微机在测控系统中的应

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1、第十二章第十二章 微机在测控系统中的应用微机在测控系统中的应用12.1 12.1 计算机测控系统概述计算机测控系统概述12.2 12.2 实现计算机测控系统的关键技术实现计算机测控系统的关键技术12.3 12.3 计算机测控系统的设计与开发计算机测控系统的设计与开发12.4 12.4 实际测控系统举例实际测控系统举例12.1 12.1 计算机测控系统概述计算机测控系统概述q计算机测控系统的一般结构计算机测控系统的一般结构q测控系统的实时性概念测控系统的实时性概念q测控系统对计算机的要求测控系统对计算机的要求q构成测控系统计算机系统的方案选择构成测控系统计算机系统的方案选择12.1.1 12.1

2、.1 计算机测控系统的一般结构计算机测控系统的一般结构I/OI/O通道通道测测控控对对象象传传感感器器执执行行机机构构. . . . . . .信信号号调调理理信信号号变变换换DIDIA/DA/DDODOD/AD/A. . . . . . . . . . . . .总线总线计计算算机机12.1.1 12.1.1 计算机测控系统的一般结构计算机测控系统的一般结构计算机测控系统一般由三大部分组成：计算机测控系统一般由三大部分组成：1)1)计算机计算机-测控系统的核心测控系统的核心2)2)I/OI/O通道通道-计算机与测控对象的接口计算机与测控对象的接口3)3)测控对象测控对象-反映设备或过程的工况

3、的参数和状态反映设备或过程的工况的参数和状态, ,它包括：它包括：传感器：将参数和状态敏感、变换为电信号传感器：将参数和状态敏感、变换为电信号执行机构：对参数、状态实施控制执行机构：对参数、状态实施控制统称测控统称测控计算机系统计算机系统12.1.1 12.1.1 计算机测控系统的一般结构计算机测控系统的一般结构随着测控规模和功能的不同随着测控规模和功能的不同, ,测控计算机系统在体系结测控计算机系统在体系结构上可有所不同。常见体系结构：构上可有所不同。常见体系结构：单处理机结构单处理机结构多处理机并行处理结构多处理机并行处理结构分布或集散式处理结构分布或集散式处理结构分层递阶控制结构分层递阶

4、控制结构网络结构网络结构 无论哪种结构无论哪种结构, ,作为与测控对象直接联系的底层作为与测控对象直接联系的底层, ,都是都是由一个或多个装置级直接数字控制计算机组成。所以本章由一个或多个装置级直接数字控制计算机组成。所以本章针对的只是这种装置级直接控制的计算机应用系统。针对的只是这种装置级直接控制的计算机应用系统。12.1.1 12.1.1 计算机测控系统的一般结构计算机测控系统的一般结构计算机测控系统三大功能：采集计算机测控系统三大功能：采集( (检测检测) )、处理和控制、处理和控制先在计算机控制下对测控对象中有关参数、状先在计算机控制下对测控对象中有关参数、状态信号进行检测态信号进行检

5、测q对于模拟信号对于模拟信号, ,先通过传感器变成电信号先通过传感器变成电信号, ,再经信号调理再经信号调理电路进行预处理电路进行预处理, ,变成统一量程的电压或电流信号变成统一量程的电压或电流信号, ,然后由然后由A/DA/D转换器变成数字量转换器变成数字量, ,采入计算机。采入计算机。q对于数字信号，则通过传感器、信号调理电路和数字输入通对于数字信号，则通过传感器、信号调理电路和数字输入通道道, ,变换成幅值和格式与计算机匹配兼容的信号变换成幅值和格式与计算机匹配兼容的信号, ,采入计算机。采入计算机。信号采入计算机后，在计算机中进行加工、分析、信号采入计算机后，在计算机中进行加工、分析、

6、处理，根据分析处理的结果和选用的控制模型、算法处理，根据分析处理的结果和选用的控制模型、算法作出判断和决策作出判断和决策, ,发出数字量控制信号发出数字量控制信号, ,通过执行机构通过执行机构去达到控制目的。去达到控制目的。q对模拟式受控变量对模拟式受控变量, ,需经需经D/AD/A转换再输出。转换再输出。q对开关对开关/ /脉冲式受控变量，只需经电平、时序、功率变换。脉冲式受控变量，只需经电平、时序、功率变换。测测控控工工作作原原理理12.1.2 12.1.2 测控系统的实时性概念测控系统的实时性概念q实时性：测控系统对输入信号即时作出响应的能力。实时性：测控系统对输入信号即时作出响应的能力

7、。可用可用 响应时间响应时间 对实时性作定量描述。其含义是指一对实时性作定量描述。其含义是指一个系统响应输入数据所需的时间，它是数据采集、数个系统响应输入数据所需的时间，它是数据采集、数据处理和决策控制三步操作的总时间，亦称据处理和决策控制三步操作的总时间，亦称控制周期控制周期。为了增强系统实时性，必须做到实时采集、实时处理、为了增强系统实时性，必须做到实时采集、实时处理、实时决策控制，合称实时决策控制，合称实时控制实时控制。q实时性是相对的：在不同系统中有不同要求。实时性是相对的：在不同系统中有不同要求。所谓实时控制，应理解成系统具有满足某一特定生所谓实时控制，应理解成系统具有满足某一特定生

8、产工艺所需的数据测量、处理和决策控制的速度。产工艺所需的数据测量、处理和决策控制的速度。12.1.3 12.1.3 测控系统对计算机的要求测控系统对计算机的要求测控系统一般应从下列几方面对测控计算机提出要求：测控系统一般应从下列几方面对测控计算机提出要求：q平均无故障工作时间平均无故障工作时间MTBFMTBFq抗干扰性能和抗恶劣环境能力抗干扰性能和抗恶劣环境能力qI/OI/O总线驱动能力总线驱动能力q定时重新自启动能力定时重新自启动能力q掉电自动检测和复电后从断点再入的能力掉电自动检测和复电后从断点再入的能力q实时性实时性q为应用软件提供的二次开发能力为应用软件提供的二次开发能力q系统自检测、

9、自诊断能力系统自检测、自诊断能力12.1.4 12.1.4 构成测控计算机系统的方案选择构成测控计算机系统的方案选择通常有三种构建测控计算机系统的可选方案：通常有三种构建测控计算机系统的可选方案：1.1.采用工业标准的通用微机采用工业标准的通用微机-工控机工控机2.2.采用可编程序控制器采用可编程序控制器3.3.采用单片机采用单片机/ /单板机扩展单板机扩展I/OI/O接口，构成非结构化设接口，构成非结构化设计方案。计方案。-适于小型测控系统，特别是智能化仪器仪表。适于小型测控系统，特别是智能化仪器仪表。12.2 12.2 实现计算机测控系统的关键技术实现计算机测控系统的关键技术q传感器及测量

10、传感器及测量q模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立q数据处理数据处理q执行机构及驱动执行机构及驱动q可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术12.2.1 12.2.1 传感器及测量传感器及测量 实现计算机测控系统的关键技术之一是信息感知与测量。实现计算机测控系统的关键技术之一是信息感知与测量。q传感器是实现信息感知与测量的基本器件，它为系传感器是实现信息感知与测量的基本器件，它为系统提供赖以进行处理和决策控制所必须的原始信息。统提供赖以进行处理和决策控制所必须的原始信息。q传传感感器器是是决决定定能能否否实实现现自自动动化化的的关关键键。其其性性能能好好坏坏，是影响测控性能好坏的第一要素。是影响测

11、控性能好坏的第一要素。q传感器主耍应具有三方面能力：传感器主耍应具有三方面能力：(1)(1)能感知被测量能感知被测量( (多为非电量多为非电量) )(2)(2)能将被测量转换为电气参量能将被测量转换为电气参量( (如电压、电如电压、电流、电阻等流、电阻等) )(3)(3)要形成便于后级接收和传输的电信号形式要形成便于后级接收和传输的电信号形式12.2.1 12.2.1 传感器及测量传感器及测量q一个完整的传感器一个完整的传感器, ,一般由以下三部分构成：一般由以下三部分构成：1)1)敏感元件敏感元件2)2)变换元件变换元件3)3)检测电路检测电路对于有源传感器，还需加上电源。对于有源传感器，还

12、需加上电源。敏感元件变换元件检测电路电信号电源传感器的一般结构传感器的一般结构 图中结构是对于间接测量式传感器而言的。对于图中结构是对于间接测量式传感器而言的。对于直接变换式传感器，敏感元件和变换元件是统一的，直接变换式传感器，敏感元件和变换元件是统一的，合二而一的合二而一的( (如热敏电阻等如热敏电阻等) )。12.2.1 12.2.1 传感器及测量传感器及测量v间接测量式传感器的传感过程是：先感知再变换，间接测量式传感器的传感过程是：先感知再变换，即先作一次变换，再作二次变换即先作一次变换，再作二次变换( (如某些加速度传感如某些加速度传感器器) )。这种间接测量的方法可以扩大检测范围，使

