（机械电子工程专业论文）计算机控制系统在广播通信和现代检测中的应用探究.pdf

计算机控制系统 y6 5456 5 在广播通信和现代检测中的应用探究 机械电子： 程专业 研究生：杨兰英指导教师：韩震宇 计算机控制系统广泛应用于社会各行各业。随着计算机技术、通信技术的 发展，计算机控制系统的应用已经从传统工业过程控制逐步向非工业领域渗进， 无线电广播通信系统和现代检测系统就是其中之一。当前我国广播正处于从模 拟走向数字的转换日寸期，广播系统的数字化、网络化改革大大依赖于计算机控 制技术在系统中的应用，研制广播通信的计算机控制系统具有极大的潜力。而 与此同时，现代检测领域顺应时代潮流，为了提高检测技术，从而提高竞争力， 也提出了建设数字化检测系统的目标，因此迫切需要研制检测领域的计算机控 制系统。 本文介绍了计算机控制系统在无线电广播通信系统和现代检测系统中的 应用，并主要就集散控制系统( t o t a ld i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ) 作为监控 系统的应用做了探究，以广播发射机监控系统和耐火电缆、成束电缆燃烧试验 测控系统的研制为例，详细论述了计算机控制系统的设计方法及与计算机控制 系统相关的数据库技术、人机界面设计技术、通信技术以及系统可靠性设计技 术。 论文采用先总体后具体，先理论后实践的论述方法，详细论述了如下内容。 首先，介绍计算机控制系统在国内外的应用现状，并重点介绍系统在广播 通信和现代检测系统中的应用现状，从而引出本课题的研究意义。 其次，概述了计算机控制系统的类型和相关技术，并就数据库技术、人机 界面设计技术、通信技术以及系统可靠性设计技术展丌叙述。 再次：以陕西广播机厂3 k w s k w t o k w 调频广播发射机监控系统为例，论述 了个川页序控制的d c s 结构监控系统的设计过程；以公安部消防研究所耐火电 缆、成束电缆燃烧试验为例论述了系统在检测中的应用。 最后，总结了作者在上述两个计算机控制系统研制过程中的一些心得体会， 并例述了作者对计算机控制系统的发展的一些预测和认识。 关键词：计算机控制系统，检测，d c s ，广播通信。 r e s e a r c ho fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m sf o r r a d i os y s t e ma n dt e s ts y s t e m m a j o r ：m e c h a n i c s e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ( 1 a n di d a t e ：y a n gl a n y i n g s u p e r v is o t ：h a nz h e n y u n o wc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ( c c s ) i su s e dm o r ea n dm o r e i nt h i sp a p e r ， t h ea p p l i c a t i o no fc c si nr a d i os y s t e mw a sd i s c u s s e d ，a sw e l la si nm o d e r n t e s t s y s t e m 。w em a i n l y f o c u so nt h ea p p l i c a t i o no ft o l a ld i s t r i b u t e c o n t r o ls y s t e m ( d e s ) w h i c hi su s e da sm o n i t o t c o n t r o ls y s t e mf o ro u r s y s z e m i na d d i t i o n ，t h er e l a t i v et e c h n o l o g y i sd i s c u s s e ds u c ha s d a t a b a s e ，c o m m u n i c a t i o n ，r e l l a b i l i t y a n d h u i ( h u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c e ) d e s i g n b yt h ed e s i g no fr a d i ot r a n s m i t t e rd c sa n dt h ed c so f c a b l e sc a p a b i l i t yt e s to ff l a m er e t a r d a n c e ，is h o wt h ed e s i g nm e t h o d o fc c s t h i sp a p e rc o n s i s t so ff o u rp a r t s ：c c s sa p p l i c a t i o ns t a t u si no u r c o u n t r ya n da b r o a d ，c c st h e o r ya n dr e