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第十四章微型計算機在檢測技術中的應用,微型計算機在檢測領域中的應用日益廣泛，微機自動檢測系統(tǒng)已成為檢測技術發(fā)展的主要方向。在掌握傳感器及信號處理技術的基礎上，運用工程設計的一些基本方法，可以方便地構建微機自動檢測系統(tǒng)。,第一節(jié)現代檢測技術綜述,現代檢測系統(tǒng)的技術基礎是總線技術、虛擬儀器技術和網絡化測試技術.,一.總線技術,總線是一組互聯信號線的集合，是計算機、測量儀器、測試系統(tǒng)內部以及相互之間信息傳遞的公共通路，也是微機自動檢測系統(tǒng)的重要組成部分。微機自動檢測系統(tǒng)的功能及形式與其總線標準有很大的關系。利用總線技術，能夠大大簡化系統(tǒng)結構，增加系統(tǒng)的兼容性、開放性、可靠性和可維護性，便于實行標準化以及組織規(guī)?；纳a，從而顯著降低系統(tǒng)成本。,總線的類別很多，分類方式多樣。根據總線上傳輸的信息不同，計算機系統(tǒng)總線分為地址總線、數據總線以及控制總線；根據信息傳送方式，總線又可分為并行總線和串行總線；從系統(tǒng)結構層次上區(qū)分，總線分為片內總線、元件級總線、系統(tǒng)總線（內總線）及通信總線（外總線），如圖14-1所示。,片內總線是集成電路芯片內部用以連接各功能單元的信息通路。,元件級總線是印刷電路板上連接各芯片的信息通路。,系統(tǒng)總線是微機機箱內的主板總線，用以連接微機系統(tǒng)的各插件板，一般為并行總線。,通信總線用于微機系統(tǒng)之間、微機與儀器或其它外設之間的連接，可以是并行總線，也可以是串行總線。,圖14-1微機各級總線示意圖,1、系統(tǒng)總線,除了許多計算機總線可用作系統(tǒng)總線外，還有不少專門為自動檢測系統(tǒng)設計的總線。系統(tǒng)總線主要包括：,1）VME/VXI總線,2）PCI總線PCI(PeripheralComponentInterconnect),3）PXI總線PXI(PCIExtensionforInstrumentation),2、通信總線,1）串行總線2）并行總線,3、現場總線現場總線（Fieldbus）是用于過程自動化和制造自動化最底層的現場設備或現場儀表互聯的通信網絡，是現場通信網絡與控制系統(tǒng)的集成。,圖14-2CAN測控網絡,二.虛擬儀器技術,虛擬儀器由計算機、應用軟件和儀器硬件三部分構成，計算機與儀器硬件又稱為VI的通用儀器硬件平臺。虛擬儀器將計算機強大的圖形界面、數據處理能力與儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。虛擬儀器由三大功能塊構成：信號的采集與控制,信號的分析與處理,結果的表達與輸出.,圖14-3虛擬儀器結構圖,,虛擬儀器的關鍵是軟件，這是因為虛擬儀器技術最核心的思想，就是充分利用計算機的硬／軟件資源，使本來需要硬件實現的技術軟件化(虛擬化)，最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)的功能與靈活性。虛擬儀器的軟件框架由三部分構成：VISA庫、儀器驅動程序和應用軟件。,三.網絡化測試技術,網絡化測試技術則是在計算機網絡技術、通信技術高速發(fā)展，以及對大容量分布式測量的大量需求背景下，由單機儀器、局部的自動測試系統(tǒng)到全分布式的網絡化測試系統(tǒng)而逐步發(fā)展起來的。目前，以Internet為代表的計算機網絡正在迅猛發(fā)展，隨著網絡信道容量的擴大，網絡速度將不再成為網絡應用的障礙。為了實現資源共享，許多企業(yè)都建立了自己的企業(yè)網（Intranet），并接入到Internet，測試信息則通過企業(yè)網與外部Internet互連，從而產生了基于網絡化的分布式測試系統(tǒng)。