現(xiàn)代檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)用化技術(shù)

現(xiàn)代檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)用化技術(shù)第1頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六檢測儀器的發(fā)展模擬儀器

數(shù)字儀器

虛擬儀器

智能儀器

伏特表

安培表

功率表

壓力表

電位差計(jì)

數(shù)字頻率計(jì)

數(shù)顯表

數(shù)字萬用表

示波器

微機(jī)+接口電路+傳感器

PC+接口板+系統(tǒng)軟件

軟件化儀器9、1虛擬儀器9.1.1概述

第2頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六傳統(tǒng)儀器

結(jié)構(gòu)形式操作面板，信號輸入輸出端，信號處理線路板。功能信號的采集和控制信號的分析與處理結(jié)果的表達(dá)與輸出

局限性全部都是以硬件(或固化的軟件)的形式存在。這種框架式的結(jié)構(gòu)，決定了傳統(tǒng)的儀表只能由儀器廠家來定義、制造，用戶無法改變的現(xiàn)實(shí)。第3頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六第4頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六調(diào)節(jié)器面板圖第5頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器

計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合：

以計(jì)算機(jī)為核心，由測量應(yīng)用軟件支持，具有虛擬的儀器操作面板、足夠的儀器硬件與通信功能的測量信息處理裝置。儀器的三大功能信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的輸出均放在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。虛擬示波器、虛擬信號發(fā)生器、虛擬頻譜儀。第6頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

組成

PC機(jī)+硬件接口卡+開發(fā)系統(tǒng)的“軟功能庫”、“軟控件庫”。特點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行軟裝配、軟連接、軟組合、軟修改、軟測試等一系列軟操作，最后形成一臺從外觀到功能到操作方法都于同類硬件儀器一樣的虛擬儀器。

“硬件搭臺，軟件唱戲”。第7頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六信號發(fā)生器前面板圖9-1信號發(fā)生器前面板

第8頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六溫度計(jì)前面板圖9-2溫度計(jì)前面板

第9頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六組成：計(jì)算機(jī)、模塊化功能硬件及軟件系統(tǒng)。9.1.2虛擬儀器的組成

GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）通用總線接口卡(掛接GPIB接口儀器)DAQ（DataAcquisition）數(shù)據(jù)采集接口卡VXI（VMEbuseXtensionInstrumentation）總線接口系統(tǒng)RS485串行總線、Field現(xiàn)場總線(CAN、FF等)功能硬件第10頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六圖9-3虛擬儀器硬件組成

第11頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六第12頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六一個典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由四部分組成。第13頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六虛擬儀器軟件系統(tǒng)系統(tǒng)管理虛擬儀器開發(fā)軟件虛擬儀器驅(qū)動程序DAQ、總線通信接口DAQ接口卡總線通信接口卡數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理圖9-4信號發(fā)生器前面板

第14頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六9.1.3虛擬儀器的特點(diǎn)1、儀器的功能由用戶按需要定義。修改軟件，增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，靈活方便。2、顯示器取代傳統(tǒng)的檢測儀器面板。3、數(shù)字信號處理成為系統(tǒng)軟件的核心。圖形化編程語言編程，控制儀器的運(yùn)行，完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。4、利用集成的虛擬儀器庫可生成多臺不同種類的虛擬儀器。系統(tǒng)組建快速方便。第15頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六9.1.4虛擬儀器軟件開發(fā)平臺

美國國家儀器公司（NationalInstruments）NI

推出LabVIEW7.0和LabWindows/CVI,HP公司推出了VEE，Tektronix公司推出了TekTMSLabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）實(shí)驗(yàn)室虛擬集成環(huán)境是一種基于G（Graphic）圖形化語言的開發(fā)語言，是一種面向儀器的圖形化編程環(huán)境，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)、測試和測量、實(shí)驗(yàn)室自動化以及過程監(jiān)控。第16頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)用程序：使用LabVIEW軟件開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器程序，簡稱為VI。VI：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。功能：數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算各種輸入輸出功能。資源：用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制的各種庫函數(shù)、開發(fā)工具包、數(shù)學(xué)分析程序包和儀器的驅(qū)動程序等。第17頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。圖9-5頻譜分析儀前面板

第18頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六框圖程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序。構(gòu)成：端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線圖9-6軟件流程圖

第19頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六功能模板控制模板工具模板第20頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六方案設(shè)計(jì)儀器的總體邏輯圖技術(shù)設(shè)計(jì)儀器電路圖程序清單儀器制造制板/裝配/調(diào)試儀器成品設(shè)計(jì)室工廠車間倉庫傳統(tǒng)硬件儀器開發(fā)虛擬儀器開發(fā)方案設(shè)計(jì)儀器建模技術(shù)設(shè)計(jì)模型算法儀器制造程序編制儀器成品計(jì)算機(jī)完成第21頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六第22頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六9.2現(xiàn)場總線儀表定義現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機(jī)化測量控制設(shè)備（現(xiàn)場總線儀表）之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)。是開放式、數(shù)字化、多節(jié)點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）。9.2.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)概述類型HART、CAN、LonWork、PufiBus、FF。第23頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六變送器調(diào)節(jié)器HART手操器顯示器24VR電流表傳輸線圖9-7基于HART協(xié)議的變送器接線圖

