 2.5.4.1 2.5.4.1 电光，电热型器件电光，电热型器件 n n1. 1. 电光型器件电光型器件 n n 2. 2. 电热型器件常用的电热器件有：电阻丝电热器电热型器件常用的电热器件有：电阻丝电热器件；多孔玻璃态碳电热器件；电热膜；硅钼棒电件；多孔玻璃态碳电热器件；电热膜；硅钼棒电热器件和热器件和PTCPTC半导体电热器件。半导体电热器件。2.5.4.2 电光型功率接口2.5.4.3 电热型功率接口图2.42 采用双向晶闸管控制的电热型功率接口 第三章第三章 微机测控系统设计
22、微机测控系统设计n n3.1 概述3.1.1 微机测试系统的性能指标 微机测试系统的性能指标，主要包括分辨率、采集精度、采集速度、采集信号的数量和种类， n n1.分辨率及信号放大倍数的确定 n n2.精度分配 n n3.采样频率fs的选择n n首先要确定工程实际需要的采样频率fS，通常有两条依据，n n一是根据信号最高频率fimax进行计算的经验公式 n n其中n为采集点数。n n二是根据工业参数的采样时间Ts的经验值。3.1.2 采集测量方案的设计 n n1.采集信号桢格式的编排 n n2.采集字的编码 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D
23、3 D2 D1 D0控制增益 备 用 信 号 地 址 码 次帧开关 副帧开关 主帧开关图 3.2 采集字编码图例3.1.3 系统的连接与匹配n n这里讲的系统的联接与匹配是指：n n系统的输入电路与系统外部电路的联接与匹配；n n系统的输出电路与系统外部电路的联接与匹配；n n系统内部各级电路之间的联接与匹配。3.2 微机测试系统的信号微机测试系统的信号n n3.2.1 信号的形式n n1.模拟信号n n2.开关量或脉冲频率信号n n3.2.2 模拟信号的幅值，精度与分辨率3.2.2.1 信号的幅值按照信号的幅值可以分为大信号（伏级）、小信号（毫伏级）、弱信号（微伏级）n n3.2.2.2 精
24、度与分辨率3.2.3 信号的传输 n n1. 模拟信号的传输 电压和电流传输关系分别由（3-11）式和(3-12)式表示 （3-113-11）（3-123-12）图3.12 分布电容造成数字信号失真波形图2. 2. 数字信号的传输数字信号的传输 1 1）电平匹配）电平匹配 2 2）驱动能力）驱动能力 3 3）传输线传输线的分布电容将使数字信号失真，见图）传输线传输线的分布电容将使数字信号失真，见图3.123.12。3.3 多路切换开关多路切换开关 3.3.1 切换开关器件及其选择 n n1. 不同类型的切换开关通常选用的器件主要有干簧继电器、干触点电继电器、水银触点继电器和CMOS模拟开关。n
25、 n2. CMOS模拟开关 3.3.2 切换开关在信号选择和量程变换中的应用 1. 信号选择_+KV1V2Vn.( a )_+V1V2Vn.( b )Ron10K10KRf_+V1V2Vn.( c )Ron10KRfRif图3.13 模拟开关在信号选择中的应用n n2. 量程变换 Vi_+( a )Vi_+( b )图3.14 模拟开关在量程切换中的应用 3.3.3 泄漏电流的影响及其克服 n n1. 单端单级切换n n2. 单端两级切换3.3.4 CMOS模拟开关的保护与路数切换控制 n n1. 输入端的过压保护 n n2. 路数切换控制3.4 模拟信号调理电路模拟信号调理电路 模拟信号调理
26、电路主要有以下几种功能：模拟信号调理电路主要有以下几种功能：n n(1) (1) 将目前工业仪表通用的将目前工业仪表通用的0 010mA10mA，4 420mA20mA标准信号，标准信号，转变成转变成0 02V2V或或l l5V5V电压信号，以便满足电压信号，以便满足A/DA/D转换器的要转换器的要求。求。n n（2 2）某些测量信号可能是非电压信号，如热电阻等，需）某些测量信号可能是非电压信号，如热电阻等，需要将这些非电压信号变换为电压信号。对于某些弱电压信要将这些非电压信号变换为电压信号。对于某些弱电压信号，如热电偶信号，必须放大、滤波，这些处理包括信号号，如热电偶信号，必须放大、滤波，这
27、些处理包括信号形式的变换，量程调整，环境补偿，线性化等等。形式的变换，量程调整，环境补偿，线性化等等。n n（3 3）在某些恶劣环境下，共模电压干扰很强，甚至高达）在某些恶劣环境下，共模电压干扰很强，甚至高达几百伏，不采用隔离的办法就无法完成数据采集的任务。几百伏，不采用隔离的办法就无法完成数据采集的任务。因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采因此，必须根据现场环境，考虑共模干扰的抑制，甚至采用隔离措施等等；用隔离措施等等；3.4.1 滤波和限幅电路RRC1C2VinVoutDAG( a ) 单端输入R/2R/2C1C2VinVoutD2AGC3C4R/2R/2D1D3+_图3.1
28、9 限幅滤波电路(b ) 双端输入n n3.4.1.1 3.4.1.1 单端输入的限幅滤波电路单端输入的限幅滤波电路n n3.4.1.2 3.4.1.2 双端输入的限幅滤波电路双端输入的限幅滤波电路n n3.4.1.3 3.4.1.3 滤波电路中的滤波电路中的R,CR,C数值的选择数值的选择 对于相同的对于相同的RCRC值，应尽量减小值，应尽量减小C C值，加大值，加大R R值，值，因为电阻的体积和价格不会因因为电阻的体积和价格不会因R R值加大而增大，而值加大而增大，而减小减小C C值，将减小电容的体积和价格。但是值，将减小电容的体积和价格。但是R R值的值的增大受下列因素所限制：一是滤波电
29、容的漏阻、增大受下列因素所限制：一是滤波电容的漏阻、多路切换开关的漏阻或者是印刷线路板的漏阻。多路切换开关的漏阻或者是印刷线路板的漏阻。另外，另外，RCRC数值的选择，和滤波器在多路切换开关数值的选择，和滤波器在多路切换开关前或后，以及输入信号是否是热阻信号有关。前或后，以及输入信号是否是热阻信号有关。3.4.2 隔离技术n n3.4.2.1 光电隔离+_IoI1 I2E2E1R1R2VoVi+_23456TIL300图3.20 模拟信号光电隔离工作原理 3.4.2.2 “飞电容”技术K11C1K21V1K12C2K22V2K1NCNK2NVN. . . . . .AVout图3.21 “飞电
30、容”原理图3.4.2.3 隔离放大器 4 5 1 2 3 6 7 8 9 10 2500V 300Vmaxmax Vin RS Rg隔离电源公 共 端电源输出25mA隔离LHL同步入/出直流电源输入 12.525V+_输出10V+15V图3.22 隔离放大器结构图3.4.3 运算放大电路n n1. 关于理想运放和实际运放 n n2. 运算电阻的选择 n n3. 运算放大电路的输入阻抗 n n4. 失调电压，失调电流对运算精度的影响 n n5. 关于运算放大器的其他参数 n n6. 闭环原理n n3.4.4 微机测试系统中运算放大电路应用实例3.5 模拟信号的数据处理模拟信号的数据处理3.5.1
