（控制理论与控制工程专业论文）智能检测系统的应用研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 现代工业生产过程日益复杂，设备运行的状态参数越来越多，各参数之间也相互影响。 设备运行状态的异常，轻则影响产品质量，重则导致生产停滞甚至重大生产事故。为了保 证生产的正常进行，对设备运行状态和性能参数进行检测，及时准确对异常情况做出反应 就显得十分重要了，而这一切都离不开对检测技术的研究。 目前，广泛应用的是以微处理器为基础的智能检测技术。智能检测系统主要有两种结 构：集中式结构和分布式结构。基于微处理器的集中式结构，技术比较成熟，结构简单， 成本较低，对于中小规模的检测系统是理想的选择。如果系统规模较大，需处理的参数较 多，将大大加重处理器的负担，以致降低系统性能。分布式结构通过网络总线将各独立的 检测单元有机的联系在一起，各检测单元独立工作，减轻了主处理器的负担，增强了系统 的可靠性，提高了系统性能。然而，这种结构技术上实现比较复杂，系统成本较高，一般 应用于较大规模的检测系统中。在实际应用中，可以根据需要综合考虑，选取合适的结构。 针对我国目前在应用系统开发中存在较大盲目性和随意性的不足以及系统方案、硬件 和软件各种各样，未能形成技术标准化的现状，本文通过分析大量智能检测系统的应用实 例，总结了智能检测系统的结构，硬、软件设计原则和抗干扰的设计方法，系统的介绍了 开发智能检测系统的一般步骤。然后在理论的指导下，开发了一个基于c a n 总线的特种 车辆智能检测系统，以加深对开发智能检测系统各个步骤的理解。文章从理论和实践两个 方面对检测系统的设计过程做了比较系统的总结，这对智能检测系统的发展应用具有一定 的实践指导意义。 关键词：智能检测系统；设计方法；c a n 总线；应用实例 a b s t r a c t t h em o d e mp r o d u c t i o np r o c e s sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e d t h es t a t ev a r i a b l e so f e q u i p m e n t s ，w h i c ha r ei n t e r a c t i o n a l ，h a v eb e c o m em o r ea n dm o r e t h ea b n o r m a ls t a t e o f e q u i p m e n t sw o u l d a f f e c tt h eq u a l i t yo f p r o d u c t i o n s ，e v e np r o d u c t i o ns t a g n a t i o na n da c c i d e n t s s o i ti sv e r yi m p o r t a n tt om e a s u r et h ee q u i p m e n t ss t a t u sa n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dr e s p o n d t o a b n o r m i t yi n t i m ef o rn o r m a lp r o d u c t i o n a l lt h e s ed e p e n do nt h er e s e a r c h o nt h e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y n o w a d a y s t h ei n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nm i c r o p r o c e s s o ri sw i d e l yu s e d n e r ea r et w ok i n d so fs t r u c t u r e so fi n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m ，d i s t r i b u t e d a n d c o n c e n t r a t e do n e s t h ec o n c e n t r a t e do n eb a s e do np co rm i c r o p r o c e s s o r , w h o s et e c h n o l o g y i s p r o f i c i e n t ，i sag o o dc h o i c ef o rn o tl a r g es c a l es y s t e m b e c a u s eo fs i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s t i f t h es y s t e ms c a l ei sl a r g ea n dm a n yp a r a m e t e r sn e e dt ob ep r o c e s s e d ，t h ep r o c e s s o r sb u r d e nw i l l i n c r e a s eal o ts oa st od e g r a d et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h