数据采集系统——计算机测控系统
测控系统概念
第一章1.1测控系统的概念测控系统是现代检测技术与现代控制技术发展的必然和现实的需要，是以检测为基础，以传输途径，以处理为手段，以控制为目的的闭环系统。
测控系统的基本构成由四个部分构成：传感检测部分：感知信息（传感技术、检测技术）信息处理部分：处理信息（人工智能、模式识别）信息传输部分：传输信息（有线、无线通信及网络技术）信息控制部分：控制信息（现代控制技术）1.3测控系统的基本特点❖设备软件化：简化硬件、缩小体积、降低功耗、提高可靠性。
❖过程智能化：以计算技术和人工智能为核心。
❖高度灵活性：实现组态化、标准化、分布式。
❖高度实时性：采集、传输、处理、控制高速化。
❖高度可视性：图形编程、三维技术、虚拟现实。
❖测控一体化：测量、控制、管理。
二、测控系统的分类和组成（ppt图10页）1.检测系统又称数据采集系统。
以通用计算或嵌入式计算系统为核心，单纯实现系统信号的检测、处理、记录和显示为目的的系统。
2.控制系统以通用计算机或嵌入式计算系统为核心，单纯以实现控制为目的的系统。
3. 测控系统以通用计算机或嵌入式计算机系统为核心，以实现检测、传输、处理和控制为目的的系统4. 局域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在局部区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统5. 广域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在大范区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统四、测控技术的发展方向◆微型化：向微机电系统方向发展◆网络化：向无线网、自组织网、物联网、泛在网方向发展◆智能化：向人工智能化方向发展◆虚拟化：向虚拟现实方向发展测控系统的网络化（1）有线测控网络工业总线、局域网络、广域网（2）无线测控网络ADhoc自组织网络、传感网（3）混合测控网络物联网、泛在网第二章MEMS器件的封装要求(1)封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路(接口)；(2)封装给传感器带来的应力要尽可能的小；(3)封装与封装材料不应对应用环境造成不良影响；(4)封装应保护传感器及其电子器件免遭不利环境的影响；(5)封装必须提供与外界的通道。
数据采集卡及基于板卡的测控系统
还有其它一些专用I/O板卡，如智能接口卡、虚拟存储板 （电子盘）、信号调理板、专用（接线）端子板等，这些种 类齐全、性能良好的I/O板卡与IPC配合使用，使系统的构成 十分容易。
PCI-5121智能CAN接口卡
常用的数据采集卡
1．模拟量输入卡（A/D卡）
在工业测控系统中，输入信号往往是模拟量，这就需要一个装置把 模拟量转换成数字量，各种A/D芯片就是用来完成此类转换的。在实际 的计算机测控系统中，不是以A/D芯片为基本单元，而是制成商品化的 A/D板卡。
大部分数据采集应用实例都使用了驱动软件。软 件层中的驱动软件可以直接对数据采集件的寄存器 编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中 断，DMA和内存这样的计算机资源结合在一起。驱 动软件隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提 供容易理解的接口。
系统特点
基于PC的DAQ系统（简称PCs）的基本特点 是，输入输出装置为板卡的形式，并将板卡直接 与个人计算机的系统总线相连，即直接插在计算 机主机的扩展槽上。这些输入输出板卡往往按照 某种标准由第三方批量生产，开发者或用户可以 直接在市场上购买，也可以由开发者自行制作。 一块板卡的点数（指测控信号的数量）少的有几 点，多的可达24点、32点甚至更多。
6．执行机构
它的作用是接受计算机发出的控制信号， 并把它转换成执行机构的动作，使被控对象 按预先规定的要求进行调整，保证其正常运 行。生产过程按预先规定的要求正常运行， 即控制生产过程。
7．外围设备
主要是为了扩大计算机主机的功能而配置 的。它用来显示、存储、打印、记录各种数 据。包括输入设备、输出设备和存储设备。
注意：在用手持板卡之前，请先释放手上 的静电（例如：通过触摸电脑机箱的金属 外壳释放静电），不要接触易带静电的材 料（如塑料材料），手持板卡时只能握它 的边沿，以免手上的静电损坏面板上的集 成电路或组件。
计算机测控系统包含的量化过程
计算机测控系统包含的量化过程
计算机测控系统的量化过程通常包含以下几个步骤：
1. 传感器采集：使用传感器、仪表等设备将待测量的物理量转化为电信号或数字信号。
2. 信号处理：将采集到的信号进行放大、滤波、增益调节、数字化等处理，使其适合输入到计算机系统中。
