马西秦-第14章微型计算机在检测技术中的应用.ppt

第十四章 微型计算机在检测技术中 的应用 微型计算机在检测领域中的应用日 益广泛，微机自动检测系统已成为检测 技术发展的主要方向。在掌握传感器及 信号处理技术的基础上，运用工程设计 的一些基本方法，可以方便地构建微机 自动检测系统。 第一节 现代检测技术综述 现代检测系统的技术基础是总线技术、虚拟仪器 技术和网络化测试技术 . 一.总线技术 总线是一组互联信号线的集合，是计算机、测量仪器、测 试系统内部以及相互之间信息传递的公共通路，也是微机自 动检测系统的重要组成部分。微机自动检测系统的功能及形 式与其总线标准有很大的关系。利用总线技术，能够大大简 化系统结构，增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可维护 性，便于实行标准化以及组织规模化的生产，从而显著降低 系统成本。 总线的类别很多，分类方式多样。 根据总线上传输的信息不同，计算机系统总线分为地址总线 、数据总线以及控制总线； 根据信息传送方式，总线又可分为并行总线和串行总线； 从系统结构层次上区分，总线分为片内总线、元件级总线、 系统总线（内总线）及通信总线（外总线），如图14-1所示。 片内总线是集成电路芯片内部用以连接各功能单元的信息 通路。 元件级总线是印刷电路板上连接各芯片的信息通路。 系统总线是微机机箱内的主板总线，用以连接微机系统的各 插件板，一般为并行总线。 通信总线用于微机系统之间、微机与仪器或其它外设之间的 连接，可以是并行总线，也可以是串行总线。 图14-1 微机各级总 线示意图 1、系统总线 除了许多计算机总线可用作系统总线外，还有不少专门为 自动检测系统设计的总线。系统总线主要包括： 1）VME/VXI总线 2）PCI总线 PCI(Peripheral Component Interconnect) 3）PXI总线 PXI(PCI Extension for Instrumentation) 2、通信总线 1）串行总线 2）并行总线 3、现场总线 现场总线（Fieldbus）是用于过程自动化和制造自动化最底 层的现场设备或现场仪表互联的通信网络，是现场通信网络与控 制系统的集成。 图14-2 CAN测控网络 二.虚拟仪器技术 虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件三部分构成，计 算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。 虚拟仪器将计算机强大的图形界面、数据处理能力与仪器 硬件的测量、控制能力结合在一起，实现对数据的显示、存储 以及分析处理。 虚拟仪器由三大功能块构成： 信号的采集与控制, 信号的分析与处理, 结果的表达与输出. 图14-3 虚拟仪器结构图 虚拟仪器的关键是软件，这是因为虚拟仪器技术最核心的思想 ，就是充分利用计算机的硬软件资源，使本来需要硬件实现的技 术软件化(虚拟化)，最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与 灵活性。 虚拟仪器的软件框架由三部分构成：VISA库、仪器驱动程序和 应用软件。 三.网络化测试技术 网络化测试技术则是在计算机网络技术、通信技术高速发展， 以及对大容量分布式测量的大量需求背景下，由单机仪器、局部的 自动测试系统到全分布式的网络化测试系统而逐步发展起来的。 目前，以Internet为代表的计算机网络正在迅猛发展，随着网 络信道容量的扩大，网络速度将不再成为网络应用的障碍。为了实 现资源共享，许多企业都建立了自己的企业网（Intranet），并接 入到Internet，测试信息则通过企业网与外部Internet互连，从而 产生了基于网络化的分布式测试系统。 图14-4 分布式测试系统的体系结构 现场级总线用于连接现场的传感器和各种智能仪表，工厂级 用于过程监控、任务调度和生产管理，企业级则将企业的办公自 动化系统和测试系统集成而融为一体，实现综合管理。底层的现 场数据进入过程数据库，供上层的过程监控和生产调度使用，以 进行优化控制，数据处理后再提供给企业级数据库，以进行决策 管理。 