现代传感技术与系统 教学课件 林玉池 曾周末 第12章

在线教务辅导网： 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网 QQ:349134187 或者直接输入下面地址： 第12章 现代传感系统概述 v12.1 现代传感系统的组成特点和发展趋势 v12.2 分布式测量系统 v12.3 现场总线系统 v12.4 虚拟仪器 12.1 现代传感系统的组成特点和发展趋势 v现代传感系统是传感器及其应用系统的总称，实现信息量采 集、处理、远程操作、资源网络化共享，高效完成复杂、艰巨 的测量控制任务，综合体现了信息获取、处理、传输及利用等 环节的技术集成优势，是现代信息社会测量控制与仪器仪表学 科重要的发展方向之一。 v现代传感系统由传感器节点、通信网络、中央处理服务器、 处理电路和相关软件组成，集成了传感器技术、分布式测量技 术、计算机技术、网络通讯技术、现场总线技术、智能仪器技 术、虚拟仪器技术等，可以满足现代测量、控制和数据处理的 多种需求。 12.1 现代传感系统的组成特点和发展趋势 v特点：协作性、自治性、灵活性、开放性、 可扩展性、智能化。 v发展趋势：网络化、智能化、数据融合、微 功耗和微型化。 12.1 现代传感系统的组成特点和发展趋势 v协作性：现代传感系统中各分散的基本功能单元通过网络互 连，进行数据传输，实现资源共享，协同工作，完成大型、复 杂的测量任务；各节点设备功能可动态配置，信息量大、速度 快、信息数字化，可远距离传输，系统监控不受地域限制，系 统结构开放、灵活。 v自治性：现代传感系统具有根据已有知识和经验、以理性的 方式进行推理和学习的功能。能感知自身状态和所处环境的变 化，能不需要其它实体的干预情况下，通过主动行为来适应这 种变化并做出适当响应。 12.1.1 现代传感系统的组成及特点 12.1.1 现代传感系统的组成及特点 v灵活性：用户可以根据功能需要选择不同供应商提供的设备 ，或为了探测不同量型信息的不同类型传感器和测量设备，构 成传感系统。用通讯协议来协同设备间的联系，实现信息交换 、融合和资源共享，互联设备间、系统间的信息安全传送，实 现系统信息的统一、协调处理。 v开放性：可以根据单一任务和多任务组成不同规模的传感系 统，规模可大可小。系统还可以新任务的需要，不断地添加新 的传感单元；也可以随着某任务的完成或因传感单元发生故障 ，使某些传感单元退出系统，而不会影响整个传感系统的正常 运行。 12.1.1 现代传感系统的组成及特点 v可扩展性：系统为完成特定任务而组织在一起时，各单元之 间合理地分配任务，相互协作，解决由单一单元不能完成的复 杂问题。针对不同的测量任务，系统可以随时增加或除去某个 硬件而不必改变结构。系统可以增加新的测量功能而不需重新 设计，软件可以不断升级，功能不断扩展。 v智能化：系统具有自诊断、自修正和自保护功能，能确定故 障位置、识别故障状态等，传感测量、补偿计算、工程测量处 理与控制等功能可以在系统内完成；可以随时诊断设备的运行 状态，提供可选择的运行操作方案；可以根据不同的测量要求 ，选择合理的工作流程，对信息进行综合分析处理，对运行状 态进行预测。 12.1.1 现代传感系统的组成及特点 v集成化：硬件上可将原来分散的、各自独立的传感器集成为 具有多敏感功能的传感系统，实现多参数测量，全面反应被测 对象的综合信息。软件支持平台可帮助用户将多个测量设备集 成到单个系统，利用网络或总线技术为接入设备提供标准接口 ，可以组建不同规模的测试系统，具有再开发、可重组性。软 、硬件的模块化处理，方便了系统集成，减小了维护工作量。 v网络化：系统利用通信网络、总线和各种标准接口，不受时 空制约地把所需的信息采集、传输、处理、控制等组成一个统 一的整体。 12.1.2 现代传感系统的发展趋势 v网络化：可以实现资源共享，使已有资源得到充分 利用，从而实现多系统、多专家的协同测试与诊断。 