測控系統(tǒng)原理及設計概論

1、計算機測控(c kn)系統(tǒng)共五十四頁第1章 計算機測控系統(tǒng)(xtng)概述共五十四頁1.2 測控技術(shù)與儀器(yq)專業(yè)的定位 測控技術(shù)與儀器專業(yè)(zhuny)是多個儀器儀表類專業(yè)(zhuny)合并而成的大專業(yè)(zhuny)，“測控技術(shù)與儀器”是指對信息進行采集、測量、存貯、傳輸、處理和控制的手段與設備。包含測量技術(shù)、控制技術(shù)和實現(xiàn)這些技術(shù)的儀器儀表及系統(tǒng)。其內(nèi)涵如所示。測控技術(shù)與儀器測量技術(shù)測量儀器測量系統(tǒng)控制技術(shù)控制儀器控制系統(tǒng)共五十四頁課程名稱 學分電路5模擬電子技術(shù)（I）3.5數(shù)字電子技術(shù)3.5微機原理與接口技術(shù)3.5自動控制原理4單片機原理與應用4可編程邏輯器件原理與設計 3 傳感器原

2、理4數(shù)字化測試技術(shù)4傳感器技術(shù)課設1可編程邏輯器件課設 1單片機技術(shù)課設 1共五十四頁本課程是測控專業(yè)的專業(yè)課，本課程 以模擬電路、數(shù)字電路、傳感器技術(shù)和微機技術(shù)為前提，不同于先修課程，本課程主要學習如何將各個功能模塊組裝起來構(gòu)成一個完整的測控系統(tǒng)，換言之，先修課程是從微觀上學習各模塊自身的原理及構(gòu)成，而測控系統(tǒng)這門課程是從宏觀上學習各個模塊之間的連接及影響，學習如何將各個功能模塊組合起來實現(xiàn)測試和控制(kngzh)的功能。共五十四頁本課程(kchng)的內(nèi)容數(shù)據(jù)采集技術(shù)測控系統(tǒng)人機接口與通信數(shù)據(jù)處理軟件設計方法可靠性與抗干擾技術(shù)設計原則步驟與實例共五十四頁測控技術(shù)涉及電子學、光學、精密機械、

3、計算機、信息與控制技術(shù)等多項技術(shù)，主要研究(ynji)各種精密測試和控制技術(shù)的新原理、新方法和新工藝。 測控(c kn)技術(shù)即“測量”和“控制”的技術(shù)測控技術(shù)與儀器即“測量技術(shù)”、“控制技術(shù)”和實現(xiàn)它們的儀器。共五十四頁1.1 測控技術(shù)(jsh)的核心概念測控技術(shù)研究(ynji)的是如何運用各種技術(shù)工具延伸人的信息獲取、處理、控制和操縱的功能，使動態(tài)過程穩(wěn)定準確、提高效率、降低能耗等。測控技術(shù)的核心是信息、控制與系統(tǒng)，尤其是高度復雜系統(tǒng)的信息獲取和控制問題，具有很大的挑戰(zhàn)性和潛在的經(jīng)濟效益。 共五十四頁共五十四頁如圖水箱液位自動控制系統(tǒng)(kn zh x tn)是典型的測控系統(tǒng) 共五十四頁測量：

4、是人們對客觀事物取得數(shù)量概念的一種(y zhn)認識過程。測量技術(shù)是實現(xiàn)這一過程的方法。控制：是人們對客觀事物或過程進行駕馭、支配的一種操縱過程?？刂萍夹g(shù)是實現(xiàn)這一過程的方法。測量和控制(kngzh)是測控技術(shù)的重要手段。測控儀器屬于儀器儀表范疇。 測控儀器和測控系統(tǒng)是檢測技術(shù)的具體實現(xiàn) ，是獲取信息的工具。共五十四頁傳統(tǒng)的測量儀器儀表用以測量、觀察、監(jiān)視、驗證、記錄各種物理量、物質(zhì)成分、物性參數(shù)等。如壓力表、測長儀、顯微鏡等。隨著(su zhe)工業(yè)的發(fā)展，測量和分析、計算、控制常常融為一體。因此，現(xiàn)代儀器儀表還包括計算、分析、控制、報警、信號傳遞和數(shù)據(jù)處理等功能。1.2 測控(c kn)技

