计算机测控技术与系统第8章-计算机测控系统的设计与实现课件

1、2022/7/201第8章 计算机测控系统的设计与实现学习目标：了解计算机测控系统的设计原则熟悉计算机测控系统的设计方法掌握计算机测控系统的设计步骤掌握常用的计算机测控系统实现方法2022/7/2028.1 计算机测控系统的设计概述1.计算机测控系统的设计原则（1）满足工艺指标的要求 在进行计算机测控系统设计时，首先应满足生产过程所提出的各种要求及性能指标。 对于测量仪器的指标包括精度、测量范围、实时性、工作环境条件、稳定性等。 对控制系统的性能指标要求稳、准、快。 对于工业网络测控系统，还要满足网络性能评价指标，如传输速率、吞吐能力、稳定性、确定性、可靠性和灵活性等。2022/7/203（2

2、）可靠性要高 系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 可靠性的指标一般采用平均无故障工作时间（MTBF）和故障修复时间（MTTR）表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力，MTTR则反映了系统出现故障后恢复工作的能力。通常要求MTBF有较高的数值，如达到几万小时，同时尽量缩短MTTR，以达到很高的运行效率。 可靠性是控制对象或生产过程连续运行的根本保证。计算机测控系统的设计应当把系统的可靠性放在首位，以保证生产安全、可靠和稳定地运行。 2022/7/204（3）实时性要强 所谓系统的实时性是指现场设备之间在最坏情况下完成一次数据交换，系统所能保证的最小时间。 实时性

3、是控制对象按规定工艺运行的必要条件之一。对于不同的控制对象、不同的控制参数，其对系统的实时性具有不同的要求。例如，流量和压力控制对系统的实时性要求高于温度控制系统对系统实时性的要求。 （4）操作性能要好 一个好的计算机测控系统应该人机界面好，操作、运行方便，易于维护。 操作方便主要体现在操作简单、显示画面形象直观，有较强的人机对话能力，便于掌握。 维护方便主要体现在易于查找故障、排除故障。2022/7/205（5）系统通用性要好 通用性是指所设计的计算机测控系统能根据各种不同设备和不同控制对象的控制要求，灵活扩充、便于修改。 当设备和控制对象有所变化时，或者再设计另一个控制系统时，通用性好的系

4、统一般稍作更改或扩充就可以适应。（6）系统功能要丰富 具有良好的人机界面和丰富的监视画面，控制软件包括功能强，能够自动清零，量程自动切换，可根据测量值和控制值的大小改变测量范围和控制范围，具有数字滤波功能，自动修正误差，系统能监测和自复位。可对多种不同参数进行快速测量和控制。能够实现各种复杂的处理和运算功能，可以实现经典的PID控制，还具有一些高级控制算法，实现模糊控制、神经元网络、优化、自适应等复杂控制规律，具有在线自诊断功能和网络通信功能，便于实现工厂自动化和信息化。2022/7/206（7）性价比要高 在满足计算机测控系统技术要求的前提下，尽可能地降低成本，保证为用户带来更大的经济效益。

5、 经济效益表现在两个方面：一是系统设计的性价比要尽可能的高，在满足设计要求的情况下，尽量采用物美价廉的元器件；二是投入产出比要尽可能的低，应该从提高生产的产品质量与产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等方面进行综合评价。系统的造价，取决于研制成本、生产成本和使用成本。设计时不应盲目追求复杂、高级方案，在满足性能指标的前提下，应尽可能地采用简单成熟的方案。 另外，要有市场竞争意识，尽量缩短开发设计周期，以降低整个系统的开发经费，使新产品尽快进入市场。2022/7/2072. 计算机测控系统设计步骤（1）准备阶段 在系统设计之前，必须对企业工艺流程及工作过程有初步烦人了解，系统设计人员应该和工艺

6、人员密切配合，对系统进行分析和归纳，从而明确具体设计要求和性能指标。另外，在综合考虑企业的经济能力、管理要求、系统运行的成本、产生的经济效益等方面的基础上，确定系统所要完成的任务。 按一定的规范、标准和格式，对测控任务和过程进行描述，形成系统初步设计技术文件，作为整个测控系统设计的依据。初步设计技术文件的主要内容包括系统的功能规范，目标系统的性能规范，系统的可靠性和可维护性，系统的运行环境。准备阶段的设计为测控系统的内部（主机系统）与外部（生产过程、环境、人等）确定了接口关系。2022/7/208（2）设计阶段总体设计 系统的总体设计是进入实质性设计阶段的第一步，尤为重要和关键。总体方案的好坏

