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1、第八章 自动检测技术的发展方向,第一节 现场总线技术,概述CAN（控制器局域网络）LonWorks（局部操作网络）PROFIBUS（过程现场总线）HART（可寻址远程传感器数据通路）FF（现场总线基金会现场总线）,现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域中计算机通信体系最低层的低成本网络。根据国际电工委员会（IEC）的标准和现场总线基金会（FF）的定义，“现场总线是连接智能现场设备和自动化测试系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络”。现场总线技术的基本内容包括：以串行通信方式取代传统的420mA的模拟信号；一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点链接支持低层的现场智能设备与高层的系统
2、利用公用传输介质交换信息；现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须根据国际标准化组织ISO的计算机网络开放系统互连的OSI参考模型来制定。,现场总线在智能现场设备、自动化系统之间提供一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接。现场总线的出现促进了现场检测系统的数字化和网络化，并且使现场控制的可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通信速率快。一个传统的420mA控制回路通常只能传输代表过程变量的一个信号。现场总线能够在传送多个过程变量的同时，一并传送仪表的标识符和简单的诊断信息，具有监视与控制能力强、可靠性与故障容限高、实时响应好和对环境要求低等优点。数字信号的精确性是现场总线的另一优点，数字信
3、息可排除模拟信息传输和转换中所产生的误差。,现场总线控制系统的典型结构如图8-1所示。图中现场总线的节点式现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、调节器、调节阀、步进电机、记录仪、条形阅读器 等。,图8-1 现场总线系统结构图,一、CAN（控制器局域网络）,控制器局域网络CAN（Controller Area Nerwork）是由德国Bosch公司从20世纪80年代初为解决现代汽车种众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。其发展目标是逐步用于其他工业领域控制的现场总线。它定义了网络互连模型的物理层、数据链路层和应用层，其中
4、，物理层符合国际标准化组织ISO11898标准。,CAN具有如下特性：,（1）CAN的通信速率为5Kbps(10km),1Mbps(40m),节点数为110个，传输介质为双绞线或光缆等。（2）CAN采用点对点，一点对多点及全局广播等几种方式发送和接受数据。（3）CAN采用循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）及其他检错措施，保证了极低的信息出错率。,（4）CAN采用非破坏性总线优先级仲裁技术。当两个节点同时向网络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，优先级高的节点可不受影响地继续发送信息。因此，按节点类型分成不同的优先级字节数为8个，可以满足不同的实时要求。
5、（5）CAN可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分，每个节点均可主动发送报文，用此特点可以方便地构成多机备份系统。（6）CAN节点具有自动关闭功能，当节点错误严重时，则自动切断与总线的联系，这样不影响总线的正常工作。（7）CAN支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。它采用短帧结构，每帧有效字节数为8个。这样，传输时间短，受干扰的概率低，具有较好的检错结果。（8）CAN采用多主竞争式结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线和广播通信特点。信道访问方式为带优先级的CAMA/CD技术。采用位填充的不归零制信号编码方式，其数据传输速率为1Mbit/s，最大传输距离为1000m。以位仲裁方式
6、（11位标示码）确定数据块的优先级。,二、LonWorks(局部操作网络）,局部操作网络LonWorks是美国Echelon公司研制的，其设计成本低，具有通信与操作功能，主要应用于工业自动化、机械设备控制，是低层次工业网络最有希望的一种网络。LonWorks是集控制器和网络通信处理器为一体的芯片Neuron的串行总线，它是一种对等网络。,（1）LonWorks通信速率为78Kbps(2700m)、1.25Mbps(130m),字节数是32000个传输介质为双绞线、同轴电缆、光缆、电源线等。（2）LonWorks采用LonTalk通信协议，该协议遵循国际标准化组织ISO定义的开放系统互连OSI（
7、Open System Interconnection）全部7层模型。（3）LonWorks的核心是Neuron（神经元）芯片（MC143150和MC143120）,内含3个8位的CPU：第一个CPU为介质访问控制处理器，实现LonTalk协议的第1层和第2层；第二个CPU为网络处理器，实现LonTalk协议的第3层和第6层；第三个CPU为应用处理器，实现LonTalk协议的第7层，执行用户代码及用户代码所调用的操作系统服务程序。,主要有如下特点：,（4）Neuron芯片的编程语言为Neuron C，它是从ANSI C派生出来的。（5）LonTalk协议提供5种基本类型的报文服务：确认、非确认
