测控系统原理及设计1概论.pptx

第第1 1章章 计算机测控系统概述计算机测控系统概述1.2 1.2 测控技术与仪器专业的定位测控技术与仪器专业的定位 测测控控技技术术与与仪仪器器专专业业是是多多个个仪仪器器仪仪表表类类专专业业合合并并而而成成的的大大专专业业，“测测控控技技术术与与仪仪器器”是是指指对对信信息息进进行行采采集集、测测量量、存存贮贮、传传输输、处处理理和和控控制制的的手手段段与与设设备备。包包含含测测量量技技术术、控控制制技技术术和和实实现现这些技术的仪器仪表及系统。这些技术的仪器仪表及系统。其其内涵如所示。内涵如所示。测控技术测控技术与仪器与仪器测量技术测量技术测量仪器测量仪器测量系统测量系统控制技术控制技术控制仪器控制仪器控制系统控制系统课程名称课程名称 学分学分电路电路5 5模拟电子技术（模拟电子技术（I I）3.53.5数字电子技术数字电子技术3.53.5微机原理与接口技术微机原理与接口技术3.53.5自动控制原理自动控制原理4 4单片机原理与应用单片机原理与应用4 4可编程逻辑器件原理与设计可编程逻辑器件原理与设计 3 3 传感器原理传感器原理4 4数字化测试技术数字化测试技术4 4传感器技术课设传感器技术课设1可编程逻辑器件可编程逻辑器件课设课设 1单片机技术课设单片机技术课设 1本课程是测控专业的专业课，本课程本课程是测控专业的专业课，本课程 以以模拟电路、数字电路、传感器技术和微机模拟电路、数字电路、传感器技术和微机技术为前提，不同于先修课程，本课程主技术为前提，不同于先修课程，本课程主要学习如何将各个功能模块组装起来构成要学习如何将各个功能模块组装起来构成一个完整的测控系统，换言之，先修课程一个完整的测控系统，换言之，先修课程是从微观上学习各模块自身的原理及构成，是从微观上学习各模块自身的原理及构成，而测控系统这门课程是从宏观上学习各个而测控系统这门课程是从宏观上学习各个模块之间的连接及影响，学习如何将各个模块之间的连接及影响，学习如何将各个功能模块组合起来实现测试和控制的功能。功能模块组合起来实现测试和控制的功能。本课程的内容数据采集技术数据采集技术测控系统测控系统人机接口与通信人机接口与通信数据处理数据处理软件设计方法软件设计方法可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术设计原则步骤与实例设计原则步骤与实例测控技术涉及电子学、光学、精密机械、计算测控技术涉及电子学、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术等多项技术，机、信息与控制技术等多项技术，主要研究各种精主要研究各种精密测试和控制技术的新原理、新方法和新工艺。密测试和控制技术的新原理、新方法和新工艺。l测控技术即测控技术即“测量测量”和和“控制控制”的技术的技术l测测控控技技术术与与仪仪器器即即“测测量量技技术术”、“控控制制技术技术”和实现它们的仪器。和实现它们的仪器。1.1 测控技术的核心概念测控技术的核心概念测控技术研究的是如何运用各种技术工具延测控技术研究的是如何运用各种技术工具延伸人的信息获取、处理、控制和操纵的功能，使伸人的信息获取、处理、控制和操纵的功能，使动态过程动态过程稳定准确、提高效率、降低能耗等稳定准确、提高效率、降低能耗等。测控技术的核心是信息、控制与系统，尤其测控技术的核心是信息、控制与系统，尤其是高度复杂系统的信息获取和控制问题，具有很是高度复杂系统的信息获取和控制问题，具有很大的挑战性和潜在的经济效益。大的挑战性和潜在的经济效益。如图水箱液位自动控制系统是典型的测控系统 测量测量：是人们对客观事物取得数量概念的一：是人们对客观事物取得数量概念的一种认识过程。测量技术是实现这一过程的方法。种认识过程。测量技术是实现这一过程的方法。控制控制：是人们对客观事物或过程进行驾驭、：是人们对客观事物或过程进行驾驭、支配的一种操纵过程。控制技术是实现这一过程支配的一种操纵过程。控制技术是实现这一过程的方法。的方法。测量和控制是测控技术的重要手段。测控测量和控制是测控技术的重要手段。测控仪器属于仪器仪表范畴。仪器属于仪器仪表范畴。