分布式网络化测试技术是一项应用面非常广的综合技术，涉 及到网络化测量、网络化仪器、网络化控制、网络化制造、遥测 、遥控等信息技术多方面的内容，有着广阔的应用前景。 第二节 微机自动检测系统设计 微机自动检测系统种类很多，按用途大体上可分 为通用和专用两大类。 专用检测系统是针对具体的检测任务而设计的， 系统结构较为简单，所需的器件少，研制成本也较低 ，是本节讨论的重点内容。 一、微机自动检测系统组成结构 微机自动检测系统由现场传感器、数据采集装置及微 机三部分组成。数据采集装置的基本任务是：采集传感器 输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，通过 标准总线接口送至计算机进行数据处理。 图14-5 微机自动检测系统基本结构 在微机自动检测系统的集成过程中，传感器的选用是前提， 总线构成了系统的框架，数据采集装置则是系统的关键。在数据 采集装置的设计过程中，微处理器是采集装置的核心，A/D芯片 决定了系统的精度和速度，监控程序是开发是重点。 二、数据采集装置的硬件设计 1.微控制器选择 微控制器性能差异对系统实时能力和数据处理能力 产生直接影响，选择时一般考虑如下几方面的因素：CPU 性能，存储器，指令系统，中断系统功能。 目前自动检测系统中广泛采用以单片微计算机（ Single Chip Microcomputer，以下简称单片机）为核心 构成数据采集系统。 最近十年来，以MCS-51技术核心为主导的微控制器 技术已被ATMEL、PHILIPS等公司所继承。ATMEL公司把自 身的先进Flash存储器技术和8031核相结合，生产出了与 MCS-51兼容而功能更强的ATMEL89系列单片机。其最大的 特点是内部含Flash存储器，在系统的开发过程中可以十 分容易地进行程序修改，使开发周期大为缩短。 ATMEL89系列单片机有AT89C系列的标准型及低档型 ，以及AT89S系列的高档型。 图14-6 AT89C单片机的结构框图 图14-7 AT89S单片机的结构框图 近几年来片上系统SoC（System on Chip）的出现，为微机 自动检测系统的设计提供了全新的方案。SoC是指以嵌入式系统 为核心，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成 器件。SoC将电路设计的可靠性、低功耗性等都解决在IC设计之 中，把过去许多需要系统设计解决的问题集中在IC设计中解决 。 SoC的出现极大地简化了检测系统硬件部分的设计，使得原 先单片机应用系统设计中软、硬件并重的局面发生了变化，软 件设计的比重将会加大。目前，许多可编程的SoC芯片及其开发 平台都提供了较理想的SoC技术应用开发套件，这些套件具有编 译、仿真、调试及验证功能。借助与这些工具和芯片所提供的 技术和方法，工程技术人员可以较快地进入SoC应用设计领域。 2.信号调理电路 信号调理单元是传感器输出与A/D转换之间的一个重要 环节，其主要作用有三点： 第一是为A/D转换器提供适合其输入量程的输入信号； 第二是运用隔离技术抑制共模干扰电压； 第三是信号滤波及线性化处理。 3.多路模拟开关 微机自动检测系统往往需要同时采集多个传感器的输 出信号，然后进行A/D转换。如果每一路信号都采用独立的 输入回路，则系统成本成倍增加。为此，通常采用微机分 时采样的方法，使用多路模拟开关来实现信号测量通道的 切换。 选择多路模拟开关一般要考虑下列技术指标： 1）通道数量 2）泄漏电流 3）切换速度 4）开关电阻 4、A/D转换 A/D转换的功能是将模拟量信号转换成数字量。 目前使用较多的A/D转换器有两大类，一类是并行A/D转 换，另一类是串行A/D转换。传统的A/D转换器都是并行的， 由于I/O的引脚较多，这类芯片的体积都较大。在串行A/D转 换器中，转换结果以串行二进制编码的形式输出，只有1根 数据输出线，加上1根时钟输入线、片选或其他形式的控制 信号线，引脚大为减少，体积也大为减小，接口电路的设计 更为简单。 1)A/D转换的基本原理 图14-8是逐次逼近型A/D转换器的原理图， 图14-9是双积分型A/D转换器的原理图。 