31、 随机误差的处理n n3.5.1.1 总体平均法n n3.5.1.2 移动平均法n n3.5.1.3 数字滤波器n n3.5.2 系统误差的处理n n3.5.2.1 建立误差模型修正系统误差n n3.5.2.2 分段曲线拟合法修正系统误差n n目前，曲线分段拟合用的比较多的是线性插值法和二次插值法（抛物线插值法）。线性插值：n n二次插值：3.6 开关量及频率信号的采集开关量及频率信号的采集 3.6.1 3.6.1 开关量和频率信号的隔离开关量和频率信号的隔离 在很多场合对开关量的信号规定不同，有些场合规定继电在很多场合对开关量的信号规定不同，有些场合规定继电器的断开和闭合为器的断开和闭合为”
32、1”1”和和”0”0”，有些场合把，有些场合把TTLTTL的高低的高低电平作为电平作为”1”1”和和”0”0”，而国外有些仪表把，而国外有些仪表把15V15V和和0V0V作为作为开关量的开关量的”1”1”和和”0”0”等。正是由于以上对开关量的规定等。正是由于以上对开关量的规定方法不同，在开关量的测量中，为了保证测量电路能接受方法不同，在开关量的测量中，为了保证测量电路能接受不同规定的开关信号，必须在开关电路中加隔离保护措施。不同规定的开关信号，必须在开关电路中加隔离保护措施。 3.6.2 3.6.2 开关量和频率信号的处理方法开关量和频率信号的处理方法 开关量经隔离整形后可以直接送到微机测试
33、系统的开关量经隔离整形后可以直接送到微机测试系统的I/OI/O子子系统，微机通过指令读入后根据逻辑需要产生相应操作，系统，微机通过指令读入后根据逻辑需要产生相应操作，对于开关量的处理只是逻辑判断或运算，在微机测试系统对于开关量的处理只是逻辑判断或运算，在微机测试系统中尤其是以单片机为核心的测试系统实现起来非常简单，中尤其是以单片机为核心的测试系统实现起来非常简单，在此不做详细介绍。在此不做详细介绍。第四章第四章 微机控制系统设计微机控制系统设计4.1 概述n n4.1.1 微机控制系统的组成控制装置控制转换器被控对象执行机构检测装置给定被控参数图4.1 微机控制系统基本组成4.1.2 4.1.
34、2 微机控制系统的特点优点：微机控制系统的特点优点：n n1 1）对外部环境的低灵敏性，如温度、湿度、元器件的使）对外部环境的低灵敏性，如温度、湿度、元器件的使用时间等。用时间等。n n2 2）数字信号的抗干扰性及传输信号的低成本性。）数字信号的抗干扰性及传输信号的低成本性。n n3 3）无参数漂移现象。）无参数漂移现象。n n4 4）可靠性高）可靠性高 。n n5 5）具有很高的柔性，在不需要改动硬件的情况下，可以）具有很高的柔性，在不需要改动硬件的情况下，可以通过软件改变系统的功能。通过软件改变系统的功能。n n6 6）多系统的协调工作及多任务的共同执行。）多系统的协调工作及多任务的共同执
35、行。n n7 7）具有计算复杂算法的能力。）具有计算复杂算法的能力。n n8 8）能实现复杂的控制，如前馈控制、自适应控制、边结）能实现复杂的控制，如前馈控制、自适应控制、边结构控制、智能控制。构控制、智能控制。缺点：n n1）微机的精度引入的误差。n n2）由于计算机控制的离散时间特性，其控制变化陡峭。n n3）高性能控制算法的工程实现较复杂。n n4）微机控制系统的频带要比实现同样功能的模拟控制系统窄。4.1.3 4.1.3 控制系统设计的一般方法和步骤控制系统设计的一般方法和步骤控制系统设计可参考下述一般步骤进行：控制系统设计可参考下述一般步骤进行：n n1 1列写设计大纲列写设计大纲n
36、 n2 2建立被控对象的数学模型建立被控对象的数学模型n n3 3控制方案选择控制方案选择n n4 4控制系统性能分析控制系统性能分析n n5 5控制系统的详细设计控制系统的详细设计n n6 6拟定现场调试大纲拟定现场调试大纲n n7 7整理并编写技术文件整理并编写技术文件4.1.4 控制系统的微机选择选择微型机时应综合考虑下面一些因素：n n1计算精度n n2计算速度n n3控制方法n n4系统规模n n5成本、批量及设计周期4.1.5 4.1.5 以工控机为主控机的控制装置设计以工控机为主控机的控制装置设计4.1.6 4.1.6 专用控制装置设计专用控制装置设计4.1.7 4.1.7 提高
37、控制装置的可靠性提高控制装置的可靠性 1 1. . 提高控制装置可靠性的硬件方法提高控制装置可靠性的硬件方法n n1 1）通过元、器件的合理选择提高可靠性）通过元、器件的合理选择提高可靠性n n2 2）对功率接口采用降额设计提高可靠性）对功率接口采用降额设计提高可靠性n n3 3）采用监视定时器提高可靠性）采用监视定时器提高可靠性n n4 4）采用冗余技术提高可靠性）采用冗余技术提高可靠性 冗余技术又称储备冗余技术又称储备技术，常用的冗余结构有并联和后备两种。技术，常用的冗余结构有并联和后备两种。 n n5 5）采取抗干扰措施提高可靠性）采取抗干扰措施提高可靠性4.2 数字控制系统的数字控制系
38、统的Z变换变换4.2.1 Z变换的定义4.2.2 连续信号Z变换方法n n 1.从连续时间信号求Z变换例4-1 试利用定义公式(4-1)，求单位阶跃信号1(t)的z变换。解： n n 2. 有拉普拉斯变换求Z变换n n例4-3 已知F(s)=，求F(z)。 解：将F(s)展开成部分分式得 查表4-1得于是4.2.3 Z变换的性质 n n1. 线性定理 n n2. 滞后定理 n n3. 超前定理 n n4. 初值定理 n n5. 终值定理 n n4.2.4 Z反变换 n n1. 幂级数展开法n n例4-4 求的反变换F(kT)，其中 。解：将F(z)展开成幂级数，得 2. 部分分式法 n n例4
39、-5 试用部分分式法求的z反变换。解：首先将F(z)展开成部分分式。则 查表4-1得于是即 4.2.5 用Z变换解差分方程4.2.6 Z传递函数 n n1. Z传递函数的定义 n n2. Z传递函数的联接方法与拉氏传递函数一样，Z传递函数也可用方框图表示，并且也具有串联、并联和反馈联接三种联接方式，如图4.5所示。在三种联接方式下，系统的Z传递函分别为y(z)x(z) Gh(z)G2(z)a)Gh(z)G2(z)b)y(z)x(z) G0(z)H(z)c)图4.5 Z传递函数环节连接n n串联 n n并联 n n反馈联接 4.3 微机控制系统的离散化设计微机控制系统的离散化设计n n4.3.1
