測控系統(tǒng)通信與網(wǎng)絡課件

測控系統(tǒng)通信與網(wǎng)絡主講：武漢大學電子信息學院王泉德第一章緒論自動測量和控制系統(tǒng)(Computer

AutomatedMeasurement

And

ControlSystem)(簡稱測控系統(tǒng))是一門新興技術，它是自動化控制技術、計算機科學、微電子技術和通信技術有機結合、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)、導彈與衛(wèi)星的檢測及發(fā)射控制系統(tǒng)等，廣泛應用與航空/航天、核科學研究、工廠自動化、實驗室自動測量和控制、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領域。目前，計算機已經(jīng)大量進入各個工業(yè)部門，承擔著在生產(chǎn)過程的控制、監(jiān)督和管理等任務，計算機可以實現(xiàn)復雜的數(shù)學分析計算，以便對生產(chǎn)過程實行更有效的控制。以計算機為中心構建的測控系統(tǒng)也稱為計算機測控系統(tǒng)。在計算機測控系統(tǒng)中：操作人員可以通過顯示終端對生產(chǎn)過程進行監(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)過程進行監(jiān)督和操縱的任務；管理人員和工程師可以通過計算機測控系統(tǒng)獲取大量的有關生產(chǎn)裝置工作狀態(tài)的信息和分析計算的結果，以便及時作出正確的決策，使生產(chǎn)裝置更有效的發(fā)揮效能。

測控系統(tǒng)與具體的對象和領域聯(lián)系起來形成了不同的學科。測控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從人工監(jiān)測與控制、自動監(jiān)測與控制到復雜智能監(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)學等領域的各種儀器儀表、自動測試系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)等。

一、智能儀器和個人儀器把內(nèi)部裝有微計算機的儀器，或者把內(nèi)部裝有微計算機并可程控的儀器叫做智能儀器（IntelligentInstruments）,或稱為靈巧儀器（SmartInstruments）。在智能儀器中，微計算機的作用負責信號的處理、變換、計算、判斷、診斷、以及儀器測量過程的協(xié)調(diào)等。從嵌入式技術的角度來看，微計算機系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，儀器為宿主系統(tǒng)。隨著人工智能理論與技術的成熟，智能儀器正在向著具有知識的自學習、智能識別、智能判斷的高級智能儀器發(fā)展。1982年后，出現(xiàn)了另一類與微計算機緊密結合的儀器，即個人儀器（PersonalInstruments）或個人計算機儀器（PCInstruments）。這種儀器和智能儀器的不同之處在于它是將與信號檢測有關的硬件作成計算機標準部件并置于個人計算機內(nèi)。

1、智能儀器的基本構成智能儀器主要包括微型計算機系統(tǒng)、測試功能或信號發(fā)生器、通用接口母線三個部分：（1）儀器中的鍵盤控制、輸出顯示是微型計算機系統(tǒng)的組成部分，與微型計算機系統(tǒng)的接口類似。（2）微處理器是整個智能儀器的核心（3）各種信號的傳遞通過總線進行。信號測試模塊顯示輸出鍵盤控制微處理器GPIB接口微型計算機總線微型計算機系統(tǒng)被測信號GPIB總線2、個人儀器的基本構成（1）儀器插件直接插在個人計算機的總線擴展槽。該結構難于滿足重載儀器對散熱和電源的要求；（2）在PC總線擴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擴展總線為核心的多功能儀器系統(tǒng)，解決了電源要求，同時避開了個人計算機的噪聲干擾。軟件個人計算機個人儀器插件PC總線總擴線展槽（1）PC總線儀器插件1軟件個人計算機總線擴展槽儀器插件2儀器插件n通用接口電源GPIB總線擴展底板或外部插件箱…（2）（3）采用個人計算機和個人儀器互連的專用接口總線，如VXI、CAMAC、PXI總線等。