3. 数据采集：计算机通过数据采集卡、模拟输入模块等设备接收处理后的信号，将其转化为计算机可识别的数据。
4. 数据存储：将采集到的数据存储在计算机的内存或硬盘中，以备后续处理和分析。
5. 数据处理：利用计算机系统中的算法和软件对采集到的数据进行分析、计算、整理等操作，得出所需的测量结果。
6. 结果显示：将处理后的测量结果以图形、数值、报表等形式显示在计算机屏幕、打印机或其他输出设备上。
7. 控制反馈：根据测量结果，计算机系统可以进行反馈控制，通过输出控制信号控制被测对象的运动、温度、压力等参数。
以上步骤是通常的量化过程，实际情况可能有所不同，具体应根据实际应用和系统架构进行调整。
测控系统
2010年
第一章 概述
• 就技术而言： 测控系统是传感器技术、通信技术、计算机技术、控制技术、 计算机网络技术等信息技术的综合；
• 就其应用而言： 广泛应用于国民经济的各个领域，如化工、冶金、纺织、能源、 交通、电力，城市公共事业的自来水、供热、排水、医疗， 在科学研究、国防建设和空间技术中的应用更是屡见不鲜。
放大器是任何一台现代测量仪器不可缺少的基本电路。越灵 敏的仪器，越需要高增益高性能的放大器。根据实际仪器的 功能和要求的不同，对放大器也有这样或那样的性能要求， 如增益的高低，频带的宽窄，输入阻抗的高低等等。实际上， 放大器的参数远不止这些，还有许许多多的参数来表征放大 器，如非线性放大器，程控放大器，差动放大器，微功耗放 大器，轨—轨放大器……所以，放大器的种类举不胜举。往 常，通用运算放大器是设计工程师们的“万金油”。不管什 么样的放大器都用通用运算放大器来设计。虽然有的运算放 大器在某个或某些参数上具有突出的特性，比较适合于某些 应用场合。但可以说，最适合应用于某种场合的放大器一般 都不是采用通用运算放大器所构成的放大器，而是采用某些 有特色的运算放大器或专门设计的放大器芯片
●第三代就是智能式仪器仪表：计算机置于仪器中
●第四代为虚拟仪器：仪器仪表置于计算机中
以计算机为核心
• 门捷列夫：“科学是从测量开始的”
• 钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。 信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三 部分组成。测量技术是关键和基础”
数据采集技术
数据采集系统的组成结构
传感器
★时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测 量仪等
★电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC测量仪、 静电仪、磁参数测量仪等
数据采集系统(第二组)
数据采集系统的设计姓名：专业：指导老师：学号：前言数据采集是从一个或多个信号获取对象信息的过程。
随着微型计算机技术的飞速发展和普及，数据采集监测已成为日益重要的检测技术，广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。
数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
本实验采用89C51系列单片机，89C51系列单片机基于简化的嵌入式控制系统结构，具有体积小、重量轻，具有很强的灵活性，并采用AD0809模数转换芯片，具有很高的稳定性，且节约成本。
（一）、数据采集系统的基本介绍1.1 数据采集系统的简介数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。
数据采集系统的输入又称为数据的收集；数据采集系统的输出又称为数据的分配。
1.2数据采集系统的分类数据采集系统的结构形式多种多样，用途和功能也各不相同，常见的分类方法有以下几种：根据数据采集系统的功能分类：数据收集和数据分配；根据数据采集系统适应环境分类：隔离型和非隔离型，集中式和分布式，高速、中速和低速型；根据数据采集系统的控制功能分类：智能化数据采集系统，非智能化数据采集系统；根据模拟信号的性质分类：电压信号和电流信号，高电平信号和低电平信号，单端输入(SE)和差动输入(DE)，单极性和双极性；根据信号通道的结构方式分类：单通道方式，多通道方式。
1.3数据采集系统的基本功能数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。
与此同时，将计算得到的数根进行显示和打印，以便实现对某些物理量的监视。
1.4数据采集系统的结构形式从硬件力向来看，白前数据采集系统的结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统；另一种是集散型数据采集系统。
测控