,圖14-4分布式測試系統(tǒng)的體系結構,現場級總線用于連接現場的傳感器和各種智能儀表，工廠級用于過程監(jiān)控、任務調度和生產管理，企業(yè)級則將企業(yè)的辦公自動化系統(tǒng)和測試系統(tǒng)集成而融為一體，實現綜合管理。底層的現場數據進入過程數據庫，供上層的過程監(jiān)控和生產調度使用，以進行優(yōu)化控制，數據處理后再提供給企業(yè)級數據庫，以進行決策管理。分布式網絡化測試技術是一項應用面非常廣的綜合技術，涉及到網絡化測量、網絡化儀器、網絡化控制、網絡化制造、遙測、遙控等信息技術多方面的內容，有著廣闊的應用前景。,第二節(jié)微機自動檢測系統(tǒng)設計,微機自動檢測系統(tǒng)種類很多，按用途大體上可分為通用和專用兩大類。專用檢測系統(tǒng)是針對具體的檢測任務而設計的，系統(tǒng)結構較為簡單，所需的器件少，研制成本也較低，是本節(jié)討論的重點內容。,一、微機自動檢測系統(tǒng)組成結構,微機自動檢測系統(tǒng)由現場傳感器、數據采集裝置及微機三部分組成。數據采集裝置的基本任務是：采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成計算機能識別的數字信號，通過標準總線接口送至計算機進行數據處理。,圖14-5微機自動檢測系統(tǒng)基本結構,在微機自動檢測系統(tǒng)的集成過程中，傳感器的選用是前提，總線構成了系統(tǒng)的框架，數據采集裝置則是系統(tǒng)的關鍵。在數據采集裝置的設計過程中，微處理器是采集裝置的核心，A/D芯片決定了系統(tǒng)的精度和速度，監(jiān)控程序是開發(fā)是重點。,二、數據采集裝置的硬件設計,1.微控制器選擇微控制器性能差異對系統(tǒng)實時能力和數據處理能力產生直接影響，選擇時一般考慮如下幾方面的因素：CPU性能，存儲器，指令系統(tǒng)，中斷系統(tǒng)功能。目前自動檢測系統(tǒng)中廣泛采用以單片微計算機（SingleChipMicrocomputer，以下簡稱單片機）為核心構成數據采集系統(tǒng)。,最近十年來，以MCS-51技術核心為主導的微控制器技術已被ATMEL、PHILIPS等公司所繼承。ATMEL公司把自身的先進Flash存儲器技術和8031核相結合，生產出了與MCS-51兼容而功能更強的ATMEL89系列單片機。其最大的特點是內部含Flash存儲器，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中可以十分容易地進行程序修改，使開發(fā)周期大為縮短。ATMEL89系列單片機有AT89C系列的標準型及低檔型，以及AT89S系列的高檔型。,圖14-6AT89C單片機的結構框圖,圖14-7AT89S單片機的結構框圖,近幾年來片上系統(tǒng)SoC（SystemonChip）的出現，為微機自動檢測系統(tǒng)的設計提供了全新的方案。SoC是指以嵌入式系統(tǒng)為核心，集軟、硬件于一體，并追求產品系統(tǒng)最大包容的集成器件。SoC將電路設計的可靠性、低功耗性等都解決在IC設計之中，把過去許多需要系統(tǒng)設計解決的問題集中在IC設計中解決。SoC的出現極大地簡化了檢測系統(tǒng)硬件部分的設計，使得原先單片機應用系統(tǒng)設計中軟、硬件并重的局面發(fā)生了變化，軟件設計的比重將會加大。目前，許多可編程的SoC芯片及其開發(fā)平臺都提供了較理想的SoC技術應用開發(fā)套件，這些套件具有編譯、仿真、調試及驗證功能。借助與這些工具和芯片所提供的技術和方法，工程技術人員可以較快地進入SoC應用設計領域。,2.信號調理電路信號調理單元是傳感器輸出與A/D轉換之間的一個重要環(huán)節(jié)，其主要作用有三點：第一是為A/D轉換器提供適合其輸入量程的輸入信號；第二是運用隔離技術抑制共模干擾電壓；第三是信號濾波及線性化處理。3.