13、有些这种间接测量的方法可以扩大检测范围，使有些看来似乎不能检测的量得以检测。间接测量的实看来似乎不能检测的量得以检测。间接测量的实现现, ,可用硬件方法可用硬件方法, ,也可用软件方法。也可用软件方法。v传感器中是否需要检测电路，要视各类传感器的工传感器中是否需要检测电路，要视各类传感器的工作原理及性能指标来定。作原理及性能指标来定。12.2.1 12.2.1 传感器及测量传感器及测量q根据输出电信号形式的不同，传感器可分为以下三类：根据输出电信号形式的不同，传感器可分为以下三类：(1)(1)开关式传感器开关式传感器-输出以高、低电平形式出现输出以高、低电平形式出现(2)(2)数字式传感器，又

14、分为：数字式传感器，又分为：直接数字传感器直接数字传感器频率式传感器频率式传感器脉冲传感器脉冲传感器共同特点：精度较高，共同特点：精度较高，便于和微机接口连接便于和微机接口连接(3)(3)模拟传感器模拟传感器-输出以连续变化电量形式出现，需通过输出以连续变化电量形式出现，需通过A/DA/D通道与数字系统相连。通道与数字系统相连。12.2.1 12.2.1 传感器及测量传感器及测量q传感器基本性能可由它的静态特性和动态特性来反映。传感器基本性能可由它的静态特性和动态特性来反映。v常用的静态特性参数有：线性度、重复性、迟常用的静态特性参数有：线性度、重复性、迟滞、灵敏度和分辨率等。滞、灵敏度和分辨

15、率等。v动态特性参数主要有：动态响应时间、工作频动态特性参数主要有：动态响应时间、工作频率范围和稳定度等。率范围和稳定度等。v实用中常从以下几方面对传感器提出综合要求：实用中常从以下几方面对传感器提出综合要求：(1)(1)具有特定的传感特性，即能保证一定的灵敏度、具有特定的传感特性，即能保证一定的灵敏度、精确度和长时间稳定性。精确度和长时间稳定性。(2)(2)具有可靠性，即在成本适中的前提下有较长的具有可靠性，即在成本适中的前提下有较长的工作寿命。工作寿命。(3)(3)能适应工作环境，少受外界因素的影响，不受能适应工作环境，少受外界因素的影响，不受其它物理量干扰。其它物理量干扰。(4)(4)具

16、有较小或者适宜的几何尺寸，以方便使用。具有较小或者适宜的几何尺寸，以方便使用。12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立q模拟模拟I/OI/O通道概述通道概述q模拟输入通道的结构形式模拟输入通道的结构形式q模拟输出通道的结构形式模拟输出通道的结构形式q模拟多路开关与采样保持器模拟多路开关与采样保持器q模拟模拟I/OI/O通道的设计和建立通道的设计和建立12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立1.1.模拟模拟I/OI/O通道概述通道概述(1)(1)模拟输入通道模拟输入通道-微机用于对单个微机用于对单个/ /多个模拟量进行采集的多个模拟量进行采集的A/

17、DA/D通通道，也叫前向通道。道，也叫前向通道。v建立目的：参数测量、数据采集、状态监视。建立目的：参数测量、数据采集、状态监视。v基本组成：基本组成：ADCADC及其与及其与MPUMPU的接口的接口-核心部件核心部件采样采样/ /保持器保持器(S/H)(S/H)模拟多路开关模拟多路开关(AMUX)(AMUX)具体取决于具体取决于通道结构通道结构12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立(2)(2)模拟输出通道模拟输出通道-微机用来发送单路微机用来发送单路/ /多路模拟信号的多路模拟信号的D/AD/A通通 道，有时也叫后向通道。道，有时也叫后向通道。v建立目的：参数控制、

18、记录显示建立目的：参数控制、记录显示v基本组成：基本组成：DACDAC及其与及其与MPUMPU的接口的接口-核心部件核心部件数字或模拟寄存器数字或模拟寄存器模拟多路开关模拟多路开关(AMUX)(AMUX)具体取决于具体取决于通道结构通道结构12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立2.2.模拟输入通道的结构形式模拟输入通道的结构形式单路通道单路通道不带采样保持器的单路模入通道不带采样保持器的单路模入通道带采样保持器的单路模入通道带采样保持器的单路模入通道多路通道多路通道各路独立转换的多路模入通道各路独立转换的多路模入通道同时采样、分时转换型多路模入通道同时采样、分时转换型

19、多路模入通道分时采样、分时转换型多路模入通道分时采样、分时转换型多路模入通道12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立(1)(1)不带采样保持器的单路模入通道不带采样保持器的单路模入通道VIADCI/OI/O接口接口MPU这是最简单的模入通道，实际上就是这是最简单的模入通道，实际上就是ADCADC及其及其与与MPUMPU的接口。的接口。一般只采集一个点的直流或低频信号时可用它。一般只采集一个点的直流或低频信号时可用它。适用条件：适用条件：ViVi=maxdVidVidtdtmaxTCONVVFSVFS2 2n= =q q12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道

20、建立通道建立(2)(2)带采样保持器的单路模入通道带采样保持器的单路模入通道VIS/HADCI/OI/O接口接口MPU当当ViVi的变化率较大，以致的变化率较大，以致TCONVdVidtmaxVFS2n=q时，应采用它。时，应采用它。12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立(3)(3)各路独立转换的多路模入通道各路独立转换的多路模入通道VI2VIn.S/HADCVI1S/HADCI/OS/HADCI/OI/OMPUv特点：各路都有自己独立的特点：各路都有自己独立的A/DA/D转换通道，可同转换通道，可同时采样、同时转换、同时得到转换结果。时采样、同时转换、同时得到转换结

21、果。v优点：采样频率可达到几乎与单路一样高。优点：采样频率可达到几乎与单路一样高。v适用范围：特别适于要求描述系统性能的各项参适用范围：特别适于要求描述系统性能的各项参数必须是同一时刻数据的高速采集、控制系统。数必须是同一时刻数据的高速采集、控制系统。12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立(4)(4)同时采样、分时转换型多路模入通道同时采样、分时转换型多路模入通道VI1VI2.VInS/HS/HS/H.模模拟拟多多路路开开关关ADCI/OI/O接口接口MPUv特点：各路都有自己独立的放大、采样保持器，然后通过模拟多特点：各路都有自己独立的放大、采样保持器，然后通过模拟

22、多路开关分时复用路开关分时复用ADCADC，实现并行采样、串行转换。，实现并行采样、串行转换。v优缺点：比各路独立转换模入通道节省了硬件，降低了成本，优缺点：比各路独立转换模入通道节省了硬件，降低了成本，但影响精度和速度。但影响精度和速度。v适用范围：在多点参数巡回检测系统中，应用非常广泛。适用范围：在多点参数巡回检测系统中，应用非常广泛。12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立(5)(5)分时采样、分时转换型多路模入通道分时采样、分时转换型多路模入通道VI1VI2VIn.模拟多路开关.S/HADCI/OI/O接口接口MPUv特点：将各路分时共享的范围扩大到全套特点：将

23、各路分时共享的范围扩大到全套A/DA/D通道设备。通道设备。v优缺点：比同时采样、分时转换型进一步节省了硬件，优缺点：比同时采样、分时转换型进一步节省了硬件，降低了成本，但速度更慢。精度与之差不多。降低了成本，但速度更慢。精度与之差不多。v适用范围：在实际测控系统特别是多点参数巡回检测适用范围：在实际测控系统特别是多点参数巡回检测系统中应用特别广泛。系统中应用特别广泛。12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立3.3.模拟输出通道的结构形式模拟输出通道的结构形式单路通道单路通道多路通道多路通道数字分配型多路模出通道数字分配型多路模出通道模拟分配型多路模出通道模拟分配型多路

24、模出通道12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立(1)(1)单路模出通道单路模出通道MPUI/OI/O接口接口DACVO（数据缓存器）（数据缓存器）实际上就是实际上就是DACDAC及其与及其与MPUMPU的接口的接口12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立(2)(2)数字分配型多路模出通道有两种结构形式。数字分配型多路模出通道有两种结构形式。口地址口地址译码译码MPUMPUDBDBABAB数据寄数据寄存器存器DACDACDACDAC数据寄数据寄存器存器VO1VO1VOnVOnv特点：特点： 各路通道分时送数、分时各路通道分时送数、分时D/AD/A