個人計算機擴展槽GPIB接口接口板專用接口個人儀器模塊電源軟件PC總線專用總線GPIB總線（3）隨著計算算機技術術的發(fā)展展，尤其其是數(shù)字字信號處處理技術術的進步步，實現(xiàn)現(xiàn)各種信信號處理理功能的的軟件算算法精度度越來越越高，速速度越來來越快。。在儀器的的信號處處理部分分，用軟軟件代替替硬件，，即：用用算法代代替電子子線路，，能夠實實現(xiàn)傳統(tǒng)統(tǒng)儀器的的信號處處理功能能；同時時，結果果表達與與儀器控控制原本本就是計計算機的的“長項項”。這樣，把把傳統(tǒng)儀儀器的后后兩部分分（信號號處理、、結果表表達與儀儀器控制制）用計計算機軟軟件來實實現(xiàn)，而而不再采采用硬件件（電子子線路））來實現(xiàn)現(xiàn)，基于于這種思思想形成成的儀器器，就叫叫虛擬儀器器。3、虛擬擬儀器所謂的虛擬儀器器，就是在以以通用計計算機為為核心的的硬件平平臺上，，由用戶戶設計定定義，虛虛擬面板板、測試試功能由由測試軟軟件實現(xiàn)現(xiàn)的一種種計算機機儀器系系統(tǒng)。““虛虛擬””有兩兩層含義義：（（1））虛擬擬的儀器器面板（2））由軟軟件實現(xiàn)現(xiàn)儀器的的測量功功能（軟軟件就是是儀器）隨著計算算機網(wǎng)絡絡技術的的高速發(fā)發(fā)展和應應用的普普及，基基于網(wǎng)絡絡技術的的虛擬儀儀器已成成為今天天儀器領領域發(fā)展展的一個個重要方方向。目前，對對網(wǎng)絡化化虛擬儀儀器還沒沒有一個個準確的的概念，，但普遍遍認為網(wǎng)網(wǎng)絡化虛虛擬儀器器應該包包含數(shù)據(jù)據(jù)采集、、數(shù)據(jù)分分析和數(shù)數(shù)據(jù)顯示示三部分分，并稱稱為：測量節(jié)點點、測量量分析服服務器和和測量瀏瀏覽器。4、網(wǎng)絡絡化虛擬擬儀器網(wǎng)絡化虛虛擬儀器器的基本本構成（1）遠距離測測量系統(tǒng)統(tǒng)：將一個個或多個個測量點點的測量量數(shù)據(jù)通通過網(wǎng)絡絡傳輸?shù)降揭慌_計計算機節(jié)節(jié)點進行行處理的的系統(tǒng)。。此時，，待測點點一般遠遠離本地地計算機機主機系系統(tǒng)。（2）測量數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)布系系統(tǒng)：由本地測測量節(jié)點點完成測測試任務務，再將將測量的的結果通通過網(wǎng)絡絡發(fā)布到到一臺或或多臺遠遠程PC節(jié)點的的系統(tǒng)。。非智能節(jié)節(jié)點遠程測量量節(jié)點智能儀器器GPIBEthernetEthernetEthernetEthernet/GPIB本地PC機（1）遠遠距離測測量系統(tǒng)統(tǒng)本地測量量節(jié)點遠程PC節(jié)點EthernetEthernetEthernet（2）測測量數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)布系系統(tǒng)（3）將將（1））和（2）融合合，每個個PC節(jié)節(jié)點從多多個測量量節(jié)點獲獲取測量量數(shù)據(jù)，，并將測測量數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)布給給其他PC節(jié)點點，形成成一個共共享測量量資源與與數(shù)據(jù)的的網(wǎng)絡。。EthernetPC節(jié)點點PC節(jié)點點PC節(jié)點點測量節(jié)點點測量節(jié)點點（3）企企業(yè)級測測量系統(tǒng)統(tǒng)（4）網(wǎng)網(wǎng)絡化虛虛擬儀器器與INTERNET結合的的典型結結構各種現(xiàn)場被測設備及I/O節(jié)點本地PC機本地PC機實時監(jiān)控計算機用戶WEB服務器FTP服務器EMAIL服務器播放器其他服務器GPIB轉換器其他接口現(xiàn)場節(jié)點測試網(wǎng)絡信息網(wǎng)絡INTERNET二、自動動測試系系統(tǒng)（ATS））通常把在在較少人人工參與與下就能能自動進進行測量量、數(shù)據(jù)據(jù)處理并并以適當當方式顯顯示或輸輸出測試試結果的的系統(tǒng)稱稱為自動測試試系統(tǒng)（AutomaticTestSystem）。。把各種可可程控儀儀器、計計算機及及其支援援設備以以特定接接口相連連并裝備備面向測測試的軟軟件就構構成了自自動測試試系統(tǒng)。。因此，，開放、、標準的的控制接接口是構構建自動動測試系系統(tǒng)的基基礎；同同時自動動測試系系統(tǒng)的應應用需求求，極大大地促進進了儀器器智能接接口和總總線技術術的發(fā)展展。自動測試試系統(tǒng)具具有速度快、實時性好好、數(shù)據(jù)量大大、功能全可進行產(chǎn)產(chǎn)品參數(shù)數(shù)測試等等優(yōu)點。。因此，，對提高高生產(chǎn)效效率、減減輕工作作強度和和提高產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量量實現(xiàn)生生產(chǎn)系統(tǒng)統(tǒng)的自動動化有重重大的現(xiàn)現(xiàn)實意義義。自動測試試系統(tǒng)的的