40、离散化设计的概念与进行步骤n n1.离散化设计的概念 n n2.离散化设计的进行步骤D(z)G(z)xy图4.10 离散控制系统4.3.2 连续环节的离散化设计 连续信号的Z变换方法 n n1. 差分近似变换法 n n2. 双线性变换法 n n3. 匹配Z变换法 4.3.3 4.3.3 典型环节的离散化设计典型环节的离散化设计n n一阶惯性环节一阶惯性环节 二阶环节二阶环节 超前环节超前环节 积分环节积分环节 微微分环节分环节4.3.4 4.3.4 采样器对连续装置离散化的影响采样器对连续装置离散化的影响 n n1. 1. 采样器位置的影响采样器位置的影响 n n2. 2. 对闭环系统的影响对
41、闭环系统的影响 4.3.5 4.3.5 微机控制装置设计示例微机控制装置设计示例n n1 1. . 确定采样频率并校核零阶保持器的影响确定采样频率并校核零阶保持器的影响n n2 2. . 数字控制装置的实现数字控制装置的实现4.4 数字数字PID控制器设计控制器设计4.4.1 PID 4.4.1 PID 控制器的特点控制器的特点4.4.2 PID4.4.2 PID数字控制器的基本结构及算法数字控制器的基本结构及算法n n1. PID1. PID数字控制器的基本结构数字控制器的基本结构n nPIDPID控制控制 PID PID控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规控制兼有比例、积分和微分三种基本
42、控制规律的优点，可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性律的优点，可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性都得到改善，因而应用最为广泛。其控制规律如下：都得到改善，因而应用最为广泛。其控制规律如下：n n2. PID2. PID数字控制器的程序算法数字控制器的程序算法n n3. PID3. PID控制规律的脉冲传递函数形式控制规律的脉冲传递函数形式4.4.3 PID数字控制器的参数设定 常用参数确定方法： 1. 用逐步逼近法确定PID参数 n n1） 首先只整定比例部分。n n2） 如果在比例控制的情况下静差达不到设计要求，则需加进积分环节。n n3） 若使用PI调节器控制消除了静差，而动态性
43、能反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成PID控制。n n 2. 2. 简易工程法确定简易工程法确定PIDPID参数参数n n1 1）扩充临界比例度法）扩充临界比例度法n n2)2)扩充响应曲线法扩充响应曲线法 4.4.4 4.4.4 采样周期的选择采样周期的选择 n n1. 1.系统给定值变化频率较高时，采样频率也应取得较高，系统给定值变化频率较高时，采样频率也应取得较高，以使给定值的变化得到迅速响应。以使给定值的变化得到迅速响应。n n2. 2.如果被控对象是缓慢变化的热工或化工过程时，采样周如果被控对象是缓慢变化的热工或化工过程时，采样周期可以取得大些，当被控对象是快速系统时，采样周
44、期可期可以取得大些，当被控对象是快速系统时，采样周期可以取得较小。以取得较小。n n3. 3.当执行机构惯性较大时，采样周期可取得大些。当执行机构惯性较大时，采样周期可取得大些。n n4. 4.系统中控制回路数较多时，考虑到控制程序的执行时间，系统中控制回路数较多时，考虑到控制程序的执行时间，应取较大的采样周期。应取较大的采样周期。4.5 微机控制系统设计微机控制系统设计 4.5.1 炉温控制系统设计图4.26 炉温控制系统硬件框图 8051打印显示D/AA/D放大光电隔离SCR整流电阻炉放大炉温检测 4.5.2 4.5.2 步进电机的控制系统设计步进电机的控制系统设计1. 1.基本电路基本电
45、路2. 2.双功率放大电路双功率放大电路 4.5.3 4.5.3 直流电机的控制直流电机的控制方法：直流电机的控制直流电机的控制方法： 1. 1. 直流电机的直流电机的PWMPWM控制控制n n 2. 直流电机专用控制芯片目前已有专供电机控制用的大功率集成电路出售。如：L293L293EL298等，每块这样的芯片包含4个带推挽输出级的功率放大器及其相应的控制电路。第五章第五章 微机测控系统中的常用总线微机测控系统中的常用总线 5.1 IEEE-488并行标准总线接口技术 5.1.1 微机控制系统的组成 IEEE488总线由16根信号线和7条地线及一条机壳接地线组成，共24条线。16根信号线中，
46、8根为数据总线，3根用于数据字节传送的控制总线(握手线)，5根管理线。 5.1.2 微机控制系统的特点5.1.3 5.1.3 控制系统设计的一般方法和步骤控制系统设计的一般方法和步骤n n1 1SH(SOURCE HANDSHAKE)SH(SOURCE HANDSHAKE)源握手功能源握手功能n n2 2AH(ACCEPTERHANDSHAKE)AH(ACCEPTERHANDSHAKE)接收握手功能接收握手功能n n3 3T(TALKER)T(TALKER)讲者功能讲者功能n n4 4L(LISTENER)L(LISTENER)听者功能听者功能n n 5 5SR(SERVICEREQUEST)
47、SR(SERVICEREQUEST)服务请求功能服务请求功能 n n6 6RL(REMOTELOCAL)RL(REMOTELOCAL)远程本地功能远程本地功能n n7 7PP(PARALLELPOLL)PP(PARALLELPOLL)并行查询功能并行查询功能n n8 8DC(DEVICECLEAR)DC(DEVICECLEAR)设备清除功能设备清除功能n n9 9DT(DEVICETRIGGER)DT(DEVICETRIGGER)设备触发功能设备触发功能n n1010C(CONTROLLER)C(CONTROLLER)控制者功能控制者功能n n1111TE(EXTENDEDTALKER)TE(
48、EXTENDEDTALKER)扩充讲者的功能扩充讲者的功能n n1212LE(EXTENDEDLISTENER)LE(EXTENDEDLISTENER)扩充听者的功能扩充听者的功能n n1313E(BUSDRIVERTYPE)E(BUSDRIVERTYPE)总线驱动器类型，常用集电极开路驱动器或三态门总线驱动器类型，常用集电极开路驱动器或三态门驱动器。驱动器。n n5.1.4 5.1.4 控制系统的微机选择控制系统的微机选择IEEE488IEEE488总线总线8 8位数据的传送位数据的传送是采用三线握手信号的联络方式进行，图是采用三线握手信号的联络方式进行，图5.15.1示出了传送数示出了传送