5、術(shù)的發(fā)展共五十四頁測量儀器(yq)與測控系統(tǒng)的發(fā)展第一代為指針式（或模擬式）儀器儀表第二代為數(shù)字式儀器儀表第三代是智能(zh nn)式儀器儀表共五十四頁早期(zoq)測控系統(tǒng)：共五十四頁1926年美國(mi u)建成第一條汽車自動生產(chǎn)線 1952年美國研制(ynzh)出第一臺數(shù)控機床 共五十四頁 功能(gngnng)微處理器的出現(xiàn)和廣泛應用,產(chǎn)生以微處理器為核心(hxn),將計算機技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的儀器. 可根據(jù)被測參數(shù)的變化自動選擇合適的量程，進行自動校準、自動補償、自動判斷故障、優(yōu)化控制等，具有一定的人類智能作用。70年代 獨立式智能儀器（簡稱稱智能儀器）共五十四頁智能儀器：隨著電子(

6、dinz)技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器儀表的功能從測量個別參數(shù)擴展為測量整個系統(tǒng)的各種參數(shù)；從使用單個儀器進行測量轉(zhuǎn)變?yōu)橛脺y量系統(tǒng)進行測量；從單純的測量顯示擴展為測量、分析、處理、計算、控制與通訊。溫濕度計控制器共五十四頁現(xiàn)代(xindi)儀器儀表按其應用領域和自身技術(shù)特性大致劃分為6個大類：1）工業(yè)自動化儀表和控制系統(tǒng)2）科學儀器3）醫(yī)療儀器4）電子與電工測量儀器5）各類專用儀器儀表6）傳感器及儀器儀表元器件材料1.3 測控(c kn)技術(shù)的應用領域共五十四頁除了衛(wèi)星測控等非常專業(yè)(zhuny)的領域外，日常生活中較少聽到“測控”這個名詞。更多聽到的是這個設備(工藝)是“自動化的”或“自動控制的”。

7、上述功能的本質(zhì)都是測控技術(shù)。測控技術(shù)不僅應用于現(xiàn)代生產(chǎn)、科學研究、航空航天，也越來越多地應用于現(xiàn)代生活中。 *家庭(jitng)： 全自動照相機、洗衣機、電飯煲 *建筑： 自動門禁、自動監(jiān)控系統(tǒng)*交通： 自動控制紅綠燈 *銀行： 自動取款機ATM共五十四頁化工控制使用的儀表種類繁多，溫度測量使用的儀表有熱電偶、熱電阻等；流量測量使用的儀表有差壓式流量計、渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計和質(zhì)量流量計等；液位測量使用的儀表有差壓液位計、浮筒液位計、雷達液位計和超聲波液位計等；還有許多(xdu)與產(chǎn)品質(zhì)量相關的物性如濃度、酸度、濕度、密度、濁度、熱值以及各種混合氣體組分等測量儀表?；S的控制室

8、共五十四頁2.2.7 測控技術(shù)(jsh)在航空航天業(yè)中的應用航空指的是在地球(dqi)周圍稠密大氣層內(nèi)的航行活動；航空飛行器有氣球、飛艇、飛機等。航空儀表相當于飛機的耳目、大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，用來測量、計算飛機的飛行參數(shù)、調(diào)整飛機的運動狀態(tài)，對保障飛機飛行安全、改善飛行性能起著重要作用。飛機駕駛艙內(nèi)的儀表盤是顯示和控制飛行狀態(tài)的核心，航空儀表測量的數(shù)據(jù)主要有：（1）飛行高度和飛行速度的測量（2）飛機狀態(tài)和方向測量（3）過載測量：（4）發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)測量：（5）加速度測量：空中客車A380飛機駕駛艙共五十四頁為了保證火箭正常飛行和航天器在軌道上正常工作(gngzu)，除了火箭和航天器上載有測控設備外