基本本構成自動測試試系統(tǒng)經(jīng)經(jīng)歷了最最初采用用單一GPIB總線，，到采用用GPIB和VXI混混合總線線，未來來將采用用cPCI、PXI和和LXI總線等等。與傳統(tǒng)單臺儀儀器相比，自自動測試系統(tǒng)統(tǒng)充分發(fā)揮計計算機優(yōu)勢、、能將多臺儀儀器有機地結結合起來發(fā)揮揮群體優(yōu)勢，，是解決大數(shù)數(shù)量、多參數(shù)數(shù)、高精度、、高速度這些些相互間不無無矛盾的測量量要求的重要要手段，非常常適合復雜測測試對象或生生產(chǎn)線快速測測量要求的場場合，如：大大型復雜電子子裝備集成聯(lián)聯(lián)試和維修保保障，電子元元器件或射頻頻微波模塊批批量生產(chǎn)線等。。三、過程控制制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)統(tǒng)主要用于生產(chǎn)過程控制制、武器的導航與與制導等，強調(diào)監(jiān)測測的目的是自動控制。在工業(yè)應用領領域，過程控控制系統(tǒng)經(jīng)歷歷了從PLC控制系統(tǒng)、、單/多回路路自動控制系系統(tǒng)、計算機機測控系統(tǒng)、、過程控制系系統(tǒng)（PCS）、集散型型控制系統(tǒng)（（DCS）到到全集成控制制自動化系統(tǒng)統(tǒng)（TIA））1、過程控制制系統(tǒng)的基本本構成操作站和上位位機：主要完成測控控系統(tǒng)的管理理、調(diào)度和靜靜態(tài)優(yōu)化處理理任務，并協(xié)協(xié)調(diào)指揮各監(jiān)監(jiān)控站的工作作，亦即完成成“集中操作作、綜合協(xié)調(diào)調(diào)”的功能，，同時也完成成“分級管理理”的功能。。CRT操作作站有系統(tǒng)組組態(tài)工作臺、、運行操作工工作臺、CRT顯示器、、打印機和軟軟硬盤通信接接口等。上位位計算機一般般是小型計算算機、超小型型計算機或高高性能微型計計算機。上位機擴展接口操作站高速數(shù)據(jù)通道監(jiān)控站通信接口工業(yè)對象通信接口通信接口通信接口監(jiān)控站高速數(shù)據(jù)通道道：是具有高速通通信能力的總總線，負責各各監(jiān)控站之間間以及各監(jiān)控控站與上位計計算機、外部部系統(tǒng)之間的的數(shù)據(jù)傳輸，，是現(xiàn)代計算算機測控系統(tǒng)統(tǒng)的支柱。該該總線一般采采用局域網(wǎng)絡絡，使用通用用或專用通信信協(xié)議。通信接口：配合高速數(shù)據(jù)據(jù)通道完成各各監(jiān)控站之間間通信的基本本部件。它的的結構和監(jiān)控控站的功能有有關，主要包包括移位寄存存器、地址譯譯碼寄存器、、驅動器和收收發(fā)電路等。。依通信規(guī)則則，有的計算算機測控系統(tǒng)統(tǒng)設有通信指指揮器或通信信控制站。監(jiān)控站：除上位計算機機外，其他通通過通信接口口掛在高速數(shù)數(shù)據(jù)通道上的的裝置都稱為為監(jiān)控站。功功能不同，站站的具體構成成也不同，賦賦予不同的名名稱。每個站站都以微處理理器為核心，，是一個高度度依賴計算機機技術的智能能裝置。除上面的硬件件系統(tǒng)外，計計算機測控系系統(tǒng)還有非常常豐富的軟件件系統(tǒng)，包括括操作系統(tǒng)、網(wǎng)網(wǎng)絡通信系統(tǒng)統(tǒng)、組態(tài)軟件件、數(shù)據(jù)采集集軟件、控制制算法軟件、、診斷軟件、、報警程序等等。