1.-測(cè)控總線概論課件

1、測(cè)控系統(tǒng)與儀器通信,第一章 概論,1,1.1 測(cè)控系統(tǒng)的概念,自動(dòng)測(cè)量和控制系統(tǒng)(ComputerAutomated MeasurementAndControl System) (簡(jiǎn)稱測(cè)控系統(tǒng))是一門新興技術(shù)，它是自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子技術(shù)和通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合、綜合發(fā)展的產(chǎn)物。 測(cè)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈與衛(wèi)星的檢測(cè)及發(fā)射控制系統(tǒng)等，廣泛應(yīng)用與航空/航天、核科學(xué)研究、工廠自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)測(cè)量和控制、以及辦公自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。,2,目前，計(jì)算機(jī)已經(jīng)大量進(jìn)入各個(gè)工業(yè)部門，承擔(dān)著在生產(chǎn)過(guò)

2、程的控制、監(jiān)督和管理等任務(wù)，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析計(jì)算，以便對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)行更有效的控制。 以計(jì)算機(jī)為中心構(gòu)建的測(cè)控系統(tǒng)也稱為計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。,3,操作人員可以通過(guò)顯示終端對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)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(guān)和按紐，控制室已變的越來(lái)越小，只需很少人就能完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督和操縱的任務(wù)；,管理人員和工程師 可以通過(guò)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)獲取大量的有關(guān)生產(chǎn)裝置工作狀態(tài)的信息和分析計(jì)算的結(jié)果，以便及時(shí)作出正確的決策，使生產(chǎn)裝置更有效的發(fā)揮效能。,在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中：,4,測(cè)控系統(tǒng)與具體的對(duì)象和領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái)形成了不同的學(xué)科。 測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從人工監(jiān)測(cè)與控制、

3、自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制到復(fù)雜智能監(jiān)測(cè)與控制的演變歷程。 本教材所指的測(cè)控系統(tǒng)主要指用于工業(yè)、國(guó)防、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的各種儀器儀表、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)等。,5,1.2 過(guò)程控制系統(tǒng),過(guò)程控制系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)過(guò)程控制、武器的導(dǎo)航與制導(dǎo)等，強(qiáng)調(diào)監(jiān)測(cè)的目的是自動(dòng)控制。 在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，過(guò)程控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從PLC控制系統(tǒng)、單/多回路自動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）、集散型控制系統(tǒng)（DCS）到全集成控制自動(dòng)化系統(tǒng)（TIA）,6,過(guò)程控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成,操作站和上位機(jī)：主要完成測(cè)控系統(tǒng)的管理、調(diào)度和靜態(tài)優(yōu)化處理任務(wù)，并協(xié)調(diào)指揮各監(jiān)控站的工作，亦即完成“集中操作、綜合協(xié)調(diào)”

4、的功能，同時(shí)也完成“分級(jí)管理”的功能。CRT操作站有系統(tǒng)組態(tài)工作臺(tái)、運(yùn)行操作工作臺(tái)、CRT顯示器、打印機(jī)和軟硬盤通信接口等。上位計(jì)算機(jī)一般是小型計(jì)算機(jī)、超小型計(jì)算機(jī)或高性能微型計(jì)算機(jī)。 高速數(shù)據(jù)通道：是具有高速通信能力的總線，負(fù)責(zé)各監(jiān)控站之間以及各監(jiān)控站與上位計(jì)算機(jī)、外部系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的支柱。該總線一般采用局域網(wǎng)絡(luò)，使用通用或?qū)Ｓ猛ㄐ艆f(xié)議。,7,通信接口：配合高速數(shù)據(jù)通道完成各監(jiān)控站之間通信的基本部件。它的結(jié)構(gòu)和監(jiān)控站的功能有關(guān)，主要包括移位寄存器、地址譯碼寄存器、驅(qū)動(dòng)器和收發(fā)電路等。依通信規(guī)則，有的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)有通信指揮器或通信控制站。 監(jiān)控站：除上位計(jì)算機(jī)外，