l a t i r et e c h n o l o g y ，t w od e t a i l a p p l i c a t i o ne x a m p l e sa n dc o n c l u s i o n t h em a i nt o p i c sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，ii n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fc c si no u rc o u n t r y a n da b r o a d ( m a i n l yi nt h ef i e l do fr a d i 0s y s t e ma n dm o d e r nt e s ts y s t e m ) t o e x p l a i r lt h em e a n i n go fm yr e s e a r c h s e c o n d 。is u m m a r i z et h e t y p e o fc c sa n ds o m er e l a t i v et e c h n o l o g y r e c o u n td a t a b a s e ，h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，c o m m u n i c a t i o na n d t h e t e l i a b i i i t y t e c h n o l o g y t h i r d ，ir e c o u n tt h et y p i c a ld e s i g np r o c e s so fa c o m p l e xd c sa n d as i m p l ed c s t h er a d i os y s t e mi sa na p p l i c a t i o ne x a m p l eo ft h ec o m p l e x d c s t h et e s t s y s t e mi sa na p p l i c a t i o ne x a m p l eo ft h es i m p l ed c s l a s t ， is u m m a r i z es o m e u s e f u l e x p e r i e n c e s a n d e x p l a i nm y u n d e r s t a n d i n go ft h ef u t u r eo fc c s k e y w o r d s ：c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，t e s t ，d c s ，r a d i o 婴业查堂堡主堂堡丝苎 第一章绪论 1 1 课题来源及背景 随着计算机技术的发展，以计算机为核心的控制系统已经广泛应用于工业 系统的各个领域。在工业生产过程中，利用计算机来监视、操纵、控制，使工 业生产过程得以安全、平稳地操作，从而最终实现工业过程自动化控制；在工 业的自动化检测及仪表控制系统中，利用计算机采集管理数据和控制可以获得 高精度的检测数据和商实时性的控制，从而最终实现工业自动化检测。这种基 于计算机技术、控制技术和通信技术而建立的以计算机为核- t l , 部件的控制系统 叫做计算机控制系统”1 ，它是随着现代大型工业自动化的不断兴起而应运产生的 综合控制系统，因此其主要应用在工业中。 然而，计算机控制系统在工业中的成功应用，越来越影晌到其它行业对它 的认可，因此很多行业都提出了建设以计算机控制为基础的新一代系统。在电 力行业，借助于计算机控制，输、变、配电能够高效、可靠地运作，从而逐步 建立起现代化的柔性自动化电力工作站。 目前广播系统正处于从模拟走向数字的转换时期，数字广播使双向服务， 定制广播成为可能。广播系统的数字化将是广播史上最伟大的变革。过去，广 播从删到f m ，再到立体声，每次技术进步都使广播得到很大的发展，但这些郡 限于模拟技术。r e dh e r r i n g ) 在2 0 0 2 年未曾预测2 0 0 3 年世界技术趋势，其 中谈到数字广播，认为它需要1 0 1 5 年的转型期，而在国外，欧洲率先采用 e u r e k a1 4 7 标准，美国采用t b o c 标准研制自己的数字广播系统，西班牙预计于 2 0 1 0 年1 2 月3 1 日结束模拟电视与无线电广播。在国内，广电总局在2 0 0 4 年的 春节技术报告会上提出了数字化，网络化的发展目标提出”大力发展数字广 播，走技术玎发与产业开发并重的发展道路”，”加快建立安全播出保障体系， 从技术手段和机制上提高保障能力”的目标和鳃决方案，这就要求在整个广播 系统中，从节目制作、播出、传输到交换、接收各个环节，都要进行数字化改 革。征对这种情况，在系统的播出传输部分，建立计算机实对监控系统势在必 行。 四川大学硕士学位论文 陕西广播数字通讯设备有限责任公司是国内生产广播发射机的主要厂家之 一，应厂家要求，我们研制了以其生产的全固态调频广播发射机f 聃5 0 2 s i i 系 列为监控对象的计算机实时控制系统，并承担了该系列发射机微机控制器的研 制工作。 