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1、现代检测系统设计实用化技术第1页，本讲稿共54页检测仪器的发展检测仪器的发展 模拟仪器模拟仪器模拟仪器模拟仪器 数字仪器数字仪器数字仪器数字仪器 虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器 智能仪器智能仪器智能仪器智能仪器 伏特表伏特表伏特表伏特表安培表安培表安培表安培表功率表功率表功率表功率表压力表压力表压力表压力表电位差计电位差计电位差计电位差计 数字频率计数字频率计数字频率计数字频率计数显表数显表数显表数显表数字万用表数字万用表数字万用表数字万用表示波器示波器示波器示波器微机微机微机微机+接口电接口电接口电接口电路路路路+传感器传感器传感器传感器 PC+PC+接口板接口板接口板接口板+系系系系统软
2、件统软件统软件统软件软件化仪器软件化仪器软件化仪器软件化仪器9、1虚拟仪器虚拟仪器9.1.1 9.1.1 概述概述概述概述 第2页，本讲稿共54页传统仪器传统仪器传统仪器传统仪器 结构形式结构形式 操作面板，信号输入输出端，信号处理线路板。操作面板，信号输入输出端，信号处理线路板。功能功能信号的采集和控制信号的采集和控制信号的分析与处理信号的分析与处理结果的表达与输出结果的表达与输出 局限性局限性 全全部部都都是是以以硬硬件件(或或固固化化的的软软件件)的的形形式式存存在在。这这种种框框架架式式的的结结构构，决决定定了了传传统统的的仪仪表表只只能能由由仪仪器器厂厂家家来来定定义义、制制造造，用
3、用户户无无法法改改变变的的现现实。实。第3页，本讲稿共54页第4页，本讲稿共54页 调节器面板图第5页，本讲稿共54页虚拟仪器虚拟仪器计算机技术和仪器技术结合：计算机技术和仪器技术结合：以以计计算算机机为为核核心心，由由测测量量应应用用软软件件支支持持，具具有有虚虚拟拟的的仪仪器器操操作作面面板板、足足够够的的仪仪器器硬硬件件与与通通信信功功能能的的测测量信息处理装置量信息处理装置。仪仪器器的的三三大大功功能能信信号号的的采采集集与与控控制制、信信号号的的分分析析与与处处理、结果的输出理、结果的输出均放在计算机上实现。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。虚拟示波器、虚拟
4、信号发生器、虚拟频谱仪。第6页，本讲稿共54页组成组成 PC机机+硬件接口卡硬件接口卡+开发系统的开发系统的“软功能库软功能库”、“软软控件库控件库”。特点特点 根据系统的功能要求进行根据系统的功能要求进行软装配、软连接、软组合、软装配、软连接、软组合、软修改、软测试软修改、软测试等一系列软操作，最后形成一台从外等一系列软操作，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观到功能到操作方法都于同类硬件仪器一样的虚拟仪器。器。“硬件搭台，软件唱戏硬件搭台，软件唱戏”。第7页，本讲稿共54页信号发生器前面板信号发生器前面板 图图图图9-1 9-1 信号发生器前面板信号发生器前面板
5、信号发生器前面板信号发生器前面板 第8页，本讲稿共54页温度计前面板温度计前面板 图图图图9-2 9-2 温度计前面板温度计前面板温度计前面板温度计前面板 第9页，本讲稿共54页组成：组成：计算机、模块化功能硬件及软件系统。计算机、模块化功能硬件及软件系统。9.1.2 9.1.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成 GPIB（General Purpose Interface Bus）通用总线接口卡）通用总线接口卡(挂接挂接GPIB接口仪器接口仪器)DAQ（Data Acquisition）数据采集接口卡）数据采集接口卡VXI（VMEbus eXtension Instrumentation）总线接
6、口）总线接口系统系统RS485串行总线、串行总线、Field现场总线现场总线(CAN、FF等等)功能硬件功能硬件第10页，本讲稿共54页图图图图9-3 9-3 虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成虚拟仪器硬件组成 第11页，本讲稿共54页第12页，本讲稿共54页一个典型的数据采集系统由四部分组成。一个典型的数据采集系统由四部分组成。第13页，本讲稿共54页虚拟仪器软件系统虚拟仪器软件系统系统管理系统管理虚拟仪器开发软件虚拟仪器开发软件虚拟仪器驱动程序虚拟仪器驱动程序DAQ、总线通信接口、总线通信接口DAQ接口卡接口卡总线通信接口卡总线通信接口卡数据采集数据处理图图图图9-4 9-4
7、 信号发生器前面板信号发生器前面板信号发生器前面板信号发生器前面板 第14页，本讲稿共54页9.1.3虚拟仪器的特点1、仪器的功能由用户按需要定义。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。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。数字信号处理成为系统软件的核心。图形化编程语言编程图形化编程语言编程，控制仪器的运行，完成对被控制仪器的运行，完成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。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利用集成的虚拟仪器库可生
8、成多台不同种类的虚拟仪器。虚拟仪器。系统组建快速方便。系统组建快速方便。第15页，本讲稿共54页9.1.4 9.1.4 虚拟仪器软件开发平台虚拟仪器软件开发平台 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TekTMS LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）实验室虚拟集成环境）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，图形化语言的开发语言，是一种面向仪器的图形化编程