49、数据的时序图据的时序图。 5.1.5 5.1.5 以工控机为主控机控制装置设计以工控机为主控机控制装置设计 由于由于IEEE-488IEEE-488总线没有地址总线和完全的控制总线，所以总线没有地址总线和完全的控制总线，所以数据总线既用语传输数据（设备信息）又用语传输地址和数据总线既用语传输数据（设备信息）又用语传输地址和命令（接口信息），区分数据总线上是设备信息还是接口命令（接口信息），区分数据总线上是设备信息还是接口信息是由注意线信息是由注意线ATNATN的状态来决定的。的状态来决定的。n n1. 1.重新规划总线的工作方式重新规划总线的工作方式 当控制者需要重新规划总线时，当控制者需要重
50、新规划总线时，就使就使ATNATN1 1，此时当前的讲者马上让出，此时当前的讲者马上让出DAVDAV线，控制者线，控制者成为唯一的讲者，总线上的所有没备，不论原来是否有效、成为唯一的讲者，总线上的所有没备，不论原来是否有效、是讲者还是听者，都必须收听数据总线上的接口信息。当是讲者还是听者，都必须收听数据总线上的接口信息。当设备收到此类字节的低设备收到此类字节的低5 5位正好是自己的地址号时，它就位正好是自己的地址号时，它就变成一个有效的听者或讲者，当原为听者的设备收到不是变成一个有效的听者或讲者，当原为听者的设备收到不是自己的听者地址时，就改变原状态，一个原为讲者的设备，自己的听者地址时，就改
51、变原状态，一个原为讲者的设备，收到不是自己讲者的地址时，讲者权利就被取消。收到不是自己讲者的地址时，讲者权利就被取消。2.GPIB2.GPIB的命令及对应的代码的命令及对应的代码 n nUNLUNL&H3F&H3F，GPIB unlisten command GPIB unlisten command 不听命令不听命令n nUNTUNT&H5F&H5F，GPIB untalk command GPIB untalk command 不讲命令不讲命令 n nGTLGTL& H 1& H 1，GPIB go to local GPIB go to local 回到本地回到本地n nSDCSDC=&
52、H4=&H4，GPIB selected device clear GPIB selected device clear 选择设备清除选择设备清除n nPPCPPC&H5&H5，GPIB parallel poll configure GPIB parallel poll configure 并行查询并行查询 n nBGETBGET&H8&H8，GPIB group execute trigger GPIB group execute trigger 执行触发执行触发n nTCTTCT&H9&H9，GPIB take control GPIB take control 作控制者作控制者n nL
53、LOLLO&H11&H11，GPIB local lock out GPIB local lock out 本地方式失效本地方式失效n nDCLDCL&H14&H14，GPIB device clear GPIB device clear 设备清除设备清除n nPPUPPU&H15&H15，GPIB poll unconfigure GPIB poll unconfigure 不配置并行查询不配置并行查询n nSPESPE&Hl8&Hl8，GPIB serial poll enable GPIB serial poll enable 允许串行查询允许串行查询n nSPDSPD&Hl9&Hl9，
54、GPIB serial poll disable GPIB serial poll disable 禁止串行查询禁止串行查询n nPPE%PPE%&H60&H60，GPIB parallel poll enable GPIB parallel poll enable 允许并行查询允许并行查询n nPPDPPD&H70&H70，GPIB parallel poll disable GPIB parallel poll disable 禁止并行查询禁止并行查询 5.1.6专用控制装置设计 n n目前IEEE488总线专用的大规模集成电路已有许多种，如PD7210、8291A、8292、TMS991
55、4、MC68488，它们为用IEEE488实现微机和仪器设备或微机间通讯带来了方便 5.2 串行接口标准串行接口标准 5.2.1 5.2.1 串行接口标准简介串行接口标准简介n n在进行串行通信的线路连接时，通常要解决两个问题：一在进行串行通信的线路连接时，通常要解决两个问题：一是计算机与外设之间要共同遵守的某种约定，这种约定称是计算机与外设之间要共同遵守的某种约定，这种约定称为物理接口标准，包括电缆的机械特性、电气特性、信号为物理接口标准，包括电缆的机械特性、电气特性、信号功能及传送过程的定义。二是按接口标准设置计算机与外功能及传送过程的定义。二是按接口标准设置计算机与外设之间进行串行通信的
56、接口电路。设之间进行串行通信的接口电路。 5.2.2 RS-423A 5.2.2 RS-423A、RS-422ARS-422A、RS-485RS-485接口标准接口标准n n由于由于RS-232CRS-232C接口标准是单端收发，抗共模干扰能力差，接口标准是单端收发，抗共模干扰能力差，所以传输速率低（所以传输速率低（20kb/s20kb/s）、传输距离短（）、传输距离短（15m15m20m20m）。为了实现在更远的距离和更高的速率上直接连接，）。为了实现在更远的距离和更高的速率上直接连接，EIAEIA在在RS-232CRS-232C的基础上，制定了更高性能的接口标准如的基础上，制定了更高性能的
57、接口标准如RS-499RS-499，RS-422RS-422、RS-423RS-423和和RS-485RS-485接口标准接口标准n n(1) 与RS-232C兼容，即为了执行新标准，无需改变原来采用的RS-232C标准的设备。n n(2) 支持更高的传输速率。n n(3) 支持更远的传输距离。n n(4) 增加信号引脚数目。n n(5) 改善接口的电气特性。5.3 STD总线技术总线技术 5.3.1 STD总线简介n nSTD是英文“标准”一词Standard的缩写，常称为通用标准总线。它是美国PROLOG公司和MOSTEK公司于1978年推出的一种8位的工业标准总线。经严格的规范后，87年