测控仪器和测控系统是检测技术的具体实测控仪器和测控系统是检测技术的具体实现现 ，是获取信息的工具。，是获取信息的工具。传统的测量仪器仪表用以测量、观察、监视、传统的测量仪器仪表用以测量、观察、监视、验证、记录各种物理量、物质成分、物性参数等。验证、记录各种物理量、物质成分、物性参数等。如压力表、测长仪、显微镜等。如压力表、测长仪、显微镜等。随着工业的发展，测量和分析、计算、控制随着工业的发展，测量和分析、计算、控制常常融为一体。因此，现代仪器仪表还包括计算、常常融为一体。因此，现代仪器仪表还包括计算、分析、控制、报警、信号传递和数据处理等功能。分析、控制、报警、信号传递和数据处理等功能。1.2 测控技术的测控技术的发展发展测量仪器与测控系统的发展第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表第二代为数字式仪器仪表第二代为数字式仪器仪表第三代是智能式仪器仪表第三代是智能式仪器仪表早期测控系统：早期测控系统：1926年美国建成第一条汽车自动生产线 1952年美国研制出第一台数控机床 l 功能功能微处理器的出现和广泛应用微处理器的出现和广泛应用,产生产生以微处理器为以微处理器为核心核心,将计算机技术与测量仪器相结合的仪器将计算机技术与测量仪器相结合的仪器.可根据被测参数的变化自动选可根据被测参数的变化自动选择合适的量程，进行自动校准、择合适的量程，进行自动校准、自动补偿、自动判断故障、优自动补偿、自动判断故障、优化控制等，具有一定的人类智化控制等，具有一定的人类智能作用。能作用。70年代年代 独立式智能仪器（简称称智能仪独立式智能仪器（简称称智能仪器）器）智能仪器：智能仪器：随着电子技术的飞速发展，仪器仪表的功能随着电子技术的飞速发展，仪器仪表的功能从测量个别参数扩展为测量整个系统的各种参数；从测量个别参数扩展为测量整个系统的各种参数；从使用单个仪器进行测量转变为用测量系统进行从使用单个仪器进行测量转变为用测量系统进行测量；从单纯的测量显示扩展为测量、分析、处测量；从单纯的测量显示扩展为测量、分析、处理、计算、控制与通讯。理、计算、控制与通讯。温湿度计温湿度计控制器控制器现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性大致划分为大致划分为6个大类：个大类：1）工业自动化仪表和控制系统）工业自动化仪表和控制系统2）科学仪器）科学仪器3）医疗仪器）医疗仪器4）电子与电工测量仪器）电子与电工测量仪器5）各类专用仪器仪表）各类专用仪器仪表6）传感器及仪器仪表元器件材料）传感器及仪器仪表元器件材料1.3 测控技术的测控技术的应用领域应用领域除了卫星测控等非常专业的领域外，日常生活除了卫星测控等非常专业的领域外，日常生活中较少听到中较少听到“测控测控”这个名词。更多听到的是这个这个名词。更多听到的是这个设备设备(工艺工艺)是是“自动化的自动化的”或或“自动控制的自动控制的”。上。上述功能的本质都是测控技术。述功能的本质都是测控技术。测控技术不仅应用于现代生产、科学研究、航测控技术不仅应用于现代生产、科学研究、航空航天，也越来越多地应用于现代生活中。空航天，也越来越多地应用于现代生活中。*家庭：全自动全自动照相机、洗衣机、电饭煲*建筑：自动自动门禁、自动自动监控系统*交通：自动控制自动控制红绿灯 *银行：自动自动取款机ATM化工控制使用的仪表种类繁多，温度测量使用的仪表化工控制使用的仪表种类繁多，温度测量使用的仪表有热电偶、热电阻等；流量测量使用的仪表有差压式流量计有热电偶、热电阻等；流量测量使用的仪表有差压式流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计和质量流量计等、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计和质量流量计等；液位测量使用的仪表有差压液位计、浮筒液位计、雷达液；液位测量使用的仪表有差压液位计、浮筒液位计、雷达液位计和超声波液位计等；还有许多与产品质量相关的物性如位计和超声波液位计等；还有许多与产品质量相关的物性如浓度、酸度、湿度、密度、浊度、热值以及各种混合气体组浓度、酸度、湿度、密度、浊度、热值以及各种混合气体组分等测量仪表。