9、环境，用来进行数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。量、实验室自动化以及过程监控。第16页，本讲稿共54页应应用用程程序序：使使用用LabVIEW软软件件开开发发平平台台编编制制的的程程序序称称为虚拟仪器程序，简称为为虚拟仪器程序，简称为VI。VI：程序前面板、框图程序和图标程序前面板、框图程序和图标/连接器。连接器。功能：功能：数学运算、逻辑运算各种输入输出功能。数学运算、逻辑运算各种输入输出功能。资源：资源：用于数据采集和仪器控制的用于数据采集和仪器控制的各种库函数、开各
10、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。发工具包、数学分析程序包和仪器的驱动程序等。第17页，本讲稿共54页 程序前面板程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于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。模拟真实仪表的前面板。图图图图9-5 9-5 频谱分析仪前面板频谱分析仪前面板频谱分析仪前面板频谱分析仪前面板 第18页，本讲稿共54页框图程序框图程序用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：构成：端口、节点、图框和连线图图图图9-6 9-6 软件流程图软件流程图软件流程图软件流程图 第19页
11、，本讲稿共54页功功能能模模板板 控控制制模模板板 工工具具模模板板 第20页，本讲稿共54页方案设计方案设计仪器的总体逻辑图仪器的总体逻辑图技术设计技术设计仪器电路图仪器电路图程序清单程序清单仪器制造仪器制造制板制板/装配装配/调试调试仪器成品仪器成品设设计计室室工工厂厂车车间间仓仓库库传统硬件仪器开发传统硬件仪器开发虚拟仪器开发虚拟仪器开发方案设计方案设计仪器建模仪器建模技术设计技术设计模型算法模型算法仪器制造仪器制造程序编制程序编制仪器成品仪器成品计计算算机机完完成成第21页，本讲稿共54页第22页，本讲稿共54页9.2 现场总线仪表现场总线仪表定义定义现场总线是应用在生产现场，在微机化
12、测量控制现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备（设备（现场总线仪表现场总线仪表）之间实现双向串行多节点）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）。的底层控制网络（局域网）。9.2.1 现场总线系统概述现场总线系统概述类型类型HART、CAN、LonWork、PufiBus、FF。第23页，本讲稿共54页变送器调节器HART手操器显示器24VR电流表传输线图图图图9-7 9-7 基于基于基于基于HARTHART协议的变送器接线图协议的变送器接线图协议的变送器接线图协议的变送器接线图 第24页，本讲稿
13、共54页2200HZ“0”I01100HZ“1”i(mA)t0.5-0.5图图9-8 HART协议传递的二进制数字信号协议传递的二进制数字信号D调制D解调第25页，本讲稿共54页CAN控制器CAN收发器MCU传感器传感器/执行器接口执行器接口其它外设CAN总线图图图图9-9 CAN9-9 CAN底层模块的硬件结构底层模块的硬件结构底层模块的硬件结构底层模块的硬件结构 第26页，本讲稿共54页网络拓扑结构（总线型、环型和星型）网络拓扑结构（总线型、环型和星型）星型结构：星型结构：1对对N 图图9-10星型网络拓扑结构星型网络拓扑结构第27页，本讲稿共54页环型结构：点对点环型结构：点对点 图图9
14、-11 环型网络拓扑结构环型网络拓扑结构第28页，本讲稿共54页总线型结构：共享介质总线型结构：共享介质 图图9-12 总线型网络拓扑结构总线型网络拓扑结构第29页，本讲稿共54页星型结构：星型结构：1对对N。中央节点，其它节点都要通过。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。中央节点交换信息。局域网交换机。环型结构：环型结构：点对点。环中数据沿着一个方向环绕点对点。环中数据沿着一个方向环绕逐站传输。逐站传输。总线型结构：总线型结构：各站地位平等，传递方向从发送信各站地位平等，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息的节点开始向两端扩散，各个节点在接收信息
15、时都检查地址，对比地址是否与本站地址相符，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。相符则接收网上的信息。需防止数据需防止数据“碰撞碰撞”。第30页，本讲稿共54页网络协议网络协议为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。为网络数据交换而制定的规则、约定与标准。构成要素：构成要素：语法：用户数据和控制信息的结构与方式。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、完成动作及作出的语义：需要发出的控制信息、完成动作及作出的响应。响应。时序：对事件实现顺序的详细说明。时序：对事件实现顺序的详细说明。第31页，本讲稿共54页网络层次网络层次ISO/IEC 749