现代检测领域正处于技术革新的新时期，检测已经从手动操作或半自动操 作向全自动方向发展出现了虚拟仪器、软测量技术、模糊传感器、多数据传 感器融合等先进技术，这些新型技术的应用很大程度上依赖于计算机控制的检 测系统，因此大大地促进了检测领域的现代计算机控制系统的研制。 公安部四川消防科学研究所是国家定点的防火建筑材料质量监督检验中 心，应他们的要求，我们对其现有的试验系统进行了改造，改造的重点是建立 计算机控制的新型试验测控系统，用于控制耐火试验和成束试验过程。管理试 验记录。 1 2 本课题的意义及研究的主要内容 研究计算机控制系统在广播通信中的应用，对于全面提高我国广播通信业的 技术水平，促进广播通信的自动化，有着积极的意义。在广播通信面对电视、 网络的激烈竞争的今天，建立广播通信的计算机控制系统，从而建立高稳定性、 高质量和高效率的广播通信，无疑对提高广播业的竞争力进而提高广播的生命 力是十分必要的。 研究计算机控制系统在现代检测领域中的应用，对于全面提高检测精度和可 靠性，建立现代化的检测系统，从而避免不合格产品危害社会，进而保障国家 和人民的生命安全，是十分必要的。特别是对于那些关乎国计民生的产品质量 检测，例如像消防产品、军用产品等产品的质量检测，研制计算机测控系统就 十分重要和必要。 本论文主要研究计算机控制系统的分支一计算机监控系统的应用，并就其在 无线电广播通信和现代检测中的应用进行探讨，重点在于系统软件及其相关技 术的讨论，并以本人自身参与研制的两个监控系统为例，为该类系统的设计提 供了样板。 四川火学硕士学位论文 1 3 论文内容 本论文分为五章。第一章为绪论，简要介绍计算机控制系统及其在广播通 信和现代检测中的应用概况，并在此基础上提出本课题的研究内容和意义。第 二章概述计算机控制系统理论，重点介绍与计算机控制系统相关的技术，主要 介绍人机界面技术、数据库技术、通信技术和可靠性技术。第三章和笫四章为 计算机控制系统在广播通信和现代检测中的两个应用实例，从设计理念到具体 实现对系统做了详细的描述。第五章为结论，总结在课题研究中的经验，论述 了本人对计算机控制系统的发展方向的一些见解。 四川大学硕士学位论文 2 1 系统概述 第二章计算机控制系统及相关技术 计算机控制系统，它紧密依赖于最新发展的计算枧技术、网络通讯技术和 控制技术，在参与工业系统控制的历史长河中扮演了非常重要的角色例。 微型计算机控制系统是以微型计算机为核心部件的自动控制系统或过程控 制系统。作为当今工业控制的主流系统，它已取代常规的模拟检测、调节、显 示、记录等仪器设备和大部分操作管理的职能，并具有较高级的计算方法和处 理方法，使受控对象的动态过程按规定方式和技术要求运行，以完成各种过程 控制、操作管理等任务“。 计算机监控系统是计算机控制系统的一种，它利用传感装置将被监控对象 中的物理参量( 如温度、压力、流量等) 转换为电量( 如电压、电流) ，再将这 些代表实际物理参量的电量送入输入装置中转换为计算机可识别的数字量，并 且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来53 ，计算机还将采 集到的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表，并对采集 的物理参量作出判断，输出控制电信号，从而推动执行装置完成相应的控制任 计算机i 0 接口检钡9 鼽行 jm 、 l 检测变送| 应用程序 飘j 1 被 组态较件欲据库 操作系统叫输入_ i 检测受送i i j 监 li 控 硬件 卜 l 输出l 对 | 执行装苴 象 圈2 - 1 计算机监控系统框图 婴型盔兰堡主堂堡笙塞 一一一 务。它是本论文讨论的重点对象，其系统组成原理框图如图2 - 1 所示。 2 1 1 常用系统类型 根据应用特点、控制功能和系统结构，计算机控制系统可分为五种类型： 计算机操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、集散型 控制系统及现场总线控制系统”3 。 计算机操作指导控制系统( o d c ) 是一种数据采集与处理系统，生产过程需要 收集的参数，经多路模拟量输入、多路数字量输入送进微机，进行数据采集和 分析处理，并将采集处理的数据以一定的形式显示或打印出来并可以在存储器 中保存。这种系统中的微机不直接参与影响生产的过程控制，仅为操作人员提 供指导信息。 直接数字控制系统( d d c ) ，般为在线实时系统。微机对数据进行实时采集， 实时控制，因此对生产进行直接控制，它是计算机在工业生产过程控制中最普 遍的一种应用方式。 监督计算机控制系统( s c c ) ，是一种两级微型计算机控制系统，包括d d c 级和s c c 级。前者完成对工业生产过程的直接控制，后者根据工况和已定的数 学模型，进行优化分析计算，产生最优化给定值，送给b d c 级执行。 集散型控制系统，也叫分散型控制系统( o c s ) ，采用分散控制、集中操作、 分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从下到上分为过程控制级、 控制管理级、生产管理级等若干级，形成分级分布式控制。其分散是指被控设 备地理位置分散、控制设备相应分散、危险也相应分散。