第二章 智能仪器仪.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 智能仪器仪表和现代数据采集系统,第一节 智能仪器仪表,由于模拟式仪表诸多缺点以及计算机性价比的提高和普遍适用性，用数字式仪表取代模拟式仪表是一种必然，而使仪表智能化则是检测技术发展方向之一。,一、智能仪器仪表的,组成,第一节 智能仪器仪表,智能仪器仪表一般是指内部装有,微处理器,或,微型计算机,的仪器仪表，包括个人计算机、单片机、微处理器或,GP,IB,接口的仪器仪表。从物理结构看，微型机内含于仪器仪表中，微处理器及其支持部件是整个检测电路的一个组成部分。智能仪器仪表的基本组成如图,2-1,所示。,第一节 智能仪器仪表,微处理器是整个智能仪器仪表的核心，因此在,ROM,内的程序是仪器仪表的“,大脑,”，系统采用总线结构，所有外部设备（包括检测电路）和存储器都挂在,总线,上，微处理器,按地址,对它们进行访问。微处理器接受来自键盘或,GP-IB,接口的命令，解释并执行这些命令，发出一个控制信号到某个电路，或进行某种数据处理等。检测电路是微机的外围设备，微机通过接口发出各种控制信号给检测电路，以规定功能、启动测量、改变工作方式等。微机通过查询或检测电路向微机提出中断请求，使微机及时了解检测电路的工作状态。,第一节 智能仪器仪表,当检测电路完成一次测量后，微机读取测量数据，进行必要的加工、计算、变换等处理，最后以各种方式输出，如送显示器显示、打印机打印，或送给系统的主控制器等等。,智能仪器仪表因在仪器仪表中引入微机后有可能降低对检测硬件的要求，但有时提高仪器仪表性能指标的关键仍在于检测电路硬件的改进，这在智能仪器仪表的设计、实现和维护过程中始终是,个重点。,第一节 智能仪器仪表,GP-IB,是目前普遍使用的一种可程控仪器的接口系统，它可以将不同国家、不同厂家生产的仪器设备，用通用的标准接口和母线连接起来，避免了以往组建参数测试系统时需要设计专用接口的重复劳动。,第一节 智能仪器仪表,二、智能仪器仪表的主要功能,智能仪器仪表在结构上体现了微机、仪器仪表的一体化，硬件和软件相互融合。这种综合结构因硬件减少，仪器仪表的体积和重量随之减少，特别是面板上用键盘接触开关代替大多数的开关和控制调节器，使面板简明美观，操作方便。智能仪器仪表的主要功能可归结为以下几点：,第一节 智能仪器仪表,（,1,）能自动修正各类测量误差。在仪器的误差源中，最主要的是传感器和模拟测量电路所造成的误差，如非线性误差、温度误差、零位误差、零位漂移（温度漂移和时间漂移）误差等。在智能仪器中，只要事先测出这些误差的规律，就能靠软件进行误差的修正。在一些复杂的检测系统中，对于不确定的随机误差，若能找出其统计模型，也能进行有效的补偿。,（,2,）能自动切换量程，以提高测量精度和读数的分辨率。,第一节 智能仪器仪表,（,3,）能对信号进行复杂的运算和处理，从而减轻了操作人员的劳动强度，扩大仪器的功能和提高其性能。,（,4,）能以多种形式输出信息，有利于信息的传输和保存。,（,5,）能对仪器仪表本身进行自检和故障监控，发现故障能及时报警。有的仪器仪表还能在故障情况下，自行改变系统结构，继续正常工作，即智能仪器仪表在一定程度上具有容忍错误存在的能力。,虚拟光驱：,是一种模拟（,CD/,DVD-ROM,),工作的,工具软件,，可以生成和你电脑上所安装的光驱功能一模一样的,光盘镜像,，一般光驱能做的事虚拟光驱一样可以做到，工作原理是先虚拟出一部或多部虚拟光驱后，将光盘上的,应用软件,，镜像存放在硬盘上，并生成一个虚拟光驱的,镜像文件,，然后就可以将此镜像文件放入虚拟光驱中来使用，还有很多光驱无法达到的功能。,路由器,：连接,因特网,中各局域网、,广域网,的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送,信号,的设备。路由器英文名,Router,，路由器是,互联网,络的枢纽、,交通警察,。