现代检测系统设计实用化技术

主要内容 9 1 9 2 9 3 9 1虚拟仪器 9 2现场总线仪表 9 3检测系统的智能化及网络化技术 检测仪器的发展 模拟仪器 数字仪器 虚拟仪器 智能仪器 伏特表安培表功率表压力表电位差计 数字频率计数显表数字万用表示波器 微机 接口电路 传感器 PC 接口板 系统软件软件化仪器 9 1虚拟仪器 9 1 1概述 传统仪器 结构形式操作面板 信号输入输出端 信号处理线路板 功能信号的采集和控制信号的分析与处理结果的表达与输出局限性全部都是以硬件 或固化的软件 的形式存在 这种框架式的结构 决定了传统的仪表只能由仪器厂家来定义 制造 用户无法改变的现实 虚拟仪器 计算机技术和仪器技术结合 以计算机为核心 由测量应用软件支持 具有虚拟的仪器操作面板 足够的仪器硬件与通信功能的测量信息处理装置 仪器的三大功能信号的采集与控制 信号的分析与处理 结果的输出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 组成PC机 硬件接口卡 开发系统的 软功能库 软控件库 特点根据系统的功能要求进行软装配 软连接 软组合 软修改 软测试等一系列软操作 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器 硬件搭台 软件唱戏 信号发生器前面板 图9 1信号发生器前面板 温度计前面板 图9 2温度计前面板 组成 计算机 模块化功能硬件及软件系统 9 1 2虚拟仪器的组成 GPIB GeneralPurposeInterfaceBus 通用总线接口卡 挂接GPIB接口仪器 DAQ DataAcquisition 数据采集接口卡 VXI VMEbuseXtensionInstrumentation 总线接口系统 RS485串行总线 Field现场总线 CAN FF等 功能硬件 图9 3虚拟仪器硬件组成 一个典型的数据采集系统由四部分组成 虚拟仪器软件系统 9 1 3虚拟仪器的特点1 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 3 数字信号处理成为系统软件的核心 图形化编程语言编程 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 4 利用集成的虚拟仪器库可生成多台不同种类的虚拟仪器 系统组建快速方便 9 1 4虚拟仪器软件开发平台 美国国家仪器公司 NationalInstruments 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是一种基于G Graphic 图形化语言的开发语言 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 测试和测量 实验室自动化以及过程监控 应用程序 使用LabVIEW软件开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序 简称为VI VI 程序前面板 框图程序和图标 连接器 功能 数学运算 逻辑运算各种输入输出功能 资源 用于数据采集和仪器控制的各种库函数 开发工具包 数学分析程序包和仪器的驱动程序等 程序前面板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 图9 5频谱分析仪前面板 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 端口 节点 图框和连线 图9 6软件流程图 功能模板 控制模板 工具模板 9 2现场总线仪表 定义 现场总线是应用在生产现场 在微机化测量控制设备 现场总线仪表 之间实现双向串行多节点数字通信系统 是开放式 数字化 多节点通信的底层控制网络 局域网 9 2 1现场总线系统概述 类型 HART CAN LonWork PufiBus FF 图9 7基于HART协议的变送器接线图 图9 9CAN底层模块的硬件结构 网络拓扑结构 总线型 环型和星型 星型结构 1对N 图9 10星型网络拓扑结构 环型结构 点对点 图9 11环型网络拓扑结构 总线型结构 共享介质 图9 12总线型网络拓扑结构 星型结构 1对N 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 环型结构 点对点 环中数据沿着一个方向环绕逐站传输 总线型结构 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 需防止数据 碰撞 网络协议 为网络数据交换而制定的规则 约定与标准 构成要素 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 完成动作及作出的响应 时序 对事件实现顺序的详细说明 网络层次 ISO IEC7498标准规定7层框架 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 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 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 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 信息流通路 数据链路层 datalinklayer 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 差错控制 数据通路 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数据选择最适当的路径 实现路由选择 拥塞控制 网络互连 指挥 传输层 transportlayer 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 信息优先权调度等 调度 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 对节点之间的通信任务进行启动和停止调度 主持 表示层 presentationlayer 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 翻译 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息交换 服务 9 2 2CAN总线系统 ControllerAreaNetwork 图9 13CAN总线系统的结构 CAN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CAN适配卡与总线连接 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 1 多主发送结构 2 主从发送结构 图9 14基本CAN总线系统 图9 15CAN总线节点组成 3 CAN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 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 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 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 9 3智能化 网络化仪器 的设计 1 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 将总任务分解成子任务 子任务分解为模块设计 如智能热量表的设计 热水锅炉温度 液位测控系统设计 电机轴振动测试系统设计 智能热量表的设计 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 热水锅炉温度 液位测控 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 温度调理电路 流量调理电路 A D转换模块 单片机及最小系统 键盘显示模块 存储器模块 通信模块等 每个模块中包括硬件电路设计和软件程序设计 2 软硬件合理分工 相互配合 硬件软化 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 如温度补偿 非线性处理 调零 滤波等 软件硬化 芯片的集成度提高 各种信号处理算法固化于存储器中 如DSP芯片原来快速傅立叶变换由程序实现 现在利用DSP进行FFT变换 许多单片机集成硬件乘法器A D转换器 定时器 WDT 总线控制器等 提高信号处理速度 提高可靠性 趋势 软硬件功能界限日益淡化 2 智能仪器的设计开发过程 1 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被测量数目 类型 变化范围 测量精度 分辨率 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 性能价格比等 2 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 整理 设计 2 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 1 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 单片机及其外围电路 键盘显示电路 通信电路 存储电路等设计 用PROTEL99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 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 子程序 采用汇编语言和C语言等 C语言 可读性 可移植性好 代