自動測控系統(tǒng)組成部分

一個完整的自動測控系統(tǒng)的組成如下：

自動測控系統(tǒng)傳感器

傳感器的作用是將被測非電物理量轉(zhuǎn)換成與其有一定關(guān)系的電信號，它獲得的信息正確與否，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的精度。依照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T7665—1987傳感器通用術(shù)語）的規(guī)定，傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。

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量而輸出與之成一定關(guān)系的電量，此時(shí)傳感器就無敏感元件。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變換為便于處理、顯示、記錄和控制的可用電信號。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。

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

自動測控系統(tǒng)變送器

變送器將傳感器輸出的信號變換成便于傳輸和處理的信號，為解決測控系統(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)信號進(jìn)行傳輸，大多數(shù)變送器的輸出信號是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，目前多為4~20mA的直流電流，信號標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的通信協(xié)議。4~20mA信號是國際通用標(biāo)準(zhǔn)信號，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)。常用的信號有：0~10mA、0~5V、0~10V等。

自動測控系統(tǒng)信號處理

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

自動測控系統(tǒng)傳輸通道

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

自動測控系統(tǒng)顯示裝置

顯示裝置是將被測量的結(jié)果顯示出來，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)行自動記錄，記錄裝置可以是磁記錄、電子記錄或紙帶記錄。

自動測控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了如下的幾個階段：

自動測控系統(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)用的自動測控系統(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。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?，組建一個自動測控系統(tǒng)不僅耗資巨大而且要花相當(dāng)長的時(shí)間。

自動測控系統(tǒng)第二階段

第二階段是60年末期。在此時(shí)期，美國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測試或過程控制系統(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。

自動測控系統(tǒng)第三階段

第三階段是70年代以后，美國和歐洲都開始研究自動測控系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)化問題，希望研制出一種適用于任何自動測控系統(tǒng)的通用的標(biāo)準(zhǔn)化接口系統(tǒng)，以便世界各國都能按同一接口標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)可程控儀器的接口電路。美國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測控系統(tǒng)：使用靈活、方便、價(jià)格低廉），因此得到了美國電氣與電子工程師學(xué)會和國際電工委員會等織織的承認(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“可程控測量儀器的接口系統(tǒng)”的IEC625-1-79文本，1980年又形成“可程控測量儀器信息編碼格式約定”的IEC625-2-80文本。這兩個文本都是國際標(biāo)準(zhǔn)，世界上任何廠家只要按這些標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)測量儀器，都可被用來組建自動測控系統(tǒng)。我國是IEC組織的參加國，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專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1985年又升級為國家標(biāo)準(zhǔn)GBn249-85，正式公布實(shí)施，這對發(fā)展我國的儀器接口技術(shù)及自動測控系統(tǒng)起了很大的推動作用。

在儀器接口技術(shù)及自動測控系統(tǒng)方面，目前國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)）也正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。CAMAC是“計(jì)算機(jī)自動化測量和控制”的英文首字母。自動控制接口系統(tǒng)首先由歐洲核電子標(biāo)準(zhǔn)（ESONE）委員會研制，主要用于核物理電子測量。到1957年，歐洲CAMAC協(xié)會ECA、美國電氣及電子工程師協(xié)會和“國際電工委員會”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CAMAC標(biāo)準(zhǔn)文件。CAMAC系統(tǒng)不僅能自動和快速地測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問世以來，各國均積極采用與推廣，現(xiàn)已成為國際標(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)室自動化等各個方面。

由接口系統(tǒng)發(fā)展所經(jīng)歷的3個階段看出，第1、2階段發(fā)展起來的接口系統(tǒng)往往是為了一種測試目的而專門設(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)上的自動測控系統(tǒng)，在本質(zhì)上仍然是人工測控的一種模仿，是用計(jì)算機(jī)代替了人工測控的各個步驟，未在測試方法上進(jìn)行重大變革。因此近年來，許多科學(xué)工作者又在開始進(jìn)行新的自動測控系統(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，其本身也成為測量功能的一個主要組成部分而與測量系統(tǒng)完全融合成為一體?？梢灶A(yù)料，未來的測控系統(tǒng)不僅能大大簡化系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)，而且還會引起傳統(tǒng)測試技術(shù)的徹底變革。