图14-8 逐次逼近型A/D转换器原理图 图14-9 双积分型A/D转换器原理图 2）A/D转换器的主要技术指标 分辨率: 表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电 压的变化量。 量化误差: 由ADC有限的分辨率而引起的误差。 偏移误差: 指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以 有时称为零值误差。 满刻度误差: 指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理 想输入电压之差 非线性度: 指ADC实际的转换函数与理想直线的最大偏移。 转换速率: 指ADC每秒转换的次数，完成一次A/D转换所需的 时间则为转换速率的倒数。 3)A/D转换器选择要点 首先要考虑A/D转换器的位数，它与整个检测系统的测量范 围及精度有关 . 其次要考虑A/D转换器的转换速率。 再次要考虑的问题是工作电压和基准电压。此外，要考虑的 还有模拟量输入的范围和极性、性能价格比、可替换性等诸多因 素。 5、采样及保持 为了在满足转换精度的条件下提高信号允许的工作频率，可 采用采样/保持器(Sample /Hold)。它在AD转换开始时使信号电 平保持不变，而在AD转换结束后又能跟踪输入信号的变化。 选择采样/保持器时，主要考虑：输入信号范围，输入信号变 化率和多路开关的切换速度. 当输入的模拟信号变化很缓慢，A/D转换速度相对而言足够快 时，可以不用采样/保持器。 三、数据采集系统的软件设计 微机自动检测系统的软件运行在不同的平台下， 设计中可能用到不同层次的程序设计语言。 数据采集装置通常基于单片机或片上系统，一般 用汇编语言或C语言编写监控程序。监控程序的主要作 用是及时响应来自系统或外部的各种服务请求，有效 地管理系统软硬件资源，并在系统一旦发生故障时， 能及时发现和作出相应的处理。 系统的数据处理功能通常在微机上实现，一般用 高级语言开发应用软件。 第三节 微机自动检测系统应用实例 一.基于单片机的数据采集系统 1、方案制定 根据设计要求，微机自动检测系统硬件由传感 器及测量电路、数据采集装置和通用微机三部分组成 ，系统结构如图14-10所示。 传感器及测量电路是检测系统的前置部分，它 将被测参数转换成-10V10V双极性电平信号。 数据采集装置是一个单片机系统。 微机的主要任务是对信号进行分析处理。 图14-10 微机自动检测系统结构框图 2、数据采集装置 数据采集装置的电路由单片机、模数转换器AD574A、 RS232通信芯片以及部分逻辑电路组成。 1)单片机 单片机采用AT89S52，其CPU为8031，指令系统与MCS-51 兼容。内部有8KB可重复编程的Flash存储器，256字节的RAM ，有32条可编程的I/O线，3个16位定时/记数器，8个中断源 ，3级程序存储器锁定（加密），可编程串行接口及片内时 钟振荡器，一个全双工的UART串行通道以及看门狗电路。 2)A/D转换器 ADC芯片采用美国模拟器件公司的12位逐次逼近型快速 A/D转换器AD574A，转换时间为25s，转换误差为1LSB。 AD574A内部有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的 8位或16位微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，且与 TTL电平兼容。 图14-11 数据采集装置电路原理图 3）工作原理分析 系统上电后先进行初始化工作，包括清RAM、设置堆栈指针 、设置相关的寄存器及标志位，然后立即进入监控程序。监控 程序的主要任务是接收解释微机发来的命令控制字，对被测量 的信号按规定的速度采样，经处理后通过串行口将数据发送到 微机。 当发生串行口中断时，进入相应的中断服务程序，接收微 机发来的命令控制字。本系统中制定了一个简单的通信协议： 命令字为C0C9分别代表10档采样速度，数据块发送方式；命 令字为CA表示以最高速度采样并单点发送。 在监控程序的每一次主循环中，CPU都要从命令控制字单元 取出命令并加以分析判断，当控制字的内容发生变化，则改变 定时器T0的时间常数，从而达到改变采样速度的目的。 定时器T0中断的主要任务是启动AD574A的模数转换。 