中科大现代检测技术课件第9章 现代检测系统设计技术

主要内容9.19.29.39.1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：组成PC机+硬件接口卡+开发系统的“软功能库”、“软控件库”。功能：信号的采集与控制(接口卡板)、信号的分析与处理（软件）结果的输出（CRT）均放在计算机上实现。虚拟信号发生器根据系统的功能要求进行软连接、软组合、软修改、软测试等一系列软操作。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。图9-1虚拟仪器硬件组成

9.1.2虚拟仪器的组成

计算机模块化功能硬件软件系统传感器执行器传感器接口卡板信号调理计算机网络虚拟仪器软件系统系统管理虚拟仪器开发软件虚拟仪器驱动程序DAQ、总线通信接口DAQ接口卡总线通信接口卡数据采集数据处理图9-2信号发生器前面板

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，系统组建快速方便。9.1.3虚拟仪器的特点2、显示器取代传统的检测仪器面板。9.1.4虚拟仪器软件开发平台

软件开发工具：（美国国家仪器NationalInstruments）1、LabVIEW8.2（图形化编程语言）2、LabWindows/CVI（文本式编程语言）。

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）实验室虚拟集成环境功能：数据采集和控制。数据分析和数据表达、测试和测量。结果的输出与表达。VI构成：前面板、程序框图、图标/连接器。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。控制与显示以各种图标形式出现。图9-3频谱分析仪前面板

程序框图用LabVIEW图形编程语言编写。相当于传统程序的源代码。选用工具模板、控制模板、功能模板上图标来设计制作虚拟仪器程序框图。构成：端口、节点、图框、连线。端口：与前面板控制与显示传递数据。节点：实现函数和功能的调用，程序框图的对象。图框：文本编程结构化程序控制命令。连线：程序执行的数据流。连线节点端口图9-4温度计程序框图

图标/连接器:子VI被其它VI调用的接口。相当于文本编程语言中的函数原型。图标是子VI在其它程序框图中被调用的节点表现形式。连接器节点数据的输入输出接口。如同函数的参数。工具模板ToolsPalettes提供图形操作的工具抓图移动、选取、文字输入等。编程工具LabVIEW

操作模板控制模板ControlsPalettes提供所有用于前面板编辑的控制和显示对象的图标。数值型控件：旋钮、滑动杆等布尔型控件：开关、按钮、指示灯等。字符串控件：文本输入等数组、矩阵控件：创建数组矩阵等。功能模板提供程序框图中所需的基本功能函数。以图标的形式表示。包括结构模板、数组模板、族与变体模板、数值模板、布尔模板、字符串模板、比较模板、定时模板、对话框、文件I/O、波形模板、语言程序控制模板、同步模板、图形与声音模板、报表生成模板方案设计仪器的总体设计技术设计仪器电路图程序清单仪器制造制板/装配/调试仪器成品设计室工厂车间仓库传统硬件仪器开发虚拟仪器开发方案设计仪器建模技术设计模型算法仪器制造程序编制仪器成品计算机完成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(FCS)类型HART、CAN、LonWork、PufiBus、FF。操作员站操作员站工程师站主CPU主CPU主CPUI/OI/OI/OI/OI/OI/O传感器现场总线仪表执行器现场总线仪表现场总线现场总线仪表的特点：（1）全数字性：现场的传感器、控制器、执行器都带有符合现场总线标准的通信接口。实现多点串行数字传输。（2）互操作性：现场总线标准日益国际化，各个仪表生产厂家设备可通用。（3）高精度高抗干扰能力：数字信号传输提高了测量与控制的精度、减少了传输误差。（4）系统的综合成本降低：连线少（2线），器件少，节省成本，安装费用少。变送器调节器HART手操器显示器24VR电流表传输线图9-5基于HART协议的变送器接线图

