1.-測控總線概論課件

1、測控系統(tǒng)與儀器通信,第一章 概論,1,1.1 測控系統(tǒng)的概念,自動測量和控制系統(tǒng)(ComputerAutomated MeasurementAndControl System) (簡稱測控系統(tǒng))是一門新興技術(shù)，它是自動化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合、綜合發(fā)展的產(chǎn)物。 測控系統(tǒng)包含的內(nèi)容十分廣泛，它包括各種數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)、生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈與衛(wèi)星的檢測及發(fā)射控制系統(tǒng)等，廣泛應(yīng)用與航空/航天、核科學(xué)研究、工廠自動化、實(shí)驗(yàn)室自動測量和控制、以及辦公自動化、商業(yè)自動化、家庭自動化等人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。,2,目前，計(jì)算機(jī)已經(jīng)大量進(jìn)入各個(gè)工業(yè)部門，承擔(dān)著在生產(chǎn)過

2、程的控制、監(jiān)督和管理等任務(wù)，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析計(jì)算，以便對生產(chǎn)過程實(shí)行更有效的控制。 以計(jì)算機(jī)為中心構(gòu)建的測控系統(tǒng)也稱為計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)。,3,操作人員可以通過顯示終端對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督和操作，鍵盤和顯示屏幕代替了龐大的控制儀表盤以及大量的開關(guān)和按紐，控制室已變的越來越小，只需很少人就能完成對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督和操縱的任務(wù)；,管理人員和工程師 可以通過計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)獲取大量的有關(guān)生產(chǎn)裝置工作狀態(tài)的信息和分析計(jì)算的結(jié)果，以便及時(shí)作出正確的決策，使生產(chǎn)裝置更有效的發(fā)揮效能。,在計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中：,4,測控系統(tǒng)與具體的對象和領(lǐng)域聯(lián)系起來形成了不同的學(xué)科。 測控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從人工監(jiān)測與控制、

3、自動監(jiān)測與控制到復(fù)雜智能監(jiān)測與控制的演變歷程。 本教材所指的測控系統(tǒng)主要指用于工業(yè)、國防、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的各種儀器儀表、自動測試系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)等。,5,1.2 過程控制系統(tǒng),過程控制系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)過程控制、武器的導(dǎo)航與制導(dǎo)等，強(qiáng)調(diào)監(jiān)測的目的是自動控制。 在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，過程控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從PLC控制系統(tǒng)、單/多回路自動控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)（PCS）、集散型控制系統(tǒng)（DCS）到全集成控制自動化系統(tǒng)（TIA）,6,過程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成,操作站和上位機(jī)：主要完成測控系統(tǒng)的管理、調(diào)度和靜態(tài)優(yōu)化處理任務(wù)，并協(xié)調(diào)指揮各監(jiān)控站的工作，亦即完成“集中操作、綜合協(xié)調(diào)”

4、的功能，同時(shí)也完成“分級管理”的功能。CRT操作站有系統(tǒng)組態(tài)工作臺、運(yùn)行操作工作臺、CRT顯示器、打印機(jī)和軟硬盤通信接口等。上位計(jì)算機(jī)一般是小型計(jì)算機(jī)、超小型計(jì)算機(jī)或高性能微型計(jì)算機(jī)。 高速數(shù)據(jù)通道：是具有高速通信能力的總線，負(fù)責(zé)各監(jiān)控站之間以及各監(jiān)控站與上位計(jì)算機(jī)、外部系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的支柱。該總線一般采用局域網(wǎng)絡(luò)，使用通用或?qū)Ｓ猛ㄐ艆f(xié)議。,7,通信接口：配合高速數(shù)據(jù)通道完成各監(jiān)控站之間通信的基本部件。它的結(jié)構(gòu)和監(jiān)控站的功能有關(guān)，主要包括移位寄存器、地址譯碼寄存器、驅(qū)動器和收發(fā)電路等。依通信規(guī)則，有的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)有通信指揮器或通信控制站。 監(jiān)控站：除上位計(jì)算機(jī)外，

5、其他通過通信接口掛在高速數(shù)據(jù)通道上的裝置都稱為監(jiān)控站。功能不同，站的具體構(gòu)成也不同，賦予不同的名稱。每個(gè)站都以微處理器為核心，是一個(gè)高度依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能裝置。 除上面的硬件系統(tǒng)外，計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)還有非常豐富的軟件系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、控制算法軟件、診斷軟件、報(bào)警程序等等。,8,測控系統(tǒng)舉例,9,10,（一） 儀器儀表 作用： 任何測量與控制系統(tǒng)都包含有一定的檢測技術(shù)及相應(yīng)的儀表單元，儀表單元是測量與控制的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)各種測量與控制的手段和條件。 發(fā)展： 從采用的電子器件分為:電子管、晶體管、集成電路。 從組成結(jié)構(gòu)、工作原理及功能特點(diǎn)：模擬儀表、數(shù)字儀