一．概述1.计算机测控技术的含义：是传感技术，自动控制技术，计算机技术，通信技术，计算机网络技术，智能技术和数据库管理技术综合发展的产物。
2.计算机测控系统的含义：是以测量与控制为目的，在无人直接参与的情况下，应用计算机测控技术实现目标对象的数据采集，信息处理，决策控制，监督管理的综合自动化系统。
3.测试系统特点：网络化，多功能，智能化，易操作，可靠性高等。
4.测控系统的基本组成：测控对象；测控系统硬件（测试主机，检测与执行机构，过程通道，通信与网络接口，人机接口）；测控系统软件（数据采集，分析及处理，控制决策，控制输出，监控报警，数据通信系统管理）5.典型的测控系统：1）基于处理器的测控系统；2）基于工控机的测控系统；3）集散控制系统（DCS）；4）基于现场总线的测控系统；5）工业以太网测控系统；6）基于无线通信的测控系统；7）基于Internet的网络测控系统。
6.微处理器化测控系统的组成：嵌入式微处理器（最核心），外围硬件设备，接口部件及软件。
特点：1）功能丰富，性价比高；2）结构紧凑，可靠性高；3）具有自测试和自诊断功能；4）系统自动化水平高；5）系统能实现复杂的运算和控制功能；6）系统的人机对话能力强；7）系统构成柔性化。
7.集散控制系统（DCS）：体系机构按垂直分解通常分为三级：第一级即分散过程控制级（基础）；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。
集散控制系统特点：1）采用分级递阶结构；2）采用微处理器技术；3）采用工业以太网络通信技术；4）采用高可靠性技术；5）具有丰富的软件功能。
8.现场总线控制系统（FTS）是以现场总线为基础，是开放式，数字化，多点，铜线的网络化控制系统。
FCS的特点：1）全数字化；2）系统开放性；3）互操作与互换性；4）现场是被智能化，功能自治；5）高度分散性；6）高度环境适应性；7）低成本；8）信息系统化。
9.测控系统发展趋势：测控系统的智能化，网络换，虚拟化，多样化，标准化。
119. 测控技术中的数据采集系统如何设计？
119. 测控技术中的数据采集系统如何设计？119、测控技术中的数据采集系统如何设计？在测控技术领域，数据采集系统是获取和处理各种物理量、环境参数等信息的关键环节。
它就像是一双敏锐的眼睛，能够捕捉到我们所需的各种数据，并将其转化为有价值的信息，为后续的分析、控制和决策提供坚实的基础。
那么，如何设计一个高效、准确且可靠的数据采集系统呢？首先，我们需要明确数据采集系统的需求和目标。
这包括要采集哪些类型的数据，比如温度、压力、湿度、电流、电压等等；采集的频率是多少，是每秒采集几次还是每分钟采集几次；数据的精度要求有多高，是精确到小数点后几位；以及数据的存储和传输方式等。
只有清楚地了解这些需求，才能为后续的设计工作指明方向。
在确定了需求之后，接下来就是选择合适的传感器。
传感器是数据采集系统的“触角”，它负责将物理量转化为电信号。
不同的传感器适用于不同的测量对象和测量范围。
例如，测量温度可以使用热电偶、热敏电阻或红外传感器；测量压力可以使用应变式压力传感器、电容式压力传感器等。
在选择传感器时，需要考虑测量范围、精度、响应时间、稳定性、可靠性以及成本等因素。
同时，还要确保传感器能够与后续的信号调理电路和数据采集设备兼容。
信号调理电路是数据采集系统中的重要组成部分。
传感器输出的电信号往往比较微弱、含有噪声或者是非标准的信号形式，需要经过信号调理电路进行放大、滤波、线性化等处理，以提高信号的质量和可用性。
放大电路可以将微弱的信号放大到合适的幅度，便于后续的处理；滤波电路可以去除信号中的噪声和干扰，提高信号的纯度；线性化电路则可以将非线性的传感器输出信号转换为线性信号，方便后续的计算和分析。
数据采集设备是将调理后的信号转换为数字信号并进行存储和处理的关键部件。
常见的数据采集设备有数据采集卡、单片机、嵌入式系统等。
数据采集卡通常安装在计算机中，通过计算机的软件进行控制和数据处理；单片机和嵌入式系统则具有体积小、功耗低、可靠性高等优点，适用于一些对体积和功耗有严格要求的场合。
第一章计算机测控系统概述
第一章计算机测控系统概述计算机测控系统是一种用计算机和相关设备进行控制和测量的系统。
它通常包括硬件设备、软件工具和算法，用于收集、分析和处理测量数据，并根据需要控制被测对象。
计算机测控系统被广泛应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、科学研究等。
计算机测控系统的基本构成主要包括传感器、数据采集卡和数据处理器。
传感器用于将被测量转换为电信号，传感器的种类多种多样，根据不同的测量对象和需求选择合适的传感器进行测量。
数据采集卡是连接传感器和计算机的接口，它负责将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，然后传输给计算机进行处理。