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

隨著近代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測試任務(wù)和測控對象變得越來越復(fù)雜，對測試速度和測試精度的要求也越來越高，這就促使從事計(jì)量測試和儀器儀表研究的科學(xué)工作者們不斷地探索新的測試?yán)碚摗⒎椒?、新的測試設(shè)備，從而推動自動測控科學(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，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，或是工藝過程的自動測控、多點(diǎn)重復(fù)測試和動態(tài)校準(zhǔn)都遠(yuǎn)非人工測試所能勝任，因此發(fā)展自動測試就勢在必行。所謂的自動測試就是改版?zhèn)鹘y(tǒng)的人工測量、記錄、處理方法，使整個測量過程完全由計(jì)算機(jī)控制，通過各種儀器設(shè)備對不同被測量對象進(jìn)行自動測量、自動數(shù)據(jù)處理和自動顯示、打印等，給出測量結(jié)果。把各種儀器設(shè)備（如控制器——計(jì)算機(jī)、測量儀器——數(shù)字萬用表、記錄儀器——打印機(jī)等）按一定方式連接在一起，完成上述自動測量和控制任務(wù)的系統(tǒng)就稱為自動測控系統(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。

自動測控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動測試技術(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。歸納起來主要有以下幾個方面：

高速度

由于整個測控過程是在計(jì)算機(jī)按預(yù)先編制好的程序控制下自動進(jìn)行的，因此自動測試的速度要比手動、目測、筆算的測試方法快許多倍。如我國國家計(jì)量院的光電波比長儀測量1m的線紋尺，過去3個人要用一星期的檢定時(shí)間和近一個月的計(jì)算時(shí)間，現(xiàn)在用自動測試和自動數(shù)據(jù)處理，僅用11分鐘就可完成全部測試和計(jì)算任務(wù)。

高精確度

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

具有自校、自檢和自診斷的功能

自動測控系統(tǒng)的自校準(zhǔn)是指將自動校準(zhǔn)時(shí)測得的誤差因子存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，然后根據(jù)誤差因子對每次測量結(jié)果進(jìn)行修正，以清除測量的系統(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。如果測到系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)了某種故障，系統(tǒng)能自動發(fā)出警告信號，并以文字和數(shù)字形式顯示故障代號。

測量結(jié)果的顯示方式多樣化

在測試過程中，測試結(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。

操作簡便

雖然組件一個自動測控系統(tǒng)的技術(shù)很復(fù)雜，既要進(jìn)行測試任務(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)用測控軟件，但這些工作一經(jīng)完成后，自動測控系統(tǒng)的一切工作就是按照預(yù)先編制好的測控程序進(jìn)行，很少需要人的參與。所以操作人員的工作就十分簡單，即只需要接入被測器件和接通電源，無需操作人員具有很高的理論水平和熟練的測試技巧。

第0章 緒論 1

0.1 測控系統(tǒng)的含義與特點(diǎn) 1

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

0.3 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的輸入/輸出信號 6

0.4 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的組成 7

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

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

第1章 基于PC與單片機(jī)的測控系統(tǒng) 17

1.1 典型單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)板簡介 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)一測控系統(tǒng)】standard unified TT&C system

標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一測控系統(tǒng)的定義是：在一個載波上，用n個副載波調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用的n路信號傳輸，每一個副載波實(shí)現(xiàn)一個功能，從而實(shí)現(xiàn)測控中的多功能綜合，即將測控的多種功能統(tǒng)一在一個載波上，故稱統(tǒng)一載波測控系統(tǒng)。如果一個載波不夠，可仍用頻分方法在同一頻段內(nèi)采用2~3個載波，當(dāng)采用S/C/X頻段時(shí)稱為S/C/X頻段統(tǒng)一測控系統(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)等組成的測控系統(tǒng)。每個實(shí)例首先介紹相關(guān)的硬件技術(shù)，然后給出具體的測控系統(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，可供各類自動化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、機(jī)電一體化、測控儀器等專業(yè)的大學(xué)生、研究生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)測控技術(shù)使用，也可供計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)研發(fā)的工程技術(shù)人員參考。