7、会直接影响整个计算机测控系统的成本、性能、设计和开发周期等。 在准备阶段的基础上，确定系统的测控目标和任务，深入了解生产过程，分析工艺流程及工作环境，熟悉工艺要求，分析测控系统工艺参数的数目和控制指标以及测控系统的操作要求等，从而确定具体的实施方法，合理分配资源。 总体方案设计包括硬件总体方案设计与软件总体方案设计。依据技术要求和已做过的初步方案，分析开展系统硬件与软件的总体设计。这里要注意，硬件和软件设计是有机联系在一起的，它们相互影响，因此在设计时要经过多次的协调和反复，最后才能形成合理的总体设计方案。 2022/7/209详细设计阶段 在总体方案确定后，进行系统硬件和软件的具体设计。在进

8、行系统设计时，应充分考虑硬件和软件的特点，合理地进行功能分配。 从快速性方面考虑，多采用硬件可以提高系统的反应速度，简化软件设计工作。 从可靠性和抗干扰能力方面考虑，过多的采用硬件，会增加系统元器件数目降低系统的可靠性。 从系统成本方面考虑，多采用软件可以降低成本。 计算机测控系统的设计要充分利用自身的硬件资源，如输入/输出接口、通信等，当固有资源不能满足要求时，再进行扩展。 自行开发控制软件时，应先画出程序总体流程图和各功能模块流程图，再选择程序设计语言进行编写程序。程序编写应先模块后整体，并考虑存储数据的类型、存储资源的分配。2022/7/2010（3）模拟和调试阶段 测控系统硬件和软件设

9、计完成后，要进行系统联调。在实验室里，进行硬件联调、软件联调及样机整机仿真调试，对已知的标准量进行测控模拟比较，检查各个部件安装是否正确，并对其特性进行检查或测试，检验系统的抗干扰能力，验证系统设计是否正确和合理，及时发现问题并进行修改。（4）现场安装调试阶段 在实验室模拟与调试基础上，根据工艺要求进行现场安装调试。通过现场试验，测试各项性能指标，严格按照章程进行操作，进一步修改并完善程序，直至系统能正常投入运行。一个实际系统很难一次设计完成，通常需要经过多次修改。2022/7/2011测控系统设计流程图2022/7/20128.2 计算机测控系统设计方法1. 测控系统总体方案设计（1）确定系

10、统的结构和类型 测控系统类型多、选型范围广，可根据主要功能要求、技术指标进行系统结构和类型的选择。选型要保证性能指标与技术措施，达到或超过技术指标要求，在满足需求的前提下，选择性价比高的系统。（2）确定系统的构成方式专用测控系统 对于需要实现特殊功能的测控系统，需要设计制作专用设备装置。根据系统功能的要求，从微处理器芯片选择开始，设计完整的系统硬件电路和相应的软件，完成印制电路板图设计，最终进行安装调试。这种方案完全根据控制任务的特点和需要设计，系统结构紧凑、性价比高，主要适用于一些专用的、小规模的测控系统，如智能测控装置、智能化仪表和各种家用电器。 2022/7/2013通用测控系统 对于通

11、用功能测控系统设计，采用通用计算机测控系统方案，选择硬件、软件资源丰富的测控装置，标准化工业网络、系列化、模块化的测控装置，如现场总线、IPC、PLC、智能调节器、PAC等。 这种系统结构开放，人机联系方便，容易实现各种复杂的控制功能，硬件一般只需根据任务要求进行必要的接口扩展，软件开发可在已有的开发平台上进行，系统设计就像搭积木那样组建系统，一些控制功能既能硬件实现，也能用软件实现，设计工作量小。 这种方式可提高研制和开发速度，提高系统的技术水平和性能，增加可靠性，容易实现各种复杂的控制功能。 对于大中型规模的测控系统设计，要求设计者具有丰富的专用理论和实际工程设计能力与经验，系统设计工作量