9、，還必須在地面建立測控(包括通信)系統(tǒng)，地面測控系統(tǒng)由分布全球各地的測控站及測量船組成。西安衛(wèi)星(wixng)測控中心共五十四頁中國于2000年10月開始發(fā)射“北斗”定位衛(wèi)星，可提供高精度的定位、測速和授時服務(fw)，中國計劃在2015年形成覆蓋全球的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。共五十四頁2005年我國成功發(fā)射(fsh)載人飛船（神舟6號） 1981年美國(mi u)“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功共五十四頁農(nóng)業(yè)自動化意味著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的電子化、儀表化和計算機控制化，而不僅僅是機械化（如拖拉機、收割機、插秧機等）和電氣化（小水電站、電力灌溉等）。農(nóng)業(yè)自動化主要包括耕耘、栽培(zipi)、收割、運輸、排灌

10、、作物環(huán)境的自動控制和最優(yōu)管理。2.2.10 測控技術(shù)在農(nóng)業(yè)(nngy)中的應用植物自動嫁接機智能溫室控制系統(tǒng)共五十四頁最常見的家用電器如音響(ynxing)、電視機、熱水器、空調(diào)機、微波爐、電飯煲、洗衣機、冰箱、照相機等都含有測控技術(shù)的應用。2.2.11 測控技術(shù)在大眾生活(shnghu)中的應用智能家居系統(tǒng)共五十四頁共五十四頁汽車(qch)防撞氣囊共五十四頁采松果(sn u)機器人挖樹根(sh n)機器人測控技術(shù)的發(fā)展面越來越寬闊共五十四頁壁面清洗(qngx)機器人擦玻璃(b l)機器人共五十四頁飛機(fij)清洗機器人共五十四頁汽車(qch)加油機器人共五十四頁家用(jiyng)清潔機器

11、人共五十四頁高壓輸電線維修(wixi)（遙操作）機器人共五十四頁醫(yī)用機器人共五十四頁國產(chǎn)(guchn)反恐機器人火星(huxng)探測機器人共五十四頁足球(zqi)機器人共五十四頁拾球機器人共五十四頁1.3.4 測控技術(shù)的發(fā)展思考從測控技術(shù)的發(fā)展歷程可以看出，測控技術(shù)伴隨著社會生產(chǎn)力和科學技術(shù)的發(fā)展，反映了人類從機械化時代進入(jnr)電氣化時代，并且走向自動化、信息化、智能化的時代歷程。 共五十四頁傳感器原理電路、模擬電路單片機微機(wi j)原理PLC數(shù)字電路數(shù)字化測試自動控制(z dn kn zh)原理共五十四頁測控(c kn)系統(tǒng)的典型功能模塊1.傳感器 傳感器是任何非電測量系統(tǒng)的必須

12、配置單元，也是最為重要的單元之一，實現(xiàn)信號的獲取2.信號調(diào)理(tio l)電路 主要包括接口適配、放大、整形、濾波、變換、隔離電路等。 其目的是對信號進行加工，使之適合傳輸。共五十四頁3.AD電路 實現(xiàn)信息的數(shù)字化4.數(shù)字單元 一般由單片機、DSP、CPLD/FPGA、ARM等高性能的運算處理單元構(gòu)成(guchng)5.DA電路 溝通數(shù)字電路和模擬電路的橋梁共五十四頁6.執(zhí)行器、控制反饋電路 完成對測量對象的控制7.通信接口電路 實現(xiàn)與其他設備的信息(xnx)交換，常用的通信接口有串行通信、CAN總線、虛擬儀器總線技術(shù)及Internet。8.顯示和操作面板 人機接口單元共五十四頁二、測控(c