25、转换、分时输出模拟量。转换、分时输出模拟量。 CPUCPU将表示各路输出数据的数字量分配给相应通道。将表示各路输出数据的数字量分配给相应通道。v说明：如果说明：如果DACDAC芯片上含有输入缓存器芯片上含有输入缓存器( (大多数大多数DACDAC芯片芯片 都是如此都是如此) )，则图中各个数据寄存器不必另加。，则图中各个数据寄存器不必另加。结构形式一：结构形式一：12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立结构形式二：结构形式二：缓存器缓存器缓存器缓存器DACDACDACDAC输入寄输入寄存器存器输入寄输入寄存器存器MPUMPUDBDBABAB口地址口地址译码译码VO1VO

26、1VOnVOnv特点：各路通道分时送数、同时转换、同时输出模拟量。特点：各路通道分时送数、同时转换、同时输出模拟量。v说明：如果说明：如果DACDAC芯片内集成了两级输入缓存器，就不必芯片内集成了两级输入缓存器，就不必 外加图中两级寄存器。外加图中两级寄存器。v适用范围：适于用在对描述系统性能的各项参数需要适用范围：适于用在对描述系统性能的各项参数需要 同时更新的实时控制场合。同时更新的实时控制场合。12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立(3)(3)模拟分配型多路模出通道模拟分配型多路模出通道结构之一：结构之一：保持器保持器保持器保持器MPUMPUI/OI/ODACD

27、AC模拟模拟多路多路开关开关VO1VO1VOnVOn特点：各路共用一个特点：各路共用一个DACDAC，各用一个保持器。各用一个保持器。 各路输出数据所对应的数字量由各路输出数据所对应的数字量由MPUMPU分时送到同分时送到同一个一个DACDAC，转换成转换成VOVO，然后由然后由AMUXAMUX分配到相应通道的分配到相应通道的保持器去存储下来。显然，这里分配的是各路转换保持器去存储下来。显然，这里分配的是各路转换后的模拟信号。后的模拟信号。12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立结构之二：结构之二：MPUMPUI/OI/ODACDACVO1VO1VOnVOnS/HS/H

28、S/HS/Hv当通道数目较多时，结构二比结构一的造价要高得多。当通道数目较多时，结构二比结构一的造价要高得多。v两种模拟分配型结构均必须通过软件来定时刷新数据。两种模拟分配型结构均必须通过软件来定时刷新数据。方法是编制程序，使输入到方法是编制程序，使输入到DACDAC的数字量在一个输出周的数字量在一个输出周期内不断循环更新。期内不断循环更新。4.4.模拟多路开关与采样保持器模拟多路开关与采样保持器(1)(1)模拟多路开关模拟多路开关 - -能够分时的将多个模拟信号接通至一根线能够分时的将多个模拟信号接通至一根线上的部件。上的部件。 模拟多路开关实际上是由多个模拟电子开模拟多路开关实际上是由多个

29、模拟电子开关加上通道选择译码电路组成。关加上通道选择译码电路组成。 12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立模拟多路开关模拟多路开关 的原理：的原理：通道译码通道译码 地址地址ENAMUXV0VI1VI2VIn12n模拟多路开关的分类：模拟多路开关的分类：模拟多路开关的通道数模拟多路开关的通道数n n一般取一般取2 2 值，实际中以值，实际中以 n=4,8,16n=4,8,16居多居多12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立单向开关：单向开关：用于多到一分时切用于多到一分时切换换双向开关：双向开关：既可用于多到一切换既可用于多到一切换 ( (选择

30、选择) )，又可用于一，又可用于一 到多切换到多切换( (分配分配) )按被接通模拟信号按被接通模拟信号的传输方向分的传输方向分按一次能接通的按一次能接通的模拟信号端数分模拟信号端数分单端输入开关单端输入开关双端输入开关：双端输入开关：特别适合于转换、特别适合于转换、 切换差动输入的模切换差动输入的模 拟信号拟信号常见多通道模拟开关器件：常见多通道模拟开关器件：12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立AD7501/AD7503AD7501/AD7503AD7502AD7502AD7506/AD7507AD7506/AD7507由美国由美国ADAD公司生产公司生产 CD4

31、051A/CD4052ACD4051A/CD4052ACD4067B/CD4097BCD4067B/CD4097B由美国由美国RCARCA公司生产公司生产AD7501/AD7503-8AD7501/AD7503-8通道单端输入模拟开关通道单端输入模拟开关方框图方框图 两者的不同之处是两者的不同之处是ENEN控制逻辑相反，控制逻辑相反，AD7501AD7501是高电平有效，是高电平有效，AD7503AD7503是低电平有效。是低电平有效。引脚图引脚图TTLTTL到到CMOSCMOS电平转换电平转换译码驱动译码驱动V VDDDD地地V VSSSSEN AEN A2 2 A A1 1 A A0 0

32、. . . . .OUT SOUT S0 0 . . . . .S S7 7ADAD75017501（75037503）A A1 1地地ENENA A2 2S S7 7S S6 6S S5 5S S4 4S S3 3S S2 2S S1 1S S0 0OUTOUTV VDDDDV VSSSSA A0 01 116161 15 512128 89 912.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立AD7501/AD7503AD7501/AD7503通道选择真值表通道选择真值表12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立AD7501 AD7503AD7501 A

33、D7503A A2 2 A A1 1 A A0 0 ENENA A2 2 A A1 1 A A0 0 ENEN0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 10 0 0 00 0 0 00 0 1 00 0 1 00 1 0 00 1 0 00 1 1 00 1 1 01 0 0 01 0 0 01 0 1 01 0 1 01 1 0 01 1 0 01 1 1 01 1 1

34、 0 ONON ONON0 02 23 34 45 56 67 7无无0 01 11 12 23 34 45 56 67 7无无AD7502-AD7502-双四通道模拟开关双四通道模拟开关12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立TTLTTL到到CMOSCMOS电平转换电平转换译码驱动译码驱动ADAD75027502AD7502AD7502通道选择真值表通道选择真值表方框图方框图EN AEN A1 1 A A0 0V VDDDDV VSSSS地地OUTOUT0 03 3 S S0 0.S.S3 3S S4 4SS7 7 OUT OUT4 47 7A A1 1地地ENEN0

35、 0UTUT4 47 70 0UTUT0 03 3S S7 7S S6 6S S5 5S S4 4S S0 0S S1 1S S2 2S S3 3A A0 0V VSSSSV VDDDD1 116165 512128 89 9引脚图引脚图A A1 1 A A0 00 00 00 10 11 01 01 11 1 ENEN“ONON”1 11 11 11 10 00 0、4 41 1、5 52 2、6 63 3、7 7无无AD7506AD7506和和AD7507AD7507 两者均为有两者均为有1616个输入端的个输入端的CMOSCMOS模拟开关，不同之处是模拟开关，不同之处是AD7506AD7

36、506为为1616通道单端输入，通道单端输入，AD7505AD7505为为8 8通道双端输出。通道双端输出。TTLTTL到到CMOSCMOS电平转换电平转换译码驱动译码驱动ADAD75067506EN AEN A3 3 A A2 2 A A1 1 A A0 0。 。 。OUT SOUT S0 0 ， ， ，S S1515方框图方框图AD7506AD7506V VDDDDV VSSSS地地V VDDDDNCNCNCNCS S1515。 。 。A A3 3NCNC地地S S8 8OUTOUTV VSSSSS S7 7。 。 。A A2 2A A1 1A A0 0ENENS S0 01 128288

37、 8141415152121引脚图引脚图12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立TTLTTL到到CMOSCMOS电平转换电平转换译码驱动译码驱动EN AEN A2 2 A A1 1 A A0 0V VDDDD地地V VSSSSOUTOUT0 07 7 S S0 0.S.S7 7S S8 8 S S1515 OUT OUT8 81515方框图方框图. . . . . . . . .AD7507AD7507引脚图引脚图ADAD75077507V VDDDDOUTOUT8 81515NCNCS S1515. .