用户可以完成单机不能完成的工作，使用远程数据库 的强大功能和海量存储，对数据进行存取和共享；重 要数据实现多机备份，提高了系统的稳定性，实现了 整个测控过程的高度自动化、智能化，同时减少硬件 的设置，有效降低了系统的成本。 12.1.2 现代传感系统的发展趋势 v智能化：采用超大规模集成电路技术，嵌入式系统 ，将CPU、存储器、A/D转换器和输入、输出功能集成 在一起，充分利用了计算机的计算和存储能力，对传 感器的数据进行处理，并能对其内部工作状况进行调 节，使采集的数据最佳，并且可以自补偿、自校准和 自诊断等。由于具备数据处理、双向通信、信息存储 和记忆以及数字量输出等功能，从而可以完成图像识 别、特征检测和多维检测等复杂任务。 12.1.2 现代传感系统的发展趋势 v数据融合：对冗余数据进行网内处理，即中间节点在转发传 感器数据之前，首先对数据进行综合，去掉冗余信息，在满足 应用需求的前提下将需要传输的数据量最小化。在网内进行数 据融合，可以在一定程度上提高网络收集数据的整体效率。数 据融合减少了需要传输的数据量，可以减轻网络的传输拥塞， 降低数据的传输延迟。数据融合技术能够充分发挥各个传感器 的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠 性，增加了数据的收集效率，延长系统的使用寿命。 12.1.2 组成特点和发展趋势 v微功耗和微型化：传感器工作时一般离不开电源，在野外现 场或远离电网的地方，往往使用电池或太阳能等供电，开发微 功耗的传感器是必然的发展方向。各种控制仪器设备的功能越 来越强，要求各个部件体积越小越好，这就要求发展新的材料 及加工技术。传感器的微型化不仅仅是尺寸上的缩微与减少， 而且是一种具有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微 型系统，并在智能程度上与先进科技融合。其微型化主要体现 为以下发展趋势：尺寸上的缩微和性质上的增强性，各要素的 集成化和用途上的多样化，功能上的系统化、智能化和结构上 的复合性。 12.2.1 分布式测量系统及其特征 v分布式测量系统通过Internet、Intranet或无线网络等，把分 布于不同地方、独立完成特定功能的本地测量设备和测量计算 机连接起来，允许在不同地理位置的多个用户与不同地理位置 的多个仪器交互，以完成特定的测试任务，达到测量资源共享 、协同工作、分散操作、集中管理、测量过程监控和设备诊断 等目的。 v分布式测量系统是计算机技术、网络通讯技术、测量技术发 展并紧密结合的产物，可实现测量设备的动态配置，测量数据 的资源共享，增加了系统的灵活性、移植性和扩展性。 12.2 分布式测量系统 12.2.2 典型分布式测量系统的组成结构 v分布式测量系统以网络 为基础，测量中心服务器 为核心，由测量中心服务 器、现场测试子系统和数 据查询子系统组成，具有 开放互联能力，支持网上 测试应用服务的功能。 12.2.2 典型分布式测量系统的组成结构 客户层是由一台或多台 计算机（或终端设备） 组成，以网络互联方式 接入测量系统，负责与 普通用户的交互。普通 用户可以完成试验浏览 、试验预约和数据查询 、分析处理等过程。 管理层是分布式测量 系统的事务响应和事 务处理中心，同时也 是测量数据的处理、 存取和交换中心。测 量中心服务器负责完 成用户的数据处理请 求，控制测量服务器 、响应与处理测量请 求，同时实现对仪器 的操作和反馈。 12.2.2 典型分布式测量系统的组成结构 现场测量层主要由测 试仪器和数据采集设 备构成，主要任务是 响应测试中心的测试 请求，并完成数据采 集和调理工作（信号 放大、滤波和转换等 ）。 