第24頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六2200HZ“0”I01100HZ“1”i(mA)t0.5-0.5圖9-8HART協(xié)議傳遞的二進(jìn)制數(shù)字信號D調(diào)制D解調(diào)第25頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六CAN控制器CAN收發(fā)器MCU傳感器/執(zhí)行器接口其它外設(shè)CAN總線圖9-9CAN底層模塊的硬件結(jié)構(gòu)

第26頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、環(huán)型和星型）星型結(jié)構(gòu)：1對N圖9-10星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第27頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六環(huán)型結(jié)構(gòu)：點(diǎn)對點(diǎn)圖9-11環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第28頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六總線型結(jié)構(gòu)：共享介質(zhì)圖9-12總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第29頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六星型結(jié)構(gòu)：1對N。中央節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)都要通過中央節(jié)點(diǎn)交換信息。局域網(wǎng)交換機(jī)。環(huán)型結(jié)構(gòu)：點(diǎn)對點(diǎn)。環(huán)中數(shù)據(jù)沿著一個方向環(huán)繞逐站傳輸?？偩€型結(jié)構(gòu)：各站地位平等，傳遞方向從發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)開始向兩端擴(kuò)散，各個節(jié)點(diǎn)在接收信息時都檢查地址，對比地址是否與本站地址相符，相符則接收網(wǎng)上的信息。需防止數(shù)據(jù)“碰撞”。第30頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)成要素：語法：用戶數(shù)據(jù)和控制信息的結(jié)構(gòu)與方式。語義：需要發(fā)出的控制信息、完成動作及作出的響應(yīng)。時序：對事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。第31頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六網(wǎng)絡(luò)層次ISO/IEC7498標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定7層框架。（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層）涉及通信系統(tǒng)協(xié)議；（會話層、表示層、應(yīng)用層）面向應(yīng)用，涉及終端用戶應(yīng)用進(jìn)程操作協(xié)議；傳輸層從會話層取得數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡(luò)層。物理層（physicallayer）：作用：為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，以實(shí)現(xiàn)信息流傳輸。協(xié)議：規(guī)定通信介質(zhì)，驅(qū)動和接收電路接口電氣特性和機(jī)械特性。信息流通路第32頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)：作用：在通信的實(shí)體之間建立數(shù)據(jù)鏈路連接。功能：確定鏈路的使用權(quán)分配，傳輸以位為單位的數(shù)據(jù)，差錯控制。數(shù)據(jù)通路網(wǎng)絡(luò)層(networklayer)：功能：處理信息的傳輸路徑，通過算法，為分組通過通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)選擇最適當(dāng)?shù)穆窂?。?shí)現(xiàn)路由選擇、擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)互連。指揮傳輸層(transportlayer)：功能：提供點(diǎn)到點(diǎn)服務(wù)，傳送報(bào)文，確認(rèn)接點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸是否完成。包括：信息確認(rèn)、誤碼檢測、信息重發(fā)、信息優(yōu)先權(quán)調(diào)度等。調(diào)度第33頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六會話層(sessionlayer)：功能：組織兩個會話進(jìn)程之間的通信，管理數(shù)據(jù)交換，對節(jié)點(diǎn)之間的通信任務(wù)進(jìn)行啟動和停止調(diào)度。主持表示層(presentationlayer)：功能：處理兩個通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式。數(shù)據(jù)格式變換、數(shù)據(jù)的加密和解密、數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)等。翻譯應(yīng)用層(applicationlayer)：功能：確定進(jìn)程之間通信的性質(zhì)。提供應(yīng)用進(jìn)程所需要的信息交換。服務(wù)第34頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六9.2.2CAN總線系統(tǒng)(ControllerAreaNetwork)1、CAN總線系統(tǒng)的構(gòu)成控制器1控制器2控制器N人機(jī)界面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)1傳感器節(jié)點(diǎn)2傳感器節(jié)點(diǎn)N執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)1執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)2執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)N網(wǎng)關(guān)其它設(shè)備圖9-13CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第35頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六CAN總線系統(tǒng)多數(shù)由上位計(jì)算機(jī)和微控制器構(gòu)成。上位計(jì)算機(jī)通過CAN適配卡與總線連接。相當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)一般有微控制器系統(tǒng)組成?？梢詫鞲衅鞯臄?shù)據(jù)傳送到總線上或?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)中傳來的數(shù)據(jù)輸出到執(zhí)行器控制執(zhí)行器的動作。2、CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（1）多主發(fā)送結(jié)構(gòu)（2）主從發(fā)送結(jié)構(gòu)第36頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六CAN接口CAN接口CAN接口CAN接口圖9-14基本CAN總線系統(tǒng)第37頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六CAN總線收發(fā)器（82C250）CAN總線控制器（SJA1000）微機(jī)（DSP、單片機(jī)等）傳感器/執(zhí)行器接口CAN總線圖9-15CAN總線節(jié)點(diǎn)組成第38頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六3、CAN總線特點(diǎn)1．多主方式工作，采用非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)；