2、過程控制制系統(tǒng)舉例空分過程控制制系統(tǒng)：自空壓機來的的壓縮空氣，，經(jīng)分子篩除除去水份、二二氧化碳、碳碳氫化合物等等雜質(zhì)后，一一部分空氣被被直接送往精精餾塔的上塔塔，另一部分分則進入膨脹脹機經(jīng)膨脹制制冷后，被送送往下塔。精精餾塔中，上上升蒸汽和下下落液體經(jīng)熱熱量交換后，，在上塔的頂頂部可得到純純度很高的氮氮氣，在上塔塔底部可得到到純度很高的的氧氣。四、測控系統(tǒng)統(tǒng)的典型應用用無論是智能儀儀器、個人儀儀器、虛擬儀儀器、自動測測試系統(tǒng)，還還是過程控制制系統(tǒng)，都需需要以通信系系統(tǒng)為核心來來構建。本課程所討論論的通信與網(wǎng)網(wǎng)絡技術就是是指應用于測測控系統(tǒng)的通通信與網(wǎng)絡技技術。在航空和航天天領域中，測測控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)代替了大量量的測試儀器器，擔負著實實驗室、導彈彈總裝廠和發(fā)發(fā)射場的各種種測試及發(fā)射射控制任務，，使得測試和和發(fā)射準備時時間大大縮短短，操作人員員和特種車輛輛大量減少。。發(fā)射場的指指揮員在控制制室或指揮車車里就可以觀觀察到導彈或衛(wèi)星各系系統(tǒng)的工作情情況和各種參數(shù)數(shù)，以便作出出正確判斷，對對發(fā)射過程進進行有效的控制制。飛船和運載火火箭每次任務都要研制制，而測控系系統(tǒng)長期使用（（10-15年）西安衛(wèi)星測控控中心1、測控系統(tǒng)統(tǒng)在航空航天天領域的應用用航天測控系統(tǒng)統(tǒng)中的測控通信系統(tǒng)統(tǒng)是載人航天工工程七大系統(tǒng)統(tǒng)之一，也也是其中最不不容易被人注注意到的部分分。然而，作作為這個系統(tǒng)統(tǒng)代表的航天天測控網(wǎng)，卻卻始終貫穿每每次載人航天天飛行任務的的全過程。我國航天測控控網(wǎng)采用Ｓ波段（（2-4GHz）測控體體制，由陸基基測控站、海海上測量船以以及車載測控控站和北京、、西安、酒泉泉三大中心共共同組成的遍遍布全國及可可航行于三大大洋的龐大航航天測控網(wǎng)。。美國載人航天天測控網(wǎng)具有跟蹤、遙遙測、遙控功功能，后增加加了通信和電電視，支持了了水星、雙子子星和阿波羅羅計劃。水星星計劃時包括括１６個測控控站，９個設設在國外，其其中包括兩艘艘遠洋測量船船，跟蹤使用用Ｃ和Ｓ頻段段雷達。雙子子星座網(wǎng)計劃劃時測控站增增加到２１個個，并將飛行行計算中心和和控制中心合合并建立休斯斯敦載人航天天指控中心。。阿波羅網(wǎng)的的變化主要是是采用ＵＳＢＢ站，全球建建立了近２００個測控站。。在跟蹤與數(shù)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星系統(tǒng)投入使使用后，美國國關閉了大部部分地面站。。俄羅斯載人航航天測控網(wǎng)包括加里寧格格勒飛行控制制中心和加里里茨恩飛行控控制中心，通通信方面采用用衛(wèi)星通信和和中繼衛(wèi)星系系統(tǒng)，包括上上升段發(fā)射場場和航區(qū)的多多個測控站，，運行段使用用了沿國土均均勻分布的７７個測控站。。站內(nèi)設備有有多能測控設設備、遙測設設備、雷達、、通信設備、、衛(wèi)通、中繼繼衛(wèi)星終端、、計算機和標標校設備等，，具有測軌、、遙測、遙控控、通信和電電視傳輸?shù)裙δ堋：髞?，，俄羅斯在二二十世紀七八八十年代相繼繼建造了11艘測量船。