38、. . . .NCNCNCNC地地S S8 8OUTOUT0 07 7V VSSSSS S7 7. . . . . .A A2 2A A1 1A A0 0ENENS S0 01 128288 8212114141515 12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立 0 无无AD7501AD7503AD7503A3 A2 A1 A0 EN“ON”A A2 A1 A9 EN“ON” 0 0 0 0 10 0 0 0 10,8 0 0 0 1 11 0 0 1 11,9 0 0 1 0 12 0 1 0 12,10 0 0 1 1 13 0 1 1 13,11 0 1 0 0 1

39、4 1 0 0 14,12 0 1 0 1 15 1 0 1 15,13 0 1 1 0 16 1 1 0 16,14 0 1 1 1 17 1 1 1 17,15 1 0 0 0 18 0无无 1 0 0 1 19 1 0 1 0 110 1 0 1 1 111 1 1 0 0 112 1 1 0 1 113 1 1 1 0 114 1 1 1 1 115AD7506/AD7507AD7506/AD7507通道选择真值表通道选择真值表12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立CD4051A/CD4052ACD4051A/CD4052ACD4051ACD4051A方框图和

40、引脚图方框图和引脚图IN/OUTIN/OUT通道通道带有禁带有禁止的二止的二进制进制8-18-1译码器译码器逻辑逻辑电平电平转换器转换器V VDDDDA AB BC CINHINHA AV VSSSSV VEEEEOUT/INOUT/INTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTG公共公共7 7 6 6 5 5 4 34 3 2 2 1 1 0 04 4 2 2 5 5 1 1 12151215141413136 67 78 89 910101111161612.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立CD4052ACD4052A方框图及引脚图方框图及引脚

41、图X X通道通道IN/OUTIN/OUTY Y通道通道IN/OUTIN/OUT公共公共X XOUT/INOUT/IN公共公共Y YOUT/INOUT/IN13133 3TGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTGTG带有禁带有禁止允许止允许控制的控制的译码器译码器逻辑逻辑电平电平转换器转换器V VDDDDV VSSSSV VEEEE161610109 96 67 78 8A AB BINHINH3 2 1 03 2 1 00 1 2 30 1 2 311151412111514121 1 5 2 45 2 4CD4051A/CD4052ACD4051A/CD4052A通道选择真

42、值表通道选择真值表12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立输入状态输入状态选中的通道选中的通道CD4051ACD4051ACD4052ACD4052AINHINHA B CA B C0 00 00 00 00 00 00 00 01 10 0 00 0 00 0 10 0 10 1 00 1 00 1 10 1 11 0 01 0 01 0 11 0 11 1 01 1 01 1 11 1 1 0 01 12 23 34 45 56 67 7没有没有没有没有0 0X,0YX,0Y1 1X,1YX,1Y2 2X,2YX,2Y1 1X,1YX,1Y2 2X,2YX,2Y3

43、3X,3YX,3Y3 3X,3YX,3Y0X,0Y0X,0Y12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立 通道选择真值表与通道选择真值表与CD4051A/CD4052ACD4051A/CD4052A相似，相似，CD4067BCD4067B对应对应 CD4051A CD4051A，只是输入状态为只是输入状态为C C、D D、B B、A A决定的决定的1616种，分别选中种，分别选中 0 01515通道；通道；CD4097BCD4097B对应对应CD4052ACD4052A，选中的通道为选中的通道为X0/Y0X0/Y0X7/Y7,X7/Y7,分别由分别由C C、B B、A A的

44、的8 8种控制状态决定。种控制状态决定。 前者是前者是1616通道双向多通道双向多/1/1模拟开关，后者是双输入、模拟开关，后者是双输入、双输出双输出8 8路多路多/1/1模拟开关。模拟开关。通道通道通道通道IN/OUTIN/OUTIN/OUTIN/OUTIN/OUTIN/OUTIN/OUTIN/OUTX X通道通道Y Y通道通道OUT/INOUT/INY YOUT/INOUT/INOUT/INOUT/IN公共公共7 70 0 0 0. . . . . .A AB BV VSSSSV VDDDD8 81515INHINHC CD DX X. . . . . .7 70 0A AB BV VSS

45、SS. . . . . .V VDDDD0 06 67 7C CINHINH. . . . . .1 12 23 34 45 56 67 79 98 81010111112122424232322222121202019191818171716161515141413131 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212242423232222212120201919181817171616151514141313CDCD4067B4067BCDCD4097B4097B模拟开关的主要参数：模拟开关的主要参数：12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通

46、道建立开关接通后导通电阻开关接通后导通电阻RonRon所有开关断开时输出端漏电流所有开关断开时输出端漏电流IOUTIOUT所有开关断开时输入端漏电流所有开关断开时输入端漏电流ISIS开关接通时间延迟开关接通时间延迟ToffToff通道切换时间通道切换时间TopenTopen 这些参数值直接影响模拟开关所在这些参数值直接影响模拟开关所在A/DA/D、D/AD/A通道的精通道的精度和速度。度和速度。模拟开关通道数扩展方法模拟开关通道数扩展方法12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立以以2 2个个AD7501AD7501扩展扩展为为1616路路AMUXAMUX为例：为例：AD

47、7501AD7501OUTOUTOUTOUTOUTOUTENENENENS S0 0S S7 7A A2 2A A1 1A A0 0S S0 0S S7 7A A2 2A A1 1A A0 0A A3 3S S0 0S S7 7A A2 2A A1 1A A0 0S S8 8S S1515. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .& &12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立(2)(2)采样保持电路采样保持电路( (S/H)S/H)主要参数主要参数 孔径时间孔径时间TAPTAP：指该电路接到保持命令后，开关由导

48、通到断开所需的时间。指该电路接到保持命令后，开关由导通到断开所需的时间。 捕捉时间捕捉时间TACTAC：指该电路处于保持模式时，从接到采样命令到采样保持器输出跟踪上指该电路处于保持模式时，从接到采样命令到采样保持器输出跟踪上当前输入信号所需的时间。当前输入信号所需的时间。保持电压衰减率保持电压衰减率: :( (V/S)V/S) 馈送：保持模式时由于寄生电容、输入电压变化引起的输出电压的微小变化。馈送：保持模式时由于寄生电容、输入电压变化引起的输出电压的微小变化。 直流偏差：采样期间将信号输入端直流偏差：采样期间将信号输入端( (ViVi端端) )接到地电平时的输出电压值。接到地电平时的输出电压

49、值。控制信号控制信号VVTT控制控制逻辑逻辑V VI IChChV VO OS S- -+ + A2A2- -+ +A1A16 612.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立S/HS/H集成芯片举例集成芯片举例以应用较普遍的以应用较普遍的LF398LF398为例。为例。LF398LF398的功能框图和典型接线的功能框图和典型接线偏置调节偏置调节模拟模拟输入输入控制控制输入输入3 37 76 62 23030kkD D1 1D D2 2S S300300A1A1+ + +- - -A2A2ChCh5 5输出输出2424kk1k1k采样采样保持保持保持保持LF398LF3985

50、 5V VO OChChV VI IV+V+ V-V-5.5.模拟模拟I/OI/O通道的设计和建立通道的设计和建立主要任务：主要任务：合理选择通道结构合理选择通道结构 正确设计或选用功能部件正确设计或选用功能部件( (ADCADC、DACDAC、AMUXAMUX、S/HS/H、测量放大器等测量放大器等) ) 正确设计通道中各功能部件与正确设计通道中各功能部件与MPUMPU的接口的接口( (包括硬件包括硬件和软件和软件) )设计原则设计原则( (指导思想指导思想) )：就低不就高就低不就高-以能满足要求、达到预期指标为先决条件。以能满足要求、达到预期指标为先决条件。方案的多解性方案的多解性-灵活

51、性较大灵活性较大12.2.2 12.2.2 模拟模拟I/OI/O通道建立通道建立12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理数据处理技术从一般意义上说，包括三方面内容：数据处理技术从一般意义上说，包括三方面内容： 信号调理信号调理-对传感器输出信号进行放大、滤波、对传感器输出信号进行放大、滤波、I/VI/V转换等转换等预处理。预处理。一次处理一次处理-对采集到计算机中的信号数据进行数字滤波、对采集到计算机中的信号数据进行数字滤波、 非线性补偿、标度变换等加工处理，旨在提高非线性补偿、标度变换等加工处理，旨在提高 采集数据的精确度、可信度，并使之标准化、采集数据的精确度、可信度，并使之标准化、

52、格式化，以运算和显示、打印格式化，以运算和显示、打印/ /记录。记录。二次处理二次处理-对可信的数据进行分析、融合、处理、判对可信的数据进行分析、融合、处理、判断、决策，形成控制信息。断、决策，形成控制信息。 信号调理都是由硬件完成的，而一次信号调理都是由硬件完成的，而一次/ /二次处理一二次处理一般由软件完成。般由软件完成。通常所说的处理多指上述的一次处理。通常所说的处理多指上述的一次处理。 一次处理的主要任务是提高检测数据的精确度、可一次处理的主要任务是提高检测数据的精确度、可 靠度靠度, ,而精确度、可靠度主要受检测过程的随机误差和系而精确度、可靠度主要受检测过程的随机误差和系 统误差的

53、影响。因此数据处理实质上主要包括随机误差和统误差的影响。因此数据处理实质上主要包括随机误差和系统误差两种误差的处理。系统误差两种误差的处理。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理1.1.随机误差的处理随机误差的处理随机误差随机误差-主要指外部干扰信号和内部噪声源或主要指外部干扰信号和内部噪声源或 某些意外情况出现所造成的检测误差。某些意外情况出现所造成的检测误差。随机误差特点随机误差特点单点误差具有不可预知性单点误差具有不可预知性( (即随机性即随机性) )。总体上服从统计规律，多数情况下接近正态分布。总体上服从统计规律，多数情况下接近正态分布