ed i s t r i b u t e do n eo r g a n i c a l l yc o n n e c t s e v c r ym e a s u r e m e n tu n i tt o g e t h e rw i t hn e t w o r kb u s t h e s eu n i t sa r em u t u a l l yi n d e p e n d e n t ，s oi t l i g h t e n st h ec h i e fp r o c e s s o r s b u r d e na n ds t r e n g t h e n st h er e l i a b i l i t ya n di m p r o v e ss y s t e m p e r f o r m a n c e h o w e v e r , i ti sc o m p l i c a t ei nt e c h n o l o g yt or e a l i z et h es t r u c t u r ea n di t sc o s ti sh i g h s ot h i ss t r u c t u r ei ss u i t a b l ef o rl a r g es c a l em e a s u r e m e n ts y s t e m i np r a c t i c e ，w es h o u l dc o n s i d e r e v e r ya s p e c ta c c o r d i n g t or e q u i r e m e n t st os e l e c tas u i t a b l es t r u c t u r e c u r r e n t l y , t h e r ee x i s t sb l i n d n e s sa n dr a n d o i l n e s si na p p l i c a t i o ns y s t e m sd e v e l o p m e n ta n d t h es y s t e ms o l u t i o n s ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r eo m n i f a r i o u s i nv i e wo ft h e s e ，t h i sp a p e r e x p a t i a t e so nt h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l e so fd e s i g n i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h em e t h o d so f a n t i - j a m m i n gf o ri n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mb ya n a l y z i n gal o to fa p p l i c a t i o ne x a m p l e s a n dt h ep a p e rg i v e st h es t e p si nd e t a i lf o rd e v e l o p i n gi n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m t h e n ，w e d e v e l o pam e a s u r e m e n ts y s t e mf o rs p e c i a lv e h i c l es ot h a tw em a yh a v eag o o du n d e r s t a n di n m e t h o d so fd e v e l o p i n gi n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m t h ea r t i c l es y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e s t h ep r o c e s so f d e s i g n i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mf r o mt h e o r ya n dp r a c t i c ea n d i th a sc e r t a i np r a c t i c e g u i d i n gs e n s ef o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m ；d e s i g nm e t h o d s ；c a nb u s ；a p p l i c a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：样日期：鱼堕世 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第1 章检测技术综述 随着计算机和信息技术的发展，传感器技术的进步，检测技术水平也得到了不断提高。 