2．借助接收濾波可實(shí)現(xiàn)多地址的幀傳送；

3．?dāng)?shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)幀的信息ＣＲＣ校驗(yàn)及其它錯誤檢測措施完善；

4．發(fā)送期間丟失仲裁或由于出錯而遭破獲的幀可以自動重發(fā)；

5．嚴(yán)重錯誤時可自動關(guān)閉總線功能，以使總線其它操作不受影響。第39頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六最大傳輸速率為１ＭＢ／ｓ時傳輸距離最大為４０ｍ；傳輸速率為５ｋＢ／ｓ時的最大傳輸距離為１０ｋｍ。ＣＡＮ總線的傳輸介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜等第40頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六第41頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六ＣＡＮ控制器的初始化、ＣＡＮ總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等幾個部分ＣＡＮ的通信協(xié)議主要是由ＣＡＮ控制器完成的，對ＳＪＡ１０００進(jìn)行初始化實(shí)際上就是通過單片機(jī)向其片內(nèi)的各個寄存器寫入控制字的過程。4、CAN總線軟件流程控制器按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，同時接受其他控制器的信息?？偩€上的其他控制器則根據(jù)需要各取所需的報(bào)文。第42頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六

第43頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六9.3智能化(網(wǎng)絡(luò)化儀器)的設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)原則（1）采取自頂向下的設(shè)計(jì)方法，從總體到局部再到設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定總?cè)蝿?wù)，將總?cè)蝿?wù)分解成子任務(wù)，子任務(wù)分解為模塊設(shè)計(jì)。如智能熱量表的設(shè)計(jì)。熱水鍋爐溫度、液位測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電機(jī)軸振動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第44頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六智能熱量表的設(shè)計(jì)熱或力中站央鍋空爐調(diào)溫度傳感器溫度傳感器積算儀流量計(jì)用戶熱量表熱量測量組成

設(shè)計(jì)要求：根據(jù)檢測的管道進(jìn)水與回水溫度及流量，計(jì)算出消耗的熱量。保證溫度、流量和熱量的測量精度，顯示參數(shù)：進(jìn)水溫度、回水溫度、進(jìn)回水溫差、流速、流量第45頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六熱水鍋爐溫度、液位測控?zé)崴仩t液位傳感器溫度傳感器流量控制器流量計(jì)用戶熱水冷水第46頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六熱功率、熱量、運(yùn)行時間等。子任務(wù)：進(jìn)回水溫度傳感器的選用與設(shè)計(jì)、流量傳感器的選用與設(shè)計(jì)、積算儀的設(shè)計(jì)。模塊：溫度傳感器模塊、流量傳感器模塊、溫度調(diào)理電路、流量調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)及最小系統(tǒng)、鍵盤顯示模塊、存儲器模塊、通信模塊等。每個模塊中包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。第47頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六（2）軟硬件合理分工、相互配合“硬件軟化”：模塊中能夠由軟件實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)。降低成本、減小體積。。如溫度補(bǔ)償、非線性處理、調(diào)零、濾波等?！败浖不保盒酒募啥忍岣撸鞣N信號處理算法固化于存儲器中。如DSP芯片原來快速傅立葉變換由程序?qū)崿F(xiàn)，現(xiàn)在利用DSP進(jìn)行FFT變換。許多單片機(jī)集成硬件乘法器A/D轉(zhuǎn)換器、定時器、WDT、總線控制器等，提高信號處理速度，提高可靠性。趨勢：軟硬件功能界限日益淡化。第48頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六2、智能儀器的設(shè)計(jì)開發(fā)過程1）確定任務(wù)，擬訂總體設(shè)計(jì)方案（1）確定儀器的功能、技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)任務(wù)被測量數(shù)目、類型、變化范圍、測量精度、分辨率、輸出方式（顯示、打印、通信等）。儀器的使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)、尺寸、成本、可靠性、維護(hù)性、性能價格比等。（2）擬訂總體設(shè)計(jì)方案畫出儀器的組成框圖。對框圖中各個模塊進(jìn)行收集、整理、設(shè)計(jì)。第49頁，共54頁，2023年，2月20日，星期六單片機(jī)鍵盤顯示A/D轉(zhuǎn)換器非易失存儲通信電路流量傳感器進(jìn)水溫度傳感器回水溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換器第50