54、。具有对称性、有界性、互抵性，算术平均值趋于具有对称性、有界性、互抵性，算术平均值趋于 0 0。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理特点带来的启示特点带来的启示( (随机误差处理的基本思想和理随机误差处理的基本思想和理 论基础论基础):): 为了提高信噪比，可在每个采样周期中进行多次重复为了提高信噪比，可在每个采样周期中进行多次重复采样，以其平均值作为该周期的采样采样，以其平均值作为该周期的采样 当然，在检测过程中有时可能会偶尔出现强干扰当然，在检测过程中有时可能会偶尔出现强干扰 和意外情况，产生粗大误差或个别数据丢失现象。和意外情况，产生粗大误差或个别数据丢失现象。 这些偶尔出现的错

55、误数据点常被称作这些偶尔出现的错误数据点常被称作 奇异点奇异点 。 显然，奇异点不符合上述一般随机误差的特点和显然，奇异点不符合上述一般随机误差的特点和 规律。规律。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理 所以，为了尽可能减小数据处理误差，所以，为了尽可能减小数据处理误差，对随机误差的处理一般分为两步：对随机误差的处理一般分为两步： (1)(1)检拾并取代奇异点检拾并取代奇异点(2)(2)数字滤波数字滤波(1)(1)检拾并取代奇异点检拾并取代奇异点检拾检拾( (判别判别) )奇异点奇异点 - -方法是根据采样频率和被测物理量变化方法是根据采样频率和被测物理量变化 特征，设定一个误差窗口特

56、征，设定一个误差窗口W(W(也叫误差容限也叫误差容限) )，然，然 后看每次的实测值后看每次的实测值XtXt与预测值与预测值XtXt 之差是否超过之差是否超过W W，据此判断。据此判断。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理取代奇异点取代奇异点 -用预测值用预测值XtXt 取代实测值取代实测值XtXt。 如何得到预测值如何得到预测值XtXt ，取决于所采用的预测方法及取决于所采用的预测方法及所建立的预测模型。所建立的预测模型。 一般测控系统中常用一阶差分方程作为预测模型来计一般测控系统中常用一阶差分方程作为预测模型来计算预测值，即：算预测值，即

57、： XtXt=XtXt-1+(-1+(XtXt-1-1-XtXt-2)-2) 这种方法虽然简单，但当采样频率的选择符合采样定理这种方法虽然简单，但当采样频率的选择符合采样定理时，这样得到的预测结果还是足够精确的。时，这样得到的预测结果还是足够精确的。 为确保检测结果的正确性、真实性，有时还应对连续出为确保检测结果的正确性、真实性，有时还应对连续出现的奇异点进行计数，以防系统误差造成的数据平移等假象。现的奇异点进行计数，以防系统误差造成的数据平移等假象。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理E=E-1(E=E-1(采样点数减采样点数减1 1） 设定误差窗口设定误差窗口W W和采样点数和采样

58、点数N N设置工设置工作单元作单元A,B,C,D,E;NEA,B,C,D,E;NE读入读入XtXt-2-2、XtXt-1-1和和Xt XtXt Xt- -2A2A、XtXt-1-1BXtBXtCC计算预测值：计算预测值：XtXt=(B)+(B)(A),=(B)+(B)(A),XtXtDDC-DW?C-DW?奇异点计数清零奇异点计数清零( (B)A,(C)BB)A,(C)BE=0?E=0?计算算术平均值：计算算术平均值：X=X=1 1N NXiXiN Ni=1i=1返回返回舍去，返回采样程序舍去，返回采样程序3?3?奇异点计数奇异点计数( (加加1)1)( (D)CD)CN NY YN NN N

59、Y YY Y12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理(2)(2)数字滤波数字滤波 - -一种软件滤波方法，即利用计算机程序代替硬件滤一种软件滤波方法，即利用计算机程序代替硬件滤 波器，对剔除奇异点的检测数据进行平滑加工，目的是提高波器，对剔除奇异点的检测数据进行平滑加工，目的是提高信噪比。信噪比。程序判断滤波法程序判断滤波法中值滤波法中值滤波法算术平均滤波法算术平均滤波法加权平均滤波法加权平均滤波法比较取舍滤波法比较取舍滤波法平滑滤波法平滑滤波法一阶递推滤波法一阶递推滤波法12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理程序判断滤波法程序判断滤波法 - -根据生产经验事先确定相邻两次采样输入信

60、号可根据生产经验事先确定相邻两次采样输入信号可 能出现的最大偏差值能出现的最大偏差值XX，在采样过程中若超出此在采样过程中若超出此XX，表表 明属干扰信号，予以舍弃；若小于明属干扰信号，予以舍弃；若小于XX，则表明是正常采则表明是正常采样值。样值。此法具体又分此法具体又分 为两种：为两种：限幅滤波限幅滤波限速滤波限速滤波( (兼顾实时性和连续兼顾实时性和连续 性的折衷方法性的折衷方法) )12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理限幅滤波法流程图限幅滤波法流程图限速滤波法流程图限速滤波法流程图采集采集X1,X2X1,X2| |X2-X1|X?X2-X1|X?不要不要X2X2，但仍但仍保留保留

61、X3X3N NY YN NY YY YN N| |X3-X2|X?X3-X2|X?X2,3=(X2+X3)/2X2,3=(X2+X3)/2X2=X2X2=X2X3=X3X3=X3XnXn= =XnXn-1-1XnXn= =XnXn| |XnXn- -XnXn-1|X?-1|X?12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理中值滤波法中值滤波法 - -将连续将连续n n次次( (n n为奇数为奇数) )采样值先排序整理，使之采样值先排序整理，使之 从小到大从小到大( (或相反顺序或相反顺序) )排列，然后取其中间的那个采排列，然后取其中间的那个采样值作为本次采样值。样值作为本次采样值。 中值滤波对

62、去掉脉动干扰较为有效，但对快速变中值滤波对去掉脉动干扰较为有效，但对快速变化的参数则不宜使用。化的参数则不宜使用。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理算术平均滤波算术平均滤波 - -将连续将连续n n次采样值相加，再求其算术平均次采样值相加，再求其算术平均值值X0X0，作为本次的采样值，即：作为本次的采样值，即：X X0 0= = XiXii=1i=1n nn n1 1 这种方法主要适用于对压力、流量等周期脉这种方法主要适用于对压力、流量等周期脉 动的采样值进行平滑加工动的采样值进行平滑加工, ,但对脉冲性干扰的平但对脉冲性干扰的平 滑效果欠佳。平均次数滑效果欠佳。平均次数n n取得大

63、，平滑度提高，取得大，平滑度提高，但灵敏度下降。但灵敏度下降。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理加权平均滤波法加权平均滤波法-将各采样值先加权，再平均。各点权重不同，平将各采样值先加权，再平均。各点权重不同，平滑处理中心点附近的数据权值大，越偏离中心权值越小。滑处理中心点附近的数据权值大，越偏离中心权值越小。一般每个采样周期采一般每个采样周期采n(=2N+1)n(=2N+1)点。点。加权平滑处理公式：加权平滑处理公式：WiWi为第为第i i点的加权系数。点的加权系数。X X0 0= =N Ni=-Ni=-NWiWi1 1. .WiXiWiXii=-Ni=-NN N12.2.3 12.

