自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了如下的幾個(gè)階段：

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)第一階段

第一階段為50年代初到60年代中期，這一階段所應(yīng)用的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)是將不同輸入輸出電路的幾種可程控儀器總裝在一起，為進(jìn)行某種專門測(cè)量而組建的，因此必須用一種專門的接口轉(zhuǎn)換裝置才能把計(jì)算機(jī)和各種可程控儀器聯(lián)接起來(lái)。這種轉(zhuǎn)換裝置包括計(jì)算機(jī)和程控儀器各自的接口電路，它們分別被裝在一塊印刷電路板上，每一塊電路板稱為一個(gè)接口卡片，插在專用的接口卡片箱內(nèi)的一條槽中。這類接口箱和接口卡片都是為專用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的，因此不能通用。因?yàn)榻涌诓荒芡ㄓ?，組建一個(gè)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)不僅耗資巨大而且要花相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)第二階段

第二階段是60年末期。在此時(shí)期，美國(guó)HP公司研制出了一種新型的接口系統(tǒng)，并生產(chǎn)了與之相適應(yīng)的計(jì)算機(jī)。新的接口系統(tǒng)的特點(diǎn)是把接口卡片箱裝在專用的計(jì)算機(jī)內(nèi)，該公司生產(chǎn)的程控儀器相應(yīng)的接口卡片便可插入該卡片箱中。但這種接口系統(tǒng)只適用于HP公司生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)和程控儀器，如果選用其它廠家生產(chǎn)的儀器時(shí)，還得重新設(shè)計(jì)接口，因此具有一定的專用性。

由于各廠家生產(chǎn)的儀器接口結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，給使用者帶來(lái)了很大困難。因?yàn)橐氚巡煌瑥S家生產(chǎn)的儀器組裝到所需要的自動(dòng)測(cè)試或過(guò)程控制系統(tǒng)中去時(shí)，往往要花很大力氣去設(shè)計(jì)制造聯(lián)接它們的特殊接口電路，因此人們提出了接口標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)第三階段

第三階段是70年代以后，美國(guó)和歐洲都開始研究自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，希望研制出一種適用于任何自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的通用的標(biāo)準(zhǔn)化接口系統(tǒng)，以便世界各國(guó)都能按同一接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)可程控儀器的接口電路。美國(guó)HP公司在原設(shè)計(jì)的接口電路基礎(chǔ)上，首先提出了接口標(biāo)準(zhǔn)化方案，該方案經(jīng)進(jìn)一步修改和完善，于1974年正式命名為HP-IB（這里的IB即接口母線Interface Bus）。該接口系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)（如采用了積木式結(jié)構(gòu)，易于組成所需要的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)：使用靈活、方便、價(jià)格低廉），因此得到了美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)和國(guó)際電工委員會(huì)等織織的承認(rèn)，并分別命名為IEEE-488和IEC-625標(biāo)準(zhǔn)，通稱GP-IB，即通用接口母線標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)進(jìn)一步補(bǔ)充完善，于1979年形成“可程控測(cè)量?jī)x器的接口系統(tǒng)”的IEC625-1-79文本，1980年又形成“可程控測(cè)量?jī)x器信息編碼格式約定”的IEC625-2-80文本。這兩個(gè)文本都是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，世界上任何廠家只要按這些標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)測(cè)量?jī)x器，都可被用來(lái)組建自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。我國(guó)是IEC組織的參加國(guó)，所以于1984年正式頒布ZBY207-1-84（相當(dāng)于IEC625-1-79）和ZBY207·2-84（相當(dāng)于IEC625-2-80）文本，作為中華人民共和國(guó)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1985年又升級(jí)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBn249-85，正式公布實(shí)施，這對(duì)發(fā)展我國(guó)的儀器接口技術(shù)及自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)起了很大的推動(dòng)作用。

