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1、第十四章 微型计算机在检测技术中的应用,微型计算机在检测领域中的应用日益广泛，微机自动检测系统已成为检测技术发展的主要方向。在掌握传感器及信号处理技术的基础上，运用工程设计的一些基本方法，可以方便地构建微机自动检测系统。,第一节 现代检测技术综述,现代检测系统的技术基础是总线技术、虚拟仪器技术和网络化测试技术.,一.总线技术,总线是一组互联信号线的集合，是计算机、测量仪器、测试系统内部以及相互之间信息传递的公共通路，也是微机自动检测系统的重要组成部分。微机自动检测系统的功能及形式与其总线标准有很大的关系。利用总线技术，能够大大简化系统结构，增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可维护性，便于实行标
2、准化以及组织规模化的生产，从而显著降低系统成本。,总线的类别很多，分类方式多样。根据总线上传输的信息不同，计算机系统总线分为地址总线、数据总线以及控制总线；根据信息传送方式，总线又可分为并行总线和串行总线；从系统结构层次上区分，总线分为片内总线、元件级总线、系统总线（内总线）及通信总线（外总线），如图14-1所示。,片内总线是集成电路芯片内部用以连接各功能单元的信息通路。,元件级总线是印刷电路板上连接各芯片的信息通路。,系统总线是微机机箱内的主板总线，用以连接微机系统的各插件板，一般为并行总线。,通信总线用于微机系统之间、微机与仪器或其它外设之间的连接，可以是并行总线，也可以是串行总线。,图1
3、4-1 微机各级总线示意图,1、系统总线,除了许多计算机总线可用作系统总线外，还有不少专门为自动检测系统设计的总线。系统总线主要包括：,1）VME/VXI总线,2）PCI总线 PCI(Peripheral Component Interconnect),3）PXI总线 PXI(PCI Extension for Instrumentation),2、通信总线,1）串行总线 2）并行总线,3、现场总线 现场总线（Fieldbus）是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。,图14-2 CAN测控网络,二.虚拟仪器技术,虚拟仪器由计算机、
4、应用软件和仪器硬件三部分构成，计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。虚拟仪器将计算机强大的图形界面、数据处理能力与仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，实现对数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器由三大功能块构成：信号的采集与控制,信号的分析与处理,结果的表达与输出.,图14-3 虚拟仪器结构图,虚拟仪器的关键是软件，这是因为虚拟仪器技术最核心的思想，就是充分利用计算机的硬软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(虚拟化)，最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。虚拟仪器的软件框架由三部分构成：VISA库、仪器驱动程序和应用软件。,三.网络化测试技术,网络化测试技术则是在计算机网
5、络技术、通信技术高速发展，以及对大容量分布式测量的大量需求背景下，由单机仪器、局部的自动测试系统到全分布式的网络化测试系统而逐步发展起来的。目前，以Internet为代表的计算机网络正在迅猛发展，随着网络信道容量的扩大，网络速度将不再成为网络应用的障碍。为了实现资源共享，许多企业都建立了自己的企业网（Intranet），并接入到Internet，测试信息则通过企业网与外部Internet互连，从而产生了基于网络化的分布式测试系统。,图14-4 分布式测试系统的体系结构,现场级总线用于连接现场的传感器和各种智能仪表，工厂级用于过程监控、任务调度和生产管理，企业级则将企业的办公自动化系统和测试系统
6、集成而融为一体，实现综合管理。底层的现场数据进入过程数据库，供上层的过程监控和生产调度使用，以进行优化控制，数据处理后再提供给企业级数据库，以进行决策管理。分布式网络化测试技术是一项应用面非常广的综合技术，涉及到网络化测量、网络化仪器、网络化控制、网络化制造、遥测、遥控等信息技术多方面的内容，有着广阔的应用前景。,第二节 微机自动检测系统设计,微机自动检测系统种类很多，按用途大体上可分为通用和专用两大类。专用检测系统是针对具体的检测任务而设计的，系统结构较为简单，所需的器件少，研制成本也较低，是本节讨论的重点内容。,一、微机自动检测系统组成结构,微机自动检测系统由现场传感器、数据采集装置及微机