8、、请求/响应、重复、非确认重复。（6）LonTalk协议的介质访问控制子层对CSMA作了改进，采用一种新的称为Predictive P-Persistent的CSMA，根据总线负载随机调整时间槽n(163)，在负载较轻时使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能性最小化，从而使传输介质发挥它的最大传输容量。,三、PROFIBUS（过程现场总线）,过程现场总线PROFIBUS是德国标准，是1991年在DIN19245中公布的标准。PROFIBUS有几种改进型，分别用于不同的场合，比如，PROFIBUS-PA用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域；PROFIBUS-
9、FMS用于一般自动化；PROFIBUS-DP用于加工自动化，适用于分散的外围设备。PROFIBUS为开放系统协议。为了保证产品质量，在德国建立了FZI信息研究中心，对制造厂和用户开放，可对其产品进行一致性检测和实验性检测。,四、HART（可寻址远程传感器数据通路）,HART是美国Posemount公司研制的。其协议可参照ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。它主要有如下特性：,（1）物理层：采用基于Bell 202通信标准的FSK技术，即在直流420mA模拟信号上叠加FSK数字信号，逻辑1为1200Hz,逻辑0为2200Hz，波特率为1200bit/s，调制信号为0.5mA或Up-p
10、=0.25V(250负载)。用屏蔽双绞线单台设备距离为3000m，而多台设备互连距离为1500m（2）数据链路层：数据帧长度不固定，最长为25个字节。寻址为015，当地址为0时，由处于直流420mA与数字通信兼容状态；当地址为115时，则处于全数字通信状态。通信模式为“问答式”或“广播式”。（3）应用层：应用层规定了三种命令：第一种式通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品；第二种式普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品；第三种是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品。,五、FF（现场总线基金会现场总线）,现场总线基金会（Fieldbus Foundation,FF）是国际公认的唯
11、一不附属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织。其宗旨是制订统一的现场总线国际标准，无需专利许可，可供任何人使用。它定义了网络互连模型中的物理层、数据链路层、应用层和用户层。,其主要特性如下：,（1）物理层：传输介质采用有线电缆、光纤、无线通信和双绞线。通过有线电缆传送信号定义了两种速率标准：H1和H2.H1为用于过程自动化的低速总线，波特率为31.25kbit/s，传输距离2001900m（取决于传输介质），总线供电，提供本质安全型；H2为用于制造自动化的高速总线，波特率为1.0(Mbit/s)/750m或2.5(Mbit/s)/500m。（2）数据链路层：DLL低层（介质访问）功能有：基
12、本设备不能主动发起通信，智能接受查询；链路主设备在得到令牌时可以发起一次通信；每个网段的链路主设备中有一个活动调节器，发起周期和非周期通信。DLL高层数据传输功能：无连接数据传输，发行数据定向连接传输，请求/响应数据定向连接传输。,（3）应用层：定义了如何应用读、写、中断和操作信息及命令，同时也对网络进行控制，统计失败和检测新加入或退出网络的装置。应用层由访问子层FAS和报文规范FMS组成。FAS提供3类服务：发布/索取、客户机/服务器和报文分发。FMS规定了访问应用进程AP和报文的格式及服务。(4)用户层：获取传输信息并完成相应的任务。规定了标准的功能模块，利用功能模块数据结构执行数据采集、
13、处理、控制和输出，因而给用户带来极大的方便。综上所述，现场总线的发展趋势为：在保证数据传输高可靠性的基础上，尽量简化网络协议；在保证较高性能价格比的基础上，不断增加网络的传输带宽，加大传输距离；网络结构由单一主从式向多主方式进化；并试图采用同一根传输电缆实现数据传送和向现场装置供电。因此，现场总线标准的统一式必然的。,第二节 虚拟仪器,虚拟仪器的发展与特点虚拟仪器的结构组成,随着计算机技术的不断发展，自动化测试仪器系统开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器（Virtual Instrument,VI）就是其中最具有代表性的一种。它是现代计算机技术、仪器技术及其他新技术完美结合的产物，是当今计算机辅
14、助测试领域的一项重要技术。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着21世纪自动检测与电子测量仪器技术发展的一个重要方向。,一、虚拟仪器的发展与特点,1、虚拟仪器的发展随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的发展，电子测量仪器也随之不断地发展，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代模拟仪器。其基本结构是电磁机械式结构，其测量结果是依靠指针显示。如指针式万用表、集体管电压表等。第二代数字化仪器。它是将模拟信号转换位数字信号，以数字形式输出与显示最终结果。如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器。这种仪器内部设置微处理器，既可以进行自动检测，又具有一定的数据处理能力，其功
15、能模块是硬件与固化的软件形式存在，对开发和应用不灵活。,第四代虚拟仪器。是基于计算机的软硬件测试平台，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器完全采用新的检测理念、新的仪器结构、新的检测方法和新的开发手段，其先进技术十分复合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称做“软件仪器”。是电子测量技术与仪器领域中的一次技术飞跃。,虚拟仪器技术的开发和应用源于1986年美国的国家仪器公司（National Instruments Corporation,