从某种意义上讲。它 包括一般意义上的分散控制系统和分布式控制系统。后者是在前者的基础上发 展起来的，更加强调各子系统间的协作关系，有明确的分解镱略和算法。 现场总线控制系统( f c s ) ，是新一代分布式控制结构，它采用工作站一现场 总线智能仪表的二层结构模式，完成了d c s 中三层模式结构所完成的功能，节 约了成本，提离了可靠性。 在上述5 种系统结构中，集散型控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 以其高可靠性、可扩展性、灵活性、集中管理、分散控制的优点在在短短几十 年内迅速发展，正逐渐成为过程工业自动控制的主流，在计算机集成制造系统 四川大学硕士学位论文 c i m s 和计算机集成过程系统c i p s 中成为主角，而其所具有的危险分散、功能 分散、操作管理集中等优点也使得它在其它行业广受欢迎。因此本论文主要讨 论d c s 。其系统典型结构如图2 - 2 所示。我们在研制广播发射机计算机控制系 统时，就采用了集散型控制系统，在现场实现不同广播发射机的集中管理，分 散控制，在远程实现不同广播站的集中管理，分散控制。而在研制耐火电缆、 成束电缆燃烧试验计算机控制系统时主要采用现场级的集散型控制，对两个试 验集中管理，分散控制。 图2 - 2 集散控制系统典型网络结构示意图 在以下的章节中，若非特别说明，“计算机控制系统”主要指d c s 结构的监 控系统。 21 2 系统各功能模块 简单地说计算机控制系统由硬件和软件组成。或者说系统由计算机和被 控对象组成。从功能模块的角度来说，硬件系统由计算机、输入输出装置、检 6 四川i 大学硕七学位论文 测变送装置和执行机构4 大部分组成“3 。而软件系统由系统软件、开发软件和应 用软件组成，系统软件为一个操作系统，开发软件包括高级语言、组态软件和 数据库等，应用软件往往可以有输入输出处理模块、控制算法模块、逻辑控制 模块、通信模块、数据处理模块或数据库、显示模块、打印模块等。相应地， 系统相关的理论基础为计算机、网络通信和控制理论，并涉及到传感器，数据 库，人机界面方面的知识。 而d c s 系统一般由三级组成，即现场控制级、操作站和信息综合管理级。 其中现场控制级承担分散控制任务并与过程及操作站联系，操作站包括控制信 息的集中管理。其软件一般由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通 信软件、组态软件和各种应用软件组成。 2 2 数据库技术 2 2 1 数据库概论 数据库( d b ) 和数据管理系统( d b m s ) 是现代信息系统的重要组成部分”1 。数据 库是被集中控制和管理的存储数据的完整集合：而数据管理系统是管理和控制 数据库的系统，它是一种系统软件，它的主要功能是维护数据库并有效地访问 数据库中任意部分的数据。数据管理系统自2 0 世纪6 0 年代出现以来，已经经 历了系列的发展阶段，其数据模型经历了从层次模型到网状模型，再到关系 模型，最后到达了面向对象模型m ，。 数据管理是数据库的核心任务，内容包括对数据的分类、组织、编码、存 储、检索和维护等。而这些任务皆由数据库管理系统来完成，所以探讨数据库 管理系统的发展轨迹对理解数据库技术的发展轨迹来说是十分必要的。下面从 数据库管理系统的角度介绍数据库技术的发展轨迹。 具体来说数据库技术的发展可分为3 个阶段。3 。第一代数据库管理系统是 层次和网状数据库管理系统( d b m s ) 。层次d t 3 m s 是数据库系统的先驱。它以树 型结构存储数据，它假定数据之间的父子关系，树的顶端称为根，而根可能有 很多后代，后代又有任意多个下一代。而网状数据库是数据库概念、方法、技 术的奠基。它以记录和链接的形式存储数据，这样的系统使多对多的关系比层 四川大：学硕士学位论文 次d b m s 更灵活，网络d b m s 非常快而且存储效率很高，网络d b m s 允许使用复杂 的数据结构，但非常不方便，并要求繁重冗长的设计。其典型应用有1 1 3 m s ，i d s ， d m s i l 0 0 等。 第二代数据库管理系统：关系型数据库管理系统( r d b t s ) 。r d b m s 具备数据 库可能有的最简单结构，在r d b m s 中数据被组织成表，而表又由记录组成， 记录由字段( 域) 组成，每个字段对应一个数据项。如果有个或多个共同字 段，则两个以上的表可能链接在一起。r d b m s 易于使用，是目前最流行的一种数 据库管理系统。其典型应用有o r a c l e ，m ss q l ，i n g r e s 等。在我们研制的广播 发射机计算机控制系统和电缆燃烧试验计算机控制系统中，我们采用了c s 结 构的小型关系型数据库i n t e r b a s e6 0 ，完成对系统采集数据的存储查询管理。 第三代数据库管理系统：面向对象数据库管理系统。面向对象的d b m s 用于 处理数字与词之类的数据，近几年，已出现面向对象的d b m s ，这些系统可以处 理视频、图像、图片等对象。目前其典型应用有g e m s t o n e ，v b a s e ，o r i o n ，i r i s 等。 