图14-12 监控主程序流程图 3、微机应用程序 应用程序在WINDOWS平台下用VB6.0开发。 应用程序的主要任务是对检测系统进行监控管理及数据处 理，功能包括：通信设置、发送命令控制字、接收现场数据、 数字滤波、检测信号的标定、必要的非线性补偿、检测结果分 析、频谱分析、实时及历史数据存取、图形界面的信息输出等 。 图14-13为数据采集系统运行时的界面。 图14-13 数据采集系统运行界面 1.二.基于单片机的测控系统 2. 设计微机自动测控系统，要求系统能实现自动检测及控 制。输入通道有8路模拟量输入、8路数字量输入及1路脉冲计 数（或频率）输入，输出通道有4路模拟量输出及4路数字量输 出。 3. 1、方案制定 4. 根据设计要求，微机自动测控系统由过程装置、测控通 道及上位监控微机三部分组成。过程装置内可以是单独的对象 ，也可以是综合了液位、温度和流量等参数的复杂对象。测控 通道是一个以89C52微处理器为核心的单片机系统。上位监控 微机为工控机， 5. 用户通过微机进行系统组态和设定，对控制参数进行整 定，实现多种常规控制，并能观察记录各种实时曲线及历史曲 线。 2、测控通道 05V的标准信号接到芯片TLC1543的输入端，经A/D转换后 送到单片机，单片机将实时信号通过串行口送至上位监控微机 ，同时也接收上位机发出的控制信号，并将控制量输出到D/A芯 片TLC5620，经D/A转换、放大后再驱动执行机构。（如调节阀 、变频器、可控调压装置等）。 ADC芯片为TIC1543，它是具有串行控制及11路模拟量输入 的10位AD转换器。 D/A芯片为TLC5620，它是电压输出型DA转换器。 系统复位及监控电路采用可编程X25045芯片来实现. 主机和通道间通信基于RS232C串行通信实现数据传输. 数字量输入输出用74HC573和74HC574芯片作为数据锁存器 。输出锁存的信号加在ULN2003A的输入端。ULN2003A芯片由7组 达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成 ，具有同时驱动7组负载的能力，带负载能力强. 图14-14 测控通道电路原理图 3、微机应用程序 微机应用程序也是在WINDOWS操作系统平台下用VB开发， 软件设计的着重点是系统的通用性、实时性、可靠性和可操作 性。 软件提供了一个灵活的操作界面，用户可以根据需要，自 行设置对象、调节规律及参数，可以选择输入输出通道。 系统内置一个数据库，并建立了一张对象参数表，事先存 放了多种过程对象（如水槽、加热炉、压力容器）在不同特性 下采用多种调节规律（如P、PI、PID）时系统的参考整定值， 供用户在设置时作为参考初值。 图14-15 微机测控系统运行界面 1.三.基于PC机的分布式测控系统 2. 规模较大、要求恒温恒湿的标准仓库（如卷烟成品仓 库），由于仓库距离分散，无法采用总的中央空调系统，一 般采用就地温湿度单独控制的方案。要求设计一个分布式测 控系统，既能实现对8个独立分隔的仓库对象进行温湿度控 制，又能实现远程集中监控。 3. 1、方案制定 4. 监控微机（上位机）位于远程中央控制室，测控微机 （下位机）位于每个仓库的操作室，上、下位机均使用工控 机（IPC）。一台上位机与8 台下位机相连接，采用RS-485 通信方式，构成二级分布式测控系统。 图14-16 分布式测控系统结构框图 上位机的主要任务是系统集中监控和管理，有参数设定、 集中控制、数据处理、文件管理、图表输出及分析等常规功能 。运行时，采用CRT 技术，将八个仓库的温湿度参数设定值及 实时值、设备工作状态集中显示在屏幕上，还能以曲线图、直 方图的形式显示历史数据，并能打印温湿度测试日报表及月报 表。 下位机通过数据采集装置采集现场温湿度数据，按照实现 设置的控制模式，输出控制信号，实现对仓库对象的温湿度参 数进行定值控制。 2、测量及控制 在本系统中，每个仓库内采样点数为14点（温度和湿度各 7点），库外2点（温度和湿度各1点）。采样周期为10秒钟， 控制周期为一分钟。 现场每一个采样点挂一个温湿度测量变送器。温度检测用 电流型集成温度传感器 AD590。它是一个温度-电流转换器， 若在其输出串接恒值电阻，电阻上流过的电流与被测量的绝对 温度成正比。 每一台下位机的ISA总