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现代测控技术与系统第1章绪论测控系统的基本概念、系统构成、设计基于网络的测控技术基于机器视觉的测控技术基于无线通信的测控技术基于雷达的测控技术基于GPS的测控技术基于虚拟仪器的测控技术课程内容1.1测控技术在自动化中的应用传感器从传统的压力、温度、流量和液位四大热工量的测量发展到目前具有光、电、磁、力及生物信息的感知，光纤、光栅等光敏传感器，DNA、免疫等生物信息传感器，超声波等声敏传感器，可燃性气体、氧气、电子鼻等气敏传感器，可见光、红外光等图像传感器等。现代测控技术的发展1.1测控技术在自动化中的应用控制器从早期的单片机、PLC、个人计算机发展到工控机和嵌入式机，嵌入式计算机与测控仪器设备日渐趋同，具有全局意义上的相通性；软件技术发展为测控系统的网络化、远程控制提供可靠的技术支持。现代测控技术的发展1.1测控技术在自动化中的应用工业：电力、石化、冶金、医药等国防：现代武器系统——高炮雷达探测系统、激光测距仪、预警雷达和预警机航天：导弹、火箭、卫星——卫星工程包括卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统和应用系统五大分系统；载人航天工程包括载人航天器系统、航天员系统、运载火箭系统、发射场系统、着陆场系统、测控系统和应用系统七大分系统现代测控技术的应用1.1测控技术在自动化中的应用测控设备软件化：软测量测控过程智能化：计算机高度的灵活性：软件较强的实时性：在线，主频的快速提升可视性：可视化图形编程测控管一体化：企业信息化立体化：全球卫星定位、无线通信、雷达探测现代测控系统的特点1.2现代测控系统的结构与设计1.基于DAQ体系的结构模型现代测控系统的结构模型1.2现代测控系统的结构与设计2.基于网络的测控系统模型：基于现场总线1.2现代测控系统的结构与设计2.基于网络的测控系统模型：基于Internet1.2现代测控系统的结构与设计2.基于网络的测控系统模型：测控管一体化模型1.2现代测控系统的结构与设计现代测控系统的设计方法硬件设计：约束条件：对象方面主要考虑其大小、形状、距离、环境、物理量、用途等；测控系统需求方面主要考虑功能、反应速度、可靠性、测控精度等因素。此外还需考虑研制成本、产品成本以及开发周期。系统模块设计技术：测控系统电路设计一般采用CPLD、FPGA、DSP等高集成度器件技术，主要以PC商用机和基于PC104工控机为主；低功耗器件，对降低功耗与抗干扰有积极意义；采用通用化、标准化硬件电路；软测量技术；采用动态链接库。1.2现代测控系统的结构与设计系统设计技术：选用标准总线和通用模块单元，如程控仪器、数控设备、现场总线仪表，例如FF、USB、GPIB、Fieldbus、PCI和VXI总线虚拟仪器板卡等；采用软件组态开发平台进行开发，如可视化开发工具、通用软件包（LabVIEW、LabWindows/CVI、Intouch、组态王等）；采用开放性技术实现可扩展性设计。1.2现代测控系统的结构与设计软件设计应用软件主要包括检测程序、控制程序、数据处理程序、数据库管理程序、系统界面程序等。设计时应在程序运行速度和存储容量许可的情况下，尽量用软件实现传统仪器系统的硬件功能；信号处理和数据处理主要包括量程转换、误差分析、插值、数字滤波、FFT变换、数据融合等技术；界面是测控系统和虚拟仪器的“窗口”，设计美观，达到虚拟现实的效果。1.2现代测控系统的结构与设计网络互联规范统一的电气规格：输入输出信号线的定义、信号的传输方式、信号的传输速度、信号的逻辑电平、信号线的输入阻抗与驱动能力等统一的机械特性：接插件的结构形式、尺寸大小、引脚定义、数目等统一的编码格式协议：各网络设备的输入输出数据应符合统一的编码格式和协议（总线协议）统一的指令系统1.2现代测控系统的结构与设计抗干扰设计误差修正（修正、滤波、补偿）：数据处理技术：采用图像处理、小波变换、神经网络等各种智能先进算法进行数据补偿技术11NmiiXXNm1.2现代测控系统的结构与设计电路抗干扰技术：电磁兼容性：噪声对正常信号的干扰主要通过三种途径，即静电耦合、电磁耦合和公共阻抗耦合,采用不同的措施解决。屏蔽：隔离屏蔽的方法是将有关电路、元器件和设备等安装在铜、铝等低电阻材料或磁性材料制成的屏蔽物内，不使电场和磁场穿透这些屏蔽物，一般可分为静电屏蔽、低频磁场屏蔽和电磁屏蔽。隔离：主要包括物理性隔离、光电隔离、脉冲变压器隔离、模/数变换隔离和运算放大器隔离等。1.2现代测控系统的结构与设计接地：能消除各电流流经一个公共地线阻抗产生的噪声，避免形成回路，有保护接地、屏蔽接地和信号接地等。滤波：滤波器可以抑制交流电源线上输入的干扰及信号传输线上感应的各种干扰，常用的滤波器件有电感、电容、电阻及压敏电阻等。布线：电路系统是由多个部分构成的，各部分在电路板上的安排和布线连接与电路的抗干扰性能有密切关系。1.2现代测控系统的结构与设计电路负载：电路负载对于电路的抗干扰性能也有一定的关系。现代测控系统除系统自身的干扰外，应着重考虑电器设备放电干扰和设备接通与断开引起电压或电流急变带来的干扰。而对于野外使用的现代测控系统，抗干扰设计的重点是大气放电、大气辐射和宇宙干扰等自然干扰。