2 2 2 数据库技术的应用 关系型数据库r d b m s 由于其设计概念与真实环境很近似，在目前几乎是一 枝独秀，其结构如图2 3 所示：而面向对象型数据库由于起步较晚，虽然采用 了先进的技术，到现在仍未到普及阶段。在计算机监控系统中，计算机存储数 据一般采用关系型数据库，大型数据库如o r a c l e ，s y s b a s e 一般用于数据 比较多的信息系统中( 如大型企业或大学图书馆) ，而中型数据库如s q l s e v e r ，i n t e r b a s e 主要用于数据不太多的系统中，如d c s 监控系统。 婴型盔兰堡主堂堡堡苎 一 图2 - ；3 关系数据库结构图 r d b m s 目前有客户机服务器结构c s ( c l i e n l - s e v e r ) 和浏览器绡艮务 器结构b s 结构( b r o w s e s e v e r ) 。c s 主要指两层结构，如果我们将应用 程序分为4 个部分：用户界面、应用程序逻辑、商业规则和数据存取。则前面 三个部分包含在客户机端，而数据存取由服务器端完成，其结构图如图2 - 4 。b s 结构是在c s 结构上发展起来的，其实质可以认为是三层或多层c s 结构。在 三层结构中，客户端包含了用户界面、应用程序逻辑，中间层负责商业规则， 服务器负责存取数据。可见，三层结构通过使用中间服务器( 又叫应用服务器) 减轻了服务器的连接负担，增加了系统的可修改性，从而在网络迅速发展的今 天，得以广泛应用“。 9 四川犬学硕士学位论文 图2 _ 4 两层应用系统结构图 评价- 3 中数据库管理系统的性能在于：数据冗余是否尽可能少、数据库访 问效率是否尽可能高并且数据库是否易于维护。 在d c s 中，对数据库的选取受多方因素的制约：如成本，可靠性，易操作 性以及与系统开发软件的兼容性等。在目前来说，大多数数据库都可以在 w i n d o w s 操作系统下运行，而对于开发软件主要有v c + + ，v b ，d e l p h i 等，也都 能由相应的数据访问机制或引擎来访问。许多大型数据库如o r a c l e 等由于成本 较高，不太适用于以检测和监控为主的系统。在d c s 中，对于现场控制级的数 据存储，一般采用单片机的s r a m 实现，不存在d b m s 的概念，而对于操作站， 一般采用p c 机管理数据，主要是来自现场的采集数据，因此采用中小型数据库 就能胜任，而对于信息综合管理级，可采用大型数据库。基于成本和管理的数 据量、管理可靠性，在我们研制的两个计算机控制系统中，我们选用了运行稳 定、管理功能强大、易于系统扩展的小型i n t e r b a s e6 0 关系型数据库。 0 四川大学硕士学位论文 2 2 3 ln t e r b a s e 关系数据库 i n t e r b a s e 数据库是由i n t e r b a s e 公司开发的基于服务器的关系型数据库。 它支持结构化查询语言( s o l ) ，具有c s ( 客户端服务器) 结构的本地服务器单 机版本和远程服务器多桃版本。i n t e r b a s e 具有r d b m s 的全部功能：数据库创建， 查询，备份恢复等功能，其核心是提供透明的多机种支持的网络运行服务器 技术1 。 i n t e r b a s e6 除具有上面所描述的功能外，还具有以下几个主要特点“”： - 可移植性好，具有在u n i k ，w i n d o w s 操作系统上的版本 - 结构精简。全部安装仅需4 4 m b - 人性化管理，提供简单直观的图形用户界面作为数据库控制台 ( i b c o n s 0 1 e ) 用户通过i b c o n s o l e ，可以配鼍和维护i n t e r b a s e 服务器，创建和管 理服务器下的数据库，执行s q l 语言交互，管理用户权限。i b c o n s o l e 运行在w i n d o w s 下，但是它能够管理基于其它操作系统( u n i x ，l i n u x ， n e t w a i e ) 上的i n t e r b a s e 服务器下的数据库。 - 能将数据库设置为只读模式 通过将数据库设置为只读模式，增加了数据库的安全。用户通过使 用g b a k 和g f i x 命令可以设置数据库为只读模式。这两个命令都有一个 一m o d e 选项，其值要么为r e a d o n l y 要么为r e a d w r i t e ，前者表示只读， 后者表示可读写。语法如下： g b a k c r e a t em o d e r e a t o n l yo l d _ d a t a b a s e g b k n e w _ d a t a b a s e g d b g f i x m o d er e a d o n l yd a t a b a s eg d b 一强大的a p i 函数 包括服务a p i ( s e r v i c e sa p i ) ，安装a p i ( i n s t a l la p i ) ，授权 a p i ( l i c e n s i n ga p i ) 等。服务a p i 允许用户编写监控i n t e r s a s e 服务器 和数据库的应用程序。通过该类a p i 函数，用户可以完成对数据库的维 护如备份，恢复，启停i n t e r b a s e 服务器，无效数据结构扫描等；还可 以创建，修改，删除用户记录；获取数据库和服务器配鬣信息等。