,路由器是互联网的主要节点设备，路由器通过路由决定数据的转发。可以说，路由器构成了,Internet,的骨架。它的处理速度是,网络通信,的主要瓶颈之一，它的可靠性则直接影响着,网络互连,的质量。,软路由,：是指利用台式机或服务器配合软件形成路由解决方案，主要靠软件的设置，达成路由器的功能，某些情况下速度比几千上万元的硬件路由器稳定还要快。至于软件路由器的稳定性，受益于稳定的,Linux,和,BSD,内核，软件路由器的稳定性非常好，我见过最长时间不用重启的软件路由器，已经有一年多了。,软件路由器会,淘汰,硬件路由器吗？,不会,，但是软件路由器会逐渐占领更多的硬件路市场，软件路由器还不能淘汰硬件路由器，它们的市场定位不同，而且在高端只有硬件路由器才能胜任，但对于一般的应用像网吧、学校、机关等用软件路由器可以获得更高的经济效益。,第二节 现代数据采集系统,现代数据采集系统,:,是一种以计算机为基础的电路系统，它把从传感器或其他方式得到的各种信号经过处理后变成计算机能接收的数字信号，以便存储、传输、显示、处理。数据采集系统是计算机硬件、软件结合的综合技术，是当代传感器技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、微电子技术的综合应用。它是测量、控制、计算、存储的最佳选择。,实际的数据采集系统一般不仅用来测量，多数情况下还用于进行闭环控制，因此数据采集系统通常具有控制功能，也常称其为测量控制系统，它的应用是很广泛的。,第二节 现代数据采集系统,一、现代数据采集系统的特点和分类,1,、带计算机的采集系统的,优点,如下：,（,1,）,使测量自动化,。由于计算机有信号存储、判断和处理能力，所以能控制开关通断、量程自动切换、系统自动校准、自动诊断故障、结果自动输出等。省去了繁琐的人工调节和大量的数据处理工作，开机后操作人员只需按规定的程序设定参数，按启动钮，计算机就可按照命令自动进行数据采集，使操作大大简化。,第二节 现代数据采集系统,（,2,）,提高测量精度,。由于外界的干扰、内部的噪声、电源的波动、温度的变化，器件的非线性等因素的影响，必然降低测量精度。引入计算机后，系统通过软件滤波可以消除系统外部和内部的干扰，可以对传感器及测试线路的非线性进行校正，可以进行自动校准以消除零漂、温漂、增益不稳定等系统误差，多次重复测量还可以减小随机误差。另外，采用自动显示或打印结果，可消除人为的判读误差。,第二节 现代数据采集系统,（,3,）,功能丰富,。归纳如下：,1,）选择功能。量程、信号通道、通道扫描方式及采样频率等功能的选择。,2,）波形显示。实时显示多个被测信号的时域波形，即具有存储示波器功能。,3,）自诊断。系统越复杂，自身故障的诊断越显重要。目前计算机都具有自诊断能力，一般可诊断到插件板一级。一些通用性较强的测量系统，可以诊断到关键部位。,4,）自校准。高精度的自动测量系统都配有标准信号源。测量时，对标准信号和被测信号分别进行测量，计算机对两个测量结果进行分析，消除系统误差。,5,）增强数据处理能力。,第二节 现代数据采集系统,（,4,）,多路测量,。一台仪器一般只能测量一个参数，而自动测量系统配备多个信号通道，有的多达上干路。例如美国太平洋,6000,数据采集系统，其基本通道,64,路，可扩展到,4096,路。对于多路信号通过计算机软件控制，进行高速扫描采样。由于多通道信号同时测量，大大提高了工作效率。,第二节 现代数据采集系统,（,5,）,速度快。,指从测量开始，经过计算机对信号进行处理，直到输出结果整个过程所花的时间。速度与精度是一对矛盾，一般地说，精度要求低，速度可加快，反之亦然。影响速度的因素有,A,D,（模拟量数字量）转换时间、计算机处理数据的时间、数传时间和终端运行时间等，其中主要因素是,A,D,转换时间。采用,16,位的,A,D,转换器，其采样速度可在,1MHz,以上；采用,8,位,A,D,转换器，采样速度可提高到,500MHz,。