在儀器接口技術(shù)及自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)方面，目前國(guó)際上除了正在推廣應(yīng)用的IEC-625（或IEC-488）通用接口標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)外，另一種接口系統(tǒng)（CAMAC系統(tǒng)）也正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。CAMAC是“計(jì)算機(jī)自動(dòng)化測(cè)量和控制”的英文首字母。自動(dòng)控制接口系統(tǒng)首先由歐洲核電子標(biāo)準(zhǔn)（ESONE）委員會(huì)研制，主要用于核物理電子測(cè)量。到1957年，歐洲CAMAC協(xié)會(huì)ECA、美國(guó)電氣及電子工程師協(xié)會(huì)和“國(guó)際電工委員會(huì)”相繼采用CAMAC標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)進(jìn)一步完善，于1982年正式發(fā)表了諸如“組件儀器和數(shù)字接口系統(tǒng)”、“串行數(shù)據(jù)公路接口系統(tǒng)”、“CAMAC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)塊傳遞”等7個(gè)CAMAC標(biāo)準(zhǔn)文件。CAMAC系統(tǒng)不僅能自動(dòng)和快速地測(cè)量大量電量和非電量，而且有數(shù)據(jù)采集、記錄、監(jiān)控處理、調(diào)節(jié)、控制和遠(yuǎn)傳等多種功能。CAMAC系統(tǒng)為組件式結(jié)構(gòu)，組件任何一個(gè)系統(tǒng)，只需要改變組件的類型和數(shù)量以及所用的程序，因此具有高度的靈活性和通用性。正是由于CAMAC系統(tǒng)具有如此強(qiáng)的功能和上述的許多優(yōu)點(diǎn)，因此自從CAMAC問(wèn)世以來(lái)，各國(guó)均積極采用與推廣，現(xiàn)已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它除了大量用于原子能和核物理研究領(lǐng)域外，也開始被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、醫(yī)療衛(wèi)生、交通管理、數(shù)字儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化等各個(gè)方面。

由接口系統(tǒng)發(fā)展所經(jīng)歷的3個(gè)階段看出，第1、2階段發(fā)展起來(lái)的接口系統(tǒng)往往是為了一種測(cè)試目的而專門設(shè)計(jì)的，不具有通用性。在第3階段，形成、并得到廣泛應(yīng)用的通用接口系統(tǒng)，雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但建立在該接口系統(tǒng)基礎(chǔ)上的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，在本質(zhì)上仍然是人工測(cè)控的一種模仿，是用計(jì)算機(jī)代替了人工測(cè)控的各個(gè)步驟，未在測(cè)試方法上進(jìn)行重大變革。因此近年來(lái)，許多科學(xué)工作者又在開始進(jìn)行新的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的研究，力圖充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的軟、硬件功能，使計(jì)算機(jī)除了擔(dān)任系統(tǒng)控制和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理外，其本身也成為測(cè)量功能的一個(gè)主要組成部分而與測(cè)量系統(tǒng)完全融合成為一體。可以預(yù)料，未來(lái)的測(cè)控系統(tǒng)不僅能大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)，而且還會(huì)引起傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的徹底變革。

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它有許多突出的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)主要是依靠計(jì)算機(jī)高速度的數(shù)據(jù)處理能力，控制能力和信息存貯能力所取得的。歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：

高速度

由于整個(gè)測(cè)控過(guò)程是在計(jì)算機(jī)按預(yù)先編制好的程序控制下自動(dòng)進(jìn)行的，因此自動(dòng)測(cè)試的速度要比手動(dòng)、目測(cè)、筆算的測(cè)試方法快許多倍。如我國(guó)國(guó)家計(jì)量院的光電波比長(zhǎng)儀測(cè)量1m的線紋尺，過(guò)去3個(gè)人要用一星期的檢定時(shí)間和近一個(gè)月的計(jì)算時(shí)間，現(xiàn)在用自動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，僅用11分鐘就可完成全部測(cè)試和計(jì)算任務(wù)。

高精確度

由于自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中測(cè)試和計(jì)算的速度都很高，因此在測(cè)試過(guò)程中通過(guò)多次重復(fù)測(cè)量取平均值結(jié)果來(lái)減小隨機(jī)誤差的影響。通過(guò)自校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差修正來(lái)減小系統(tǒng)誤差；而且由于測(cè)試過(guò)程完全按預(yù)定程序進(jìn)行，不需要人為參與，從而避免了測(cè)量過(guò)程中的人為誤差；另外還由于測(cè)量速度快，可避免環(huán)境變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的高精確度。