安装 四川大学硕士学位论文 a p i 函数允许用户能够在应用程序中在后台完成i n t e r b a s e 的安装，作 为应用程序安装的一部分。授权a p i 函数允许用户激活i n t e r b a s e 服务 器作为应用程序安装的部分。 在b o r l a n d 公司开发的d e l p h i6 0 中，含有免费的i n t e r b a s e6 0 。 在d e l p h i 中访问i n t e r b a s e 数据库可以采用两种方法：一种方法是用 d e l p h i 自带旮勺i n t e r b a s e 系列控件直接访问：另外一种方法是通过d e l p h i 的数 据引擎b d e ( b o r l a n dd a t a b a s ee n g i n e e ) 访问。 在本论文中要涉及到的两个控制系统，所采用的数据库都是i n t e r b a s e 6 0 ，其原因主要在于： ( 1 ) 正如上面所述，i n t e r b a s e 是免费的，这样就降低了开发成本。 ( 2 ) d e l p h i6 中有支持直接访问该数据库的控件，访问起来比较方便。 ( 3 ) 该数据库运行稳定，管理完善，支持c s 结构，采用r d b m s ，对中小型 应用系统来说完全足够。 ( 4 ) 与桌面数据库比较起来，采用i n t e r b a s e 这种支持c s 结构的数据库， 其数据安全性更高。表现在： 数据的访问方面，因为访问数据库，酋先必须登陆服务器， 而登陆服务器需要管理员授权，即需要登陆口令，这比直接 访问数据库的单级访问安全性更高。 对数据的操作方面，r d b v i s 采用事务处理机制，能实现对数 据的并发处理。 ( 5 ) 与其它r d b m s 数据库t e 较起来，如大型数据库o r a c l e 等，i n t e r b a s e 更易于掌握，不需要太多的专业知识，而且i n t e r b a s e 占用的系统存 储空问较少。综上所述，在中小型以d e l p h i 为开发工具的计算机控制 应用系统中，采用i n t e r b a s e 数据库是合理，合乎低成本开发原则的。 2 3 人机界面设计技术 2 3 1 概论 在计算机控制系统中，存在着大量的人机交互过程，如控制系统的基本参 四川大学硕士学位论文 数的输入，数据的显示等，所有这些操作都要通过操作人员与计算机之间的交 互( 人机交互) 来实现，所以对应用软件的设计的一个重要方面是人机界面的设 计。 人机界面( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) ，是人与机器进行交互的操作方式， 即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入与输出。从广义上讲， 人机界面是人机系统模型中，人与机之间存在的一个相互作用的“面”。从狭 义上讲，人机界面是指计算机系统中的人机界面( h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ， l i c l ) ，又称人机接口、用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) “。在本论文中要讨论的是 狭义人机界面。 人机交互( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ) 是人机界面学的一个分支。它是 指用户与计算机系统相互之闾的通信。同时它又是- - 1 涉及计算机科学、心理 学、人机工程学的新兴科学“。 人机界面设计包括硬件人机界面设计和软件人机界面设计两部分。硬件人 机界面设计主要指在交互过程中的硬件产品界面的设计，如汽车的外形设计， 计算机的键盘、显示器外形设计等。软件人机界面是人机之间的信息界面， 从某种意义上讲，它比硬件和工作环境更为重要。优化软件界面就是合理设计 和管理人机之间对话的结构。 2 3 2 应用 控制软件设计一般具有如下特点 _ 面向对象的图形图标系统 一安全性 _ 监视控制 一先进的报警 _ 多种交互方式 软件人机界面开发设计应遵循如下原则 - 界面简洁原则 一致性原则 四川大学硕士学位论文 一提供信息反馈 使用图形和比喻 一合理利用颜色、显示效果来实现内容与形式的统一 _ 对用户出错的宽容性和帮助功能 一尽量使用快捷方式 一允许动作可逆性( u n d o ) _ 快速的系统响应和低的系统成本 一尽量减少用户的记忆要求 在采用d c s 的监控系统中，现场控制级的人枫交互装置包括键盘和显示器， 前者用于信息的输入，后者用于信息的输出。对显示界面的设计是该控制级软 件人机界面设计的重点，现在的显示器有数码管显示和液晶显示，后者正以其 显示内容的多样性逐渐取代前者成为现场控制级显示的主流。在液晶的显示界 面中，采用图形化显示和动态显示使系统更人性化，但由于在现场控制级，主 要采用单片机做控制器，因此对液晶的操作很复杂，目前大部分采用文字描述。 在操作站级，由于系统的集中管理功能，采用p c 机做监视器，其人机交互体现 为操作员与p c 机能交互，交互装置为键盘，鼠标和显示器，音箱。