6、器、智能儀器，個(gè)人儀器、虛擬儀器,1.3 儀器與自動測試系統(tǒng),11,1 模擬儀器,18世紀(jì)末-20世紀(jì)初 基于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的物理定律的模擬式儀表 電壓表、電流表、功率表，壓力表，測溫儀，電橋，電位差計(jì)，磁電式 20世紀(jì)初-50年代 電子管、離子管出現(xiàn) 記錄儀，電子示波器，信號發(fā)生器,12,2 數(shù)字式儀器,20世紀(jì)50-60年代 晶體管出現(xiàn) 出現(xiàn)以電子管或晶體管電子電路為基礎(chǔ)的第二代測試儀器-分立元件儀器 數(shù)字電壓表，電流表，頻率計(jì)，記憶示波器等 模擬信號-數(shù)字信號的測量，數(shù)字方式輸出結(jié)果 用于快速相應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測量 特點(diǎn)：精度高，響應(yīng)快，讀數(shù)清晰，直觀，測量結(jié)果可打印輸出，便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?

7、13,3 智能儀器,20世紀(jì)70年代以來，微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。 智能儀器是在數(shù)字化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 在數(shù)字式儀器中置入微處理器，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器儀表緊密結(jié)合，使儀器具有數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)處理（運(yùn)算），邏輯判斷，自動選程，自動補(bǔ)償，儀器自檢等功能，從而部分取代人腦的工作，稱為智能儀器或靈巧儀器。 量程自動轉(zhuǎn)換，自動調(diào)零，自動調(diào)整觸發(fā)電平，自動校準(zhǔn)，自診斷等“智能化”功能。 一般帶有RS-232或GPIB接口。,14,智能儀器的基本構(gòu)成,15,4 個(gè)人儀器,也稱PC儀器或卡式儀器，在智能儀器的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型微機(jī)化儀器，是個(gè)人計(jì)算機(jī)與電子儀器相結(jié)

8、合的產(chǎn)品。 基本構(gòu)想是：將原來智能儀器中測量部分的硬件電路以附加插件或模板的形式插入到PC的總線插槽或擴(kuò)展機(jī)箱中；將原智能儀器中的控制、存儲、顯示和操作運(yùn)算等軟件任務(wù)交給PC機(jī)完成。 充分利用PC的軟件和硬件資源 降低成本，方便使用，提高可靠性,16,1）、個(gè)人儀器的基本構(gòu)成 形式,（1）基于PC機(jī)內(nèi)總線的內(nèi)插式個(gè)人儀器及系統(tǒng) 儀器插件直接插在個(gè)人計(jì)算機(jī)的總線擴(kuò)展槽。 結(jié)構(gòu)簡單，成本低 缺點(diǎn)：PC機(jī)擴(kuò)展槽數(shù)目有限 機(jī)箱內(nèi)干擾嚴(yán)重 該結(jié)構(gòu)難于滿足重載儀器對散熱和電源的要求； 不能實(shí)現(xiàn)儀器間的直接通信,17,（2）基于獨(dú)立儀器總線的模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng) 美國HP公司，1986年推出HP6000系列

9、模塊式PC儀器系統(tǒng) 在PC總線擴(kuò)展的底板或外部插件箱中插上若干儀器卡，并配上可編程通用儀器接口GPIB和其他儀器連接，形成以PC擴(kuò)展總線為核心的多功能儀器系統(tǒng)，解決了電源要求，同時(shí)避開了個(gè)人計(jì)算機(jī)的噪聲干擾。 開發(fā)了儀器總線PC-IB， 基于PC-IB的數(shù)字表，計(jì)數(shù)器，發(fā)生器等 通過PC-IB總線實(shí)現(xiàn)PC與外部儀器組件的連接。,18,（3）基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)總線的儀器系統(tǒng) 沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，影響個(gè)人儀器發(fā)展 1987年，VXI總線出現(xiàn) 采用個(gè)人計(jì)算機(jī)和個(gè)人儀器互連的專用接口總線，如VXI、CAMAC、PXI總線等。 特點(diǎn)： 采用專用接口總線，實(shí)現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)和個(gè)人儀器的連接。VXI,CAMAC,PXI等。