人工智能原理及技术的发展，人工神经网络技术、专家系统、模糊控制理论等在检测中的 应用，进一步促进了检测技术智能化的进程。智能检测技术已成为二十一世纪检测技术的 主要发展方向，逐步形成了一个新的研究领域。 1 1 检测技术的发展历程 随着人类社会的发展，生产过程日益复杂，对设备运行状态进行检测显得越来越重要 了。现在，广泛应用于生产过程的检测系统是基于微处理器的智能检测系统。所谓智能检 测，应当包含测量检验，故障诊断，信息处理和决策输出等多种内容，具有比传统的“测量” 更丰富的范畴，是检测设备模仿人类专家信息综合处理能力的结晶【。现代广义的智能检 测系统应包括一切以计算机( 单片机，p c 机，工控机系统) 为信息处理核心的检测设备。 检测技术的智能化应归功于计算机技术，电子技术及信息技术的发展。归纳起来，检测技 术的发展历程大致可分为以下几个阶段【2 】。 ( 1 ) 原始人工数据采集和计算阶段 在工业生产早期，人们对检测对象的数据获取和处理都是靠人工来完成的，甚至处理 随机误差和系统误差都是以人工方法进行的，这种检测方式具有很多局限性。例如，一些 高温，高压等极端条件下的参数往往无法直接获取，只能靠经验来估计数据，大大的降低 了检测的真实性，并且这种检测方法工作量大，效率低，处理的结果也很不理想。 ( 2 ) 基于电子仪器的人工抄表与计算阶段 电子技术出现以后，各种检测仪器，仪表相继问世。人们把各种各样的检测仪器和仪 表安装在工业现场，人们所要做的工作只是定时到现场记录仪表显示的数据，然后对数据 进行处理。这时的检测技术扩大了测量的应用场合，数据的准确度也提高了，但是检测仪 器依旧没有摆脱独立使用手动操作的模式，对于较复杂的场合，使用起来很不方便，其局 限性非常明显。 ( 3 ) 自动测试系统阶段 数字电子，单片机技术的发展，使的在人工最少参入情况下，进行测量和处理数据并 以所需的方式输出结果成为可能。带有微处理器或微机的各种测量装置( 智能仪器) ，均具 有自动测试系统的基本特征，故都属于自动测试系统的范畴。大规模集成电路技术和智能 芯片的发展，使得测量仪器在测量的准确度，灵敏度，可靠度，自动化程度，运用能力以 及解决测量技术问题的深度和广度上有了巨大的提高。这时的测量系统都具有通讯模块， 能通过各种模式与主计算机进行数据交换。 ( 4 ) 计算机数据采集阶段 计算机数据采集系统是计算机技术与检测技术相结合的产物，它是由数据采集卡和计 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 算机组成。数据采集卡上装有信号调理电路，采样保持电路，模数转换电路等系统的前向 通道单元，同时还设置有数据输出的后向通道。这种数据采集卡可以直接插入计算机内任 意总线扩展槽中。 ( 5 ) 现场总线阶段 现场总线检测是近年来发展起来的一种应用于生产现场，在微机化测量设备之间实现 双向多点数字通信的系统。现场总线可以看作是一种互联现场自动化设备及系统的双向数 字通信协议，而一个现场总线系统可以看作是由一个数字通信设备和监控设备组成的分布 式系统，实际上，现场总线就是一种计算机网络，这个网络上的每一个节点就是一个智能 化设备。组成现场总线系统之间的各节点问可以通过总线自由的交换数据。其节点的设备 实现总线化，全数字化，双向通信。 现场总线是将现场仪表与控制室系统连接起来的全数字化、双向、多站的通信网络。 它用数字信号取代模拟信号，提高系统的可靠性、精确度和抗干扰能力，延长信息传输距 离。基于现场总线的控制系统是集散型控制系统的继承、完善和进一步发展。一方面，它 突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的 解决方案变成基于公开化、标准化的解决方案；另一方面把d c s 的集中与分散相结合的集 散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。与传统的控制系统 相比，它具有体系结构开放，系统集成灵活、方便；硬件智能化、传输数字化、控制计算 高品质化等特点；同时又具有布线容易，便于施工，可节省大量电缆、控制设备，从而使系 统低成本化的优点；此外，由于系统结构简化，增强了自诊断功能，使维护更加方便，系 统可靠性进一步得到提高。现场总线的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开 始，并将对该领域的发展产生重要影响，具有广泛的应用前景。 随着现场总线技术的发展及在工业自动化领域的不断深入，现场控制系统( f c s ) 已成为 控制系统发展的主流方向，他是分布式控制系统的继承和发展，传统的d c s 将会被新一代 的现场总线式集散控制系统( f d c s ) 所取代，作为自动控制的基础检测技术也自然要采用 现场总线技术。 ( 6 ) 虚拟仪器系统阶段 随着微电子学和计算机技术的发展，虚拟仪器技术应运而生。虚拟仪器技术是利用图 形化的编程语言在计算机上开发的一种仪器。他结合了简单易用的图形形式开发环境和灵 活强大的编程语言，为使用者提供了一个直觉式环境。由于虚拟仪器充分的利用了计算机， 模块化数据采集调理电路，数据总线等当代先进的科学产品和技术，具有编程简单，容易 实现和功能强大的函数库与开放式开发平台等特点，使其在科研，生产，过程监控，科学 实验等领域越来越显示出潜在的作用和优越性。虚拟仪器检测与控制技术不但能进行数据 采集，分析和处理，还能对被测对象进行实时监控。 ( 7 ) 基于工业以太网技术的网络化检测系统阶段 由于以太网具有成熟的技术，开放和统一的标准，广泛应用和高速传输等优势，工业 以太网作为一种新兴，统一，快速发展的标准，其生产与发展及其在检测技术与系统中的 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 应用赋予了检测技术及其系统新的含义与更广阔的发展空间，同时也使得将大批量的数据 实时快速的传送成为可能。 我国检测技术的研究现状 设备状态检测技术起源于6 0 年代初的美国。我们国家从8 0 年代初开始这项研究工作， 经过几十年的不懈努力，在理论研究和工业应用两方面都取得了丰硕的成果和宝贵的经 验，使这一技术在石化、能源、交通、冶金等许多重要领域得到了比较广泛的应用，并取 得了巨大的经济效益。然而，我们必须看到的是，由于我国在检测技术上的起步较晚，检 测原理和技术落后，未能形成测控技术上的自动化和智能化；研制中技术上的随意性和盲 目性，导致自动检测设备的总体方案、系统的硬件和软件五花八门，未能形成技术的标准 化。从整体上看，国产检测设备在技术性能、外观造型、制造工艺方面比国外仪器落后许 多，这些差距主要表现在【2 5 6 j ： ( 1 ) 自动测试系统技术落后，绝大多数领域所需的自动测试系统和模块的测试系统尚 属空白，或依赖于国外进口： ( 2 ) 通用测量仪器的品种少，配套能力差，更新换代慢，且主要性能指标比较低，技 术性能差； ( 3 ) 数字化、智能化、自动化程度低，功能差； ( 4 ) 新产品设计手段和工艺落后，质量差，可靠性不高； ( 5 ) 智能检测系统虽然己成为当前的研究热点，各种研究也表明其有广阔的应用前景， 但目前的研究仍以理论和实验为主，实践研究较少。 1 3 检测技术的发展趋势 微电子技术，微处理器技术，信息处理技术，通信技术，计算机技术和材料技术的飞 速发展，大大促进了检测技术的发展。检测技术呈现出下列发展趋势叫2 】【5 】。 ( 1 ) 高度集成化 传感器与测量电路分不开，时常会受到电缆传输过程中干扰信号的影响，因此人们希 望把传感器和测量电路合并在一起。随着半导体技术的发展，硅压阻传感器在这方面已经 开始实现，近年来j 下在研究的一种物性型传感器，就是在半导体技术的基础上，进一步实 现“材料，器件，电路，系统一体化”的新型仪表。这样与一般传感器相比，具有结构简 单，体积小，无可动部件，反应快，灵敏度高，稳定性好等特点。 ( 2 ) 非接触化 在检测过程中将传感器置于被测对象上，就相当于在被测对象上加上了负载，这样会 影响测量的精度。此外，在有些被测物体上根本不可能安装传感器，例如，测量高速旋转 轴的振动，转矩等。因此，国际上都在研究非接触式测试技术，光电式传感器，电涡流传 感器，超声波仪表，同位素仪表都是在这个要求下发展起来的。 ( 3 ) 多参数融合化 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 随着检测技术的发展，人们对检测系统的要求不再满足于对单一参数的测量，而是希 望能实现对系统中多个参数进行融合测量。即利用先进的测量技术，对系统中的各个参数 进行单次测量，然后通过一定的算法对数据进行处理，分别得到各个参数。多传感器信息 融合技术就因为其立体化的多参数测量性能而广泛的应用于军事，地质科学，机器人，智 能交通，医学，工业等众多领域。 1 4 本文研究的内容、目的和意义 当前，智能检测系统已得到了广泛的应用，大大的提高了生产效率。因此，本文将围 绕开发智能检测系统的相关问题进行介绍。主要工作包括两部分： 第一，总结了检测技术的发展历程，重点介绍了智能检测技术的系统组成， 构和设计原则，并且从理论上阐述了开发智能检测系统的步骤； 第二，在介绍理论的基础上，开发了基于c a n 总线的特种车辆检测系统， 述了开发过程的每一个环节和各模块的设计过程。 软硬件结 具体的讲 智能检测技术综合了微处理器技术，现代传感技术，自动控制技术，信息技术等的一 门专业高新技术，限于本人水平，本文不是系统阐述智能检测系统的理论知识，而是对智 能检测技术实际应用的一些方法、经验的总结，希望能对智能检测技术的实践应用提供一 些有益的参考。 本文针对检测技术的发展现状，对检测系统设计的各个步骤和要注意的问题做了完整 的介绍，这对实践具有一定的指导意义。然后在此基础上详细介绍了基于c a n 总线的车 辆检测系统的设计，作为智能检测系统的一个应用实例，以加深对具体设计方法的理解。 实例根据系统方案进行了硬件和软件的开发，经过调试初步达到了预期的目标，具有一定 的实际应用价值。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第2 章智能检测系统的组成 智能检测系统是以微处理器为核心的系统，因此它由硬件和软件两大部分组成。其组 成按照信号的流程来划分，可以分为l 信号的提取传感器，2 信号调理，转换信 号放大滤波，a d ，d a 及其他转换电路，3 信号的处理微处理器，单片机，微机等， 4 信号的显示及传输信号的显示有模拟显示，数字显示，屏幕显示，打印机，绘图仪 等，信号的传输有通过串行，并行口或采用总线技术及以太网技术的传输等【2 】。在硬件结 构形式上，可以分为集中式和分布式两种结构【_ 7 1 。在介绍智能检测系统的结构前，先简要 介绍一下智能检测系统的特点。 2 1 智能检测系统的特点 根据定义，智能检测系统应该充分开发利用计算机( 微处理器) 资源，在人工最少参 与的条件下尽量以软硬件实现系统功能。因此，智能检测系统具有以下特点【1 ，9 ，】。 ( 1 ) 测量过程软件控制 智能检测系统可实现自稳定放大、自动极性判断、自动量程切换、自动报警、过载保 护、非线性补偿、多功能测试和自动巡回检测。由于有了计算机，上述过程可采用软件控 制。测量过程的软件控制可以简化系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高检测系统 的可靠性和自动化程度。 ( 2 ) 智能化数据处理 智能化数据处理是智能检测系统最突出的特点。计算机可以方便、快捷地实现各种算 法。因此，智能检测系统可以用软件对测量结果进行及时、在线处理，提高测量精度。另 一方面，智能检测系统可以对测量结果进行再加工，获得并提供更多更可靠的高质量信息。 智能检测系统中的计算机可以方便地用软件实现线性化处理、算术平均值处理、数据融合 计算、快速傅立叶变换( f f t ) 、相关分析等各种信息处理功能。 ( 3 ) 高度的灵活性 智能检测系统以软件为工作核心，生产、修改、复制都较容易，功能和性能指标更改 方便。 ( 4 ) 实现多参数检测与信息融合 智能检测系统配备多个测量通道，可以由计算机对多路测量通道进行高速扫描采样。 因此，智能检测系统可以对多种测量参数进行检测。在此基础上，依据各路信息的相关特 性，可以实现智能检测系统的多传感器信息融合，从而提高检测系统的准确性、可靠性和 容错性。 ( 5 ) 测量速度快 高速测量是智能检测系统追求的目标之一。所谓检测速度，是指从测量开始，经过信 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 号放大、整流滤波、非线性补偿、d 转换、数据处理和结果输出的全过程所需的时间。 随着电子技术的迅猛发展，高速显示、打印、绘图设备也日臻完善。这些都为智能检测系 统的快速检测提供了条件。 ( 6 ) 智能化功能强 以计算机为信息处理核心的智能检测系统具有较强的智能功能，可以满足各类用户的 需要。典型的智能功能有： 测量选择功能。智能检测系统能够实现量程转换、信号通道和采样方式的自动选 择，使系统具有对被测对象的最优化跟踪检测能力。 故障诊断功能。智能检测系统结构复杂，功能较多，系统本身的故障诊断尤为重 要。系统可以根据检测通道的特性和计算机本身的自诊断能力检查各单元故障，显示故障 部位、故障原因和应采取的故障排除方法。 其他智能功能。智能检测系统还可以具备人机对话、自校淮、打印、绘图、通信、 专家知识查询和控制输出等智能功能。 2 2 智能检测系统的结构 随着计算机的普及应用，现在出现许多高速信号检测的集成产品，它们可以很方便的 通过并行或者串行总线与p c 机进行连接。这类产品完成了信号采集的大部分任务，用户 只需要丌发出合适的应用程序，就可以用于实际的检测系统中。这大大的简化了系统的硬 件设计，缩短了开发周期。不足之处就是缺乏灵活性。下面从设计的角度，详细的介绍智 能检测系统的基本硬件组成。 2 2 1 集中式结构 集中式检测系统的最大特点是多路模拟信号由多路转换开关分时选通，轮流切换，进 入公用的a d 转换电路。系统所有的功能由微处理器完成。其结构如图2 1 所示。 图2 1 集中式检测系统 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 下面按信号的流程，分别介绍各模块所完成的功能。 1 传感器信号提取 智能检测系统所能处理的都是电信号，因此必须把实际的物理量转换成适当的电信号 后，才能输入系统。传感器就是感应物理现象并生成系统可测量的电信号。例如，热电偶、 电阻式测温计( r t d ) 、热敏电阻器和i c 传感器可以把温度转变为模拟数字转化器 ( a n a l o g - t o d i g i t a l ，a d c ) 可测量的模拟信号。其它例子包括应力计、流速传感器、压力传感 器，它们可以相应地测量应力、流速和压力。在所有这些情况下，传感器可以生成和它们 所检测的物理量呈比例的电信号。图中的多路开关是用来实现多路复用功能的。多路复用 是使用单个测量设备来测量多个信号的常用技术。模拟信号的信号调理硬件常对如温度这 样缓慢变化的信号使用多路复用方式。a d c 采集一个通道后，转换到另一个通道并进行采 集，然后再转换到下一个通道，如此往复。由于同一个a d c 可以采集多个通道而不是一 个通道，每个通道的有效采样速率和所采样的通道数呈反比。 2 信号预处理 为了适合a d 的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过预处理，信号的预处理主 要完成以下几个功能。 ( 1 ) 放大功能 放大是最为普遍的信号调理功能。例如，需要对热电偶的信号进行放大以提高分辨率 和降低噪声。为了得到最高的分辨率，要对信号放大以使调理后信号的最大电压范围和 a d c 的最大输入范围相等。 ( 2 ) 隔离功能 另一种常见的信号调理应用是为了安全目的把传感器的信号和计算机相隔离。被监测 的系统可能产生瞬态的高压，如果不使用信号调理，这种高压会对计算机造成损害。使用 隔离的另一原因是为了确保插入式数据采集设备的读数不会受到接地电势差或共模电压 的影响。当数据采集设备输入和所采集的信号使用不同的参考“地线”，而一旦这两个参 考地线有电势差，就会带来麻烦。这种电势差会产生所谓的接地回路，这样就将使所采集 信号的读数不准确；或者如果电势差太大，它也会对测量系统造成损害。使用隔离式信号 调理能消除接地回路并确保信号可以被准确地采集。 ( 3 ) 线性化功能 另一种常见的信号调理功能是线性化功能。许多传感器，如热电偶，对被测量的物理 量的响应是非线性的。 ( 4 ) 滤波功能 滤波器的功能是指在所测量的信号中滤除不需要的信号。噪声滤波器用于如温度这样 直流信号，它可以衰减那些降低测量精度的高频信号如振动这样的交流信号常常需要另一 种被称为抗混频的滤波器。像噪声滤波器一样，抗混频滤波器也是低通滤波器，然而，它 需要有非常陡的截止速率，从而可以滤除信号中所有高于设备输入波段的频率。如果这些 频率没有被滤除，它们将会作为信号错误地出现在设备输入带宽中。对于数字信号，可以 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 经过整形或电平调整，然后输送到处理器。 3 微处理器 经过a d 后信号就变成了数字信号，处理器就可以进行分析处理了。当然，和微处理 器接口的还必须有键盘和显示单元以进行人机交互。常用的微处理器有m c u ，d s p 等。 从上面的介绍可知，集中式检测系统结构上比较紧凑，技术上容易实现，一般能够满 足中小规模系统的应用要求。 2 2 2 分布式结构 分布式检测系统是计算机网络技术( 总线技术) 的产物。它由若干个集中式检测系统 通过特定的通信接口与上位机相连以更加方便直观的对整个系统进行监测【l 】。分布式检测 原理如图2 2 所示。图中省略了数字信号和开关信号的检测，具体结构参见图2 1 。 图2 2 分布式检测系统 与集中式结构相比，通信接口是组建分布式检测系统的关键之一。配备了标准的接口 之后，设计者可以任意组合，完成所需要的智能检测与控制系统，简化组建过程，降低系 统成本，提高效率。下面介绍几中常用的通信总线接口【3 ，1 5 ，1 6 ，17 1 。 ( 1 ) r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 串行总线接口 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会( e i a ) 制订并发布的，r s 2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为e i a 2 3 2 e ，作为工业标准，以保证不同 厂家产品之间的兼容。r s 4 2 2 由r s 2 3 2 发展而来，它是为弥补r s 2 3 2 之不足而提出的。 为改进r s 2 3 2 通信距离短、速率低的缺点，r s 4 2 2 定义了一种平衡通信接口，将传输速 率提高到1 0 m b s ，传输距离延长到4 0 0 0 英尺( 速率低于1 0 0 k b s 时) ，并允许在一条平衡 总线上连接最多1 0 个接收器。r s 4 2 2 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范， 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 被命名为t i a e 认4 2 2 a 标准。为扩展应用范围，e 认又于1 9 8 3 年在r s 4 2 2 基础上制定 了r s 4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上， 同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为 t i a e 认4 8 5 a 标准。由于e 认提出的建议标准都是以“r s ”作为前缀，所以在通讯工业领 域，仍然习惯将上述标准以r s 作前缀称谓。 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电 缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。 目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定义为一 种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传输方式，即所谓单 端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2 v 至3 v 左右，所以其共模抑制能力差， 再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约1 5 米，最高速率为2 0 k b s 。r s 2 3 2 是 为点对点( 即只用一对收、发设备) 通讯而设计的，其驱动器负载为3 7 k q 。所以r s 2 3 2 适合本地设备之间的通信。 r s 4 2 2 、r s 4 8 5 与r s 2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输， 它使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义为b ，通常情况下，发送驱动器a 、 b 之间的j 下电平在+ 2 + 6 v ，是一个逻辑状态，负电平在2 6 v ，是另一个逻辑状态。另 有一个信号地c ，在r s 4 8 5 中还有一“使能”端，而在r s 4 2 2 中这是可用可不用的。“使能” 端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于 高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“l ”与“0 ”的第三态。