其入机界面 设计在硬件上表现为p c 机的外观设计和外围设备如键盘，鼠标设计；在软件上 为监控软件的界面设计。在信息综合管理缴，其人机界面设计的重点与工作站 一致，表现为信息管理系统软件的界面设计。在我们研制的广播发射机计算机 控制系统中，现场级下位微机控制器采用液晶显示面板，键盘输入，上位机采 用奔四主流配置p c 机，软件采用图形化用户界面设计，人机交互操作方便。电 缆燃烧试验计算机控制系统采用专用控制柜、工作台设计，上位机采用液晶显 示器，软件采尾图形化界面设计，入机界面友好。 2 4 可靠性设计技术 24 1 概述 所谓系统的系统可靠性是指一个系统在一定的条件下和一定的时间内完 成预定功能的能力15 1 。表征系统可靠性的指标有： 4 四川大学硕士学位论文 _ - - _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ d _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - - - _ _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ 一一 可靠度r ( t ) ( r e l i a b i l i t y ) - 可维度m ( t ) ( m a i n t a i n a b i l i t y ) - 可用度a ( t ) ( a v a i l a b i l i t y ) - 安全度( s a f e t y ) - 保能度p ( 1 ，t ) ( p e r f o r m a b i l i t y ) 可测度( t e s t a b i l i t y ) 其中可靠度r ( t ) 、可维度m ( t ) 和可用度a ( t ) 是综合反映系统可靠性最基本 的三个参量，叫做r s a 技术，在实际中，采用这三个参量的简化参数来表示系 统可靠瞧，它们是：平均无故障时间( m t t f ) 、平均故障修复时间( m t t r ) 和平均故障间隔时间( m t b f ) ；其计算公式如式2 1 ，2 2 ，2 3 所示。 m r r f = ，o 。r ( t ) d t( 式2 - 1 ) m t t r = ，0 一( 1 一m ( t ) ) d t( 式2 2 ) m t b f = m t t f + m r r r( 式2 - 3 ) 系统的可靠性设计包括硬件的可靠性设计和软件可靠性设计。而随着硬件 可靠性的提高，计算机系统可靠性的主要矛盾从硬件逐步转向了软件，使得软 件的质量和可靠性问题同益突出起来，出现了所谓的”软件危机”，为了解决 软件危机，国内外从2 0 世纪6 0 年代后期开始，都加强了软件可靠性的研究， 目前，已经掌握了一些软件可靠性方面的技术，如避错排错技术、容错技术、 检测技术、实施软件矾险评估和管理技术等“。 一般地，提高系统的可靠性技术有：提高元件本身可靠性，即避错技术：给 定元部件构成高可靠性系统，即容错技术。在硬件方面表现为避错技术主要在 于选择可靠性高的元器件，并尽量减少构成系统的元件数目。而容错技术又有 冗余技术、故障检测与诊断技术、系统重组与恢复技术。而在软件方面要提高 软件可靠睦，关键是开展软件工程，加强软件可靠性管理，优化程序设计，强 化程序验证其中，编码产生的缺陷是软件缺陷的主要来源之一 计算枧控制系统的可靠性设计在系统的设计中屠于首位，它涉及到系统的 各个部分，在d e s 结构中，从现场控制部分的可靠性设计到操作站的可靠性设 计，以及到信息综合中心的可靠性设计，都属于该系统可靠性设计的范畴。每 个子系统又包括若干部分，如现场控制模块，它又包括数据采集，执行输出， 控制器等子模块，因此提高每个子模块的可靠性是提高整个系统模块的可靠性 四川大学硕七学位论文 的关键。 通常，系统硬件可靠性也表现为系统抗干扰能力，特别是在电子系统中， 其抗干扰设计表现为： 一电路原理图各元器件的可靠性，p c b 板的可靠性 - 通信链路的可靠性设计 - 通信终端可靠性设计 系统软件可靠性表现在： 通信可靠性设计 数据库可靠性设计 应用软件可靠性设计 总之，可靠性设计的基本准则是”：元器件的选择是根本，合理安装调试 是基础。系统设计是手段，外部环境是保证。 2 4 2 抗干扰设计 供电线路是电网中各种浪涌电压入侵的主要途径，系统的接地装置不良或 不合理，也是引入干扰的重要途径，各类传感器，输入输出线路的绝缘不良， 均有可能引入干扰。以场的形式入侵的干扰主要发生在高电压、大电流、高频 电磁场附近它们可以通过静电感应、电磁感应等方式在系统中形成干扰，表 现为过压、欠压、浪涌、下陷、降出、尖峰电压、射频干扰、电气噪声等。 干扰按照形成干扰的原因可分为：放电干扰、高频振荡干扰和浪涌干扰三 类： 按照传导模式分为串模干扰和共模干扰两类：按照干扰波形及性质分为： 持续正弦波、偶发脉冲电压波形和脉冲序列；按其耦合方式可分为：真接耦合、 公共阻抗耦合、电容耦合、电磁感应耦合、辐射耦合和漏电耦合。 系统的可靠性设计包括内外两部分。其内部可靠性( 抗干扰) 设计的内容 主要有： 元器件本身的性能与可靠性 系统结构设计 四川大学硕士学位论文 安装与调试 其外部设计的主要内容有： 外部电气条件 外部空间条件 外部机械条件 在元器件级的设计中，采用集成度高，性能稳定的元器件，并对元器件降 额使用：在系统级的设计中，主要考虑系统的抗共模干扰和抗串模干扰设计。 