64、2.3 数据处理数据处理比较取舍滤波法比较取舍滤波法-去两头取平均去两头取平均 X Xi i为有序化处理后的采样数据为有序化处理后的采样数据 ( (一般一般X Xj j-1-1 X Xi i X Xj j+1+1) )n n为采样数据点数为采样数据点数k k为每端剔除的奇异点数为每端剔除的奇异点数X X0 0为滤波值为滤波值X X0 0= =( (n-2k)n-2k)i=k+1i=k+1n-kn-kX Xi i1 112.2.3 12.2.3 数据处理数据处理平滑滤波法平滑滤波法前面前面滤波法的共同特点是：滤波法的共同特点是： 每个采样周期需重复采集多点，这将影响采样频每个采样周期需重复采集多

65、点，这将影响采样频率的提高。在实时性要术很高的测控系统中不太适用。率的提高。在实时性要术很高的测控系统中不太适用。平滑滤波的基本思想：平滑滤波的基本思想： 建立一个固定长度建立一个固定长度( (设为设为N)N)的队列，里面总是保留的队列，里面总是保留 最新的最新的N N个采样点数据个采样点数据( (最新的一个冲掉最早的一个最新的一个冲掉最早的一个) )，然后，然后每次以最新每次以最新N N个数据的平均值作为本次采样值。个数据的平均值作为本次采样值。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理一阶递推滤波法一阶递推滤波法 前述几种滤波法基本上属于静态滤波，主要适用于误前述几种滤波法基本上属于静态

66、滤波，主要适用于误 差信号变化较快的参数采集、检测，对慢速随机变化误差信号变化较快的参数采集、检测，对慢速随机变化误 差的滤波效果欠佳。若采用动态滤波即一阶递推滤波算差的滤波效果欠佳。若采用动态滤波即一阶递推滤波算 法，则可提高其滤波效果。其公式为：法，则可提高其滤波效果。其公式为：YnYn=XnXn+(1-)+(1-)YnYn-1-1XnXn为第为第n n次采样值次采样值 这种方法的实质是一种利用软件代替硬件这种方法的实质是一种利用软件代替硬件RCRC低通滤波器的低通滤波器的算法。算法。 为滤波平滑系数，为滤波平滑系数，= (= (为数字滤波器时间常数，为数字滤波器时间常数，T T为采样周期

67、）为采样周期）+T+TYnYn-1-1和和YnYn分别为第分别为第n-1n-1次和第次和第n n次采样后滤波结果的输出值次采样后滤波结果的输出值12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理2.2.系统误差的处理系统误差的处理 系统误差主要指系统内在的特性误差，包括非线性系统误差主要指系统内在的特性误差，包括非线性 误差、传感器的分散性、温度特性带来的误差，系统的误差、传感器的分散性、温度特性带来的误差，系统的动态特性引起的误差等。动态特性引起的误差等。 消除系统误差的方法很多，其中常用的软件处理方消除系统误差的方法很多，其中常用的软件处理方法有：法有： (1)(1)查表法查表法(2)(2)曲线

68、拟合法曲线拟合法(3)(3)插值法插值法(4)(4)对温漂影响的修正对温漂影响的修正(5)(5)动态特性的校正动态特性的校正12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理(1)(1)查表法查表法-将测量传感器的输入将测量传感器的输入- -输出函数关系输出函数关系以表格形式存放在内存以表格形式存放在内存ROMROM中，然后根据直中，然后根据直接测得的参数值通过查表得到被测量结果。接测得的参数值通过查表得到被测量结果。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理(2)(2)曲线拟合法曲线拟合法 - -根据实验获得的一组实测数据根据实验获得的一组实测数据( (XiXi,Yi-i=1,2,Yi-i=1,

69、2, N) N)，用数学上的曲线拟合法，拟合成一条用数学上的曲线拟合法，拟合成一条m m次方的次方的 有理多项式曲线有理多项式曲线Y=F(X)Y=F(X)。用它来表示实际函数曲线，然后在采用它来表示实际函数曲线，然后在采 集、测量过程中，每采集一点就代入这条拟合曲线的方程中去集、测量过程中，每采集一点就代入这条拟合曲线的方程中去解得对应的输出函数值。解得对应的输出函数值。 为保证拟合精度，应使拟合函数与实际标定函数的均方差为保证拟合精度，应使拟合函数与实际标定函数的均方差最小。最小。 实际中用于表示拟合函数的有理多项式形式，以泰勒展开实际中用于表示拟合函数的有理多项式形式，以泰勒展开式和切比雪

70、夫展开式应用最多。式和切比雪夫展开式应用最多。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理(3)(3)插值法插值法-将查表法与曲线拟合法结合，产生逼近函数将查表法与曲线拟合法结合，产生逼近函数Y=F(X)Y=F(X)，使在一定误差范围内近似地代替原函数使在一定误差范围内近似地代替原函数Y=F(X)Y=F(X)。其实质是将函数其实质是将函数 分段拟合：分段拟合：表中有的点，查表表中有的点，查表表中没有的点表中没有的点XiXi( (XbXb XiXi XbXb+1)+1)，用用XbXb、XbXb+1+1的相近函数作内插，的相近函数作内插，计算出计算出YiYi 内插函数根据具体情况和插值精度要求选择

71、，实际应用较内插函数根据具体情况和插值精度要求选择，实际应用较多的是线性多的是线性( (一次一次) )插值法和二次抛物线插值法。插值法和二次抛物线插值法。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理温度修正原理图温度修正原理图(4)(4)对温漂影响的修正对温漂影响的修正 温漂指温度变化引起的数据采集通道或主要部件温漂指温度变化引起的数据采集通道或主要部件的零点漂移和特性变化。的零点漂移和特性变化。修正补偿修正补偿 的方法：的方法：传统：置于恒温槽中（增加了体积；传统：置于恒温槽中（增加了体积； 需要预热时间）。需要预热时间）。微机化系统中：温度自修正、自补偿。微机化系统中：温度自修正、自补偿。

72、参数参数传感器传感器温度温度传感器传感器信号信号调理调理信号信号调理调理MUXMUXA/DA/DI/OI/OCPUCPU12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理常用温度误差修正模型常用温度误差修正模型YcYc=Y(1+0)+1=Y(1+0)+1 - -适于温度变化不大时适于温度变化不大时YcYc=Y(1+0+1)+2+3=Y(1+0+1)+2+3 - -适于温度变化大和传感器的灵敏度、适于温度变化大和传感器的灵敏度、零漂随温度呈非线性变化时。零漂随温度呈非线性变化时。Y:Y:修正前参量修正前参量YC:YC:修正后参量修正后参量:现场实际温度与标准温度之差现场实际温度与标准温度之差003:3

73、:温度误差系数温度误差系数12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理(5)(5)动态特性的校正动态特性的校正 测控系统的极限频率小于被测信号最高频率时，将产测控系统的极限频率小于被测信号最高频率时，将产 生动态误差，需要在采集通道中串接超前校正环节来展宽生动态误差，需要在采集通道中串接超前校正环节来展宽频带。频带。在连续系统中用硬件校正。在连续系统中用硬件校正。在数字系统中用软件在数字系统中用软件( (数字数字) )校正。校正。12.2.3 12.2.3 数据处理数据处理3.3.标度变换标度变换 - -将计算机测量、采集系统得到的数字量将计算机测量、采集系统得到的数字量( (如如0000H

74、H FFH)FFH)变换为被测参量原有工程单位的数值大小，以便于变换为被测参量原有工程单位的数值大小，以便于显示、打印或记录。显示、打印或记录。对线性测量仪表或采集通道，标度变换公式为：对线性测量仪表或采集通道，标度变换公式为：A AX X=A=A0 0+(A+(Am m-A-A0 0) )N NX X-N-N0 0N Nm m-N-N0 0A AX X: :实测工程值实测工程值A A0 0: :一次测量仪表的下限一次测量仪表的下限A Am m: :一次测量仪表的上限一次测量仪表的上限N NX X,N,N0 0,N,Nm m: :A AX X,A,A0 0,A,Am m对应的数字量对应的数字量

75、 实际中常将被测量下限对应的数字量实际中常将被测量下限对应的数字量N0N0定为定为0 0，上式即简化为，上式即简化为: :A AX X=A=A0 0+(A+(Am m-A-A0 0) )N NX XNmNm对非线性仪表或通道，标度变换要复杂得多对非线性仪表或通道，标度变换要复杂得多( (从略从略) )。12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动 执行机构指控制各种参数按输出指令变化的控制执行机构指控制各种参数按输出指令变化的控制部件或装置，如伺服电机、阀门、继电器等。部件或装置，如伺服电机、阀门、继电器等。 执行机构的驱动，对计算机控制系统来说，实执行机构的驱动，对计算机控制系统

76、来说，实 质上就是模拟或数字输出通道。它与一般输出设备质上就是模拟或数字输出通道。它与一般输出设备 的输出通道本质上没多少差别，主要差别在于要求的输出通道本质上没多少差别，主要差别在于要求 的功率往往较大，需提供大电流、高电压的驱动信的功率往往较大，需提供大电流、高电压的驱动信号。号。 为此，在微机输出口与执行机构之间往往需增为此，在微机输出口与执行机构之间往往需增 加一级驱动器加一级驱动器( (逻辑门逻辑门/ /DAC/DAC/电流变换器电流变换器/ /功率放大器功率放大器) )。12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动几种常见负载情况下的驱动器举例：几种常见负载情况下的驱动

77、器举例：一般电阻负载驱动器一般电阻负载驱动器大电流电阻负载驱动器大电流电阻负载驱动器一般感性负载驱动器一般感性负载驱动器大电流感性负载驱动器大电流感性负载驱动器交流负载驱动器交流负载驱动器伺服电机负载驱动器伺服电机负载驱动器12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动其他其他负载负载的驱的驱动器动器输输出出口口7 76 65 54 43 32 21 10 0驱动器（驱动器（OCOC门）门）标准标准TTLTTL输出输出74067406IL40mAIL40mAVL30VVL30V电阻电阻负载负载一般电阻负载驱动器一般电阻负载驱动器12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动