12、大，过程复杂，通用测控系统方式是理想的选择。2022/7/2014（3）测控系统主机的选择 主机是整个测控系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响。目前，可担当测控系统主机的机型很多，如IPC、PLC、PAC、各类嵌入式微控制器等。在具体选型时，可以选择IPC、PLC、智能仪表等现有测控硬件设备，设计者只需要根据测控任务选择相应的硬件配置，再配以软件设计，即可完成测控任务。 总之，无论选择哪一种，一般要考虑以下几点： 用途字长速度内存容量指令的功能中断能力硬、软件支持成本2022/7/2015（4）现场设备的选择 现场设备主要包括传感器、变送器和执行机构。传感器是测控系统将现场信号输入

13、到计算机的第一道环节，也是影响系统控制精度的主要因素之一。由于传感器技术的发展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，所以大多数测控系统的设计只需从现有传感器产品中正确地选择，而不需要设计者自己另行研制。 可以根据以下几点选用传感器。根据测量对象与测量环境确定传感器的类型灵敏度的选择频率响应特性线性范围稳定性精度2022/7/2016（5）硬件其他方面的考虑 总体方案中还应考虑人机联系方式、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。（6）软件总体方案设计 软件总体方案设计的主要内容是确定软件平台、软件结构，任务分解，建立系统的数学模型、控制策略和控制算法等。 在软件总体方案设计中，控制算法的

14、选择直接影响到控制系统的调节品质，是系统设计的关键之一。由于被控对象多种多样，相应控制模型也各异，所以控制算法也是多种多样。选择哪一种控制算法主要取决于系统的特性和要求达到的控制性能指标，同时还要考虑控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。2022/7/20172.测控系统硬件设计（1）基本要求 对测控系统硬件设计的基本要求是： （1）满足应用系统的功能要求，采用新技术，注意通用性，选择典型电路； （2）注重标准化、模块化，有利于模块的商品化生产； （3）系统可扩展，并留有适当的余地，以便二次开发； （4）工艺设计时要考虑安装、调试、维护； （5）要考虑研制成本、产品成本以及开发周期。2022/

15、7/2018（3）基于微控制器测控系统的硬件设计 基于微控制器（如单片机）测控系统的硬件设计主要包括元器件的选择和电路的设计两个方面。 主控芯片的选择。 外围元器件的选择。 进行硬件电路设计。 硬件电路的实现。 （2）总线式测控系统的硬件设计 选择系统总线，包括内总线和外总线的选择。 选择主机。 选择输入/输出板卡。 选择传感器和变送器。 选择执行机构。 控制操作面板设计。2022/7/20193.测控系统软件设计（1）软件设计基本要求 对计算机测控系统软件设计的基本要求是： （1）可靠性高，当运行参数环境发生变化时，软件能可靠运行并给出准确结果，即软件应具有自适应性；当工业环境极其恶劣，干扰

16、严重，软件必须保证在严重干扰条件下也能可靠运行。 （2）实时性强，能及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。 （3）准确性高，算法选择、位数选择等要符合要求。 （4）易读性强，容易理解、易维护，具有可测试性。 2022/7/2020（2）应用软件设计内容 根据测控软件的功能，一个测控系统应用软件应包含以下几个主要模块：数据采集及处理模块 实时数据采集程序，主要是完成多路信号（包括模拟量、开关量、数字量和脉冲量）的采样、输入变换、存储等；数据处理程序包括：数字滤波程序，用来滤除干扰造成的错误数据或不宜使用的数据；线性化处理程序，对检测元件或变送器的非线性用软件补偿；标度变换程序，把采集到的数

17、字量转换成操作人员所熟悉的工程量；数字信号采集与处理程序，对数字输入信号进行采集及码制之间的转换，如BCD码转换成ASCII码等；脉冲信号处理程序，对输入的脉冲信号进行电平高低判断和计数；开关信号处理程序，判断开关信号输入状态的变化情况，如果发生变化，则执行相应的处理程序；数据可靠性检查程序，用来检查是可靠输入数据还是故障数据。2022/7/2021控制算法模块 控制算法程序是计算机测控系统中的一个核心程序模块，主要实现所选控制规律的计算，产生对应的控制量。它主要实现对系统的调节和控制，它根据各种各样的控制算法和千差万别的被控对象的具体情况来编写，控制程序的主要目标是满足系统的性能指标。 由采