7、三部分组成。数据采集装置的基本任务是：采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，通过标准总线接口送至计算机进行数据处理。,图14-5 微机自动检测系统基本结构,在微机自动检测系统的集成过程中，传感器的选用是前提，总线构成了系统的框架，数据采集装置则是系统的关键。在数据采集装置的设计过程中，微处理器是采集装置的核心，A/D芯片决定了系统的精度和速度，监控程序是开发是重点。,二、数据采集装置的硬件设计,1.微控制器选择 微控制器性能差异对系统实时能力和数据处理能力产生直接影响，选择时一般考虑如下几方面的因素：CPU性能，存储器，指令系统，中断系统功能。目前自动检测系统中广泛采用以单片
8、微计算机（Single Chip Microcomputer，以下简称单片机）为核心构成数据采集系统。,最近十年来，以MCS-51技术核心为主导的微控制器技术已被ATMEL、PHILIPS等公司所继承。ATMEL公司把自身的先进Flash存储器技术和8031核相结合，生产出了与MCS-51兼容而功能更强的ATMEL89系列单片机。其最大的特点是内部含Flash存储器，在系统的开发过程中可以十分容易地进行程序修改，使开发周期大为缩短。ATMEL89系列单片机有AT89C系列的标准型及低档型，以及AT89S系列的高档型。,图14-6 AT89C单片机的结构框图,图14-7 AT89S单片机的结构框
9、图,近几年来片上系统SoC（System on Chip）的出现，为微机自动检测系统的设计提供了全新的方案。SoC是指以嵌入式系统为核心，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成器件。SoC将电路设计的可靠性、低功耗性等都解决在IC设计之中，把过去许多需要系统设计解决的问题集中在IC设计中解决。SoC的出现极大地简化了检测系统硬件部分的设计，使得原先单片机应用系统设计中软、硬件并重的局面发生了变化，软件设计的比重将会加大。目前，许多可编程的SoC芯片及其开发平台都提供了较理想的SoC技术应用开发套件，这些套件具有编译、仿真、调试及验证功能。借助与这些工具和芯片所提供的技术和方法，工程技术
10、人员可以较快地进入SoC应用设计领域。,2.信号调理电路 信号调理单元是传感器输出与A/D转换之间的一个重要环节，其主要作用有三点：第一是为A/D转换器提供适合其输入量程的输入信号；第二是运用隔离技术抑制共模干扰电压；第三是信号滤波及线性化处理。3.多路模拟开关 微机自动检测系统往往需要同时采集多个传感器的输 出信号，然后进行A/D转换。如果每一路信号都采用独立的输入回路，则系统成本成倍增加。为此，通常采用微机分时采样的方法，使用多路模拟开关来实现信号测量通道的切换。选择多路模拟开关一般要考虑下列技术指标：1）通道数量 2）泄漏电流 3）切换速度 4）开关电阻,4、A/D转换 A/D转换的功能
11、是将模拟量信号转换成数字量。目前使用较多的A/D转换器有两大类，一类是并行A/D转换，另一类是串行A/D转换。传统的A/D转换器都是并行的，由于I/O的引脚较多，这类芯片的体积都较大。在串行A/D转换器中，转换结果以串行二进制编码的形式输出，只有1根数据输出线，加上1根时钟输入线、片选或其他形式的控制信号线，引脚大为减少，体积也大为减小，接口电路的设计更为简单。1)A/D转换的基本原理 图14-8是逐次逼近型A/D转换器的原理图，图14-9是双积分型A/D转换器的原理图。,图14-8 逐次逼近型A/D转换器原理图,图14-9 双积分型A/D转换器原理图,2）A/D转换器的主要技术指标 分辨率:
12、表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。量化误差:由ADC有限的分辨率而引起的误差。偏移误差:指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时称为零值误差。满刻度误差:指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差 非线性度:指ADC实际的转换函数与理想直线的最大偏移。转换速率:指ADC每秒转换的次数，完成一次A/D转换所需的时间则为转换速率的倒数。,3)A/D转换器选择要点 首先要考虑A/D转换器的位数，它与整个检测系统的测量范围及精度有关.其次要考虑A/D转换器的转换速率。再次要考虑的问题是工作电压和基准电压。此外，要考虑的还有模拟量输入的范围和极性、性能价格比、可替