多路模擬開關微機自動檢測系統(tǒng)往往需要同時采集多個傳感器的輸出信號，然后進行A/D轉換。如果每一路信號都采用獨立的輸入回路，則系統(tǒng)成本成倍增加。為此，通常采用微機分時采樣的方法，使用多路模擬開關來實現信號測量通道的切換。選擇多路模擬開關一般要考慮下列技術指標：1）通道數量2）泄漏電流3）切換速度4）開關電阻,4、A/D轉換A/D轉換的功能是將模擬量信號轉換成數字量。目前使用較多的A/D轉換器有兩大類，一類是并行A/D轉換，另一類是串行A/D轉換。傳統(tǒng)的A/D轉換器都是并行的，由于I/O的引腳較多，這類芯片的體積都較大。在串行A/D轉換器中，轉換結果以串行二進制編碼的形式輸出，只有1根數據輸出線，加上1根時鐘輸入線、片選或其他形式的控制信號線，引腳大為減少，體積也大為減小，接口電路的設計更為簡單。1)A/D轉換的基本原理圖14-8是逐次逼近型A/D轉換器的原理圖，圖14-9是雙積分型A/D轉換器的原理圖。,圖14-8逐次逼近型A/D轉換器原理圖,圖14-9雙積分型A/D轉換器原理圖,2）A/D轉換器的主要技術指標分辨率:表示輸出數字量變化一個相鄰數碼所需輸入模擬電壓的變化量。量化誤差:由ADC有限的分辨率而引起的誤差。偏移誤差:指輸入信號為零時，輸出信號不為零的值，所以有時稱為零值誤差。滿刻度誤差:指滿刻度輸出數碼所對應的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差非線性度:指ADC實際的轉換函數與理想直線的最大偏移。轉換速率:指ADC每秒轉換的次數，完成一次A/D轉換所需的時間則為轉換速率的倒數。,3)A/D轉換器選擇要點首先要考慮A/D轉換器的位數，它與整個檢測系統(tǒng)的測量范圍及精度有關.其次要考慮A/D轉換器的轉換速率。再次要考慮的問題是工作電壓和基準電壓。此外，要考慮的還有模擬量輸入的范圍和極性、性能價格比、可替換性等諸多因素。,5、采樣及保持為了在滿足轉換精度的條件下提高信號允許的工作頻率，可采用采樣/保持器(Sample/Hold)。它在A／D轉換開始時使信號電平保持不變，而在A／D轉換結束后又能跟蹤輸入信號的變化。選擇采樣/保持器時，主要考慮：輸入信號范圍，輸入信號變化率和多路開關的切換速度.當輸入的模擬信號變化很緩慢，A/D轉換速度相對而言足夠快時，可以不用采樣/保持器。,三、數據采集系統(tǒng)的軟件設計,微機自動檢測系統(tǒng)的軟件運行在不同的平臺下，設計中可能用到不同層次的程序設計語言。數據采集裝置通?；趩纹瑱C或片上系統(tǒng)，一般用匯編語言或C語言編寫監(jiān)控程序。監(jiān)控程序的主要作用是及時響應來自系統(tǒng)或外部的各種服務請求，有效地管理系統(tǒng)軟硬件資源，并在系統(tǒng)一旦發(fā)生故障時，能及時發(fā)現和作出相應的處理。系統(tǒng)的數據處理功能通常在微機上實現，一般用高級語言開發(fā)應用軟件。,第三節(jié)微機自動檢測系統(tǒng)應用實例,一.基于單片機的數據采集系統(tǒng)1、方案制定根據設計要求，微機自動檢測系統(tǒng)硬件由傳感器及測量電路、數據采集裝置和通用微機三部分組成，系統(tǒng)結構如圖14-10所示。傳感器及測量電路是檢測系統(tǒng)的前置部分，它將被測參數轉換成-10V～＋10V雙極性電平信號。數據采集裝置是一個單片機系統(tǒng)。微機的主要任務是對信號進行分析處理。,圖14-10微機自動檢測系統(tǒng)結構框圖,2、數據采集裝置數據采集裝置的電路由單片機、模數轉換器AD574A、RS232通信芯片以及部分邏輯電路組成。1)單片機單片機采用AT89S52，其CPU為8031，指令系統(tǒng)與MCS-51兼容。內部有8KB可重復編程的Flash存儲器，256字節(jié)的RAM，有32條可編程的I/O線，3個16位定時/記數器，8個中斷源，3級程序存儲器鎖定（加密），可編程串行接口及片內時鐘振蕩器，一個全雙工的UART串行通道以及看門狗電路。