接收器也作与发送端相 对的规定，收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应相连，当在收端a b 之间有大于 + 2 0 嘶v 的电平时，输出正逻辑电平，小于2 0 0 m v 时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡 线上的电平范围通常在2 0 0 m v 至6 v 之间。 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用r s - 4 8 5 串行总线标准。r s - 4 8 5 采用 平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能 检测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。r s 4 8 5 采用半双工工作方 式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。r s 4 8 5 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用r s 4 8 5 可以联网构成分布式系统， 其允许最多并联3 2 台驱动器和3 2 台接收器。利用这一特点，应用r s 4 8 5 构成的分布式 结构，如图2 3 。还可以采用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口、电话网络及远端检测设备，构成基于 p c 机的远端检测系统。这种系统只适合于数据量较少，对实时性要求不高的系统中。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 p c 逻 掣掣 r $ 2 3 2 cl 由 嚣 r s 4 8 5掣掣 内 图2 3r s 4 8 5 分布式结构 ( 2 ) u s b 总线 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是由i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、 n e c 、n o r t h e r nt c l e c o m 等7 家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口 标准。u s b 系统构成如图2 4 。 图2 4u s b 系统总线结构 u s b 是基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩 展p c 连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备 需要单独的供电系统。另外，快速是u s b 技术的突出特点之一，u s b 的最高传输率可达 1 2 m b p s 比串口快1 0 0 倍，比并口快近l o 倍，而且u s b 还能支持多媒体。 结合r s 4 8 5 传输距离远，可以挂接多个设备的优点和u s b 传输速度快的优点，可以 实现一种综合的检测系统结构，实现的方法就是采用r s 4 8 5 u s b 转换接口，实现两种协 议的转换。由于u s b 的传输速度远高于r s 4 8 5 ，因此r s 4 8 5 上仍可以挂接多个节点。 u s b 结合r s 一4 8 5 构成的分布式结构如图2 5 。 武汉科技大学硕士学位论文第l l 页 图2 5u s b 结合r s - 4 8 5 构成的分布式结构 ( 3 ) 其他常用总线接口 由于计算机网络技术的发展，各种现场总线在工业上得到了广泛的应用，如d e v i c e n e t ， p r o f i b u s 等，详细的介绍可查阅文献 4 】。 2 3 两种结构的比较 下面从应用场合、系统性能和成本三个方面简要比较两种结构的差别。 集中式检测系统其结构简单，技术上实现容易，成本也较低，这些优点使得其广泛的 应用于中小规模的检测系统中。如果系统规模过大，将明显增加处理器的负担，增加布线 难度，信号的采样速率也将显著降低，这必然引起系统性能和可靠性的降低【l j 。 分布式检测系统将各个独立的检测单元通过网络技术有机的连接为一个整体。将系统 的任务分散到各个单元，减轻了处理器的负担，并且各单元相互独立，大大增强了系统的 可靠性，有利于提高系统性能。然而，分布式检测系统，技术上实现比较复杂，系统成本 较高，一般应用于规模较大的检测系统中。 本章总结了目前智能检测系统的特点和常用的两种结构，并对各个部分的功能作了简 要的描述，还介绍了在分布式系统中应用的几中常用的总线接口，最后比较了两种结构各 自的优缺点，作为实际选择的参考。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第3 章智能检测系统的软硬件设计 上一章介绍了智能检测系统的组成，显然对于不同的应用场合，不同的检测对象，为 了开发出高性价比的检测系统，需要选用不同的系统结构，这就导致了在具体设计过程中 存在一定的差异，但是它们都是用来获取参量信息，并做出相应的处理，有着本质的联系。 下面着重介绍硬件设计和软件设计的基本原则和系统设计的一般步骤。 