5、其他通過(guò)通信接口掛在高速數(shù)據(jù)通道上的裝置都稱為監(jiān)控站。功能不同，站的具體構(gòu)成也不同，賦予不同的名稱。每個(gè)站都以微處理器為核心，是一個(gè)高度依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能裝置。 除上面的硬件系統(tǒng)外，計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)還有非常豐富的軟件系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、控制算法軟件、診斷軟件、報(bào)警程序等等。,8,測(cè)控系統(tǒng)舉例,9,10,（一） 儀器儀表 作用： 任何測(cè)量與控制系統(tǒng)都包含有一定的檢測(cè)技術(shù)及相應(yīng)的儀表單元，儀表單元是測(cè)量與控制的重要基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量與控制的手段和條件。 發(fā)展： 從采用的電子器件分為:電子管、晶體管、集成電路。 從組成結(jié)構(gòu)、工作原理及功能特點(diǎn)：模擬儀表、數(shù)字儀

6、器、智能儀器，個(gè)人儀器、虛擬儀器,1.3 儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),11,1 模擬儀器,18世紀(jì)末-20世紀(jì)初 基于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的物理定律的模擬式儀表 電壓表、電流表、功率表，壓力表，測(cè)溫儀，電橋，電位差計(jì)，磁電式 20世紀(jì)初-50年代 電子管、離子管出現(xiàn) 記錄儀，電子示波器，信號(hào)發(fā)生器,12,2 數(shù)字式儀器,20世紀(jì)50-60年代 晶體管出現(xiàn) 出現(xiàn)以電子管或晶體管電子電路為基礎(chǔ)的第二代測(cè)試儀器-分立元件儀器 數(shù)字電壓表，電流表，頻率計(jì)，記憶示波器等 模擬信號(hào)-數(shù)字信號(hào)的測(cè)量，數(shù)字方式輸出結(jié)果 用于快速相應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測(cè)量 特點(diǎn)：精度高，響應(yīng)快，讀數(shù)清晰，直觀，測(cè)量結(jié)果可打印輸出，便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?

7、13,3 智能儀器,20世紀(jì)70年代以來(lái)，微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。 智能儀器是在數(shù)字化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 在數(shù)字式儀器中置入微處理器，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器儀表緊密結(jié)合，使儀器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理（運(yùn)算），邏輯判斷，自動(dòng)選程，自動(dòng)補(bǔ)償，儀器自檢等功能，從而部分取代人腦的工作，稱為智能儀器或靈巧儀器。 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)調(diào)零，自動(dòng)調(diào)整觸發(fā)電平，自動(dòng)校準(zhǔn)，自診斷等“智能化”功能。 一般帶有RS-232或GPIB接口。,14,智能儀器的基本構(gòu)成,15,4 個(gè)人儀器,也稱PC儀器或卡式儀器，在智能儀器的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型微機(jī)化儀器，是個(gè)人計(jì)算機(jī)與電子儀器相結(jié)

8、合的產(chǎn)品。 基本構(gòu)想是：將原來(lái)智能儀器中測(cè)量部分的硬件電路以附加插件或模板的形式插入到PC的總線插槽或擴(kuò)展機(jī)箱中；將原智能儀器中的控制、存儲(chǔ)、顯示和操作運(yùn)算等軟件任務(wù)交給PC機(jī)完成。 充分利用PC的軟件和硬件資源 降低成本，方便使用，提高可靠性,16,1）、個(gè)人儀器的基本構(gòu)成 形式,（1）基于PC機(jī)內(nèi)總線的內(nèi)插式個(gè)人儀器及系統(tǒng) 儀器插件直接插在個(gè)人計(jì)算機(jī)的總線擴(kuò)展槽。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低 缺點(diǎn)：PC機(jī)擴(kuò)展槽數(shù)目有限 機(jī)箱內(nèi)干擾嚴(yán)重 該結(jié)構(gòu)難于滿足重載儀器對(duì)散熱和電源的要求； 不能實(shí)現(xiàn)儀器間的直接通信,17,（2）基于獨(dú)立儀器總線的模塊式個(gè)人儀器及系統(tǒng) 美國(guó)HP公司，1986年推出HP6000系列

9、模塊式PC儀器系統(tǒng) 在PC總線擴(kuò)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(kuò)展總線為核心的多功能儀器系統(tǒng)，解決了電源要求，同時(shí)避開了個(gè)人計(jì)算機(jī)的噪聲干擾。 開發(fā)了儀器總線PC-IB， 基于PC-IB的數(shù)字表，計(jì)數(shù)器，發(fā)生器等 通過(guò)PC-IB總線實(shí)現(xiàn)PC與外部?jī)x器組件的連接。,18,（3）基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)總線的儀器系統(tǒng) 沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，影響個(gè)人儀器發(fā)展 1987年，VXI總線出現(xiàn) 采用個(gè)人計(jì)算機(jī)和個(gè)人儀器互連的專用接口總線，如VXI、CAMAC、PXI總線等。 特點(diǎn)： 采用專用接口總線，實(shí)現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)和個(gè)人儀器的連接。VXI,CAMAC,PXI等。