13、换性等诸多因素。,5、采样及保持 为了在满足转换精度的条件下提高信号允许的工作频率，可采用采样/保持器(Sample/Hold)。它在AD转换开始时使信号电平保持不变，而在AD转换结束后又能跟踪输入信号的变化。选择采样/保持器时，主要考虑：输入信号范围，输入信号变化率和多路开关的切换速度.当输入的模拟信号变化很缓慢，A/D转换速度相对而言足够快时，可以不用采样/保持器。,三、数据采集系统的软件设计,微机自动检测系统的软件运行在不同的平台下，设计中可能用到不同层次的程序设计语言。数据采集装置通常基于单片机或片上系统，一般用汇编语言或C语言编写监控程序。监控程序的主要作用是及时响应来自系统或外部的
14、各种服务请求，有效地管理系统软硬件资源，并在系统一旦发生故障时，能及时发现和作出相应的处理。系统的数据处理功能通常在微机上实现，一般用高级语言开发应用软件。,第三节 微机自动检测系统应用实例,一.基于单片机的数据采集系统 1、方案制定 根据设计要求，微机自动检测系统硬件由传感器及测量电路、数据采集装置和通用微机三部分组成，系统结构如图14-10所示。传感器及测量电路是检测系统的前置部分，它将被测参数转换成-10V10V双极性电平信号。数据采集装置是一个单片机系统。微机的主要任务是对信号进行分析处理。,图14-10 微机自动检测系统结构框图,2、数据采集装置 数据采集装置的电路由单片机、模数转换
15、器AD574A、RS232通信芯片以及部分逻辑电路组成。1)单片机 单片机采用AT89S52，其CPU为8031，指令系统与MCS-51兼容。内部有8KB可重复编程的Flash存储器，256字节的RAM，有32条可编程的I/O线，3个16位定时/记数器，8个中断源，3级程序存储器锁定（加密），可编程串行接口及片内时钟振荡器，一个全双工的UART串行通道以及看门狗电路。2)A/D转换器 ADC芯片采用美国模拟器件公司的12位逐次逼近型快速A/D转换器AD574A，转换时间为25s，转换误差为1LSB。AD574A内部有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位微处理器相连，而无须附加逻
16、辑接口电路，且与TTL电平兼容。,图14-11 数据采集装置电路原理图,3）工作原理分析 系统上电后先进行初始化工作，包括清RAM、设置堆栈指针、设置相关的寄存器及标志位，然后立即进入监控程序。监控程序的主要任务是接收解释微机发来的命令控制字，对被测量的信号按规定的速度采样，经处理后通过串行口将数据发送到微机。当发生串行口中断时，进入相应的中断服务程序，接收微机发来的命令控制字。本系统中制定了一个简单的通信协议：命令字为C0C9分别代表10档采样速度，数据块发送方式；命令字为CA表示以最高速度采样并单点发送。在监控程序的每一次主循环中，CPU都要从命令控制字单元取出命令并加以分析判断，当控制字
17、的内容发生变化，则改变定时器T0的时间常数，从而达到改变采样速度的目的。定时器T0中断的主要任务是启动AD574A的模数转换。,图14-12 监控主程序流程图,3、微机应用程序 应用程序在WINDOWS平台下用VB6.0开发。应用程序的主要任务是对检测系统进行监控管理及数据处理，功能包括：通信设置、发送命令控制字、接收现场数据、数字滤波、检测信号的标定、必要的非线性补偿、检测结果分析、频谱分析、实时及历史数据存取、图形界面的信息输出等。图14-13为数据采集系统运行时的界面。,图14-13 数据采集系统运行界面,二.基于单片机的测控系统 设计微机自动测控系统，要求系统能实现自动检测及控制。输入
18、通道有8路模拟量输入、8路数字量输入及1路脉冲计数（或频率）输入，输出通道有4路模拟量输出及4路数字量输出。1、方案制定 根据设计要求，微机自动测控系统由过程装置、测控通道及上位监控微机三部分组成。过程装置内可以是单独的对象，也可以是综合了液位、温度和流量等参数的复杂对象。测控通道是一个以89C52微处理器为核心的单片机系统。上位监控微机为工控机，用户通过微机进行系统组态和设定，对控制参数进行整定，实现多种常规控制，并能观察记录各种实时曲线及历史曲线。,2、测控通道 05V的标准信号接到芯片TLC1543的输入端，经A/D转换后送到单片机，单片机将实时信号通过串行口送至上位监控微机，同时也接收