如果多个,A,D,转换器并行工作，又可成倍提高数据采集速度。,第二节 现代数据采集系统,（,6,）,降低了测量系统成本,。由于软件有代替部分硬件的功能，各种运算器、比较器、滤波器、线性化器、定时器等都可由计算机承担，省去了一大批硬件，因此降低了系统的成本。,（,7,）,提高了系统的可靠性,。由于采用计算机为过程控制的核心，从开始测量到测量结果由计算机通过接口电路送给输出设备，中间基本无须人工参与，因此大大减少了人为误差，提高了系统的可靠性。,第二节 现代数据采集系统,（,8,）,技术更新快,。由于数据采集系统的控制中心是计算机，所以它可充分及时地利用当代计算机的最新软件及硬件技术成果，加快了技术更新速度。,第二节 现代数据采集系统,2,、,分类,从系统的结构形式，可分为专用接口型和通用接口型；从系统用途的适用程度，又可分为通用数据采集系统和专用数据采集系统；还可以按所用程控设备来分等。,专用接口型是将一些具有一定功能的模块相互连接而成。其优点是结构紧凑，模块利用率高，可做得很精。,第二节 现代数据采集系统,其缺点是：由于各模块的差别，组成系统时相互间的接口十分麻烦，各系统接口没有统一的标准。而且各模块都是系统不可分割的组成部分，不能单独应用，缺乏灵活性。通用接口型也是由模块（如台式仪器或插件板）组合而成，不过所有模块的对外接口都是按国际规定标准设计。组成系统时，如果模块是台式仪器，用标准的无源电缆将各模块接插起来即可；如果模块为插件板，只要将各插件插入标准机箱或插槽即可。,（无源电缆：,是指用于电箱与设备或设备与设备之间的不带电源的控制或信号电缆,平时它不带电压或只有几伏电压,当设备动作时它只通过一个接通或断开的信号电流,以达到传递控制信号的作用。不包含电源配置的电缆设备,例如,usb,为有源电缆。）,第二节 现代数据采集系统,组建这类系统非常方便，且适应性强，在不改变硬件的情况下，仅修改软件就可完成另一种测量任务，系统的灵活性和可扩展性是显而易见的。,PC,机标准接口系统、,STD,标准接口系统、,GP-IB,标准接口系统、,CAMAC,标准接口系统及,VXI,总线标准接口系统就属于此类系统，这类系统首次投资较大。此外，需要指出的是上述系统多数都不配各信号调节器。,第二节 现代数据采集系统,应注意，所谓通用仅是相对于专用而言，并非万能。另外，专用接口系统并不就是专用系统，它可以设计成具有较强的通用性；通用接口系统也并非就是通用系统，只能说它的接口通用性较强，不能把两者混为一谈。,第二节 现代数据采集系统,二、数据采集系统的基本构成,数据采集系统种类很多，但基本构成是相似的。如图,2-2,所示。由图可见，组建数据采集与控制系统就是把外部输入输出器件，如打印机、显示器、键盘、模拟量连续变化的量或数字量（幅值离散的量）输入通道、模拟量或数字量控制通道、智能仪器仪表等同计算机连接起来。而这些器件的连接都要通过适当的接口和总线，所以,接口,和,总线,是数据采集和控制系统的重要组成部分。,第二节 现代数据采集系统,第二节 现代数据采集系统,数据采集系统中的关键部件是,A,D,转换器，它的作用是将模拟量转换为数字量以适应计算机工作。为了把变化的模拟电信号转换成数字电信号，要对模拟信号采样，得到一系列在数值上是,离散,的采样值。,A,D,转换器把模拟量转换为数字量需要一定转换时间，在这个转换时间内，被转换的模拟量必须维持基本不变，否则，不能保证转换精度。所以大多数情况下，需要加采样保持电路。,第二节 现代数据采集系统,图,2-2,中的,S,H,表示采样,-,保持电路，它有两种工作方式：,采样,和,保持,方式。在采样方式时，,S,H,的输出跟随模拟量输入电压变化而变化；在保持方式时，,S,H,的输出稳定在模拟量输入电压值上，直到撤销保持命令到来（即下次采样）为止。经过采样后，连续变化的模拟量转变为脉冲序列。任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整数倍来表示的，所规定的最小数量单位称为量化单位。