12.2.2 典型分布式测量系统的组成结构 12.2.3 分布式测量系统的软件支持 随着计算机软件技术的发展和变迁，分布式测量系统的 软件结构大致涉及底层硬件驱动程序、网络通信协议实现 、数据库存储及访问和测量控制/查询/显示平台开发等。开 发工具主要有VB、C+ Builder、VC、C#、JAVA等。在实 际开发中可能采用不同的工具开发不同的模块，例如数据 库开发可以采用Delphi、VB或SQL Sever2000。仪器控制 界面采用VB或.NET等等。开发语言和开发环境对系统影响 不大，主要看相互之间信息交互的网络平台，下面主要介 绍目前最流行的基于JAVA语言的测量平台开发。 12.2.4 分布式测量系统的设计开发 v基本因素：系统功能及技术指标，系统可靠 性，系统可操作性和维护成本等。 v设计原则：从整体到局部（自顶向下），分 析测量系统总体功能需求和技术指标，制定总 体设计要求；根据总体设计需求，将复杂要求 简单化，分解为相对独立的任务，制定详细的 设计方案和实施策略。 12.3 现场总线系统 v现场总线：安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的 自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。 v测控领域的计算机局域网，使控制系统和现场设备之间有了 通讯能力，并组成信息网络，实现系统的自动化，提高系统运 行的稳定性。 v现场总线是以单个分散、数字化、智能化的测量和控制设备 作为网络节点，节点间通过总线连接实现信息交互，共同完成 自动控制功能的网络系统和控制系统。 v现场总线控制系统：以现场总线为基础的全数字控制系统。 12.3.1 现场总线系统的体系结构 v具有总线接口的传感变送器、控 制模块等设备通过总线与控制器相 连并形成网络。 v各个现场总线控制器再与位于车 间的控制计算机形成车间级的监控 网。 v每个现场设备都具有微处理器和 通信单元，可以与阀门、开关等执 行机构直接传送信号，控制系统能 够不依赖中央控制室的计算机而在 现场直接完成，实现彻底的分散控 制。 12.3.2 典型现场总线协议 PROFIBUS 12.3.3 现场总线仪表 v全数字式：这是现场总线技术的显著特征，采用全数字式通 信可以提高传输距离和通信可靠性。 v精度高：仪表的智能化和数字化从根本上提高了测量和控制 的精度，基本上消除了模拟通信中数据传送所产生的误差。 v互操作性：不同厂家的设备可以相互通信，相互兼容。只要 符合同一现场总线标准的仪表都可以互相连接和交换数据，这 就对用户在系统构建初期产品的选择和后期维护更换带来了极 大的便利。 v系统成本低：一方面，一个设备可以实现多变量测量。另一 方面，现场总线系统的接线比较简单，现场布线的成本大大降 低，后期维护方便，成本低。 12.3.3 现场总线仪表 典型结构 12.3.4 现场总线系统的实现 v网络的拓扑结构：设计合理的结构，采用网桥等中继设备 ，能够有效提高网络的传输性能。 v传输距离：每种现场总线都有其一定传输距离要求，在不 能够满足需要的情况下是否可以采用中继器。 v传输速度：传输速度必须满足测量系统需要，保证整个系 统的实时性。 v负载能力：每种总线网络可串行负载数量有一定的限制， 如果负载需要扩展，需要采用怎样的拓扑结构和扩展设备。 v空间分布：现场总线系统各个节点分布在不同空间，系统 拓扑结构往往与空间分布密切相连，选择合适的拓扑结构，可 提高系统可靠性、降低系统成本。 12.3.4 现场总线系统的实现 v节点功能：现场总线上每一个节点都是一个智能单元，在 保证功能的前提下，每个节点和主控器分担不同的功能，为保 证整个系统的可靠，在节点硬件成本合理增加的基础上，每个 节点应尽量完成较多的计算任务，减少现场总线的数据传输量 ，提高系统的可靠性。 