58、作为IEEE一961标准正式公布和推荐。 STD总线信号定义明确、设计周到、适用性好，能与任何通用的8位微处理机(如8080、8085；Z80、M6800等)乃至其它机型相配。 5.3.2 STD总线信号 n n1. 总线信号定义n n2. 主要信号线 n nSTD总线规模较小，共有56条信号线，包括8条数据线、16条地址线、22条控制线及10条电源线。 5.4 ISA总线与总线与PCI总线总线 5.4.1 ISA 5.4.1 ISA总线（总线（ATAT总线）总线）n n标准标准ISAISA总线扩展插槽由两部分组成，一部分有总线扩展插槽由两部分组成，一部分有6262脚，其信号分布及名称与脚，其
59、信号分布及名称与PCPCXTXT总线的扩展槽基总线的扩展槽基本相同，仅有很小的差异。另一部分是本相同，仅有很小的差异。另一部分是ATAT机的添机的添加部分，由加部分，由3636脚组成。这脚组成。这3636脚分成两列，分别称脚分成两列，分别称为为C C列和列和D D列。列。n n5.4.2 PCI5.4.2 PCI总线标准总线标准PCIPCI局部总线是一种高性能、局部总线是一种高性能、3232位或位或6464位地址数据线复用的总线。它的用途是在位地址数据线复用的总线。它的用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展卡和处理器高度集成的外设控制器器件、扩展卡和处理器/ /存存储器系统之间提供一种内部的连
60、接机构。储器系统之间提供一种内部的连接机构。5.5 通用串行总线通用串行总线USB 5.5.1USB 5.5.1USB出现的背景出现的背景n n通用串行总线通用串行总线USBUSB的规范是的规范是IBMIBM、CompaqCompaq、IntelIntel、MicrosoftMicrosoft、NECNEC等多家公司联合制订的。等多家公司联合制订的。 5.5.2 5.5.2 适用的对象和目标适用的对象和目标n nUSBUSB的对象最初瞄准的是诸如调制解调器、扫描仪、键盘、的对象最初瞄准的是诸如调制解调器、扫描仪、键盘、个人数字助理个人数字助理(PDA)(PDA)、鼠标、操纵杆等这样的低速设备。
61、、鼠标、操纵杆等这样的低速设备。 5.5.3 5.5.3设计原则和特性设计原则和特性n nUSBl.lUSBl.l的总线规范是对的总线规范是对PCPC机现有的体系结构的扩充。机现有的体系结构的扩充。USBUSB总线接口的设计主要遵循以下几个原则：易于扩充多个外总线接口的设计主要遵循以下几个原则：易于扩充多个外围设备；价格低，且支持围设备；价格低，且支持12Mb12Mbs s的数据传输；充分支持的数据传输；充分支持声音音频和压缩视频等实时数据；协议灵活，能够同时进声音音频和压缩视频等实时数据；协议灵活，能够同时进行异步和同步的数据传输；能兼容各种不向设备的技术，行异步和同步的数据传输；能兼容各种
62、不向设备的技术，提供一个标准接口，广泛接纳各种设备提供一个标准接口，广泛接纳各种设备5.5.4 USB5.5.4 USB性能性能n n1 1不同接口传输速率对比不同接口传输速率对比n n2 2USBUSB的传输方式的传输方式n n3 3USBUSB接口设备供电接口设备供电n n4 4USBUSB接口连接距接口连接距5.5.5 USB2.05.5.5 USB2.05.5.6 5.5.6 全速全速USBUSB总线接口控制器芯片总线接口控制器芯片5.5.7 USB5.5.7 USB总线体系结构总线体系结构USBUSB总线是一种串行总线，总线是一种串行总线，支持在主机与各式各样即插即用的外设之间进行支
63、持在主机与各式各样即插即用的外设之间进行数据传输。数据传输。5.5.8 连接特性n n所有USB外设都有一个上行的连接。上行连接采用A型接口，而下行连接一般则采用B型接口，这两种接口不可简单地互换，这样就避免了集线器之间循环往复的非法连接。5.6 现场总线现场总线 5.6.1 5.6.1 概念和主要特点概念和主要特点n n现场总线是种开放式实时系统，它只具有简化的网络结构现场总线的现场总线是种开放式实时系统，它只具有简化的网络结构现场总线的系统具有如下特点：系统具有如下特点：n n1. 1. 在分级控制系统中，采用现场总线的系统虽然可能具备足够的智能在分级控制系统中，采用现场总线的系统虽然可能
64、具备足够的智能( (数字计算能力数字计算能力) )，但只执行简单的节点顺序或一种控制方式等较低级，但只执行简单的节点顺序或一种控制方式等较低级功能；功能； n n2. 2.现场总线经常只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数据现场总线经常只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段；报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段；3. 3.采用现场总线的系统通常费用较低，可以用低廉的造价组成一个系采用现场总线的系统通常费用较低，可以用低廉的造价组成一个系统，而且与上层网络连接的费用也不高。统，而且与上层网络连接的费用也
65、不高。 5.6.2 5.6.2 控制器局域网（控制器局域网（CANCAN）n n控制器局部网控制器局部网(CANController Area Network)(CANController Area Network)属于现场总线的范畴，它属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。第六章第六章 控制系统软件设计方法控制系统软件设计方法 6.1 6.1 应用软件开发的任务与步骤应用软件开发的任务与步骤n n测控系统应用软件的开发过程可分为以下几个阶测控系统应用软件的开发过程可分为以下几个阶段：段： n n1 1问题定义
66、问题定义 n n2 2程序设计程序设计 n n3 3程序编码程序编码 n n4 4查错查错( (程序验证程序验证) )n n5 5测试测试( (正确性确认正确性确认) )n n6 6文件编制文件编制n n7 7维护和再设计维护和再设计6.2 测控系统的问题定义测控系统的问题定义6.2.1 6.2.1 外界信息的获取方式（定义输入）外界信息的获取方式（定义输入）首先要列出应用系统中计算机可能接收的所有输入。输入的首先要列出应用系统中计算机可能接收的所有输入。输入的例子是：例子是： n n 采自传输线路的数据块采自传输线路的数据块 来自外设的状态字来自外设的状态字 n n来自模数转换器的数据来自模
67、数转换器的数据 n n然后可就每个输入提出问题然后可就每个输入提出问题6.2.2 6.2.2 向外界输出信息的方式（定义输出）向外界输出信息的方式（定义输出）首先列出要求计算机产生的所有输出，输出例子包括：首先列出要求计算机产生的所有输出，输出例子包括： n n 输往传输线路的数据块输往传输线路的数据块 n n 到外设的控制字到外设的控制字 n n 到数模转换器的数据到数模转换器的数据 n n然后可就每个输出提出问题然后可就每个输出提出问题6.2.3 6.2.3 信息处理方式（算法确定）信息处理方式（算法确定）n n在读入输入数据及送出输出结果之间的阶段是处在读入输入数据及送出输出结果之间的阶