系统的抗共模干扰设计技术主要有： 平衡对称输入 选用高质量的差动放大 采用浮地一屏蔽接她技术 系统的抗串模干扰技术主要有： 光电隔离 继电器隔离 变压器隔离 布线隔离 硬件滤波电路 过压保护电路 在我们设计的广播发射机计算机控制系统和电缆燃烧试验控制系统中，无 论从硬件还是软件上，可靠性和抗干扰设计都是重点设计内容。在硬件上大量 采用光电隔离、接地处理以及强弱电隔离等技术，保证系统硬件的可靠性，在 软件上采用代码冗余、异常处理等技术，保证系统软件的可靠性。 2 5 通信技术 2 5 1 溉论 数据通信通常是指计算机与计算机或计算机与终端之间利用通信线路进行 信息传输和交换的通信方式，包括数据的传输和数据在传输蘑后的处理m 。这 黾的数据是指由数字、字母、符号等表示的具有离散形式的信息，具体研究传 四川大学硕士学位论文 输问题时，又常将其限定为数字计算机和其他数字设备输出的二进制代码。因 此。所谓数掇通信，是指按照一定协议( 或规程) 完成由数字、字母、符号等表 示的具有离散形式信息的传输与交换的一种通信方式。数据用户通过数据通信 可使用远地计算机，计算机也可通过数据通信进行远距离实时数据采集或对某 一系统进行远距离实时控制。 数据通信系统通常由数据终端设备( d t e ) 、数据传输设备( d c e ) 和数据交换 设备( d s e ) 等部分组成“。数据终端设备用于发送和接收数据信号；数据传输 设备如调制解调器、集线器等：数据交换设备如交换机。 数据通信方式，根据通信两个端点之问是否允许数据在两个方向上传输可 分为单工和双工两种。双工又分为半双工和全双工。 数据传输方式有同步传输和异步传输两种方式。同步传输以固定的时钟节 拍来发送数据信号，接收端与发送端需要采用同步时钟，因此设备较复杂，但 由于不需要异步传输所需要的起始、停止位，所以传输效率较高。异步传输是 通过规定相同传输数据的帧结构来通信的。其帧结构一般由起始位+ 数据位+ 校 验位+ 停止位组成，具体来说，通信的i e 确接收是靠起始位、停止位来保证的， 通信的正确性靠相同的帧结构、相同的波特率来保证的。异步传输由于设备简 单，在工控系统中得到广泛的应用。 数据传输方式还可以分为并行传输与串行传输。顾名思义，并行传输是在多 条并行信道上同时传输数据：而串行传输则是在一条信道上逐位传输数据。并 行传输由于采用多信道，因此传输速度高，但对设备要求高，常用于近距离且 速率要求高的场合。而串行传输出于只占用一条信道，对设备要求不高，因此 常用于远距离传输，但传输速率低。 2 5 2 应用 在计算机控制系统d c s 中，存在有理场控制与工作站之间的数据通信，存 在有工作站与信息综合控制中心的数据通信。在某些带远程监控或多级分布式 d c s 中，还可能存在有远程数据通信和网络通信。因此通信作为数据传输的重 要媒介，是系统的重要组成部分。对通信模块的设计，在于选择性价比高的通 信方式，可靠和快速稳定的通信是系统真正需要的。应该根据系统的数据传输 四川大学硕七学位论文 量、传输距离、传输速率等多方面考虑，择优选择合适的通信方式，然后制定 专用的通信防议。 在近距离数据通信中，现场控制与工作站之间的数据通信一般为下位机( 现 场控制的控制器一单片机) 与上位机( 工作站的控制器p c 机) 之间的通信，通 常采用异步串行通信，因为p c 机采用r s 。2 3 2 串行接口，而在现场控制端，出 于工作环境的恶劣，一般采用抗干扰能力较强和传输距离较远的r s 4 8 5 异步串 行传输，因此存在r s 一4 8 5 与r s 一2 3 2 的电平转换，一般在工作站端进行转换。 在工作站与信息综合控制站的数据通信中，一般是p c 机与p c 机的数据通信， 可采用网络( 局域网或广域网) 通信也可采用串口通信，对于远程通信，可 采用公用电话网通信或i n t e r n e t 网通信。 在我们研制的两个计算机控制系统中，都采用了异步串行通信方式实现上 下位机的通信，对于采用复杂d c s 结构的广播发射机计算机控制系统，另有采 用公用电话网实现的远程数据通信。 1 9 四川火学硕士学位论文 第三章在广播通信中的应用 自从2 0 世纪2 0 年代无线电广播开始普及以来，无线电广播对社会进步和 经济发展起到了巨大的推动作用，直至今天调幅( a m ) 和调频( f m ) 的无线 电广播仍然是人们获取信息、进行交流和娱乐的一种最为广泛的大众传播媒体 2 0 l 。丽无线电广播通信系统，作为通信系统的一种，正在向数字化网络化方 向发展，数字音频广播d a b 是未来的发展方向，在欧洲，8 0 年代就丌始研究 d a b ，并于1 9 9 3 年完成了d a b 的系统规范，在1 9 9 5 年后，得到迅速发展和推 广。我国的数字音频广播于上世纪8 0 年代末展开研究，到9 8 年已建立了北京 d a b 实验室和广东d a b 先导网。虽然数字广播是未来的主导，但在我国目前， 仍主要以模拟广播为主，因为从广播发射机，天线到接收机都需要一段过渡时 阕来更新换代，特别是在接收方面，许多收音机还是模拟收音枫，因此采用模 拟信号传输信息仍占市场主流。 广播通信系统由发射器