,第二节 现代数据采集系统,把模拟量转换成这个最小数量单位的整倍数的过程，称为,量化,过程。把量化的数值用代码表示，就称为,编码,。因此，采样、量化和对数字信号进行编码，是数据转换的基本步骤。,A,D,转换芯片的任务是自动完成量化和编码。,图,2-2,中的多路切换开关是一种实现模拟信号通道接通和断开的器件，称为模拟开关。它的作用是把多个输入通道的模拟信号按预定时序分时地与采样,-,保持电路接通，即实现多对一的转换。,第二节 现代数据采集系统,模拟开关有“导通”和“断开”两种状态，可以用一个功耗小的数字控制电路改变其工作状态。模拟多路开关可以把多个信号通道接到同一负载，每个时刻只有一个通道被接通。在数据采集系统中，为了减少价格最高的,A,D,转换器，往往采用模拟多路开关先将,A,D,转换器对多个待转换的模拟信号通道进行时间分隔，顺序地或随机地,第二节 现代数据采集系统,每次接通一个通道，把该通道的信号送入采样保持电路，然后再送入,A,D,转换器。模拟多路开关包括一列并行的模拟开关和地址译码驱动器，它把输入的地址码翻译成输入通道的代码，并把与输入地址相应的模拟开关接通，同时保证每次只有一个模拟开关是导通的。,第二节 现代数据采集系统,三、系统总线概述,数据采集系统的组建不是靠各单元部件的简单连接，而是需要与已有的硬件、软件有机地组合。要实现这一点，就需要通过某种形式的硬件和协议，将各单元连接起来，使它们协调工作，而它的主要硬件基础就是接口和系统总线。,接口,和,总线,是数据采集与控制系统的重要组成部分，是组成各种数据采集与控制系统的纽带和基础。不管哪种类型的数据采集系统都要设计接口和总线的问题。,第二节 现代数据采集系统,接口,是两个不同系统的交换部分，其基本功能是管理它们之间的数据、状态和控制信息的传输和交换。,总线,是计算机系统中模块与模块之间传送信息的一束信号线。传送信息时，有的采用分时占用总线的方式，即总线所传送的信息在不同时刻可以是不同类型的信息（即数据信息、地址信息和控制信息分时占用同一组总线），这种结构叫,单总线结构,；有的采用标准结构的并行总线形式，即数据信息、地址信息和控制信息各自独立使用各自的总线，称为,三总线结构,。,第二节 现代数据采集系统,1,、局部总线与系统总线,在一个较复杂的计算机系统或多个主机组成的复杂系统中，由于扩展了较多的存储器、,I/O,接口，或是多个主机之间频繁地进行通信联络时，共用一组外部总线容易造成总线的堵塞，从而降低系统的吞吐率。较为理想的办法是将这样一个复杂系统，划分为若干个功能相对独立的模块，每个模块建立的总线叫局部总线。各个模块之间建立的联系总线叫系统总线。,第二节 现代数据采集系统,在局部总线上可以挂有局部存储器和局部,I/O,接口，而系统总线上挂有公共存储器和公共,I/O,接口。这样，很大一部分存储器读写操作或,I/O,操作是通过局部总线来完成的。只有访问公共存储器和公共,I/O,接口时，才用到系统总线，从而避免了系统堵塞现象。同时，也为各个模块并行工作提供了条件。,第二节 现代数据采集系统,当前，为了便于用户扩展和与其他,CPU,联机，或者共享某些硬件模块使之具有兼容性，以减少用户的硬件设计任务，常采用规格化的通用系统总线结构。将其做成插槽（如,PC BUS,、,STD BUS,）或接口插头形式。在这样的设计中，必须遵照各个规格化总线结构的规定、定义和协议标准，否则将导致系统不能正常工作，甚至发生短路事故。图,2-3,表明了局部总线和系统总线之间的关系。,第二节 现代数据采集系统,第二节 现代数据采集系统,2,、总线占用权的判定,当一个总线系统上，只有一个,CPU,作为主控元件时，总线的占用权就由该,CPU,独享。当一个总线系统上，具有两个或两个以上主控元件时，必须通过总线占用判断来决定哪个操作应在总线系统上进行。实现总线占用判断的方式很多，最简单的方式是“菊花链”方式。,第二节 现代数据采集系统,菊花链总线判定的原理是由判决器发出一个“应答”信号，作为对“请求”信号的回答，这个信号按顺序传送，经过其他所有的总线主控部分。