3 1 设计原则 3 1 1 硬件设计原则 智能检测系统的硬件主要包括处理器，接口和信号获取电路三大部分。系统的硬件选 型基本决定了系统的技术指标和性价比。在硬件设计中需要遵循的一些原则包括【3 ，7 】： ( 1 ) 安全可靠 确保系统安全可靠的工作是硬件设计中的最根本原则。在硬件的选择上，要充分的考 虑到设备的工作环境，如温度，压力，振动，电磁场等要求等。必要时要考虑加上超量程 和过载保护电路，以及隔离措施。 ( 2 ) 经济合理 在系统硬件的设计中，一定要注意在满足系统各项性能指标的前提下，尽可能的降低 成本。在没有特殊要求的情况下，不必选择很高档的芯片和器件。同时需要考虑简化电路 设计，以提高可靠性，降低功耗。 ( 3 ) 通用化、标准化 智能检测系统设计过程中，要尽可能多的采用标准化和通用化硬件电路，包括电子器 件，接口和总线系统，以方便系统的维护和调试，也有利于缩短开发周期。 ( 4 ) 可扩展性 由于智能检测系统发展迅速，用户要求不断提高，在设计的过程中要充分考虑系统的 可扩展性，为系统的扩展和升级奠定基础。 3 1 2 软件设计原则 软件是智能检测系统的重要组成部分，为了保证系统可靠的工作，软件的设计应遵循 以下原则【3 】【7 】： ( 1 ) 模块化设计 模块化设计是软件设计的最重要原则之一。这样不仅有利于程序的进一步扩充，也有 利于程序的调试维护。 ( 2 ) 操作性能良好 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 在开发开发程序时，应最大限度的降低对用户专业知识的要求，开发出美观友好的用 户界面，方便用户的操作。 ( 3 ) 提高程序执行速度，丰富软件功能 智能检测设备的许多功能，例如，数字滤波，报警，逻辑推理等，都可以用软件的方 式来实现，这样既可以丰富系统功能，提高智能化水平，又可以简化系统的硬件设计。但 是，在此过程中必须充分考虑程序的执行速度，采用优化的算法，保证系统的可靠运行。 ( 4 ) 给出程序说明 在编写程序时，添加注释是良好的编程习惯，这样可以大大增强程序的可读性。程序 注释不是对语句的解释说明，而是对语句功能的具体描述。 3 2 主要功能模块 智能检测系统的硬件包括前向通道的信号检测电路以及以微处理器为中心的人机接 口电路两大部分。下面从检测系统的共性入手，分别介绍硬件选型和设计中要注意的问题。 1 信号检测通道的硬件电路设计 信号检测通道的框图如图3 1 。 图3 1 信号输入通道 检测系统信号获取的第一道环节就是传感器。这是决定整个检测系统性能的关键环节 之一。由于传感器技术发展的十分迅速，各种各样的传感器应运而生，对于检测系统的设 计者来说，只需要选取合适的传感器，而不必要自己另行研制。选用传感器主要以下述技 术指标为依据进行选择。 ( 1 ) 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围 相一致。 ( 2 ) 转换精度符合整个系统根据总精度要求分配给传感器的精度指标，一般应为系统 精度的十倍左右，转换速度符合整个系统的要求。 ( 3 ) 能满足被测介质使用环境的要求，如耐高温、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰等。 ( 4 ) 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。 在一般的检测系统中信号调理的任务比较复杂，除了小信号放大、滤波外，还有诸如 零点校正、线性化处理，温度补偿等，这些操作统称为信号调理，相应的执行电路称为信 号调理电路。在智能检测系统中，许多依靠硬件实现的信号调理任务，可以通过软件的方 法实现，这样就大大简化了信号输入通道的结构。因此，信号调理的重点就是小信号的放 大、滤波及频率信号的放大整形。在实际的电路设计中，通常采用低噪声前置放大器和r c 滤波器提高电路接受微弱信号的能力。 信号检测通道的关键部分是a d 转换器。在中小规模的低速系统中，a d 前面都设置 有多路开关，以便能从多路信号中选取一路进行转换。若被测模拟信号为恒定或变化缓慢 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 的信号，可以直接进行a d 转换。如果被测模拟信号为动态信号，就必须在a d 前面加采 样保持器。a d 转换器的选择通常考虑的因素是转换精度( 即a d 转换器的位数) 和转换速 度。 2 人机接口电路的设计 检测系统的人机接口主要有键盘接口和显示器接口两个部分。键盘接口电路分为独立 式和行列式( 矩阵式) 两种。独立式键盘每一个按键需要占用一根i o 口线，在按键较多时 浪费较大，优点是操作速度高、软件结构简单。行列式键盘的行线和列线分别接输入线和 输出线，按键设置在行、列线的交叉点上，行线和列线的联通是通过按键来实现的。行列 式键盘适合于按键较多的场合。由于行线和列线都为多键共用，要确定按键的位置，必须 将行信号和列信号配合起来处理，因此软件结构较复杂。对于行列式键盘，通常扫描方式 有两种：扫描法和反转法。具体的过程可参考相关文献。键输入中存在抖动、重键和按键 持续时间长短不一的问题，去抖动可以采用硬件或软件延时的方法解决【7 1 。按键较多时， 一般采用软件的方法解决。对于重键问题，可以根据情况采用相应的方法处理。按键持续 时间长短不一的问题，可以采用对每一次键闭合只进行一次输入处理，必须等键松丌后， 再进行相关的功能操作。 显示器可以采用l e