78、大电流电阻负载驱动器大电流电阻负载驱动器输输出出口口驱动器驱动器( (OCOC门门) )+5+5V VVL30VVL30V电阻负载电阻负载IL300mAIL300mA7546275462标准标准TTLTTL输出输出& & &7 76 65 54 43 32 21 10 012.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动一般感性负载驱动器一般感性负载驱动器12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动大电流感性负载驱动器大电流感性负载驱动器12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动交流负载驱动器交流负载驱动器12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动

79、伺服电机负载驱动器伺服电机负载驱动器CPUCPUD D7 7D D0 0DACDAC14221422SMSM阀阀生产过程生产过程伺服机构伺服机构12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动几种常见执行机构的接口驱动方法：几种常见执行机构的接口驱动方法：继电器继电器电磁阀电磁阀/ /电动阀电动阀伺服电机伺服电机步进电机步进电机12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动1.1.继电器驱动控制方法继电器驱动控制方法 继电器是用来控制外界大电流或高电压的电器继电器是用来控制外界大电流或高电压的电器元件，由线圈和触点两部分组成。两者没有电路联元件，由线圈和触点两部分组成。两者没

80、有电路联系，只有磁场联系，因此输入输出回路是电隔离的，系，只有磁场联系，因此输入输出回路是电隔离的，有利于抗干扰。在各类开关量控制系统中用得很广。有利于抗干扰。在各类开关量控制系统中用得很广。12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动2.2.电磁阀、电动阀驱动控制方法电磁阀、电动阀驱动控制方法电磁阀工作原理跟继电器很相似，其驱动控制方法也与电磁阀工作原理跟继电器很相似，其驱动控制方法也与继电器相同。电动阀则需采用闭环驱动的控制方式，通继电器相同。电动阀则需采用闭环驱动的控制方式，通过阀门的位置反馈使其在正常行程或旋转角范围中使用过阀门的位置反馈使其在正常行程或旋转角范围中使用。1

81、2.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动3.3.伺服电机驱动控制方法伺服电机驱动控制方法 伺服电机将输入的电压信号变换为轴上的角位移和伺服电机将输入的电压信号变换为轴上的角位移和角速度输出。角速度输出。 伺服电机有直流和交流两大类。直流电机用于功率伺服电机有直流和交流两大类。直流电机用于功率 较大的控制方式，交流电机用于功率较小的控制系统。较大的控制方式，交流电机用于功率较小的控制系统。 本书只以直流电机为例，介绍开环驱动和闭环驱动两种本书只以直流电机为例，介绍开环驱动和闭环驱动两种接口控制方式。接口控制方式。12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动(1)(1)开

82、环驱动方式开环驱动方式 因采用的功率放大型式不同，有三种常见因采用的功率放大型式不同，有三种常见的开环驱动方法：的开环驱动方法：比例式功放驱动比例式功放驱动PWMPWM式功放驱动式功放驱动可控硅功放驱动可控硅功放驱动12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动比例式功放驱动比例式功放驱动特点：特点：DACDAC加线性功率放大器驱动加线性功率放大器驱动 本身功耗大，效率低，只适用于功率较小、电枢本身功耗大，效率低，只适用于功率较小、电枢 阻抗较高的场合。阻抗较高的场合。C CP PU U输出口输出口DACDAC晶体管晶体管功率放大功率放大M ML L12.2.4 12.2.4 执行机

83、构及驱动执行机构及驱动PWMPWM式功放驱动式功放驱动 功耗低、效率高，利于克服伺服电机的静摩擦，且功耗低、效率高，利于克服伺服电机的静摩擦，且体积小、价格低、工作可靠，所以应用很广。体积小、价格低、工作可靠，所以应用很广。脉宽调制可硬件实现，也可软件实现。脉宽调制可硬件实现，也可软件实现。 特点特点: :通过改变输出给功放电路的脉冲宽度通过改变输出给功放电路的脉冲宽度( (即占空比即占空比) )控制一周期内的平均功率，进而控制电机的转速；开关型功控制一周期内的平均功率，进而控制电机的转速；开关型功放电路。放电路。 C CP PU U脉冲输出口脉冲输出口（脉宽可调）（脉宽可调）CTCCTC开关

84、型功放开关型功放M ML L12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动可控硅功放驱动可控硅功放驱动 特点：可控硅功率放大器驱动，无论交流、直流特点：可控硅功率放大器驱动，无论交流、直流或脉冲信号，均可作触发控制信号，为电机提供平均驱或脉冲信号，均可作触发控制信号，为电机提供平均驱动功率。动功率。 输出功率大、效率高、广泛应用于大中型直流电机输出功率大、效率高、广泛应用于大中型直流电机拖动中。拖动中。 可控硅功放的实现电路有单相桥式、三相半波可控硅功放的实现电路有单相桥式、三相半波式和三相桥式等。式和三相桥式等。C CP PU U输出口输出口CTCCTC触发功放触发功放可控硅功放式

85、驱动可控硅功放式驱动u uM ML L12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动(2)(2)闭环驱动方式闭环驱动方式 为稳定伺服电机的转速，改善稳态精度以及系统为稳定伺服电机的转速，改善稳态精度以及系统的快速性，需引入负反馈，实现闭环驱动控制。的快速性，需引入负反馈，实现闭环驱动控制。 反馈方式有多种，其中以转速负反馈最为典型，反馈方式有多种，其中以转速负反馈最为典型，应用也最广。应用也最广。实现转速负反馈的方法通常又有多种，如：实现转速负反馈的方法通常又有多种，如：以测速电机作转速反馈装置以测速电机作转速反馈装置以光电码盘作转速反馈装置以光电码盘作转速反馈装置12.2.4 12

86、.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动以测速电机作转速反馈装置以测速电机作转速反馈装置S321S321工作电机工作电机M MV VD D功放功放前放前放DACDACADCADCV VB BM MS321S321测速电机测速电机12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动以光电码盘作转速反馈装置以光电码盘作转速反馈装置12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动4.4.步进电机驱动控制方式步进电机驱动控制方式 步进电机是工业过程控制和仪器仪表中重要的控制步进电机是工业过程控制和仪器仪表中重要的控制元件之一，主要用于精确定位、定速。元件之一，主要用于精确定位、定速。 步进电

87、机的工作速度与电脉冲频率成正比，基本上不受步进电机的工作速度与电脉冲频率成正比，基本上不受其它因素影响，所以步进精度高，能提供高精度的位移和速其它因素影响，所以步进精度高，能提供高精度的位移和速度控制。度控制。一般使用开环控制方式即可满足精确定位、定速的要求。一般使用开环控制方式即可满足精确定位、定速的要求。 具体驱动方案的设计，取决于从控制要求出发，选择什么具体驱动方案的设计，取决于从控制要求出发，选择什么工作方式和多高的步进脉冲频率。工作方式和多高的步进脉冲频率。12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动步进电机的工作方式步进电机的工作方式-指各相定子依次励磁的顺序方法。指各

88、相定子依次励磁的顺序方法。以三相步进以三相步进电机为例有电机为例有三种方式三种方式: :三相三拍：顺序单相励磁三相三拍：顺序单相励磁( (A B C)A B C)三相双三拍：每次两相同时励磁，顺序换相三相双三拍：每次两相同时励磁，顺序换相( (AB BC CA)AB BC CA)三相六拍：两相、一相交替励磁三相六拍：两相、一相交替励磁( (AB B BC C CA A)AB B BC C CA A)12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动步进电机驱动方案设计方法步进电机驱动方案设计方法(1)(1)先根据控制先根据控制要求选择要求选择工作方式工作方式步进脉冲频率步进脉冲频率(2)

89、(2)按要求产生所需频率的步进脉冲，并控制脉冲发按要求产生所需频率的步进脉冲，并控制脉冲发生总个数。生总个数。(3)(3)由脉冲分配器将步进脉冲按步进电机工作方式分由脉冲分配器将步进脉冲按步进电机工作方式分配给各相绕组。配给各相绕组。12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动计算机控制的驱动接口示例计算机控制的驱动接口示例以此硬件为基础，配之以一定的软件驱动程序。以此硬件为基础，配之以一定的软件驱动程序。12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动 计算机通过软件进行脉冲分配时，关键是根计算机通过软件进行脉冲分配时，关键是根据控制所需的步进脉冲频率，计算出每拍的时间据