v总线开放程度：有的总线协议是开放的，有的是不开放的 ，有的提供芯片级支持，而有的总线只提供设备级的支持，测 试设备设计中，要受到温度、湿度、空间等使用条件限制，组 建系统时应根据这些因素，决定是否从每个节点的最底层硬件 设计开始还是选购现有产品设计。 船舶振动测试系统 v同时监控多个舱室中的振动； v每个舱室有多个区域有振动源，每个区域设计8个传 感器； v整个系统具有较好的扩展性，不仅监控舱室的数量可 以扩展，而且每个舱室内监控的区域也可以扩展； v满足-40120温度范围； v系统总线距离在500m左右，每个舱室内总线距离在 100米以内； v监控10Hz10KHz频率范围的振幅。 船舶振动测试系统 船舶振动测试系统：测量处理单元 12.4 虚拟仪器 虚拟仪器：以通用计算机为硬件平台，利用相应具有高性 能测试功能的硬件作为输入/输出接口，结合高效灵活的仪 器软件，在计算机屏幕上虚拟出仪器面板和交互功能，通 过鼠标或键盘实施操作的仪器。 虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成。无论哪种 虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到PXI/Compact PCI 、台式PC、笔记本电脑、掌上电脑或工作站等各种计算机 平台，配备专用应用软件构成。根据计算机总线的标准， 仪器硬件可能有PCMCIA、PXI、PCI、USB等不同的接口 形式。 12.4.1 虚拟仪器的组成与特点 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，把计 算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大 缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及 分析处理。由于计算机性能以每半年提高一倍的速度飞速发展，已把传统 仪器远远抛到后面。 12.4.1 虚拟仪器的组成与特点 12.4.2 虚拟仪器的硬件支持 v从虚拟仪器的组成看，计算机是虚拟仪器的硬件平 台，作为输入/输出接口的具有高性能测试功能的硬 件模块是硬件支持的核心。 v仪器制造商提供了具有不同功能的仪器硬件模块， 如高速数字化仪、动态信号分析仪、信号源、数字 I/O、计数器/定时器、图像采集、运动控制、分布式 I/O等模块。 v不同功能的仪器模块又可以使用不同的接口标准， 如PCMCIA、PCI、PXI、VXI、USB等以适应不同的计算 机平台。 12.4.4 网络化虚拟仪器 v网络化虚拟仪器是在虚拟仪器的基础上增加 网络通讯能力，具有测量仪器和网络服务器的 双重功能。 v根据客户端和服务器的不同，网络化虚拟仪 器包括基于Client/Server模式的虚拟仪器和基 于Web的网络化虚拟仪器。 12.4.4 网络化虚拟仪器：Client/Server模式 v将仪器的不同功能模块分解到不同的计算机上，数据通过网 络传输。一台计算机作为服务器采集数据，并将数据传递给其 它作为客户的计算机，同时这台计算机也可以作为客户接收其 它计算机传来的数据和指令。 客户 Client 服务器应用程序 数据库 服务器Server Internet 数据采集仪器控制数据分析结果显示 客户端应用程序首先打开一个服务器的连接，发送命令到服 务器并得到反馈信息。如果连接正确，则开始接收服务器传 来的数据；否则返回错误信息。最后关闭与服务器的连接。 服务器端应用程序首先进行初始化等，然后开始等待客户端 的连接命令，与客户端的连接一旦建立，根据客户端的命令 传输相应的数据，直到连接关闭。 12.4.4 网络化虚拟仪器：Web模式 v虚拟仪器技术与面向Internet的Web技术的有机结合。 虚拟仪器的主要工作是把传统仪器的前面板移植到普通计 算机上，利用计算机的资源处理相关的测