13、kn)系統(tǒng)微機化的優(yōu)點零點自動校正量程自動切換多點快速測控軟件濾波與線性化可實現(xiàn)復雜數(shù)據(jù)處理和復雜控制規(guī)律(gul)多媒體功能通信或網(wǎng)絡功能自我診斷功能共五十四頁三、測控系統(tǒng)的類型(lixng)和組成1. 檢測(jin c)系統(tǒng)：又稱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。傳感器模擬輸入通道微機模擬輸出通道模擬顯示器數(shù)據(jù)記錄器報警器被測參數(shù)共五十四頁2. 程序(chngx)控制系統(tǒng)微機控制電路執(zhí)行器參數(shù)及動作次序共五十四頁3. 測控(c kn)系統(tǒng)測控對象傳感器執(zhí)行器傳感器執(zhí)行器模擬量輸入通道模擬量輸出通道模擬量輸入通道模擬量輸出通道微型計算機通信接口人機接口操作員其他微機共五十四頁補充：智能(zh nn)儀器與虛擬儀

14、器智能儀器和虛擬儀器的關系：智能儀器和虛擬儀器是測控系統(tǒng)針對不同(b tn)的應用環(huán)境產(chǎn)生的兩個發(fā)展方向智能儀器：主要應用于嵌入式系統(tǒng)虛擬儀器主要應用于檢測領域，系統(tǒng)組成體積較大，計算機是其核心部件，根據(jù)不同的測試硬件實現(xiàn)不同的測試功能從本質(zhì)上來說，虛擬儀器屬于智能儀器的范疇共五十四頁 測控儀器的基本(jbn)結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)可有兩種基本(jbn)類型:微機內(nèi)嵌式微機擴展式將單片或多片的微處理器與傳統(tǒng)儀器有機地結(jié)合在一起形成的單機，其形態(tài)是儀器。以個人計算機(PC)為核心的應用擴展型測量儀器。個人計算機儀器(PCI)或稱微機卡式儀器。其形態(tài)可以是計算機。共五十四頁智能儀器是計算機技術(shù)和測控技術(shù)相結(jié)合

15、的產(chǎn)物，是含有(hn yu)微計算機或微處理器的測量儀器，擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定的智能作用。智能儀器(yq)概念：共五十四頁智能(zh nn)儀器的分類智能儀器(yq)四個層次 高級人工智能趨勢系統(tǒng)辨識、模式識別初級智能計算機、信號處理聰敏電子、傳感、測量兼容聰敏儀器類 初級智能儀器類 模型化智能儀器類 高級智能儀器類 共五十四頁測量過程的軟件控制： CPU 軟件控制測量過程 “以軟代硬” 靈活性強、可靠性強數(shù)據(jù)處理 ： 數(shù)字濾波、隨機誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準等處理改善測量的精確度 相關(xinggun)、卷積、反卷積、幅度譜、相位譜、功率譜等信號分析提供更多高質(zhì)量的信息多功能化 ：一機多用(智能化電力需求分析儀) 智能(zh nn)儀器的特點共五十四頁 本章小結(jié)本章介紹了測控技術(shù)與儀器專業(yè)的基本(jbn)概況和測控技術(shù)的定義、特點及其發(fā)展歷程，并通過大量實例介紹了測控技術(shù)在各個領域中的應用。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展需要，測控系統(tǒng)從最初的控制單個機器、設備，到控制整個過程（如化工過程、制藥過程等）、控制整個系統(tǒng)（如交通運輸系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等）。特別是在現(xiàn)代科技領域的尖端技術(shù)中，都離不開測控技術(shù)的支持。 共五十四頁內(nèi)容摘要計算機測控系統(tǒng)。包含測量技術(shù)、控制技術(shù)和實現(xiàn)這些技術(shù)的儀器儀表及系統(tǒng)?？刂疲菏侨藗儗陀^事物或過程進行駕馭、支配的一種操縱過程。