16、简称NI）设计的LabVIEW，它是一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，实现了虚拟仪器的概念。NI公式认为，虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，并能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。,2、虚拟仪器的特点,虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下优点：（1）融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。（2）利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，增加了系统灵活性。通过软件技术和相应数
17、值算法，可以实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。同时，图形用户界面技术使得虚拟仪器界面友好，人机交互方便。（3）基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、可重复使用和互换性等特点。用户可以根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活，效率更高，缩短了些他组建时间。（4）基于计算机网络技术和接口技术，比传统仪器更方便与其他仪器设备、网络等连接，易于构成自动检测系统，易于实现测量、控制过程的智能化、网络化，从而使检测系统更开放、更灵活。（5）虚拟仪器基于计算机总线和模块化仪器总线技术，硬件实现了模块化、系列化，同时利用计算机及软件将多种检测功能集成于一体
18、的方法不仅缩短了检测时间，而且提高了检测的精度。,二、虚拟仪器的结构组成,图8-2 虚拟仪器系统结构图,虚拟仪器系统的结构体系主要由硬件何软件两部分组成。其中硬件系统一般分为计算机硬件平台和采集与控制功能硬件两部分；软件系统则由VISA库、驱动程序和应用程序组成。,1、虚拟仪器的硬件系统虚拟仪器的硬件系统一般由计算机硬件平台和采集与控制功能硬件两部分组成。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机用于管理虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机在显示、存储能力、处理性能、网络和总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。
19、,采集与控制功能硬件主要是完成被测信号的放大、A/D转换和采集功能。具体测量仪器硬件模块是指各种传感器、信号调理电路、A/D转换器、D/A转换器、数据采集器等。其构成方式按照接口标准不同，可分为GPIB、VIX、PXI和DAQ四种,DAQ指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC104等）的内置功能插卡，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活形和扩展性。利用DAQ，可方便快速地组建虚拟仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。在性能上，随着A/D转换技术、仪器放大技术、滤波技术与信号调制技术的迅速发展，DAQ的采样速度已达到1Gb/s,精度高达24位，通道数高达64个，并能任
20、意结合数字I/O、模拟I/O、计数器/定时器等通道。,VXI总线体系结构综合了GPIB和VME总线的特点，由VXI模块集成的系统硬件集成度高、数据传输速率高、便携性号，是目前最受业界关注的体系结构之一。VXI系统结构中的嵌入式计算机控制方式由于在系统的体积、系统控制速率和电磁兼容性方面具有优势，因此，一般应用于在性能要求较高和投资较大的场合。,2、虚拟仪器的软件系统,虚拟仪器最核心的思想，就是利用计算机的软件和硬件资源，使本来需要硬件或电路实现的技术软件化和虚拟化，最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用，从低层到顶层，虚拟仪器的软件系统框架也包括三个
21、部分：VISA库。仪器驱动程序、应用软件。VISA虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/O函数库为VISA库。它驻留于计算机系统中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机于仪器之间的软件层连接，以实现对仪器驱动程序的控制。,仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的。仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过I/O软件所提供的统一基础与格式的函数库的调用来实现的。虚拟仪器驱动程序是连接上层应用程序与底层I/O接口软件的纽带和桥梁。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，
22、通过提供直观、友好的操作界面，以及丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。,第三节 网络化测控系统,网络化测控系统的特点与发展网络化测控系统的体系结构,一、网络化测控系统的特点与发展,20世纪70年代以来,电子技术和半导体工业的发展突飞猛进,工业生产、科学研究和人民生活对测量和控制的需求不断提高,这些带动并促使测量和控制领域出现巨大变化,具体到测量仪器仪表,相继产生了基于微处理器、单片机的智能仪器以及基于PC机的虚拟仪器。计算机和仪器仪表的日益紧密结合,使测量的方