90、控制所需的步进脉冲频率，计算出每拍的时间( (即步进周期即步进周期) )，然后用软件或硬件延时来向，然后用软件或硬件延时来向PIOPIO接口对应各相的数位中按相切换的顺序规律，依接口对应各相的数位中按相切换的顺序规律，依次输出次输出1 1或或0 0。12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动 以以12-38-912-38-9页图为基础，三相步进电机各种页图为基础，三相步进电机各种工作方式下应顺序循环写入的控制字：工作方式下应顺序循环写入的控制字：工作方式工作方式地址地址控制字控制字控制字写入顺序控制字写入顺序正正 转转反反 转转三相三相三拍三拍三相三相双三拍双三拍三相三相六拍六拍

91、FAFAFA+1FA+1FA+2FA+2SASASA+1SA+1SA+2SA+2TATATA+1TA+1TA+2TA+2TA+3TA+3TA+4TA+4TA+5TA+50101H H0202H H0404H H0303H H0606H H0505H H0101H H0303H H0202H H0606H H0404H H0505H H12.2.4 12.2.4 执行机构及驱动执行机构及驱动基于基于12-38-912-38-9页图电路的驱动程序流程：页图电路的驱动程序流程：PIOPIO初始化，脉冲总数初始化，脉冲总数D D检测正反转标志检测正反转标志判正反转判正反转正正反反控制字表末址控制字表末

92、址 HL,HL,拍数拍数 B B工作方式控制字表首址工作方式控制字表首址 HL,HL,拍数拍数B BA A( (HL)HL)PIOPIOB B口口 A A延时一拍时间延时一拍时间B0?B0?Y YN ND-1D-1D DD0?D0?HL-1HL-1HLHLB-1B-1B BY YN NA A( (HL)HL) PIOPIO B B口口A A延时一拍时间延时一拍时间HL+1HL+1HLHL 指向下一个字；指向下一个字； B-1B-1B BB0?B0?Y YN NY YN ND0?D0?D-1D-1D D出口出口12.2.5 12.2.5 可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰设计是系

93、统设计中十分重要的内容。可靠性与抗干扰设计是系统设计中十分重要的内容。影响系统可靠性的原因：影响系统可靠性的原因： (1) (1)来自于系统内部的不可靠因素，如元部件损来自于系统内部的不可靠因素，如元部件损坏失效、焊点脱落等。坏失效、焊点脱落等。 (2) (2)来自于系统内外的干扰因素，如电网干扰、地来自于系统内外的干扰因素，如电网干扰、地线干扰和线干扰和I/OI/O通道干扰等。通道干扰等。增强系统可靠性的措施：增强系统可靠性的措施： (1) (1)针对内部不可靠因素，采取避错、容错设计针对内部不可靠因素，采取避错、容错设计技术。技术。(2)(2)针对干扰因素，采用抗干扰措施。针对干扰因素，采

94、用抗干扰措施。12.3 12.3 计算机测控系统的设计与开发计算机测控系统的设计与开发 一般说来，测控系统的设计开发可按以下四个一般说来，测控系统的设计开发可按以下四个步骤进行：步骤进行：明确设计要求和准则，形成设计任务书明确设计要求和准则，形成设计任务书制定总体方案制定总体方案进行硬件、软件细化设计进行硬件、软件细化设计仿真与调试仿真与调试1.1.明确设计要求和准则，形成设计任务书明确设计要求和准则，形成设计任务书 要明确设计要求和准则，必须进行两方面要明确设计要求和准则，必须进行两方面的调查研究：的调查研究： (1) (1)实地调研，弄清现场环境条件、测控对象数学实地调研，弄清现场环境条件

95、、测控对象数学 模型能否辨识和建立、技术配备、用户的各种模型能否辨识和建立、技术配备、用户的各种 要求和国际标准规定等。要求和国际标准规定等。(2)(2)检索查阅中外文献资料，了解国内外同类系统检索查阅中外文献资料，了解国内外同类系统 或类似系统的技术指标和应用情况。或类似系统的技术指标和应用情况。设计任务书的主要内容设计任务书的主要内容主题任务主题任务( (目标目标) )项目意义项目意义项目意义项目意义功能要求功能要求功能要求功能要求在形成设计任务书的过程中，设计者除了要充分考在形成设计任务书的过程中，设计者除了要充分考 虑用户对任务的特定要求外，还必须遵循目前测控系统虑用户对任务的特定要求

96、外，还必须遵循目前测控系统设计中一些共同的准则：设计中一些共同的准则：(1)(1)要正确处理先进性与经济性的关系，取得要正确处理先进性与经济性的关系，取得 尽可能高的性能价格比。尽可能高的性能价格比。(2)(2)要尽量选用标准化、系列化产品，坚持开要尽量选用标准化、系列化产品，坚持开 放式、模块化设计思想，使系统易于扩充放式、模块化设计思想，使系统易于扩充 和维修。和维修。(3)(3)要把可靠性、安全性放在首位。要把可靠性、安全性放在首位。(4)(4)要有良好的人机界面，操作方便且能容忍错误。要有良好的人机界面，操作方便且能容忍错误。 2.2.制定总体方案制定总体方案-设计开发的最关键一步设计

97、开发的最关键一步一般要提出几种方案，进行技术、经济比较，一般要提出几种方案，进行技术、经济比较，择优选用。择优选用。对一些大型的投资强的测控系统，还必须通对一些大型的投资强的测控系统，还必须通过过制定制定-论证论证-再制定再制定-再论证再论证的多次反复才能最后确定总体方案。的多次反复才能最后确定总体方案。总体方案包括的内容总体方案包括的内容1)1)方案拟达到的总目标方案拟达到的总目标2)2)总体技术功能和性能指标总体技术功能和性能指标3)3)硬件总体设计方案硬件总体设计方案4)4)软件总体设计方案软件总体设计方案5)5)控制策略选择及说明控制策略选择及说明6)6)保证性能指标的技术措施保证性能

98、指标的技术措施( (包括可靠性、抗干扰包括可靠性、抗干扰措施措施) )7)7)总预算、总进度总预算、总进度核心、关键、前提核心、关键、前提是合理划分系统的是合理划分系统的硬、软件界面硬、软件界面3.3.进行硬件、软件细化设计进行硬件、软件细化设计软件的细化设计主要是根据软件程序软件的细化设计主要是根据软件程序 流程，按模块化的原则设计相应程序。流程，按模块化的原则设计相应程序。硬件的细化设计包括按硬件系统结构选硬件的细化设计包括按硬件系统结构选 择现成的功能模块、器件装置和自行设择现成的功能模块、器件装置和自行设 计市面上难于买到或虽能买到但不能满计市面上难于买到或虽能买到但不能满 足设计要求

99、的模拟、数字接口电路，并足设计要求的模拟、数字接口电路，并 制作印刷电路板。制作印刷电路板。4.4.仿真与调试仿真与调试包括四个方面：包括四个方面：实验室实验室硬件硬件调试调试实验室软件调试实验室软件调试实验室仿真联调实验室仿真联调现场安装联调现场安装联调(1)(1)实验室硬件调试实验室硬件调试原则：原则：从局部到全局，先功能模块单调，从局部到全局，先功能模块单调， 再联调，逐步扩展调试范围。再联调，逐步扩展调试范围。工具：工具：常规电子仪器仪表；逻辑分析仪；常规电子仪器仪表；逻辑分析仪； 专用开发系统等。专用开发系统等。(2)(2)实验室软件调试实验室软件调试原则：原则：相对于硬件独立进行相

100、对于硬件独立进行也是从模块到系统也是从模块到系统(3)(3)实验室仿真联调实验室仿真联调根据测控系统的不同特点，对测控对象可采用：根据测控系统的不同特点，对测控对象可采用：数字仿真数字仿真半物理仿真半物理仿真全物理仿真全物理仿真为了保证仿真结果的真实性和向现场的可移为了保证仿真结果的真实性和向现场的可移 植性，联调时除作功能试验外，还必须尽可植性，联调时除作功能试验外，还必须尽可 能模拟实际干扰环境作可靠性和抗干扰试验。能模拟实际干扰环境作可靠性和抗干扰试验。(4)(4)现场安装联调现场安装联调 一般按先手动联调，再切换到计算机控制联调的一般按先手动联调，再切换到计算机控制联调的顺序进行。顺序进行。12.4 12.4 实际测控系统举例实际测控系统举例 例例11一个配料过程的计算机控制与管理系统一个配料过程的计算机控制与管理系统( (单处理机控制系统单处理机控制系统) ) 例例22一个通用实时机器人控制器一个通用实时机器人控制器 GKD-1 RRCGKD-1 RRC( (多微机并行处理结构的实时控制系统多微机并行处理结构的实时控制系统) ) 例例33一个架式制曲微机控制与管理一体化系统一个架式制曲微机控制与管理一体化系统( (集散式控制系统集散式控制系统) )各例详细各例详细说明说明从略从略