16、8标准规定标准规定7层框架。层框架。（物理层、数据链路层、网络层）涉及通信系统（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，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。层取得数据传递到网络层。物理层（物理层（physicallayer）：）：作用：为数据链路层提供物理连接，以实现信息流传输。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。性
17、。信息流通路信息流通路第32页，本讲稿共54页数据链路层数据链路层(datalinklayer)：作用：在通信的实体之间建立数据链路连接。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。错控制。数据通路数据通路网络层网络层(networklayer)：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。数据选择最适当的路径。实现路由选择、拥塞控制、网络互连。实现路由选择、拥塞控制、网络互连。指挥指挥传输层传输层
18、(transportlayer)：功能：提供点到点服务，传送报文，确认接点间的数据传输功能：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。先权调度等。调度调度第33页，本讲稿共54页会话层会话层(sessionlayer)：功能：组织两个会话进程之间的通信，管理数据交换，对节功能：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。点之间的通信任务进行启动和停止调度。主持主持表示层表示层(presentationlayer)：功能：处理两个通信系统中
19、交换信息的表示方式。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。数据格式变换、数据的加密和解密、数据压缩与恢复等。翻译翻译应用层应用层(applicationlayer)：功能：确定进程之间通信的性质。提供应用进程所需要的信功能：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。息交换。服务服务第34页，本讲稿共54页9.2.2 CAN总线系统总线系统(Controller Area Network)1、CAN总线系统的构成总线系统的构成控制器控制器1控制器控制器2控制器控制器N人机界面人机界面传感器传感器节点节点1传感器传感器节点节点2传
20、感器传感器节点节点N执行器执行器节点节点1执行器执行器节点节点2执行器执行器节点节点N网关网关其它设备其它设备图图9-13 CAN总线系统的结构总线系统的结构第35页，本讲稿共54页CAN总线系统多数由上位计算机和微控制器构成。总线系统多数由上位计算机和微控制器构成。上位计算机通过上位计算机通过CAN适配卡与总线连接。适配卡与总线连接。相当网络中的一个节点。相当网络中的一个节点。传感器节点、控制器节点、执行器节点一般有微传感器节点、控制器节点、执行器节点一般有微控制器系统组成。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
21、器控制执行器的动作。来的数据输出到执行器控制执行器的动作。2、CAN总线网络结构总线网络结构（1）多主发送结构）多主发送结构（2）主从发送结构）主从发送结构第36页，本讲稿共54页CAN接口接口CAN接口接口CAN接口接口CAN接口接口图图9-14 基本基本CAN总线系统总线系统第37页，本讲稿共54页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CAN总线图图9-15 CAN总线节点组成总线节点组成第38页，本讲稿共54页3、CAN总线特点总线特点1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；2借助接收滤波可实现多地址的
22、帧传送；3数据采用短帧结构，抗干扰性强，数据帧的信息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。第39页，本讲稿共54页最大传输速率为时传输距离最大为；传输速率为时的最大传输距离为。总线的传输介质可为双绞线、同轴电缆等 第40页，本讲稿共54页第41页，本讲稿共54页控制器的初始化、总线数据的发送和接收等几个部分 的通信协议主要是由控制器完成的，对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。4、CAN总线软件流程总线软件流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
23、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。第42页，本讲稿共54页第43页，本讲稿共54页9.3 智能化智能化(网络化仪器网络化仪器)的设计的设计1、设计思想和设计原则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。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。任务，子任务分解为模块设计。如智能热量表的设计。如智能热量表的设计。热水锅炉温度、液位测控系统设计。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。