10、,19,5、虛擬儀器,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)處理功能的軟件算法精度越來(lái)越高，速度越來(lái)越快。 在儀器的信號(hào)處理部分，用軟件代替硬件，即：用算法代替電子線路，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器的信號(hào)處理功能；同時(shí)，結(jié)果表達(dá)與儀器控制原本就是計(jì)算機(jī)的“長(zhǎng)項(xiàng)”。 這樣，把傳統(tǒng)儀器的后兩部分（信號(hào)處理、結(jié)果表達(dá)與儀器控制）用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不再采用硬件（電子線路）來(lái)實(shí)現(xiàn)，基于這種思想形成的儀器，就叫虛擬儀器。,20,所謂的虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，虛擬面板、測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 “ 虛擬 ” 有兩層含義：（ 1 ）

11、虛擬的儀器面板 （ 2 ）由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能（軟件就是儀器）,軟件就是儀器，是虛擬儀器概念最簡(jiǎn)單也是最本質(zhì)的表述。,21,6、網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用的普及，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的虛擬儀器已成為今天儀器領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。 目前，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的概念，但普遍認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器應(yīng)該包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示三部分，并稱為：測(cè)量節(jié)點(diǎn)、測(cè)量分析服務(wù)器和測(cè)量瀏覽器。,22,網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的基本構(gòu)成,（1）遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)：將一個(gè)或多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭慌_(tái)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理的系統(tǒng)。此時(shí)，待測(cè)點(diǎn)一般遠(yuǎn)離本地計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)。,23,（2）測(cè)量數(shù)據(jù)

12、發(fā)布系統(tǒng)：由本地測(cè)量節(jié)點(diǎn)完成測(cè)試任務(wù)，再將測(cè)量的結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到一臺(tái)或多臺(tái)遠(yuǎn)程PC節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)。,24,（3）企業(yè)級(jí)測(cè)量系統(tǒng)： 將（1）和（2）融合，每個(gè)PC節(jié)點(diǎn)從多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)布給其他PC節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)共享測(cè)量資源與數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。,25,（4）網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器與INTERNET結(jié)合的典型結(jié)構(gòu),26,6、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ATS）,通常把在較少人工參與下就能自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)處理并以適當(dāng)方式顯示或輸出測(cè)試結(jié)果的系統(tǒng)稱為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（Automatic Test System） 。 把各種可程控儀器、計(jì)算機(jī)及其支援設(shè)備以特定接口相連并裝備面向測(cè)試的軟件就構(gòu)成了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。因此

13、，開放、標(biāo)準(zhǔn)的控制接口是構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)；同時(shí)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用需求，極大地促進(jìn)了儀器智能接口和總線技術(shù)的發(fā)展。 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有速度快、實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)量大、功能全可進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)提高生產(chǎn)效率、減輕工作強(qiáng)度和提高產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化有重大的現(xiàn)實(shí)意義。,27,自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展,1 專用式-第一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 針對(duì)具體測(cè)試任務(wù)而研制的專用系統(tǒng) 主要用于：重復(fù)工作量大的測(cè)試、高可靠性的復(fù)雜測(cè)試、提高測(cè)試速度、測(cè)試人員難以進(jìn)入的惡劣環(huán)境 特點(diǎn)：將一些儀器儀表通過(guò)改造互連起來(lái)，并與計(jì)算機(jī)相連接。 主要研究問(wèn)題：儀器與儀器之間，儀器與計(jì)算機(jī)之間的接口問(wèn)題。 缺點(diǎn)：接口與標(biāo)

14、準(zhǔn)化方面。針對(duì)特定的被測(cè)對(duì)象，適應(yīng)性不強(qiáng)，接口不具備通用性。互換性、通用性，互換性差等。,28,2 積木式第二代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),在標(biāo)準(zhǔn)的接口總線（GPIB）的基礎(chǔ)上，以積木方式組建系統(tǒng)。 各個(gè)設(shè)備，計(jì)算機(jī)、可程控儀器，可程控開關(guān)等均為臺(tái)式設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備都配有符合接口標(biāo)準(zhǔn)的接口電路。 不需要用戶自己設(shè)計(jì)接口電路 系統(tǒng)更改、增減測(cè)試內(nèi)容靈活，設(shè)備資源復(fù)用性好。 普遍采用通用接口總線GPIB， GPIB的出現(xiàn)，使得電子測(cè)量由獨(dú)立的、傳統(tǒng)的單臺(tái)儀器向自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方向發(fā)展。 缺點(diǎn)：總線的傳輸速率不高（1MB/s）； 缺點(diǎn)：由于機(jī)箱，電源，顯示面板，控制開關(guān)，體積和重量不能減少。限制了某些應(yīng)用場(chǎng)合。,29