19、上位机发出的控制信号，并将控制量输出到D/A芯片TLC5620，经D/A转换、放大后再驱动执行机构。（如调节阀、变频器、可控调压装置等）。ADC芯片为TIC1543，它是具有串行控制及11路模拟量输入的10位AD转换器。D/A芯片为TLC5620，它是电压输出型DA转换器。系统复位及监控电路采用可编程X25045芯片来实现.主机和通道间通信基于RS232C串行通信实现数据传输.数字量输入输出用74HC573和74HC574芯片作为数据锁存器。输出锁存的信号加在ULN2003A的输入端。ULN2003A芯片由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，
20、带负载能力强.,图14-14 测控通道电路原理图,3、微机应用程序 微机应用程序也是在WINDOWS操作系统平台下用VB开发，软件设计的着重点是系统的通用性、实时性、可靠性和可操作性。软件提供了一个灵活的操作界面，用户可以根据需要，自行设置对象、调节规律及参数，可以选择输入输出通道。系统内置一个数据库，并建立了一张对象参数表，事先存放了多种过程对象（如水槽、加热炉、压力容器）在不同特性下采用多种调节规律（如P、PI、PID）时系统的参考整定值，供用户在设置时作为参考初值。,图14-15 微机测控系统运行界面,三.基于PC机的分布式测控系统 规模较大、要求恒温恒湿的标准仓库（如卷烟成品仓库），由
21、于仓库距离分散，无法采用总的中央空调系统，一般采用就地温湿度单独控制的方案。要求设计一个分布式测控系统，既能实现对8个独立分隔的仓库对象进行温湿度控制，又能实现远程集中监控。1、方案制定 监控微机（上位机）位于远程中央控制室，测控微机（下位机）位于每个仓库的操作室，上、下位机均使用工控机（IPC）。一台上位机与8 台下位机相连接，采用RS-485通信方式，构成二级分布式测控系统。,图14-16 分布式测控系统结构框图,上位机的主要任务是系统集中监控和管理，有参数设定、集中控制、数据处理、文件管理、图表输出及分析等常规功能。运行时，采用CRT 技术，将八个仓库的温湿度参数设定值及实时值、设备工作
22、状态集中显示在屏幕上，还能以曲线图、直方图的形式显示历史数据，并能打印温湿度测试日报表及月报表。下位机通过数据采集装置采集现场温湿度数据，按照实现设置的控制模式，输出控制信号，实现对仓库对象的温湿度参数进行定值控制。,2、测量及控制 在本系统中，每个仓库内采样点数为14点（温度和湿度各7点），库外2点（温度和湿度各1点）。采样周期为10秒钟，控制周期为一分钟。现场每一个采样点挂一个温湿度测量变送器。温度检测用电流型集成温度传感器 AD590。它是一个温度-电流转换器，若在其输出串接恒值电阻，电阻上流过的电流与被测量的绝对温度成正比。每一台下位机的ISA总线插槽内插了一块台湾研华公司生产的PCL
23、-812PG多功能数据采集卡。PCL-812PG是一种通用型数据采集卡，它提供了五种测量与控制功能，包括：16路12位单端模拟输入通道、2路12位模拟量输出、16路数字输入、16路数字输出和一个可编程计数器/定时器。,控制系统模型的输入参数主要有：温湿度设定值及上下限值、设备选用情况、当前仓库内外温度和相对湿度、上一个处理周期各控制设备的工况、设备启动和停止的最小时间间隔、手动及自动状态、联机和脱机状态等。输出参数为各设备的启动、维持及关闭信号。控制模型能区分高温、闷湿、湿冷等多种天气情况，并综合历史数据作出判断，驱动空调机、去湿机和通风机进行相应的制冷、去湿和通风操作。,3、通信 在本系统中
24、，上位机与下位机之间最大的通信距离约为1000米，系统设计时采用RS-485标准通过串行口进行数据通信。RS-485通信采用平衡发送和差分接受的方式，具有抑制共模干扰的能力，传输距离可达千米以上。实现RS-485标准通信的方式很多，这里，我们选用了一块基于微机ISA总线的研华PCL-745B的RS-485通信卡。它提供两个RS-485串行口，每个串行口有一个带16位FIFO缓冲器的UART。将串行口的两根数据线与下位机的通信线直接连接，便可传送实时数据。,4、微机应用程序 传统的系统方案配置是工控机+数据采/集控制卡+VB/VC 编程。研华公司为该卡提供了一种基于WINDOWS的标准动态链接库，使PCL-812PG有着完善的软件支持功能。用户可以在WINDOWS平台下，使用Visual C+，Visuall Basic，Delphi等语言开发应用软件，可以通过调用动态链接库中的库函数，方便地实现对数据采集卡底层进行操作。,