对基于计算机视觉的测控系统来说，抗干扰的重点在于遏制自然光源干扰，也就是在CCD图像采集处设置前光源和背景光源，注意光源的范围、强弱等。特别要注意被测物是否存在高光反射因素。1.3现代测控技术的分类基于网络的测控技术充分利用Internet设施建立网络化测控系统，降低组建系统费用，实现测试设备和测试信息的共享。现场传感器测得被测对象的数据信息后，通过网络传输给异地的精密测试仪器或高档微机化仪器去分析处理，提高了贵重和复杂设备的利用率。远程监控实验过程和实验数据，节约人力物力。1.3现代测控技术的分类基于机器视觉的测控技术人类通过视觉从客观世界获取的信息占全部感观信息的70%以上，图像传感器的出现与发展，犹如给测控系统安装了视觉器官，CCD、CMOS摄像机、红外摄像仪等，通过图像测量、图像处理、图像识别、图像信息融合以及机器视觉等在内的各种图像处理技术，实现几何量测量、精密零件微尺寸测量和外观检测、目标分类与识别、光波干涉图以及卫星遥感等各种与图像有关的测控任务。1.3现代测控技术的分类基于无线通信的测控技术对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的远程测控场合，可以利用无线电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信。减少复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低成本。如小区的智能保安系统、油井远程监测系统、航空航天技术中的无线跟踪测轨、遥测和遥控系统。1.3现代测控技术的分类基于无线通信的测控技术主站(测控中心PC机)串行口无线通信调制解调器射频电路现场数据采集控制子系统串行口无线通信调制解调器射频电路子站系统组成子站1子站n1.3现代测控技术的分类基于雷达的测控技术雷达是利用目标对电磁波的反射来发现目标并测定目标位置。飞机、导弹、卫星、车辆、兵器以及建筑物、云雨等都可能成为雷达的探测目标。雷达从目标回波中获取目标的距离、方位角、俯仰角以及目标的运行速度等信息，从而实现目标跟踪测控。1.3现代测控技术的分类雷达探测原理发射机接收机显示器收发转换开关天线发射的电磁波接收的电磁波信号处理机目标1.3现代测控技术的分类基于GPS的测控技术1994年美国全部建成全球定位系统并投入使用。大地测量，GPS系统能在全球范围内向任意多用户提供高精度连续实时的三维测速、三维定位和时间基准，基本上解决了人类在地球上的导航和定位测控问题。1.3现代测控技术的分类基于GPS的测控技术GPS由卫星、地面站和用户设备组成。卫星的功能是转发地面站的导航信号到覆盖区域内的用户设备，同时接收来自地面站的控制指令以及向地面站发送卫星的遥测数据；地面站的功能是收集来自卫星及系统内有关的信息数据，经过加工处理后发出导航信号和控制指令，通过卫星转发给测控设备用户；用户测控设备的功能是接收并处理来自卫星的导航信号，进行定位计算，计算结果可用来导航和制导。1.3现代测控技术的分类GPS引导系统原理图1.3现代测控技术的分类基于虚拟仪器的测控技术虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式。用户可以在通用计算机平台上，根据测控任务需求定义和设计测控仪器系统的测控功能，在测控系统和仪器设计中以软件代替硬件，充分利用计算机技术实现和扩展传统测控仪器功能。虚拟仪器测控系统由硬件设备、设备驱动程序和应用软件三部分组成。以LabVIEW为例，功能特点：数据采集、通信控制、数据分析、系统界面。1.3现代测控技术的分类基于虚拟仪器的测控技术1.4现代测控技术与系统发展方向小型化与微型化敏感元件采用MEMS、半导体材料取代金属为特征的现代传感器技术。由传感器、调制电路、微处理器组成的智能传感器系统已由多片集成系统发展到在单片芯片上实现。由MEMS技术结合半导体工艺甚至纳米技术制作的现代传感器系统，正带领测控系统走向小型化和微型化。1.4现代测控技术与系统发展方向网络化将智能检测和控制系统接入计算机网络，以各种总线为代表的网络化测控系统迅猛发展。降低系统成本，实现远距离测控和资源共享，实现测控设备的远距离诊断与维护。1.4现代测控技术与系统发展方向虚拟化虚拟仪器是利用现有的微型计算机，加上特殊设计的测控硬件和专用软件，形成既有普通测控仪器系统的基本功能，又有传统测控仪器所没有的特殊功能的新型计算机测控仪器系统。1.4现代测控技术与系统发展方向智能化神经网络、模糊逻辑、遗传算法、专家系统、仿人智能、粗糙集理论、模式识别、分形系统、混沌理论以及数据融合技术等，都将使现代测控技术与系统的智能化提升到一个全新的境界。1.4现代测控技术与系统发展方向空间化与大型化随着载人航天技术的高速发展，天地测控成为现代最为先进、最为复杂和最引人入胜的测控课题。美国用于地球轨道航天计划的航天跟踪与数据测控网，用于月球与行星探测的深空探测网。我国也先后建成了超短波近地卫星测控网、C频段卫星测控网和S频段航天测控网，可为中低轨道、地球同步轨道等多种航天器提供远程测控支持。参考书目现代测控技术与系统，韩九强等编，清华大学出版社，2007.10机器视觉技术及应用，韩九强等编，高等教育出版社，2009.12《测控技术》杂志《IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement》END