15、,3 模塊式 第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),基于VXI、PXI儀表總線，主要由模塊化的儀器/設(shè)備組成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐量大，體積小，重量輕，系統(tǒng)組建靈活，擴(kuò)展容易，資源復(fù)用性好，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。 是當(dāng)前先進(jìn)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 是軍用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的主流組建方案。 軟件工具：labview，lab windows/cvi，VEE 硬件標(biāo)準(zhǔn)：總線規(guī)范。,30,一個(gè)VXI模塊式儀器系統(tǒng)示意圖,31,虛擬儀器基本要素示意圖,VXIbus、GPIB 接口驅(qū)動(dòng)軟件,儀器驅(qū)動(dòng)器,虛擬儀器基本要素示意圖,32,自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的基本構(gòu)成,自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)歷了最初采用單一GPIB總線，到采用GPIB和VXI混合

16、總線，未來(lái)將采用cPCI、PXI和LXI總線等。 與傳統(tǒng)單臺(tái)儀器相比，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)、能將多臺(tái)儀器有機(jī)地結(jié)合起來(lái)發(fā)揮群體優(yōu)勢(shì)，是解決大數(shù)量、多參數(shù)、高精度、高速度這些相互間不無(wú)矛盾的測(cè)量要求的重要手段，非常適合復(fù)雜測(cè)試對(duì)象或生產(chǎn)線快速測(cè)量要求的場(chǎng)合，如：大型復(fù)雜電子裝備集成聯(lián)試和維修保障，電子元器件或射頻微波模塊批量生產(chǎn)線等。,33,1.4 測(cè)控系統(tǒng)通信與網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,無(wú)論是智能儀器、個(gè)人儀器、虛擬儀器、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，還是過(guò)程控制系統(tǒng)，都需要以通信系統(tǒng)為核心來(lái)構(gòu)建。 本課程所討論的通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是指應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)的通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。,34,1、測(cè)控系統(tǒng)涉及的通信方式： （1）總線

17、：連接多個(gè)集成片或器部件，并完成它們之間的信息流動(dòng) 。片內(nèi)總線，片間總線，內(nèi)總線，系統(tǒng)總線，標(biāo)準(zhǔn)總線 （2）現(xiàn)場(chǎng)總線：現(xiàn)場(chǎng)總線是指連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制與測(cè)試儀表，與控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)儀表共同組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。 （3）工業(yè)控制局域網(wǎng)和無(wú)線通信網(wǎng)：集散控制系統(tǒng)，特別是大中型集散系統(tǒng)，通常由工業(yè)控制局域網(wǎng)或無(wú)線通信網(wǎng)來(lái)完成遠(yuǎn)距離的通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與各控制單元之間的通信。 （4）儀器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總線。,35,神州7號(hào)成功發(fā)射,36,遠(yuǎn)望號(hào)艦艇,37,基于CAN總線的整車管理系統(tǒng),38,1.5 測(cè)控系統(tǒng)通信的基本內(nèi)容,測(cè)控系統(tǒng)通信研究的內(nèi)容： 1傳輸：討論如何為數(shù)據(jù)提供傳輸通路，研究適合傳輸?shù)碾娦盘?hào)形式，以及構(gòu)成傳輸媒體和電信號(hào)控制的各種傳輸設(shè)備。 2通信接口：解決怎樣把發(fā)送端的信號(hào)變換成適合傳輸?shù)男盘?hào)，或者把接收到的電信號(hào)變換為終端設(shè)備可接收的信號(hào)。 3通信處理：測(cè)控系統(tǒng)通信最復(fù)雜的部分，基本功能包括： (1) 編輯：包括差錯(cuò)控制、格式化處理等。涉及到傳輸數(shù)據(jù)前后對(duì)數(shù)據(jù)的安排和監(jiān)控，以便進(jìn)行有效的傳輸； (2) 轉(zhuǎn)換：包括速度