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测控系统与仪器通信第一章概论11.1测控系统的概念自动测量和控制系统(ComputerAutomatedMeasurementAndControlSystem)(简称测控系统)是一门新兴技术，它是自动化控制技术、计算机科学、微电子技术和通信技术有机结合、综合发展的产物。测控系统包含的内容十分广泛，它包括各种数据采集和处理系统、自动测量系统、生产过程控制系统、导弹与卫星的检测及发射控制系统等，广泛应用与航空/航天、核科学研究、工厂自动化、实验室自动测量和控制、以及办公自动化、商业自动化、家庭自动化等人类生活的各个领域。2目前，计算机已经大量进入各个工业部门，承担着在生产过程的控制、监督和管理等任务，计算机可以实现复杂的数学分析计算，以便对生产过程实行更有效的控制。以计算机为中心构建的测控系统也称为计算机测控系统。3操作人员可以通过显示终端对生产过程进行监督和操作，键盘和显示屏幕代替了庞大的控制仪表盘以及大量的开关和按纽，控制室已变的越来越小，只需很少人就能完成对生产过程进行监督和操纵的任务；管理人员和工程师可以通过计算机测控系统获取大量的有关生产装置工作状态的信息和分析计算的结果，以便及时作出正确的决策，使生产装置更有效的发挥效能。在计算机测控系统中：4测控系统与具体的对象和领域联系起来形成了不同的学科。测控系统的发展经历了从人工监测与控制、自动监测与控制到复杂智能监测与控制的演变历程。本教材所指的测控系统主要指用于工业、国防、环境、医学等领域的各种仪器仪表、自动测试系统、过程控制系统、集散型控制系统等。51.2过程控制系统过程控制系统主要用于生产过程控制、武器的导航与制导等，强调监测的目的是自动控制。在工业应用领域，过程控制系统经历了从PLC控制系统、单/多回路自动控制系统、计算机测控系统、过程控制系统（PCS）、集散型控制系统（DCS）到全集成控制自动化系统（TIA）6过程控制系统的基本构成操作站和上位机：主要完成测控系统的管理、调度和静态优化处理任务，并协调指挥各监控站的工作，亦即完成“集中操作、综合协调”的功能，同时也完成“分级管理”的功能。CRT操作站有系统组态工作台、运行操作工作台、CRT显示器、打印机和软硬盘通信接口等。上位计算机一般是小型计算机、超小型计算机或高性能微型计算机。高速数据通道：是具有高速通信能力的总线，负责各监控站之间以及各监控站与上位计算机、外部系统之间的数据传输，是现代计算机测控系统的支柱。该总线一般采用局域网络，使用通用或专用通信协议。7通信接口：配合高速数据通道完成各监控站之间通信的基本部件。它的结构和监控站的功能有关，主要包括移位寄存器、地址译码寄存器、驱动器和收发电路等。依通信规则，有的计算机测控系统设有通信指挥器或通信控制站。监控站：除上位计算机外，其他通过通信接口挂在高速数据通道上的装置都称为监控站。功能不同，站的具体构成也不同，赋予不同的名称。每个站都以微处理器为核心，是一个高度依赖计算机技术的智能装置。除上面的硬件系统外，计算机测控系统还有非常丰富的软件系统，包括操作系统、网络通信系统、组态软件、数据采集软件、控制算法软件、诊断软件、报警程序等等。8测控系统举例静压传感器总压传感器静温传感器迎角传感器BP神经网络A/DPowerPcF/D静压源修正电源组合离散量输出接口总线接口AMILCD指示静压Psi指示总压Pti静温IAS迎角aBP神经网络A/DHp，Vi，Vt，Ps，Pt等ADS故障空速超差马赫数0.9马赫数0.25...掉高测试开关锁存电路定高指令补偿自检二线检查系统启动400Hz115V5V10V15V-15V18V28V910（一）仪器仪表作用：任何测量与控制系统都包含有一定的检测技术及相应的仪表单元，仪表单元是测量与控制的重要基础，是实现各种测量与控制的手段和条件。发展：从采用的电子器件分为:电子管、晶体管、集成电路。