10、,19,5、虛擬儀器,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字信號處理技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)各種信號處理功能的軟件算法精度越來越高，速度越來越快。 在儀器的信號處理部分，用軟件代替硬件，即：用算法代替電子線路，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器的信號處理功能；同時(shí)，結(jié)果表達(dá)與儀器控制原本就是計(jì)算機(jī)的“長項(xiàng)”。 這樣，把傳統(tǒng)儀器的后兩部分（信號處理、結(jié)果表達(dá)與儀器控制）用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)，而不再采用硬件（電子線路）來實(shí)現(xiàn)，基于這種思想形成的儀器，就叫虛擬儀器。,20,所謂的虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計(jì)定義，虛擬面板、測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 “ 虛擬 ” 有兩層含義：（ 1 ）

11、虛擬的儀器面板 （ 2 ）由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測量功能（軟件就是儀器）,軟件就是儀器，是虛擬儀器概念最簡單也是最本質(zhì)的表述。,21,6、網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用的普及，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬儀器已成為今天儀器領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。 目前，對網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的概念，但普遍認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器應(yīng)該包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示三部分，并稱為：測量節(jié)點(diǎn)、測量分析服務(wù)器和測量瀏覽器。,22,網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的基本構(gòu)成,（1）遠(yuǎn)距離測量系統(tǒng)：將一個(gè)或多個(gè)測量點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭慌_計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理的系統(tǒng)。此時(shí)，待測點(diǎn)一般遠(yuǎn)離本地計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)。,23,（2）測量數(shù)據(jù)

12、發(fā)布系統(tǒng)：由本地測量節(jié)點(diǎn)完成測試任務(wù)，再將測量的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到一臺或多臺遠(yuǎn)程PC節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)。,24,（3）企業(yè)級測量系統(tǒng)： 將（1）和（2）融合，每個(gè)PC節(jié)點(diǎn)從多個(gè)測量節(jié)點(diǎn)獲取測量數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)發(fā)布給其他PC節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)共享測量資源與數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。,25,（4）網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器與INTERNET結(jié)合的典型結(jié)構(gòu),26,6、自動測試系統(tǒng)（ATS）,通常把在較少人工參與下就能自動進(jìn)行測量、數(shù)據(jù)處理并以適當(dāng)方式顯示或輸出測試結(jié)果的系統(tǒng)稱為自動測試系統(tǒng)（Automatic Test System） 。 把各種可程控儀器、計(jì)算機(jī)及其支援設(shè)備以特定接口相連并裝備面向測試的軟件就構(gòu)成了自動測試系統(tǒng)。因此

13、，開放、標(biāo)準(zhǔn)的控制接口是構(gòu)建自動測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)；同時(shí)自動測試系統(tǒng)的應(yīng)用需求，極大地促進(jìn)了儀器智能接口和總線技術(shù)的發(fā)展。 自動測試系統(tǒng)具有速度快、實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)量大、功能全可進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)測試等優(yōu)點(diǎn)。因此，對提高生產(chǎn)效率、減輕工作強(qiáng)度和提高產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化有重大的現(xiàn)實(shí)意義。,27,自動測試技術(shù)的發(fā)展,1 專用式-第一代自動測試系統(tǒng) 針對具體測試任務(wù)而研制的專用系統(tǒng) 主要用于：重復(fù)工作量大的測試、高可靠性的復(fù)雜測試、提高測試速度、測試人員難以進(jìn)入的惡劣環(huán)境 特點(diǎn)：將一些儀器儀表通過改造互連起來，并與計(jì)算機(jī)相連接。 主要研究問題：儀器與儀器之間，儀器與計(jì)算機(jī)之間的接口問題。 缺點(diǎn)：接口與標(biāo)

14、準(zhǔn)化方面。針對特定的被測對象，適應(yīng)性不強(qiáng)，接口不具備通用性。互換性、通用性，互換性差等。,28,2 積木式第二代自動測試系統(tǒng),在標(biāo)準(zhǔn)的接口總線（GPIB）的基礎(chǔ)上，以積木方式組建系統(tǒng)。 各個(gè)設(shè)備，計(jì)算機(jī)、可程控儀器，可程控開關(guān)等均為臺式設(shè)備，每臺設(shè)備都配有符合接口標(biāo)準(zhǔn)的接口電路。 不需要用戶自己設(shè)計(jì)接口電路 系統(tǒng)更改、增減測試內(nèi)容靈活，設(shè)備資源復(fù)用性好。 普遍采用通用接口總線GPIB， GPIB的出現(xiàn)，使得電子測量由獨(dú)立的、傳統(tǒng)的單臺儀器向自動測試系統(tǒng)的方向發(fā)展。 缺點(diǎn)：總線的傳輸速率不高（1MB/s）； 缺點(diǎn)：由于機(jī)箱，電源，顯示面板，控制開關(guān)，體積和重量不能減少。限制了某些應(yīng)用場合。,29