分等测量仪表。化工厂的控制室化工厂的控制室2.2.7 测控技术在航空航天业中的应用航空指的是在地球周围稠密大气层内的航行活航空指的是在地球周围稠密大气层内的航行活动；动；航空飞行器有气球、飞艇、飞机等。航空飞行器有气球、飞艇、飞机等。航空仪表航空仪表相当于飞机的耳目、大脑和神经系统，用来测量、相当于飞机的耳目、大脑和神经系统，用来测量、计算飞机的飞行参数、调整飞机的运动状态，对保计算飞机的飞行参数、调整飞机的运动状态，对保障飞机飞行安全、改善飞行性能起着重要作用。障飞机飞行安全、改善飞行性能起着重要作用。飞飞机机驾驾驶驶舱舱内内的的仪仪表表盘盘是是显显示示和和控控制制飞飞行行状状态态的的核核心心，航航空空仪仪表表测测量量的数据主要有：的数据主要有：（1）飞行高度和飞行速度的测量）飞行高度和飞行速度的测量（2）飞机状态和方向测量）飞机状态和方向测量（3）过载测量：）过载测量：（4）发动机状态参数测量：）发动机状态参数测量：（5）加速度测量：）加速度测量：空中客车空中客车A380飞机驾驶舱飞机驾驶舱为了保证火箭正常飞行和航天器在轨道上正常为了保证火箭正常飞行和航天器在轨道上正常工作，除了火箭和航天器上载有测控设备外，还必须工作，除了火箭和航天器上载有测控设备外，还必须在地面建立在地面建立测控测控(包括通信包括通信)系统系统，地面测控系统由分，地面测控系统由分布全球各地的测控站及测量船组成。布全球各地的测控站及测量船组成。西安卫星西安卫星测控中心测控中心中国于中国于2000年年10月开始发射月开始发射“北斗北斗”定位卫星，可提供高精度的定位卫星，可提供高精度的定位、测速和授时服务，中国计划定位、测速和授时服务，中国计划在在2015年形成覆盖全球的卫星导航年形成覆盖全球的卫星导航定位系统。定位系统。2005年我国成功发射载人飞船（神舟6号）1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功农业自动化意味着农业生产的电子化、仪表化农业自动化意味着农业生产的电子化、仪表化和计算机控制化，而不仅仅是机械化（如拖拉机、收和计算机控制化，而不仅仅是机械化（如拖拉机、收割机、插秧机等）和电气化（小水电站、电力灌溉等割机、插秧机等）和电气化（小水电站、电力灌溉等）。农业自动化主要包括耕耘、栽培、收割、运输、）。农业自动化主要包括耕耘、栽培、收割、运输、排灌、作物环境的自动控制和最优管理。排灌、作物环境的自动控制和最优管理。2.2.10 测控技术在农业中的应用植物自动嫁接机植物自动嫁接机智能温室控制系统智能温室控制系统最常见的家用电器如音响、电视机、热水器、空最常见的家用电器如音响、电视机、热水器、空调机、微波炉、电饭煲、洗衣机、冰箱、照相机等都调机、微波炉、电饭煲、洗衣机、冰箱、照相机等都含有测控技术的应用。含有测控技术的应用。2.2.11 测控技术在大众生活中的应用智能家居系统智能家居系统汽车防撞气囊采松果机器人挖树根机器人测控技术的发展面测控技术的发展面越来越宽阔越来越宽阔壁壁面面清清洗洗机机器器人人擦擦玻玻璃璃机机器器人人飞机清洗机器人汽车加油机器人家用清洁机器人高压输电线维修（遥操作）机器人医用机器人国产反恐机器人火星探测机器人足球机器人足球机器人拾球机器人拾球机器人1.3.4 1.3.4 测控技术的发展思考测控技术的发展思考从测控技术的发展历程可以看出，测控技术从测控技术的发展历程可以看出，测控技术伴随着社会生产力和科学技术的发展，反映了人伴随着社会生产力和科学技术的发展，反映了人类从机械化时代进入电气化时代，并且走向自动类从机械化时代进入电气化时代，并且走向自动化、信息化、智能化的时代历程。化、信息化、智能化的时代历程。传感器原理传感器原理电路、模电路、模拟电路拟电路单片机单片机微机原理微机原理PLC数字电路数字电路数字化测数字化测试试自动控制自动控制原理原理测控系统的典型功能模块1.传感器 传感器是任何非电测量系统的必须配置单元，也是最为重要的单元之一，实现信号的获取2.信号调理电路 主要包括接口适配、放大、整形、滤波、变换、隔离电路等。其目的是对信号进行加工，使之适合传输。3.AD电路 实现信息的数字化4.