从组成结构、工作原理及功能特点：模拟仪表、数字仪器、智能仪器，个人仪器、虚拟仪器1.3仪器与自动测试系统111模拟仪器•18世纪末-20世纪初•基于科学家发现的物理定律的模拟式仪表•电压表、电流表、功率表，压力表，测温仪，电桥，电位差计，磁电式•20世纪初-50年代•电子管、离子管出现•记录仪，电子示波器，信号发生器122数字式仪器•20世纪50-60年代•晶体管出现•出现以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪器-----分立元件仪器•数字电压表，电流表，频率计，记忆示波器等•模拟信号---数字信号的测量，数字方式输出结果•用于快速相应和较高准确度的测量•特点：精度高，响应快，读数清晰，直观，测量结果可打印输出，便于远距离传输等133智能仪器•20世纪70年代以来，微处理器和计算机技术的发展。•智能仪器是在数字化的基础上发展起来的，是计算机技术与仪器仪表技术相结合的产物•在数字式仪器中置入微处理器，将计算机技术与仪器仪表紧密结合，使仪器具有数据存储，数据处理（运算），逻辑判断，自动选程，自动补偿，仪器自检等功能，从而部分取代人脑的工作，称为智能仪器或灵巧仪器。•量程自动转换，自动调零，自动调整触发电平，自动校准，自诊断等“智能化”功能。•一般带有RS-232或GPIB接口。14智能仪器的基本构成154个人仪器也称PC仪器或卡式仪器，在智能仪器的基础上发展的一种新型微机化仪器，是个人计算机与电子仪器相结合的产品。基本构想是：将原来智能仪器中测量部分的硬件电路以附加插件或模板的形式插入到PC的总线插槽或扩展机箱中；将原智能仪器中的控制、存储、显示和操作运算等软件任务交给PC机完成。充分利用PC的软件和硬件资源降低成本，方便使用，提高可靠性161）、个人仪器的基本构成形式（1）基于PC机内总线的内插式个人仪器及系统仪器插件直接插在个人计算机的总线扩展槽。结构简单，成本低缺点：PC机扩展槽数目有限机箱内干扰严重该结构难于满足重载仪器对散热和电源的要求；不能实现仪器间的直接通信17（2）基于独立仪器总线的模块式个人仪器及系统美国HP公司，1986年推出HP6000系列模块式PC仪器系统在PC总线扩展的底板或外部插件箱中插上若干仪器卡，并配上可编程通用仪器接口GPIB和其他仪器连接，形成以PC扩展总线为核心的多功能仪器系统，解决了电源要求，同时避开了个人计算机的噪声干扰。开发了仪器总线PC-IB，基于PC-IB的数字表，计数器，发生器等通过PC-IB总线实现PC与外部仪器组件的连接。18（3）基于统一标准总线的仪器系统没有统一标准，影响个人仪器发展1987年，VXI总线出现采用个人计算机和个人仪器互连的专用接口总线，如VXI、CAMAC、PXI总线等。特点：采用专用接口总线，实现个人计算机和个人仪器的连接。VXI,CAMAC,PXI等。195、虚拟仪器随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快。在仪器的信号处理部分，用软件代替硬件，即：用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能；同时，结果表达与仪器控制原本就是计算机的“长项”。这样，把传统仪器的后两部分（信号处理、结果表达与仪器控制）用计算机软件来实现，而不再采用硬件（电子线路）来实现，基于这种思想形成的仪器，就叫虚拟仪器。20所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。“虚拟”有两层含义：（1）虚拟的仪器面板（2）由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器）软件就是仪器，是虚拟仪器概念最简单也是最本质的表述。216、网络化虚拟仪器随着计算机网络技术的高速发展和应用的普及，基于网络技术的虚拟仪器已成为今天仪器领域发展的一个重要方向。目前，对网络化虚拟仪器还没有一个准确的概念，但普遍认为网络化虚拟仪器应该包含数据采集、数据分析和数据显示三部分，并称为：测量节点、测量分析服务器和测量浏览器。