24、电机轴振动测试系统设计。第44页，本讲稿共54页智能热量表的设计智能热量表的设计热热 或或力力 中中站站 央央锅锅 空空炉炉 调调温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器积算仪积算仪流量计流量计用用户户热量表热量测量组成热量表热量测量组成 设计要求：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、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、流量回水温度、进回水温差、流速、流量第45页，本讲稿共54页热水锅炉温度、液位测控热水锅炉温度、液位
25、测控热热 水水锅锅 炉炉液位传感器液位传感器温度传感器温度传感器流量控制器流量控制器流量计流量计用用户户热水热水冷水冷水第46页，本讲稿共54页热功率、热量、运行时间等。热功率、热量、运行时间等。子任务：进回水温度传感器的选用与设计、流量子任务：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。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、调理电路、流量调理电路、A/D转换模块、单片转换模块、单片机及最小系统、键盘显示模块、存储器模块、通机及最小系统、键盘显示模块、存储器模块、通信
26、模块等。信模块等。每个模块中包括硬件电路设计和软件程序设计。每个模块中包括硬件电路设计和软件程序设计。第47页，本讲稿共54页（2）软硬件合理分工、相互配合软硬件合理分工、相互配合“硬件软化硬件软化”：模块中能够由软件实现的功能尽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。可能由软件实现。降低成本、减小体积。如温度补偿、非线性处理、调零、滤波等。如温度补偿、非线性处理、调零、滤波等。“软件硬化软件硬化”：芯片的集成度提高，各种信号处：芯片的集成度提高，各种信号处理算法固化于存储器中。理算法固化于存储器中。如如DSP芯片原来快速傅立芯片原来快速傅立叶变换由程序实现，现在利用叶
27、变换由程序实现，现在利用DSP进行进行FFT变换。变换。许多单片机集成硬件乘法器许多单片机集成硬件乘法器A/D转换器、定时器、转换器、定时器、WDT、总线控制器等，提高信号处理速度，提高、总线控制器等，提高信号处理速度，提高可靠性。可靠性。趋势：软硬件功能界限日益淡化。趋势：软硬件功能界限日益淡化。第48页，本讲稿共54页2、智能仪器的设计开发过程智能仪器的设计开发过程1）确定任务，拟订总体设计方案）确定任务，拟订总体设计方案（1）确定仪器的功能、技术指标及设计任务）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、分辨被测量数目、类型、变化范围、测量精度、分辨率、输出方
28、式（显示、打印、通信等）。仪器的率、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、使用环境、结构、尺寸、成本、可靠性、维护性、性能价格比等。性能价格比等。（2）拟订总体设计方案）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、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。整理、设计。第49页，本讲稿共54页单片机键盘显示A/D转换器 非易失存储通信电路流量传感器进进水水温温度度传传感感器器回回水水温温度度传传感感器器A/D转换器 第50页，本讲稿共54页2）进行硬件和软件设计）进行硬件和软件设计同步进行，各个模块软硬件设计相互配合。
29、同步进行，各个模块软硬件设计相互配合。（1）硬件电路设计和调试）硬件电路设计和调试各个功能模块电路（调理电路、采集电路、单片机各个功能模块电路（调理电路、采集电路、单片机及其外围电路、键盘显示电路、通信电路、存储电及其外围电路、键盘显示电路、通信电路、存储电路等设计），用路等设计），用PROTEL99等软件工具画原理图，等软件工具画原理图，在实验板上搭建实验电路，通过后，画出印刷电路在实验板上搭建实验电路，通过后，画出印刷电路板图，再调试。最后各个模块连接总调。板图，再调试。最后各个模块连接总调。（2）软件框图的设计和程序的编制）软件框图的设计和程序的编制各个功能模块软件设计，如采集子程序设计
30、、数据各个功能模块软件设计，如采集子程序设计、数据存储子程序、显示程序、键盘中断子程序、存储子程序、显示程序、键盘中断子程序、第51页，本讲稿共54页中断入口 0004H流量中断标志置位？按键中断标志置位？定时中断标志置位？中断返回数据采集处理根据按键次数 跳转对应功能定时累计时间第52页，本讲稿共54页通信子程序、时钟子程序等。通信子程序、时钟子程序等。编制流程框图和程序（主程序、中断程序、子程编制流程框图和程序（主程序、中断程序、子程序）采用汇编语言和序）采用汇编语言和C语言等。语言等。C语言：可读性、可移植性好，代码效率较低。语言：可读性、可移植性好，代码效率较低。在执行速度要求较高时，
31、注意与汇编语言混合编在执行速度要求较高时，注意与汇编语言混合编程。优势互补。程。优势互补。3）进行系统调试及性能测试）进行系统调试及性能测试进行硬件电路和软件的调试和样机测试，排除设进行硬件电路和软件的调试和样机测试，排除设计错误和各类故障。满足设计要求（功能实现、计错误和各类故障。满足设计要求（功能实现、性能指标达到要求）性能指标达到要求）第53页，本讲稿共54页软件调试工具（软件调试工具（A51、C51等）等）硬件电路调试（软件配合）。硬件电路调试（软件配合）。软硬件联合调试，找出设计错误和故障软硬件联合调试，找出设计错误和故障-修改硬件修改硬件电路和软件电路和软件-再调试，直到排除所有错误达到设计再调试，直到排除所有错误达到设计要求为止。要求为止。调试工具：各种仿真器、调试器和软件仿真器。调试工具：各种仿真器、调试器和软件仿真器。最后用编程器将软件固化到程序存储器中。最后用编程器将软件固化到程序存储器中。组装。组装。第54页，本讲稿共54页