具有自校、自檢和自診斷的功能

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的自校準(zhǔn)是指將自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)測(cè)得的誤差因子存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，然后根據(jù)誤差因子對(duì)每次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，以清除測(cè)量的系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)還可以按照預(yù)先編制的程序進(jìn)行自檢和自診斷，自動(dòng)檢定本身各項(xiàng)指標(biāo)是否合格，系統(tǒng)各部分工作是否正常等。如果測(cè)到系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)了某種故障，系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出警告信號(hào)，并以文字和數(shù)字形式顯示故障代號(hào)。

測(cè)量結(jié)果的顯示方式多樣化

在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試結(jié)果的顯示方式，可以根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)備情況，先由程序規(guī)定，即系統(tǒng)既可以給出最終結(jié)果，又可以給出中間結(jié)果，可以由顯示器顯示數(shù)字、字符、圖形，也可以由打印機(jī)打印出數(shù)據(jù)和表格，或由繪圖儀繪出圖形。

操作簡(jiǎn)便

雖然組件一個(gè)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)很復(fù)雜，既要進(jìn)行測(cè)試任務(wù)的分析，儀器（包括控制器）和接口系統(tǒng)的選擇，又要準(zhǔn)備軟件系統(tǒng)和編制應(yīng)用測(cè)控軟件，但這些工作一經(jīng)完成后，自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的一切工作就是按照預(yù)先編制好的測(cè)控程序進(jìn)行，很少需要人的參與。所以操作人員的工作就十分簡(jiǎn)單，即只需要接入被測(cè)器件和接通電源，無(wú)需操作人員具有很高的理論水平和熟練的測(cè)試技巧。

人們無(wú)論從事科學(xué)研究，工程設(shè)計(jì)或者工業(yè)生產(chǎn)，都要通過(guò)大量測(cè)試取得客觀事物的正確量值，從而了解事物的本質(zhì)。但過(guò)去多年來(lái)，傳統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)都是分別用單個(gè)儀器表對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，再由人工處理各種測(cè)量結(jié)果。

隨著近代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試任務(wù)和測(cè)控對(duì)象變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)測(cè)試速度和測(cè)試精度的要求也越來(lái)越高，這就促使從事計(jì)量測(cè)試和儀器儀表研究的科學(xué)工作者們不斷地探索新的測(cè)試?yán)碚?、方法、新的測(cè)試設(shè)備，從而推動(dòng)自動(dòng)測(cè)控科學(xué)和儀器儀表技術(shù)不斷地向新的領(lǐng)域發(fā)展。

近幾十年來(lái)，不論是航空、航天電子學(xué)系統(tǒng)和衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，或是工藝過(guò)程的自動(dòng)測(cè)控、多點(diǎn)重復(fù)測(cè)試和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)都遠(yuǎn)非人工測(cè)試所能勝任，因此發(fā)展自動(dòng)測(cè)試就勢(shì)在必行。所謂的自動(dòng)測(cè)試就是改版?zhèn)鹘y(tǒng)的人工測(cè)量、記錄、處理方法，使整個(gè)測(cè)量過(guò)程完全由計(jì)算機(jī)控制，通過(guò)各種儀器設(shè)備對(duì)不同被測(cè)量對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)顯示、打印等，給出測(cè)量結(jié)果。把各種儀器設(shè)備（如控制器——計(jì)算機(jī)、測(cè)量?jī)x器——數(shù)字萬(wàn)用表、記錄儀器——打印機(jī)等）按一定方式連接在一起，完成上述自動(dòng)測(cè)量和控制任務(wù)的系統(tǒng)就稱為自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。這里所謂的“按一定方式連接”就是儀器接口和接口系統(tǒng)部分。

一個(gè)完整的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的組成如下：

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)傳感器

傳感器的作用是將被測(cè)非電物理量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的電信號(hào)，它獲得的信息正確與否，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的精度。依照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T7665—1987傳感器通用術(shù)語(yǔ)）的規(guī)定，傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。

應(yīng)該指出的是，并不是所有的傳感器必需包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件；如果轉(zhuǎn)換元件能直接感受被測(cè)量而輸出與之成一定關(guān)系的電量，此時(shí)傳感器就無(wú)敏感元件。例如壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻及光電器件等。敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩者合二為一的傳感器是很多的。