68、段是处理阶段。这里，必须精确地决定计算机用什么方理阶段。这里，必须精确地决定计算机用什么方法处理输入数据以获得要求的结果。法处理输入数据以获得要求的结果。6.2.4 6.2.4 错误处理方式错误处理方式n n错误处理是许多计算机应用系统的一个重要内容，错误处理是许多计算机应用系统的一个重要内容，测控系统也不例外。设计者必须为排除错误及诊测控系统也不例外。设计者必须为排除错误及诊断故障作好准备。断故障作好准备。6.2.5 6.2.5 操作要求操作要求n n任何测控系统终归要由操作者来掌握和使用它，任何测控系统终归要由操作者来掌握和使用它，这就必然涉及人与机器的相互作用问题。这就必然涉及人与机器的
69、相互作用问题。6.3 测控系统程序设计测控系统程序设计 程序设计是把问题定义转化为程序的准备阶段。程序设计是把问题定义转化为程序的准备阶段。对于简单的应用，此阶段的任务可能仅仅是绘制对于简单的应用，此阶段的任务可能仅仅是绘制一页流程图。而对于复杂的应用任务，要求庞大一页流程图。而对于复杂的应用任务，要求庞大而复杂的程序，仅绘流程图是解决不了问题的，而复杂的程序，仅绘流程图是解决不了问题的，必须考虑用较为完善的诸如模块化程序设计，自必须考虑用较为完善的诸如模块化程序设计，自顶向下顺序设计等方法。顶向下顺序设计等方法。 6.3.1 6.3.1 模块化程序设计模块化程序设计n n将整个任务按功能分成
70、一系列子任务或模块，这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，一直分到最下层的每一模块能相对独立且容易编码时分到最下层的每一模块能相对独立且容易编码时为止。这种方法称为为止。这种方法称为“ “模块化程序设计模块化程序设计” ”。 6.3.2 自顶向下的程序设计方法n n自顶向下程序设计是最常用的程序设计法，运用此法时，先从系统一级的管理程序(或主程序)开始设计，从属的程序或子程序用一些程序符号来代替。当系统一级的程序编好后，再将各标志扩展成从属程序或子程序，最后完成整个系统的程序。n n6.4 6.4 测控系统的
71、程序代码测控系统的程序代码 程序编码是具体编写计算机程序的阶段。程序编码是具体编写计算机程序的阶段。n n6.5 6.5 测控系统的文件编制查错和测试是软件研制中最花时测控系统的文件编制查错和测试是软件研制中最花时间的阶段，间的阶段，n n6.5.1 6.5.1 查错手段查错手段n n1. 1.单步操作单步操作n n2. 2.断点设置断点设置n n3. 3.软件仿真程序及在线仿真器软件仿真程序及在线仿真器n n6.5.2 6.5.2 查错方法查错方法n n1 1手工查错手工查错n n2 2寻找错误寻找错误n n6.5.3 6.5.3 测试方法测试可从底层模块开始测试方法测试可从底层模块开始,
72、, 逐级向上进行逐级向上进行6.6测控系统的文件编制测控系统的文件编制n n文件编制是软件开发工作的一个重要部分。完整的文件应包括系统总体说明，硬件部分和软件部分6.7 高级语言程序与汇编语言程序高级语言程序与汇编语言程序 高级语言更接近人的自然语言，通用性强，易于高级语言更接近人的自然语言，通用性强，易于学习理解，且具有很强的数值计算及处理功能。学习理解，且具有很强的数值计算及处理功能。但是用高级语言编写的程序运行速度较慢但是用高级语言编写的程序运行速度较慢, ,用于实用于实时过程有一定困难。时过程有一定困难。6.7.1 BASIC6.7.1 BASIC程序与汇编语言的连接程序与汇编语言的连
73、接n n1.USR(n1.USR(n函数函数), ),n n2.CALL2.CALL语句语句6.7.2 C6.7.2 C语言程序与汇编语言程序的连接语言程序与汇编语言程序的连接n n在用在用C C语言编写的程序中，与汇编语言程序一样，语言编写的程序中，与汇编语言程序一样，可以进行细微地处理，因此在许多情况都没有必可以进行细微地处理，因此在许多情况都没有必要与汇编语言程序相连接要与汇编语言程序相连接6.8 PC机软件设计机软件设计 为了编制精美的显示界面，大多在为了编制精美的显示界面，大多在WINDOWSWINDOWS环境下进行系统设计，环境下进行系统设计，现在用得最多的系统环境是现在用得最多的
74、系统环境是WINDOWS95/NT32WINDOWS95/NT32位的位的WINDOWSWINDOWS环境，环境，其中编程系统大多为其中编程系统大多为MICROSOFT VISUAL C+MICROSOFT VISUAL C+和和VISUAL BASICVISUAL BASIC，版本现已到版本现已到VC6.0VC6.0和和VB6.0VB6.0。6.8.1 VB6.8.1 VB和和VCVC的关系的关系 VISUAL BASIC VISUAL BASIC以其可编译性、编程的简单性、编译的迅速性在近几以其可编译性、编程的简单性、编译的迅速性在近几年风靡全球。年风靡全球。VBVB与与VC+VC+之间的
75、关系可以用一个不十分恰当的比喻那之间的关系可以用一个不十分恰当的比喻那就是，如果将编制成的应用程序比作一栋大楼，那么就是，如果将编制成的应用程序比作一栋大楼，那么VBVB是用大块预是用大块预制板建楼，而制板建楼，而VC+VC+则是使用沙子、水泥和小块预制板建楼。则是使用沙子、水泥和小块预制板建楼。6.8.2 6.8.2 动态链接库动态链接库 DLL DLL动态链接库是指能被多个应用程序同时使用的共享函数库的二进动态链接库是指能被多个应用程序同时使用的共享函数库的二进制文件，而这种文件是无需在应用程序被编译时链接进去的。制文件，而这种文件是无需在应用程序被编译时链接进去的。6.8.3 6.8.3
76、 WIN32APIWIN32 APIWIN32APIWIN32 API是指是指3232位的位的WINDOWSWINDOWS操作系统应用程序接口操作系统应用程序接口函数，应用程序通过对它的调用实现函数，应用程序通过对它的调用实现WINDOWSWINDOWS的特性的特性 6.8.4 6.8.4 用用VCVC编写编写WIN32WIN32下的下的DLLDLL 用用VCVC编写编写WIN32 DLLWIN32 DLL基于基于WIN32 APIWIN32 API函数。函数。DLLDLL的编制方法是先建立一个动态链接库性质的工程的编制方法是先建立一个动态链接库性质的工程文件，再将动态链接库的源文件写入工程，