18、样读入的数据或经计算机处理后的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视；根据控制策略，判断是否超出工艺参数的范围，计算机要加以判别，如果超越了限定值，就需要由计算机或操作人员采取相应的措施，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制，或输出其他有关信号，如报警信号等，确保生产的安全。监控报警模块2022/7/2022 首先用来将各个功能模块程序组织成一个程序系统，并管理和调用各个功能模块程序；其次用来管理数据文件的存储和输出。系统管理程序一般以文字菜单和图形菜单的人机界面技术来组织、管理和运行系统程序。系统管理模块 这部分程序用于生产管理部分，主要包括变化趋势分析、报警记录、统计报表、打印输

19、出、数据操作、生产调度及库存管理等程序。数据管理模块2022/7/2023 分为两部分：人机对话程序包括显示、键盘、指示等程序；画面显示程序包括用图、表及曲线在CRT显示器上形象地反映生产状况的远程监控程序等。人机交互模块 数据通信程序是用于完成计算机与计算机之间、计算机与智能设备之间大信息传递和交换。它的主要功能有：设置数据传送的波特率（速率）；上位机向数据采集站发送机号；上位机接收和判断数据采集站发回的机号；命令相应的数据采集站传送数据；上位机接收数据采集站传送来的数据。数据通信模块2022/7/2024（3）应用软件设计步骤系统定义 在着手软件设计之前，设计者必须先进行系统定义（或说明）

20、。所谓系统定义，就是清楚地列出计算机测控系统各个部分与软件设计的有关特点，并进行定义和说明，以此作为软件设计的依据。绘制流程图 我们可以把测控系统整个软件分解为若干部分，它们各自代表了不同的分立操作，把这些不同的分立操作用方框表示，并按一定顺序用连线连接起来，表示它们的操作顺序。这种互相联系的表示图称为功能流程图。2022/7/2025 编写程序可用机器语言、汇编语言或各种高级语言。究竟采用何种语言则由程序长度、测控系统的实时性要求及所具备的研制工具而定。在复杂的系统软件中，一般采用高级语言。对于规模不大的应用软件，大多用汇编语言来编写。编写程序 测试是计算机测控系统软件设计中很关键的一步，其

21、目的是为了在软件引入测控系统之前，找出并改正逻辑错误或与硬件有关的程序错误。由于测控系统的软件通常都存放在只读存储器中，因此，程序在写入只读存储器之前必须进行彻底测试。软件测试2022/7/2026 文档编制也是软件设计的重要内容。它不仅有助于设计者进行查错和测试，而且对程序的使用和扩充也是必不可少的。如果文档编写的不好，不能说明问题，程序就难以维护、使用和扩充。一个完整的应用软件文档，一般应包括流程图、程序的功能说明、所有参量的定义清单、存储器的分配图、完整的程序清单和注释、测试计划和测试结果说明。文档编制 软件的维护是指软件的修复、改进和扩充。当软件投入现场运行后，一方面可能会发生各种现场

22、问题，因而必须利用特殊的诊断方式和其他的维护手段，像维护硬件那样修复各种故障；另一方面，用户往往会由于环境或技术业务的变化，提出比原计划更多的要求，因而需要对原来的应用软件进行改进或扩充，以适应情况变化的需要。软件维护2022/7/20274.测控系统抗干扰设计（1）硬件抗干扰措施 硬件抗干扰的措施很多，主要包括隔离、屏蔽、滤波、电源抗干扰技术、接地抗干扰技术。 隔离是把干扰源与接收系统隔离开来，使有用信号正常传输，而干扰耦合通道被切断，达到抑制干扰的目的。 屏蔽是将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。 滤波是构成滤波器对信号实现频率滤波，让所需

23、要的频率成分通过，而将干扰频率成分加以抑制。 2022/7/2028（2）软件抗干扰措施 软件抗干扰的措施主要有：数字滤波、看门狗、软件“陷阱”、软件冗余技术、重要数据备份技术。 数字滤波是提高数据采集系统可靠性最有效的方法，一般在进行数据处理之前先要对采样值进行数字滤波。数字滤波是一种程序滤波，通过一定的计算程序减少干扰信息在有用信号中的比重。数字滤波的方法很多，各有特点，如程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均值滤波法、加权平均值滤波法、滑动平均值滤波法、惯性滤波法、复合滤波法。 看门狗WD（Watch Dog）使用监控定时器，定时检查某段程序或接口，利用定时中断来监视程序运行状态。当超过一