22网络化虚拟仪器的基本构成（1）远距离测量系统：将一个或多个测量点的测量数据通过网络传输到一台计算机节点进行处理的系统。此时，待测点一般远离本地计算机主机系统。23（2）测量数据发布系统：由本地测量节点完成测试任务，再将测量的结果通过网络发布到一台或多台远程PC节点的系统。24（3）企业级测量系统：将（1）和（2）融合，每个PC节点从多个测量节点获取测量数据，并将测量数据发布给其他PC节点，形成一个共享测量资源与数据的网络。25（4）网络化虚拟仪器与INTERNET结合的典型结构266、自动测试系统（ATS）通常把在较少人工参与下就能自动进行测量、数据处理并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统（AutomaticTestSystem）。把各种可程控仪器、计算机及其支援设备以特定接口相连并装备面向测试的软件就构成了自动测试系统。因此，开放、标准的控制接口是构建自动测试系统的基础；同时自动测试系统的应用需求，极大地促进了仪器智能接口和总线技术的发展。自动测试系统具有速度快、实时性好、数据量大、功能全可进行产品参数测试等优点。因此，对提高生产效率、减轻工作强度和提高产品质量实现生产系统的自动化有重大的现实意义。27自动测试技术的发展•1专用式-----第一代自动测试系统•针对具体测试任务而研制的专用系统•主要用于：重复工作量大的测试、高可靠性的复杂测试、提高测试速度、测试人员难以进入的恶劣环境•特点：将一些仪器仪表通过改造互连起来，并与计算机相连接。•主要研究问题：仪器与仪器之间，仪器与计算机之间的接口问题。•缺点：接口与标准化方面。针对特定的被测对象，适应性不强，接口不具备通用性。互换性、通用性，互换性差等。282积木式—第二代自动测试系统•在标准的接口总线（GPIB）的基础上，以积木方式组建系统。•各个设备，计算机、可程控仪器，可程控开关等均为台式设备，每台设备都配有符合接口标准的接口电路。•不需要用户自己设计接口电路•系统更改、增减测试内容灵活，设备资源复用性好。•普遍采用通用接口总线GPIB，•GPIB的出现，使得电子测量由独立的、传统的单台仪器向自动测试系统的方向发展。•缺点：总线的传输速率不高（1MB/s）；•缺点：由于机箱，电源，显示面板，控制开关，体积和重量不能减少。限制了某些应用场合。293模块式第三代自动测试系统•基于VXI、PXI仪表总线，主要由模块化的仪器/设备组成的自动测试系统。•数据传输速率高，数据吞吐量大，体积小，重量轻，系统组建灵活，扩展容易，资源复用性好，标准化程度高。•是当前先进的自动测试系统•是军用自动测试系统的主流组建方案。•软件工具：labview，labwindows/cvi，VEE•硬件标准：总线规范。30一个VXI模块式仪器系统示意图31•虚拟仪器基本要素示意图•输出信号信号输入总线操作软件平台应用软件包应用软件开发环境C、VB、LabViewLabwindows/CVI计算机系统仪器硬件平台DACDSPADCMEMVXIbus、GPIB接口驱动软件仪器驱动器虚拟仪器基本要素示意图32自动测试系统的基本构成自动测试系统经历了最初采用单一GPIB总线，到采用GPIB和VXI混合总线，未来将采用cPCI、PXI和LXI总线等。与传统单台仪器相比，自动测试系统充分发挥计算机优势、能将多台仪器有机地结合起来发挥群体优势，是解决大数量、多参数、高精度、高速度这些相互间不无矛盾的测量要求的重要手段，非常适合复杂测试对象或生产线快速测量要求的场合，如：大型复杂电子装备集成联试和维修保障，电子元器件或射频微波模块批量生产线等。331.4测控系统通信与网络的应用无论是智能仪器、个人仪器、虚拟仪器、自动测试系统，还是过程控制系统，都需要以通信系统为核心来构建。本课程所讨论的通信与网络技术就是指应用于测控系统的通信与网络技术。341、测控系统涉及的通信方式：（1）总线：连接多个集成片或器部件，并完成它们之间的信息流动。片内总线，片间总线，内总线，系统总线，标准总线（2）现场总线：现