15Km1、HART协议（HighwayAddressableRemoteTransducer

）2200HZ“0”I01100HZ“1”i(mA)t0.5-0.5图9-6HART协议传递的二进制数字信号D调制D解调2、CAN总线系统(ControllerAreaNetwork)图9-7CAN总线系统的结构CAN接口CAN接口CAN接口无主从，半双工工作。一个节点发送，多个节点接收信息。CAN收发器CAN控制器MCU传感器/执行器接口其它外设CAN总线图9-8CAN底层模块的硬件结构

110个节点CAN总线收发器（82C250）CAN总线控制器（SJA1000）微机（DSP、单片机等）传感器/执行器接口CAN总线图9-9CAN总线节点组成CAN总线收发器：CAN控制器与物理传输线路的接口。电平转换、差分收发、串并转换。CAN控制器：数据的读写、中断、校验、重发、错误处理等。微处理器（单片机）对CAN控制器初始化，写入控制字，ＣＡＮ控制器按照设定通信协议完成数据的收发。微处理器（单片机）写控制字到CAN控制器，写发送数据到CAN控制器，读CAN控制器数据。CAN报文格式00帧起始标识符12位控制位6位字节数等。。数据字段最多8字节11111111CRC校验16位应答2位帧结束7位9.2.2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”。网络层次ISO/IEC7498标准规定7层框架。物理层（physicallayer）：作用：为数据位传输提供物理连接，以实现信息流传输。信息流通路（光纤、双绞线、同轴电缆）数据链路层(datalinklayer)：两个节点之间的线路上无差错的传输以楨为单位的数据。（数据与控制信息）数据通路应用层(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。（设备类型，一对一，一对多等）服务9.3智能化仪器的设计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。太阳能热水器防爆管控制器设计。智能热量表的设计热或力中站央锅空炉调温度传感器温度传感器积算仪流量计用户热量表热量测量组成

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、流量热功率、热量、运行时间等。子任务：1、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2、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。单片机键盘显示A/D转换器非易失存储通信电路流量传感器进水温度传感器回水温度传感器放大器水阀循环泵远传水表远传水表水阀集热器加热器热水供水冷水补水水位开关T1T2T3T4太阳能热水器防爆管检测系统显示集热器管道30S供水和回水流量。当集热器管道供水和回水流量相差大于误差限，控制器声光报警，同时切断循环泵，停止集热器供水。累计集热器供水和回水管道总流量。显示循环泵的工作状态，工作绿灯，停止红灯；显示集热管的工作状态，正常为绿灯，爆管为红灯。为了区别起见，集热器供水管道流量显示器为红色数码管，集热器回水管道流量显示器为绿色数码管，数码管尾数为6位。累计流量与30S内累计流量，两个流量巡回显示。子任务：1、进回水流量传感器的选用与设计2、控制器的设计。模块：进水回水流量传感器模块。进水、回水流量显示电路设计。单片机及最小系统存储器模块、状态指示模块控制输出模块。每个模块中包括硬件电路设计和软件程序设计。循环泵集热管太阳能热水器防爆管控制器面板图电源流量1，2采集电铃循环泵太阳能热水器防爆管控制器端子接线图远传水表1远传水表2ATMEL89S51单片机E2PROM供水流量显示显示驱动器回水流量显示显示驱动器循环泵工作状态指示集热管工作状态指示泵及电铃控制输出（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），在实验板上搭建实验电路.用ROTEL99等软件工具画原理图，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。先总后分，先粗后细。中断入口0004H流量中断标志置位？按键中断标志置位？定时中断标志置位？

中断返回数据采集处理根据按键次数跳转对应功能定时累计时间热量表中断程序流程图开始MAX7219(1)(2)初始化定时器T0初始化中断口INT0、INT1初始化关电铃、接通循环泵初始化工作状态指示允许T0运行，开中断工作正常指示进水流量与回水流量一致？报警指示，通电铃关泵延时10秒防爆管主程序流程图编制流程框图和程序（主程序、中断程序、子程序）