24、定时间系统没有检查这段程序或接口时，可以认定系统运行出错，通过软件进行系统复位或按事先预定方式运行，帮助系统自动恢复正常运行。2022/7/20298.3 计算机温度测控系统的设计1. 设计任务 以烤箱温度为控制对象，对其温度实现自动控制。具体设计要求如下： 1功能要求： （1）工作方式：具有手动调节和闭环自动控制两种方式； （2）控制量：手动时，控制量通过面板调整；闭环时，控制量由模拟输入或上位机输入； （3）显示量：能够显示实际温度、设定温度等； （4）数字通信：配备串行通讯接口，可实现接收下位机上传数据的采集、显示，实现对温度的控制。2022/7/2030 2性能指标： （1）温度测量（

25、控制）范围：0200； （2）检测精度：0.1； （3）控制精度：0.5； （4）温度显示刷新速度：1次/s； （5）过零触发控制周期：2s。2022/7/20312. 总体方案设计（1）系统控制方案的确定 在温度控制系统中，首先将需要控制的被测温度参数由传感器转换成电信号，再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号经过计算，得到相应的控制值，再输送给执行机构来增加或减少供给被控对象的热量，使被控温度调节到整定值，重复上述工作可达到调节的目的。2022/7/2032（2）微控制器的选择 目前，微控制器（即单片机）作为嵌入式技术的核心，测控系统中的应用己经越来越广泛越来越普遍。本系统的功能和

26、性能如前所述，为了实现这些功能和性能，测控系统是一个基于单片机的控制系统。单片机型号的选择主要从以下两点考虑：一是要有较强的抗干扰能力；二是要有较高的性价比。因此本系统采用ATMEL公司生产的AT89S52作为下位机的控制器。（3）温度传感器的选用 温度传感器一般是利用材料热敏特性，实现由温度到电参量的转换。 在温度的采集测量过程中，热电偶具有体积小、使用方便、测温范围宽、测温精度高、性能稳定、动态响应好、输出直接是电压信号，便于讯号的远传和记录，也有利于集中检测和控制等优点，由此成为了工程上应用最广泛的温度传感器。因此，本系统选择K型热电偶作为温度传感器。2022/7/2033（4）温度控制

27、方式 在本系统中采用通断控制的方式来进行功率调节。 设电网连续N个完整的周波为一个控制周期为 若在设定的控制周期Tc内控制主回路导通n(nN）个完整的周波，则负载功率为 因此，控制在设定周期Tc内主回路导通的周波数n的个数，就可调节负载的功率 。2022/7/20343.系统的数学模型和控制算法（1）被控对象数学模型的建立 本系统的被控对象电烤箱为纯滞后的一阶对象，其传递函数为：2022/7/2035（2）控制算法的确定 由上述建立的被控对象传递函数可知，电烤箱温度控制系统是一个带有纯滞后的一阶惯性环节，可以采用Simth预估控制算法或大林算法。 当纯滞后时间 与被控对象惯性时间常数Tp之比0

28、.5时，称被控过程具有一般的纯滞后，可以通过常规控制方法获得较好的控制效果。本系统中，所以，采用工业生产过程中普遍使用的PID控制算法。 这里我们采用第三章给出的扩充响应曲线法整定PID参数，取控制度为1.05，利用Simulink仿真软件整定出PID控制器初值为2022/7/20364. 系统的硬件设计系统硬件组成框图2022/7/2037（1）温度检测电路 根据总体方案设计，本系统选用K型热电偶检测温度。由于热电偶应用于计算机测控系统时，存在信号弱、需要冷端补偿、输出具有非线性等问题，所以，在将热电偶用于单片机系统时，必须采取“传感器滤波器放大器冷端补偿线性化处理”模式。此外，采用热电偶测温输出的是模拟电压信号，而单片机只能接受处理数字信号，因此，还需进行A/D转换。 由系统的设计任务可知，本系统的温度范围为0200，检测精度为0.1，故A/D转换器的位数应选用12位为宜。K型热电偶实物图MAX6675的引脚图2022/7/2038（2）MAX6675与单