在傳感器組成框圖中接口電路的作用是把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)變換為便于處理、顯示、記錄和控制的可用電信號(hào)。其電路的類型視轉(zhuǎn)換元件的不同而定，經(jīng)常采用的有電橋電路和其他特殊電路，例如高阻抗輸入電路、脈沖電路、振蕩電路等。輔助電源供給轉(zhuǎn)換能量，有的傳感器需要外加電源才能工作，例如應(yīng)變片組成的電橋、差動(dòng)變壓器等；有的傳感器則不需要外加電源便能工作，例如壓電晶體等。

傳感器感受被測(cè)量的大小，并輸出相對(duì)應(yīng)的可用輸出信號(hào)，一般為電量。

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)變送器

變送器將傳感器輸出的信號(hào)變換成便于傳輸和處理的信號(hào)，為解決測(cè)控系統(tǒng)中傳感器與其他裝置的兼容性和互換性，它們之間必須用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行傳輸，大多數(shù)變送器的輸出信號(hào)是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，目前多為4~20mA的直流電流，信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的通信協(xié)議。4~20mA信號(hào)是國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，是連接儀表、變送裝置、控制設(shè)備、計(jì)算機(jī)采樣設(shè)備的一種標(biāo)準(zhǔn)。常用的信號(hào)有：0~10mA、0~5V、0~10V等。

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)處理

信號(hào)處理環(huán)節(jié)將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理和變換，如放大、電平移動(dòng)、濾波、阻抗匹配、調(diào)制、解調(diào)，使得信號(hào)適合于傳輸、顯示或便于記錄。

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)傳輸通道

傳輸通道將測(cè)量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的輸入、輸出信號(hào)連接起來(lái)，通常用電纜，或者光導(dǎo)纖維連接，以用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)顯示裝置

顯示裝置是將被測(cè)量的結(jié)果顯示出來(lái)，可以采用模擬顯示，也可用數(shù)字顯示或圖形顯示；或由記錄裝置進(jìn)行自動(dòng)記錄，記錄裝置可以是磁記錄、電子記錄或紙帶記錄。

第0章 緒論 1

0.1 測(cè)控系統(tǒng)的含義與特點(diǎn) 1

0.2 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的任務(wù)和工作原理 4

0.3 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào) 6

0.4 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成 7

0.5 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 11

0.6 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn) 15

第1章 基于PC與單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng) 17

1.1 典型單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板簡(jiǎn)介 17

1.1.1 單片機(jī)概述 17

1.1.2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板B的組成 18

1.1.3 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的主要電路 19

1.2 PC與單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板組成的測(cè)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 23

1.2.1 系統(tǒng)組成 23

1.2.2 設(shè)計(jì)任務(wù) 25

................2100433B

【標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)】standard unified TT&C system

標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)的定義是：在一個(gè)載波上，用n個(gè)副載波調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用的n路信號(hào)傳輸，每一個(gè)副載波實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)控中的多功能綜合，即將測(cè)控的多種功能統(tǒng)一在一個(gè)載波上，故稱統(tǒng)一載波測(cè)控系統(tǒng)。如果一個(gè)載波不夠，可仍用頻分方法在同一頻段內(nèi)采用2~3個(gè)載波，當(dāng)采用S/C/X頻段時(shí)稱為S/C/X頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)（USB/UCB/UXB）。

本書從科學(xué)試驗(yàn)與工程應(yīng)用的角度出發(fā)，較全面和系統(tǒng)地介紹現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的典型應(yīng)用實(shí)例，包括基于PC與單片機(jī)、PC與智能儀器、PC與PLC、PC與PCI數(shù)據(jù)采集卡、PC與USB數(shù)據(jù)采集模塊、PC與分布式I/O模塊、PC與CAN總線模塊、PC與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、PC與GSM短信模塊、虛擬儀器以及Internet網(wǎng)絡(luò)等組成的測(cè)控系統(tǒng)。每個(gè)實(shí)例首先介紹相關(guān)的硬件技術(shù)，然后給出具體的測(cè)控系統(tǒng)線路和詳細(xì)的程序設(shè)計(jì)步驟。

本書內(nèi)容豐富，幾乎涵蓋所有的計(jì)算機(jī)測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)，有較強(qiáng)的先進(jìn)性、實(shí)用性和可操作性，可供各類自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、機(jī)電一體化、測(cè)控儀器等專業(yè)的大學(xué)生、研究生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)使用，也可供計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)研發(fā)的工程技術(shù)人員參考。