77、然后文件，再将动态链接库的源文件写入工程，然后编译链接就可以了。下面介绍利用编译链接就可以了。下面介绍利用VC6.0VC6.0编写编写VB6.0VB6.0可以调用的可以调用的WINDOWS95WINDOWS95环境的环境的I IO O操作动操作动态链接库态链接库VBIO32.DLLVBIO32.DLL。以下是编制的有关过程：。以下是编制的有关过程：n n1. 1.建立工程文件建立工程文件n n2 2建立建立.H.H或或.C.C文件文件n n3 3建立建立DEFDEF文件文件n n4 4编译链接编译链接6.8.5 VB对DLL的调用n n1调用声明n n2数据类型对照第八章第八章 可靠性与抗干扰
78、可靠性与抗干扰8.1 可靠性8.1.1 可靠性设计n n1可靠性和失效n n2可靠率n n3失效率n n4MTTF、MTBF、MTTRn n5可靠性与经济性n n6提高可靠性的基本途径8.1.2 8.1.2 提高控制装置的可靠性提高控制装置的可靠性 可靠性是控制装置的一项非常重要的性能指标，可靠性是控制装置的一项非常重要的性能指标，控制装置的可靠性是影响整个机电一体化产品的控制装置的可靠性是影响整个机电一体化产品的一个最重要的环节。因此，在设计和制造控制装一个最重要的环节。因此，在设计和制造控制装置的过程中，应千方百计地提高其可靠性。置的过程中，应千方百计地提高其可靠性。n n1 1提高控制装
79、置可靠性的硬件方法提高控制装置可靠性的硬件方法n n2 2元件的降额设计与筛选是提高元件可靠性的有元件的降额设计与筛选是提高元件可靠性的有效措施效措施n n3 3提高控制装置可靠性的软件方法提高控制装置可靠性的软件方法8.2 微机应用中的常见的各种电气干微机应用中的常见的各种电气干扰扰n n干扰有三个要素，即干扰源、干扰通道和受感器。干扰有三个要素，即干扰源、干扰通道和受感器。要有效的抑制干扰，首先要找到干扰发源地，防要有效的抑制干扰，首先要找到干扰发源地，防患于源头是积极有效的措施。电磁干扰是电子设患于源头是积极有效的措施。电磁干扰是电子设备的主要干扰形式。当不希望的电压或电流影响备的主要干
80、扰形式。当不希望的电压或电流影响设备的性能时，称为存在电磁干扰。通常，在同设备的性能时，称为存在电磁干扰。通常，在同一环境中工作的多台电子设备，它们既是干扰源一环境中工作的多台电子设备，它们既是干扰源又是受感器。如果这些设备互不干扰其正常工作，又是受感器。如果这些设备互不干扰其正常工作，我们说这些设备是电磁兼容的。本章所讨论的问我们说这些设备是电磁兼容的。本章所讨论的问题就是电磁兼容的重要内容。题就是电磁兼容的重要内容。 8.2.1干扰源 随着工业电气化的发展，用电量越来越多，电子测量设备处于电磁干扰包围之中。n n1干扰的分类n n2自然干扰n n3电器设备干扰n n4内部干扰8.3 微机系
81、统的抗干扰技术微机系统的抗干扰技术8.3.1 8.3.1 物理性隔离加大受扰电路、器件、或装置与干物理性隔离加大受扰电路、器件、或装置与干扰源之间的距离，是降低干扰的一种最行之有效扰源之间的距离，是降低干扰的一种最行之有效的措施。在实际布线时，布置得顺序是：低电平的措施。在实际布线时，布置得顺序是：低电平模拟信号，一般数字电路，交流控制装置，直流模拟信号，一般数字电路，交流控制装置，直流动力装置，交流动力装置等。动力装置，交流动力装置等。8.3.2 8.3.2 屏蔽为了将电子设备产生的电场或磁场限制在屏蔽为了将电子设备产生的电场或磁场限制在某一规定的空间范围内，或为了使设备或元件不某一规定的空
82、间范围内，或为了使设备或元件不受外部电磁场的影响，常常采用隔离屏蔽措施。受外部电磁场的影响，常常采用隔离屏蔽措施。n n1 1静电屏蔽静电屏蔽n n2 2低频磁场屏蔽低频磁场屏蔽n n3 3电磁屏蔽电磁屏蔽8.3.3 接地接地n n“地”理解为电路中的公共点或参考点，接地可理解为接一个等电位点，这个等电位点作为电位为“0”的参考，往往与大地电位相同，因而成为接地。但接地并非一定接大地。根据接地作用，下面着重讨论n n1安全接地n n2信号接地n n3电线屏蔽层的接地 8.3.4 8.3.4 过程输入过程输入/ /输出信号的隔离输出信号的隔离 目前的微机系统中，对于数字量的输入信号，大部分都利目
83、前的微机系统中，对于数字量的输入信号，大部分都利用光电隔离器，也有一些使用脉冲变压器隔离和运算放大用光电隔离器，也有一些使用脉冲变压器隔离和运算放大器隔离；对于数字量输出信号也是主要利用光电隔离。而器隔离；对于数字量输出信号也是主要利用光电隔离。而在许多场合下如钢厂等控制中，还要大量使用继电器接点在许多场合下如钢厂等控制中，还要大量使用继电器接点作为数字量输出隔离器件；对于模拟量输入信号，则许多作为数字量输出隔离器件；对于模拟量输入信号，则许多场合下采用调制场合下采用调制解调式隔离放大器、运算放大器等；模解调式隔离放大器、运算放大器等；模拟量输出信号隔离则可采用直流电压隔离法及变换隔离法拟量输
84、出信号隔离则可采用直流电压隔离法及变换隔离法等。等。n n1 1光电隔离法光电隔离法n n2 2脉冲变压器隔离脉冲变压器隔离n n3 3模模/ /数变换隔离电路数变换隔离电路n n4 4运算放大器隔离运算放大器隔离 8.3.5 8.3.5 滤波滤波 滤波器可以抑制交流电源线上输入的干扰及信号传输线上感应的各种滤波器可以抑制交流电源线上输入的干扰及信号传输线上感应的各种干扰，常用的滤波器件有电感、电容、电阻及压敏电阻等。干扰，常用的滤波器件有电感、电容、电阻及压敏电阻等。n n1 1交流电源滤波器交流电源滤波器n n2 2信号传输线的滤波信号传输线的滤波n n3 3去耦滤波去耦滤波 8.3.6
85、8.3.6 利用浪涌吸收器吸收利用浪涌吸收器吸收 浪涌噪声电路在雷击或接通、切断电感负载或切换大型负载时常常会浪涌噪声电路在雷击或接通、切断电感负载或切换大型负载时常常会产生很高的操作电压，这种瞬时过电压产生很高的操作电压，这种瞬时过电压( (或电流或电流) )称为浪涌电压称为浪涌电压( (或浪或浪涌电流涌电流) )，也是一种瞬变干扰。常用的浪涌吸收器件有：，也是一种瞬变干扰。常用的浪涌吸收器件有：n n1 1氧化锌压敏电阻氧化锌压敏电阻n n2 2直流浪涌吸收电路直流浪涌吸收电路n n交流浪涌吸收电路交流浪涌吸收电路n n4 4放电管放电管n n5 5新型半导体雪崩二极管新型半导体雪崩二极管