23、式方法日趋多样化,并在与之密不可分的控制的运用广度和深度上得以延伸。而近几年来,基于Internet的网络技术的高速发展,更是给测量和控制带来了不可估量的发展空间,网络化测量技术与具备网络功能的新型仪器集功能于一体，网络化测控系统应运而生。,（4）稳定性 传感器的稳定性是指经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。为了保证稳定性，在选用传感器之前应对使用环境进行调查，以选择合适的传感器类型。（5）精确度 传感器的精确度表示传感器的输出与被测量真值的对应程度。因为传感器处于检测系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个检测系统具有直接影响。然而
24、，传感器的精确度也并非越高越好，因为还要考虑到经济性。传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择传感器。总之，除了以上选用原则以外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修和便于更换等条件。,基于Internet的测控系统中实现信号采集与控制的前端模块具有虚拟仪器不可比拟的强大功能，它不仅完成信号的采集和控制，还在一定程度上兼顾实施对信号的分析与传输。这主要是因为它以一个功能强大的微处理器和一个嵌入式操作系统为支撑。在这个平台上，使用者可以很方便地实现各种测量功能模块的添加、删除以及不同网络传输方式的选择。,基于Internet的测控系统最为显著的特点是信号传输的方
25、式发生了改变。用传统仪器进行测量，不存在信号的传输问题；用智能仪器实施测量，测得结果信号的传输也较为容易；由虚拟仪器完成的测量过程中的信号传输，是依靠专用网络实现的；而基于Internet的网络化测得信号、控制信号等的传输，则是建立在公共的Internet上的。有了前端的嵌入式模块，系统测量数据安全、有效的传输便成为可能。再有，基于Internet的测控系统对测得结果的表达和输出也有了较大改进。一方面，不管身在何处，使用者都可以通过瘦客户机（在三级网络体系结中，Web服务器既作为一个浏览服务器，又作为一个应用服务器。在这个中间服务器中，可以将整个应用逻辑驻留其上，而只有表示层存在于客户机上。这
26、种结构被称之为“瘦客户机”）方便地浏览到各种实时数据，了解设备现在的工作情况；另一方面，在客户端的控制中心，所拥有的智能化软件和数据系统，都可被调用来服务于测得结果的分析以及为使用者下达控制指令或为决策提供帮助。,由于基于Internet的测控系统能够实现传统仪器仪表的基本功能，同时又具备传统仪器仪表所没有的一些新的特点，所以从系统的观点考虑并根据网络化仪器的定义，基于Internet的测控系统无疑也属于网络化仪器。网络化仪器的概念是对传统测量仪器概念的突破，是虚拟仪器与网络技术相结合的产物。基于Internet的测控系统这一类网络化仪器利用嵌入式系统作为现场平台，实现对需测数据的采集、传输和
27、控制，并以Internet作为数据信息的传输载体，且可在远端PC机上观测、分析和存储测控数据与信息。可以看到，这种随时随地获取测量信息的智能化、开放性和交互性的网络化测控系统，正在成为新一代网络化仪器及其系统的发展趋势。,二、网络化测控系统的体系结构,当今时代，以Internet为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大 范围内的通信变得十分容易，Internet拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用，比如电子商务、网上教学、远程医疗、远 程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用，远程设备故障诊断，等等。与此同时，高性
28、能、高可靠性、低成本的网关、路由器、中继器及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步，又方便了Internet、不同类型测控网络、企业网络间的互联。利用现有Internet 资源而不需建立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联都十分方便。典型的面向INTERNET的测控系统结构如图8-3所示,图8-3 面向Inrernet的测控系统结构,图中现场智能仪表单元通过现场级测控网络与企业内部网INTRANET互连，而具有Internet接口能力的网络化测控仪器通过嵌入于其内部的 TCP/IP协议直接连接于企业内部网上，如此，测控系统在数据采集、信息发布、系统集成等方
29、面都以企业内部网络（Intranet）为依托。将测控网和企业内部网及Internet互联，便于实现测控网和信息网的统一。在这样构成的测控网络中，网络化仪器设备充当着网络中独立 节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域，实时、动态（包括远程）的在线测控成为现实，将这样的测量技术与过去的测控、测试技术相比不难发现，今天，测控能节约大量现场布线、扩大测控系统所及地域范围。,基于Web的信息网络Intranet，是目前企业内部信息网的主流。应用Internet的具有开放性的互联通信标准，使Intranet成为基于TCP/IP协议的开放系统，能方便地与外界连接，尤其是与Internet连接。借助I
30、nternet的相关技术，Intranet给企业的经营和管理能带来极大便利，已被广泛应用于各个行业。Internet也已开始对传统的测控系统产生越来越大的影响。目前，测控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开放性等原则，测控网络由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化。智能化的测控系统。网络的节点上不仅有计算机、工作站，还有智能测控仪器仪表，测控网络将有与信息网 络相似的体系结构和通信模型。比如目前测控系统中迅猛发展的现场总线，它的通信模型和OSI模型对应，将现场的智能仪表和装置作为 节点，通过网络将节点连同控制室内的仪器仪表和控制装置联成有机的测控系统。测控网络的功能将远远大于系统中各独立个体功能的总和。结果是测控系统的功能显著增强，应用领域及范围明显扩大。,