2、、測測控控系系統(tǒng)統(tǒng)在在工工業(yè)業(yè)上上的的應應用用（1））配電電綜綜合合測測控控系系統(tǒng)統(tǒng)遙測測功功能能電能能計計量量功功能能統(tǒng)計計功功能能遙信信功功能能遙控控功功能能低壓壓智智能能無無功功補補償償功功能能遠程程通通訊訊功功能能（2））機器器人人測測控控系系統(tǒng)統(tǒng)具有有無無線線監(jiān)監(jiān)控控端端具有有遙遙控控功功能能軌跡跡規(guī)規(guī)劃劃控制制參參數(shù)數(shù)調(diào)調(diào)整整3、、民民用用測測控控系系統(tǒng)統(tǒng)基于于以以太太網(wǎng)網(wǎng)的的智智能能社社區(qū)區(qū)、、智智能能建建筑筑的的民民用用智智能能測測控控系系統(tǒng)統(tǒng)以TCP/IP網(wǎng)網(wǎng)絡絡為為中中心心，，將將各各子子系系統(tǒng)統(tǒng)有有機機的的集集成成為為一一體體4、、ABB公公司司的的INFI-90開開放放集集散散控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)開放放系系統(tǒng)統(tǒng)管管理理財務務管管理理人力力資資源源管管理理物資資管管理理經(jīng)營營管管理理產(chǎn)品品報報告告配置置管管理理調(diào)節(jié)節(jié)計計算算試驗驗管管理理維修修管管理理產(chǎn)品品跟跟蹤蹤基于于小小型型機機的的信信號號服服務務基于于PC的的信信號號服服務務工程程師師工工作作站站INFI-90仿真真計計算算過程程控控制制單單元元過程程仿仿真真單單元元仿真模模件網(wǎng)絡交交換機機局域網(wǎng)網(wǎng)交換換機局域網(wǎng)網(wǎng)INFI-90生產(chǎn)產(chǎn)控制制系統(tǒng)統(tǒng)的通通信包包含多多個層層次：：局域網(wǎng)網(wǎng)為公公司內(nèi)內(nèi)部部部門間間通信信；雙環(huán)總總線為為實時時監(jiān)控控提供供服務務；模板總總線是是過程程控制制單元元內(nèi)的的系統(tǒng)統(tǒng)總線線，為為插件件槽上上的多多個主主模件件或其其他模模件提提供通通信服服務。。主模件件上的的各個個子模模件通通過子子擴展展總線線進行行通信信。通信模模板主模板板TU/TM子模件件高速數(shù)數(shù)據(jù)通通道（（INFI-NETORPLANTLOOP）模板總總線其他模模板其他模模擬子子模板板模擬輸輸入子擴展展總線線五、測測控系系統(tǒng)通通信的的基本本內(nèi)容容1、測測控系系統(tǒng)涉涉及的的通信信方式式：（1））總線線：連連接多多個集集成片片或器器部件件，并并完成成它們們之間間的信信息流流動（2））現(xiàn)場場總線線：現(xiàn)現(xiàn)場總總線是是指連連接智智能現(xiàn)現(xiàn)場設設備和和自動動化系系統(tǒng)的的數(shù)字字式、、雙向向傳輸輸、多多分支支結構構的通通信網(wǎng)網(wǎng)絡。?，F(xiàn)場場總線線廣泛泛應用用于過過程控控制與與測試試儀表表，與與控制制系統(tǒng)統(tǒng)、現(xiàn)現(xiàn)場儀儀表共共同組組成現(xiàn)現(xiàn)場總總線控控制系系統(tǒng)。。（3））工業(yè)業(yè)控制制局域域網(wǎng)和和無線線通信信網(wǎng)：：集散散控制制系統(tǒng)統(tǒng)，特特別是是大中中型集集散系系統(tǒng)，，通常常由工工業(yè)控控制局局域網(wǎng)網(wǎng)或無無線通通信網(wǎng)網(wǎng)完成成遠距距離的的通信信任務務，實實現(xiàn)計計算機機之間間、計計算機機與各各控制制單元元之間間的通通信。。2、測測控系系統(tǒng)通通信研研究的的內(nèi)容容：(1)傳傳輸：：討論論如何何為數(shù)數(shù)據(jù)提提供傳傳輸通通路，，研究究適合合傳輸輸?shù)碾婋娦盘柼栃问绞?，以以及構構成傳傳輸媒媒體和和電信信號控控制的的各種種傳輸輸設備備。(2)通通信接接口：：解決決怎樣樣把發(fā)發(fā)送端