2)A/D轉換器ADC芯片采用美國模擬器件公司的12位逐次逼近型快速A/D轉換器AD574A，轉換時間為25s，轉換誤差為1LSB。AD574A內部有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的8位或16位微處理器相連，而無須附加邏輯接口電路，且與TTL電平兼容。,圖14-11數據采集裝置電路原理圖,3）工作原理分析系統(tǒng)上電后先進行初始化工作，包括清RAM、設置堆棧指針、設置相關的寄存器及標志位，然后立即進入監(jiān)控程序。監(jiān)控程序的主要任務是接收解釋微機發(fā)來的命令控制字，對被測量的信號按規(guī)定的速度采樣，經處理后通過串行口將數據發(fā)送到微機。當發(fā)生串行口中斷時，進入相應的中斷服務程序，接收微機發(fā)來的命令控制字。本系統(tǒng)中制定了一個簡單的通信協(xié)議：命令字為C0～C9分別代表10檔采樣速度，數據塊發(fā)送方式；命令字為CA表示以最高速度采樣并單點發(fā)送。在監(jiān)控程序的每一次主循環(huán)中，CPU都要從命令控制字單元取出命令并加以分析判斷，當控制字的內容發(fā)生變化，則改變定時器T0的時間常數，從而達到改變采樣速度的目的。定時器T0中斷的主要任務是啟動AD574A的模數轉換。,圖14-12監(jiān)控主程序流程圖,3、微機應用程序應用程序在WINDOWS平臺下用VB6.0開發(fā)。應用程序的主要任務是對檢測系統(tǒng)進行監(jiān)控管理及數據處理，功能包括：通信設置、發(fā)送命令控制字、接收現場數據、數字濾波、檢測信號的標定、必要的非線性補償、檢測結果分析、頻譜分析、實時及歷史數據存取、圖形界面的信息輸出等。圖14-13為數據采集系統(tǒng)運行時的界面。,圖14-13數據采集系統(tǒng)運行界面,二.基于單片機的測控系統(tǒng)設計微機自動測控系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能實現自動檢測及控制。輸入通道有8路模擬量輸入、8路數字量輸入及1路脈沖計數（或頻率）輸入，輸出通道有4路模擬量輸出及4路數字量輸出。1、方案制定根據設計要求，微機自動測控系統(tǒng)由過程裝置、測控通道及上位監(jiān)控微機三部分組成。過程裝置內可以是單獨的對象，也可以是綜合了液位、溫度和流量等參數的復雜對象。測控通道是一個以89C52微處理器為核心的單片機系統(tǒng)。上位監(jiān)控微機為工控機，用戶通過微機進行系統(tǒng)組態(tài)和設定，對控制參數進行整定，實現多種常規(guī)控制，并能觀察記錄各種實時曲線及歷史曲線。,2、測控通道0～5V的標準信號接到芯片TLC1543的輸入端，經A/D轉換后送到單片機，單片機將實時信號通過串行口送至上位監(jiān)控微機，同時也接收上位機發(fā)出的控制信號，并將控制量輸出到D/A芯片TLC5620，經D/A轉換、放大后再驅動執(zhí)行機構。（如調節(jié)閥、變頻器、可控調壓裝置等）。ADC芯片為TIC1543，它是具有串行控制及11路模擬量輸入的10位AD轉換器。D/A芯片為TLC5620，它是電壓輸出型DA轉換器。系統(tǒng)復位及監(jiān)控電路采用可編程X25045芯片來實現.主機和通道間通信基于RS—232C串行通信實現數據傳輸.數字量輸入輸出用74HC573和74HC574芯片作為數據鎖存器。輸出鎖存的信號加在ULN2003A的輸入端。ULN2003A芯片由7組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網絡以及鉗位二極管網絡構成，具有同時驅動7組負載的能力，帶負載能力強.,圖14-14測控通道電路原理圖,3、微機應用程序微機應用程序也是在WINDOWS操作系統(tǒng)平臺下用VB開發(fā)，軟件設計的著重點是系統(tǒng)的通用性、實時性、可靠性和可操作性。