接到,GRANT,信号的第一个请求占用总线的模块，便取得了对总线的控制。在这个模块已经控制总线的情况下，它将不再把,GRANT,信号往总线上的下一个模块传送，因此，其他模块就不可能对总线进行操作。,第二节 现代数据采集系统,3,、总线协议,总线协议或称为总线约定包含了诸多方面的内容，但起作用归结为一点就是保证对传送的信息进行正确识别和可靠、无丢失地接收。首先涉及到的技术指标是传输速率。对于串行总线，要保证发送的位速率（波特率）和接收的位速率严格一致；对于并行总线，则要保证前一次发送至下一次发送之间的间隔符合接收的要求。,第二节 现代数据采集系统,为了协调计算机与外部接口间的速度差异，经常采用总线缓冲技术，即设立发送或接收缓冲器以协调二者之间的速度。其次是传输格式，包括基本信息的格式和辅助信息的格式。当信息格式符合预先的约定时，被认定执行某种操作或某种识别。,第二节 现代数据采集系统,例如，在多个主控元件的总线传输系统中，当总线系统上的任意两个模块之间进行信息传输时，先要通过判断信息的格式确定是否已被占用，再通过握手信息的格式认定起始信号后，才能进行实质的传送。,传输格式还被广泛用于对传送内容的纠错和检验，如累加和校验、奇偶校验都应用预定的格式进行，此格式必须严格一致。,计算机中的总线,a.,主板的总线,在计算机科学技术中，人们常常以,MHz,表示的速度来描述总线频率。计算机总线的,种类,很多，前端总线的英文名字是,Front Side Bus,，通常用,FSB,表示，是将,CPU,连接到,北桥芯片,的总线。计算机的,前端总线频率,是由,CPU,和北桥芯片（,主桥、控制内存,）共同决定的。,计算机中的总线,b.,硬盘的总线,：,可以分为传输数据的数据总线、传输控制信息的控制总线和连接各个芯片地址的地址总线。,串口,：快、耗电量低,并口,计算机中的总线,主板北桥芯片负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件，并和,南桥,芯片连接。,CPU,就是通过前端总线（,FSB,）连接到北桥芯片，进而通过北桥芯片和内存、显卡交换数据。前端总线是,CPU,和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大，如果没足够快的前端总线，再强的,CPU,也不能明显提高计算机整体速度。,计算机中的总线,采用总线结构的主要优点：,1,、简化了硬件的设计。便于采用模块化结构设计方法，面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定制作,cpu,插件、存储器插件以及,I/O,插件等，将它们连入总线就可工作，而不必考虑总线的详细操作。,2,、简化了系统结构。整个系统结构清晰。连线少，底板连线可以印制化。,计算机中的总线,3,、系统扩充性好。一是规模扩充，规模扩充仅仅需要多插一些同类型的插件。二是功能扩充，功能扩充仅仅需要按照总线标准设计新插件，插件插入机器的位置往往没有严格的限制。,4,、系统更新性能好。因为,cpu,、存储器、,I/O,接口等都是按总线规约挂到总线上的，因而只要总线设计恰当，可以随时随着处理器的芯片以及其他有关芯片的进展设计,计算机中的总线,新的插件，新的插件插到底板上对系统进行更新，其他插件和底板连线一般不需要改。,5,、便于故障诊断和维修。用主板测试卡可以很方便找到出现故障的部位，以及总线类型。,采用总线结构的缺点,:,计算机中的总线,1,、利用总线传送具有分时性。当有多个主设备同时申请总线的使用是必须进行总线的仲裁。,2,、总线的带宽有限，如果连接到总线上的个硬件设备没有资源调控机制容易造成信息的延时（这在某些即时性强的地方是致命的）。,3,、连到总线上的设备必须有信息的筛选机制，要判断该信息是否是传给自己的。,作业：认识主板上的各部件；网线采用什么结构传输信息？,