86、8.4 软件抗干扰技术软件抗干扰技术 软件抗干扰技术是指采用程序设计的手段来抑制乃至消除已进入微机软件抗干扰技术是指采用程序设计的手段来抑制乃至消除已进入微机系统的干扰影响。利用软件设计来提高微机系统的抗干扰能力，是一系统的干扰影响。利用软件设计来提高微机系统的抗干扰能力，是一种重要而独特的手段。种重要而独特的手段。 8.4.1 8.4.1 主机部分的抗干扰措施主机部分的抗干扰措施 在软件中设计各种检查程序，对主机各核心部位进行定时性或插入式在软件中设计各种检查程序，对主机各核心部位进行定时性或插入式检查，对传输的数据进行编码检查，使得隐患及错误信息在形成故障检查，对传输的数据进行编码检查，使
87、得隐患及错误信息在形成故障之前就被检查出来。如果发现了错误，还能在一定程度上得到纠正，之前就被检查出来。如果发现了错误，还能在一定程度上得到纠正，或者在发生事故时，指导操作人员进行正确的故障处理，防止事故扩或者在发生事故时，指导操作人员进行正确的故障处理，防止事故扩大等。常用的措施有：大等。常用的措施有：n n1 1设置校验点设置校验点n n2 2设置把关计时器设置把关计时器n n3 3容错技术中的容错技术中的“ “陷阱陷阱” ”处理技术处理技术n n4 4对数据进行编码对数据进行编码n n5 5指令重执及数据重发指令重执及数据重发 8.4.2 8.4.2 对过程输入输出采用的抗干扰措施对过程
88、输入输出采用的抗干扰措施 生产现场的一些小信号模拟量，在较长距离的传输过程中，常常会感生产现场的一些小信号模拟量，在较长距离的传输过程中，常常会感应一些低频对地噪声及线间感应噪声，即通常所说共模噪声及常模应一些低频对地噪声及线间感应噪声，即通常所说共模噪声及常模（串模）噪声，对于共模噪声一般采用屏蔽、隔离及接地等方法进行（串模）噪声，对于共模噪声一般采用屏蔽、隔离及接地等方法进行抑制，但对常模噪声，由于其侵入往返两根信号线并与信号相串联，抑制，但对常模噪声，由于其侵入往返两根信号线并与信号相串联，因此比较难消除。对于这种现场大量出现的低频感应噪声，较有效的因此比较难消除。对于这种现场大量出现的
89、低频感应噪声，较有效的抑制措施是采用软件技术。抑制措施是采用软件技术。n n1 1模拟量模拟量“n“n次排队取中值次排队取中值” ”方法方法n n2 2模拟量的软件数字滤波模拟量的软件数字滤波n n3 3A/DA/D变换部分变换部分n n4 4数字量的数字鉴别法数字量的数字鉴别法n n5 5开关量多次采样开关量多次采样n n6 6旁路法旁路法 8.4.3 8.4.3 数据传输过程中的抗干扰措施数据传输过程中的抗干扰措施 在生产过程自动化系统中，数据通信占据着相当重要的地在生产过程自动化系统中，数据通信占据着相当重要的地位；在多级微机系统中，上下级微机之间、同级微机相互位；在多级微机系统中，上下
90、级微机之间、同级微机相互之间都需要频繁地进行大量的数据交换。为提高数据传输之间都需要频繁地进行大量的数据交换。为提高数据传输装置的抗干扰能力和可靠性，除了在硬件方面、通讯电缆装置的抗干扰能力和可靠性，除了在硬件方面、通讯电缆及电缆敷设等方面采取有效措施外，在软件设计方面，采及电缆敷设等方面采取有效措施外，在软件设计方面，采用了数据编码，检验传输数据的正确性，并采用容错技术用了数据编码，检验传输数据的正确性，并采用容错技术自动检测纠错，从而大大地提高了数据传输的可靠性。自动检测纠错，从而大大地提高了数据传输的可靠性。1 1奇偶校验奇偶校验2 2定传号代码方式定比码校验定传号代码方式定比码校验3
91、3方阵码校验方阵码校验4 4循环冗余校验循环冗余校验8.5 容错技术容错技术 8.5.1 8.5.1 概述概述n n在微机系统发展过程中，在保证可靠性方向存在在微机系统发展过程中，在保证可靠性方向存在着两种互相独立的设计思想：一种是排错设计，着两种互相独立的设计思想：一种是排错设计，一种是容错设计。排错设计认为，系统的可靠性一种是容错设计。排错设计认为，系统的可靠性立足于不发生故障。为了保证较高的可靠性，要立足于不发生故障。为了保证较高的可靠性，要求在系统的设计和生产过程中，对元器件进行严求在系统的设计和生产过程中，对元器件进行严格的老化筛选，对元器件实行降额使用，对工艺格的老化筛选，对元器件
92、实行降额使用，对工艺过程严格把关，增加试验次数，提高试验要求。过程严格把关，增加试验次数，提高试验要求。所有这些措施，都将使成本上升，且难以满足越所有这些措施，都将使成本上升，且难以满足越来越高的可靠性要求。在这种情况下，提出了容来越高的可靠性要求。在这种情况下，提出了容错设计的指导思想：故障是客观存在，是不可避错设计的指导思想：故障是客观存在，是不可避免。免。n n容错的主要措施是两个方面：容错的主要措施是两个方面： 1. 1.冗余技术冗余技术 2. 2.自检技术自检技术 容错技术进一步发展的趋势是：容错技术进一步发展的趋势是：n n1. 1.由机内容错向机间容错发展，包括从微机系统由机内容
93、错向机间容错发展，包括从微机系统的网络化、分布化中提高可靠性。的网络化、分布化中提高可靠性。n n2. 2.研究数字电路多重故障的检测与诊断。研究数字电路多重故障的检测与诊断。n n3. 3.故障定位由门一级向子系统、系统的功能测试故障定位由门一级向子系统、系统的功能测试发展。发展程序的鉴定方法，提高软件可靠性发展。发展程序的鉴定方法，提高软件可靠性 8.5.2 8.5.2 硬件冗余硬件冗余 冗余单元和其他单元一同投入运行，当某些单元失效时，冗余单元和其他单元一同投入运行，当某些单元失效时，运行中的冗余单元负担起单元应完成的工作，也称为运行中的冗余单元负担起单元应完成的工作，也称为“ “热储备
94、热储备” ”。n n1 1两单元并联系统两单元并联系统n n2 2三单元表决系统三单元表决系统n n3 3. .三单元取一系统三单元取一系统n n4 4待命贮备冗余系统待命贮备冗余系统8.5.3 8.5.3 信息冗余信息冗余n n检错检错/ /纠错码纠错码n n复检复检 8.5.4 时间冗余 时间冗余是指通过各种软硬件手段发现检测有错后，再花时间重复执行。一般重复执行的次数是有限的。显然，时间冗余对于固定性的故障是无效的。n n1.指令复执n n2.程序卷回n n3.时间冗余的可靠性模型 8.5.5 8.5.5 自检技术自检技术n n1. 1.自检的目的对检测系统进行自检的目的，是发现检测系统的错误，自检的目的对检测系统进行自检的目的，是发现检测系统的错误，提高检测可靠性，降低误检率。提高检测可靠性，降低误检率。n n2. 2.自检的技术指标自检的技术指标n n1 1）覆盖率）覆盖率n n2 2）冗余度）冗余度n n3 3）自检速度）自检速度n n4 4）错误的分析水平）错误的分析水平n n3 3自检的方法自检的方法 自检也是一种检测，因此在方法和手段上讲是基本相同的。根据自检自检也是一种检测，因此在方法和手段上讲是基本相同的。根据自检的时间，可分为：的时间，可分为：n n1 1）检测前的自检）检测前的自检n n2 2）实时自检）实时自检