数字单元 一般由单片机、DSP、CPLD/FPGA、ARM等高性能的运算处理单元构成5.DA电路 沟通数字电路和模拟电路的桥梁6.执行器、控制反馈电路 完成对测量对象的控制7.通信接口电路 实现与其他设备的信息交换，常用的通信接口有串行通信、CAN总线、虚拟仪器总线技术及Internet。8.显示和操作面板 人机接口单元二、测控系统微机化的优点零点自动校正量程自动切换多点快速测控软件滤波与线性化可实现复杂数据处理和复杂控制规律多媒体功能通信或网络功能自我诊断功能三、测控系统的类型和组成1.检测系统：又称数据采集系统。传感器模拟输入通道微机模拟输出通道模拟显示器数据记录器报警器被测参数2.程序控制系统微机微机控制电路控制电路执行器执行器参数及动参数及动作次序作次序3.测控系统测控对象传感器执行器传感器执行器模拟量输入通道模拟量输出通道模拟量输入通道模拟量输出通道微型计算机通信接口人机接口操作员其他微机补充：智能仪器与虚拟仪器智能仪器和虚拟仪器的关系：智能仪器和虚拟仪器是测控系统针对不同的应用环境产生的两个发展方向智能仪器：主要应用于嵌入式系统虚拟仪器主要应用于检测领域，系统组成体积较大，计算机是其核心部件，根据不同的测试硬件实现不同的测试功能从本质上来说，虚拟仪器属于智能仪器的范畴 测控仪器的基本结构测控仪器的基本结构其结构可有两种基本类型其结构可有两种基本类型:微机内嵌式微机内嵌式微机扩展式微机扩展式将单片或多片的微将单片或多片的微处理器与传统仪器处理器与传统仪器有机地结合在一起有机地结合在一起形成的单机，形成的单机，其形其形态是仪器。态是仪器。以个人计算机以个人计算机(PC)(PC)为核心的为核心的应用扩展型测量仪器。个人应用扩展型测量仪器。个人计算机仪器计算机仪器(PCI)(PCI)或称微机或称微机卡式仪器卡式仪器。其形态可以是计算机。智能仪器是计算机技术和测控技术相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量仪器，拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能作用。智能仪器概念：智能仪器概念：智能仪器的分类智能仪器的分类智能仪器四个层次智能仪器四个层次 高级人工智能人工智能趋趋势势系统辨识、模式识别系统辨识、模式识别初级智能初级智能计算机、信号处理计算机、信号处理聪敏电子、传感、测量电子、传感、测量兼兼容容聪敏仪器类聪敏仪器类 初级智能仪器类初级智能仪器类 模型化智能仪器类模型化智能仪器类 高级智能仪器类高级智能仪器类 测量过程的软件控制：测量过程的软件控制：CPU CPU 软件控制测量过程软件控制测量过程 “以软代硬以软代硬”灵活性灵活性强、强、可靠性可靠性强强数据处理数据处理 ：数字滤波、随机误差、系统误差、非线性校准数字滤波、随机误差、系统误差、非线性校准等处理等处理改善测量的精确度改善测量的精确度 相关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率相关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率谱等信号分析谱等信号分析提供更多高质量的信息提供更多高质量的信息多功能化多功能化 ：一机多用一机多用(智能化电力需求分析仪智能化电力需求分析仪)智能仪器的特点智能仪器的特点 本章小结本章小结本章介绍了测控技术与仪器专业的基本概况本章介绍了测控技术与仪器专业的基本概况和测控技术的定义、特点及其发展历程，并通过和测控技术的定义、特点及其发展历程，并通过大量实例介绍了测控技术在各个领域中的应用。大量实例介绍了测控技术在各个领域中的应用。随着生产技术的发展需要，测控系统从最初随着生产技术的发展需要，测控系统从最初的控制单个机器、设备，到控制整个过程（如化的控制单个机器、设备，到控制整个过程（如化工过程、制药过程等）、控制整个系统（如交通工过程、制药过程等）、控制整个系统（如交通运输系统、通信系统等）。特别是在现代科技领运输系统、通信系统等）。特别是在现代科技领域的尖端技术中，都离不开测控技术的支持。域的尖端技术中，都离不开测控技术的支持。