軟件提供了一個靈活的操作界面，用戶可以根據需要，自行設置對象、調節(jié)規(guī)律及參數，可以選擇輸入輸出通道。系統(tǒng)內置一個數據庫，并建立了一張對象參數表，事先存放了多種過程對象（如水槽、加熱爐、壓力容器）在不同特性下采用多種調節(jié)規(guī)律（如P、PI、PID）時系統(tǒng)的參考整定值，供用戶在設置時作為參考初值。,圖14-15微機測控系統(tǒng)運行界面,三.基于PC機的分布式測控系統(tǒng)規(guī)模較大、要求恒溫恒濕的標準倉庫（如卷煙成品倉庫），由于倉庫距離分散，無法采用總的中央空調系統(tǒng)，一般采用就地溫濕度單獨控制的方案。要求設計一個分布式測控系統(tǒng)，既能實現對8個獨立分隔的倉庫對象進行溫濕度控制，又能實現遠程集中監(jiān)控。1、方案制定監(jiān)控微機（上位機）位于遠程中央控制室，測控微機（下位機）位于每個倉庫的操作室，上、下位機均使用工控機（IPC）。一臺上位機與8臺下位機相連接，采用RS-485通信方式，構成二級分布式測控系統(tǒng)。,圖14-16分布式測控系統(tǒng)結構框圖,上位機的主要任務是系統(tǒng)集中監(jiān)控和管理，有參數設定、集中控制、數據處理、文件管理、圖表輸出及分析等常規(guī)功能。運行時，采用CRT技術，將八個倉庫的溫濕度參數設定值及實時值、設備工作狀態(tài)集中顯示在屏幕上，還能以曲線圖、直方圖的形式顯示歷史數據，并能打印溫濕度測試日報表及月報表。下位機通過數據采集裝置采集現場溫濕度數據，按照實現設置的控制模式，輸出控制信號，實現對倉庫對象的溫濕度參數進行定值控制。,2、測量及控制在本系統(tǒng)中，每個倉庫內采樣點數為14點（溫度和濕度各7點），庫外2點（溫度和濕度各1點）。采樣周期為10秒鐘，控制周期為一分鐘。現場每一個采樣點掛一個溫濕度測量變送器。溫度檢測用電流型集成溫度傳感器AD590。它是一個溫度-電流轉換器，若在其輸出串接恒值電阻，電阻上流過的電流與被測量的絕對溫度成正比。每一臺下位機的ISA總線插槽內插了一塊臺灣研華公司生產的PCL-812PG多功能數據采集卡。PCL-812PG是一種通用型數據采集卡，它提供了五種測量與控制功能，包括：16路12位單端模擬輸入通道、2路12位模擬量輸出、16路數字輸入、16路數字輸出和一個可編程計數器/定時器。,控制系統(tǒng)模型的輸入參數主要有：溫濕度設定值及上下限值、設備選用情況、當前倉庫內外溫度和相對濕度、上一個處理周期各控制設備的工況、設備啟動和停止的最小時間間隔、手動及自動狀態(tài)、聯機和脫機狀態(tài)等。輸出參數為各設備的啟動、維持及關閉信號?？刂颇Ｐ湍軈^(qū)分高溫、悶濕、濕冷等多種天氣情況，并綜合歷史數據作出判斷，驅動空調機、去濕機和通風機進行相應的制冷、去濕和通風操作。,3、通信在本系統(tǒng)中，上位機與下位機之間最大的通信距離約為1000米，系統(tǒng)設計時采用RS-485標準通過串行口進行數據通信。RS-485通信采用平衡發(fā)送和差分接受的方式，具有抑制共模干擾的能力，傳輸距離可達千米以上。實現RS-485標準通信的方式很多，這里，我們選用了一塊基于微機ISA總線的研華PCL-745B的RS-485通信卡。它提供兩個RS-485串行口，每個串行口有一個帶16位FIFO緩沖器的UART。將串行口的兩根數據線與下位機的通信線直接連接，便可傳送實時數據。,4、微機應用程序傳統(tǒng)的系統(tǒng)方案配置是工控機+數據采/集控制卡+VB/VC編程。研華公司為該卡提供了一種基于WINDOWS的標準動態(tài)鏈接庫，使PCL-812PG有著完善的軟件支持功能。用戶可以在WINDOWS平臺下，使用VisualC++，VisuallBasic，Delphi等語言開發(fā)應用軟件，可以通過調用動態(tài)鏈接庫中的庫函數，方便地實現對數據采集卡底層進行操作。,