15、,3 模塊式 第三代自動測試系統(tǒng),基于VXI、PXI儀表總線，主要由模塊化的儀器/設(shè)備組成的自動測試系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐量大，體積小，重量輕，系統(tǒng)組建靈活，擴(kuò)展容易，資源復(fù)用性好，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。 是當(dāng)前先進(jìn)的自動測試系統(tǒng) 是軍用自動測試系統(tǒng)的主流組建方案。 軟件工具：labview，lab windows/cvi，VEE 硬件標(biāo)準(zhǔn)：總線規(guī)范。,30,一個(gè)VXI模塊式儀器系統(tǒng)示意圖,31,虛擬儀器基本要素示意圖,VXIbus、GPIB 接口驅(qū)動軟件,儀器驅(qū)動器,虛擬儀器基本要素示意圖,32,自動測試系統(tǒng)的基本構(gòu)成,自動測試系統(tǒng)經(jīng)歷了最初采用單一GPIB總線，到采用GPIB和VXI混合

16、總線，未來將采用cPCI、PXI和LXI總線等。 與傳統(tǒng)單臺儀器相比，自動測試系統(tǒng)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)優(yōu)勢、能將多臺儀器有機(jī)地結(jié)合起來發(fā)揮群體優(yōu)勢，是解決大數(shù)量、多參數(shù)、高精度、高速度這些相互間不無矛盾的測量要求的重要手段，非常適合復(fù)雜測試對象或生產(chǎn)線快速測量要求的場合，如：大型復(fù)雜電子裝備集成聯(lián)試和維修保障，電子元器件或射頻微波模塊批量生產(chǎn)線等。,33,1.4 測控系統(tǒng)通信與網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,無論是智能儀器、個(gè)人儀器、虛擬儀器、自動測試系統(tǒng)，還是過程控制系統(tǒng)，都需要以通信系統(tǒng)為核心來構(gòu)建。 本課程所討論的通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是指應(yīng)用于測控系統(tǒng)的通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。,34,1、測控系統(tǒng)涉及的通信方式： （1）總線

17、：連接多個(gè)集成片或器部件，并完成它們之間的信息流動 。片內(nèi)總線，片間總線，內(nèi)總線，系統(tǒng)總線，標(biāo)準(zhǔn)總線 （2）現(xiàn)場總線：現(xiàn)場總線是指連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線廣泛應(yīng)用于過程控制與測試儀表，與控制系統(tǒng)、現(xiàn)場儀表共同組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。 （3）工業(yè)控制局域網(wǎng)和無線通信網(wǎng)：集散控制系統(tǒng)，特別是大中型集散系統(tǒng)，通常由工業(yè)控制局域網(wǎng)或無線通信網(wǎng)來完成遠(yuǎn)距離的通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與各控制單元之間的通信。 （4）儀器與自動測試系統(tǒng)總線。,35,神州7號成功發(fā)射,36,遠(yuǎn)望號艦艇,37,基于CAN總線的整車管理系統(tǒng),38,1.5 測控系統(tǒng)通信的基本內(nèi)容,測控系統(tǒng)通信研究的內(nèi)容： 1傳輸：討論如何為數(shù)據(jù)提供傳輸通路，研究適合傳輸?shù)碾娦盘栃问?，以及?gòu)成傳輸媒體和電信號控制的各種傳輸設(shè)備。 2通信接口：解決怎樣把發(fā)送端的信號變換成適合傳輸?shù)男盘枺蛘甙呀邮盏降碾娦盘栕儞Q為終端設(shè)備可接收的信號。 3通信處理：測控系統(tǒng)通信最復(fù)雜的部分，基本功能包括： (1) 編輯：包括差錯(cuò)控制、格式化處理等。涉及到傳輸數(shù)據(jù)前后對數(shù)據(jù)的安排和監(jiān)控，以便進(jìn)行有效的傳輸； (2) 轉(zhuǎn)換：包括速度