数据处理器是计算机或嵌入式设备，它负责接收和处理采集到的数据，并根据需要进行控制操作。
计算机测控系统的核心技术包括数据采集和处理、数据传输和通信、控制和决策算法等。
数据采集和处理是系统的基础部分，它涉及到模拟信号转换为数字信号的过程，以及对采集到的数据进行滤波、去噪、校准等处理。
数据传输和通信是系统与外部设备或网络之间进行信息交换的方式，通常使用串口、以太网等接口进行数据传输。
控制和决策算法是系统的核心部分，它根据测量数据进行分析和判断，并根据需要进行自动或手动控制操作。
计算机测控系统的优势在于其高效、准确和灵活的特点。
通过计算机的处理能力和算法优势，可以对大量的测量数据进行实时分析和决策，提高系统的控制精度和效率。
同时，系统的硬件设备可以根据需要进行扩展和更新，以适应不同的测量对象和环境要求。
此外，计算机测控系统还可以实现远程监控和操作，便于用户对系统进行远程控制和数据访问。
然而，计算机测控系统也存在一些挑战和问题。
首先，系统的稳定性和可靠性是一个关键问题，由于测控系统常常运行在复杂的工业环境中，例如高温、强电磁干扰等，因此对系统的硬件设备和软件工具进行可靠性设计是至关重要的。
其次，系统的数据安全和保密性也是需要考虑的问题，特别是在一些敏感领域和国家级重点工程中，对系统的数据进行保护和防护是必不可少的。
计算机控制课程设计数据采集系统设计正文
1 引言数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。
数据采集是工业控制等系统中的重要环节，通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现，作为测控系统不可缺少的部分，数据采集的性能特点直接影响到整个系统。
数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。
数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。
在科学研究中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据和生成知识的重要手段之一。
随着计算机在工业控制领域的不断推广应用，将模拟信号转换成数字信号已经成为计算机控制系统中不可缺少的重要环节，因此数据采集系统有着更加重要的意义。
本次的课程设计中，我通过查阅有关资料，确定了系统设计方案，并设计了硬件电路图，分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系。
最后利用Protel绘制了电路原理图，Keil编写源代码。
本课程设计采用89C51系列单片机，设计的系统由硬件和软件两部分构成，硬件部分主要完成数据采集，软件部分完成数据处理和显示。
数据采集采用AD0809模数转换芯片，具有很高的稳定性，采样的周期由可编程定时/计数器8253控制。
完成采样的数据后输入单片机内部进行处理，并送到LED显示。
软件部分用Keil 软件编程，操作简单，具有良好的人机交互界面。
程序部分负责对整个系统控制和管理，采用了汇编语言进行了判别通道、数据采集处理、数据显示、数据通信等程序设计，具有较好的可读性。
使系统实现了通过一个A/D转换器采样一个模拟电压，每隔一定时间去采样一次，每次相隔的时间由定时器/计数器芯片8253控制，采样的结果送入A/D转换器芯片0809，转换完成后，把转换好的数字信号送入并行接口芯片8255，然后由中断控制器向CPU发出中断请求，在CPU控制下把8225中的数字送入外设即CRT/LED 显示。
监控与数据采集技术SCADA系统介绍
2．分布式微机远动装置
• 分布式微机远动装置较集中式微机远动装置 具有如下优点：布置灵活，便于采集地理上 分布的信号；连线简单，可靠性高；便于扩 容，容量可以增大；便于采用交流采样方式； 便于实现多规约转发和一发多收。
• 分布式微机远动装置的特征为：多CPU、串 行总线、智能模块，既可以柜集中组屏，又 可以分散布置。
TAB
GD RE I F
JA M7
KB N8
LC O9
ENRTUENR PRINT
4BMNCb/s
GD GD GD GD T2 U3
HELP ALPHA
V0 W.X YZ SHIFT
X2.5
电台
Байду номын сангаасPLC
RTU
（1）上位机组成： 上位机系统通常包括SCADA服务器、工程师站、操作
员站、WEB服务器等，这些设备通常采用以太网联网。
RTU结构原框图
2 SCADA系统结构
RTU的功能： RTU的主要作用是进行数据采集及本地
控制，进行本地控制时作为系统中一个独立 的工作站，这时RTU可以独立的完成连锁控 制、前馈控制、反馈控制、PID等工业上常用 的控制调节功能；进行数据采集时作为一个 远程数据通讯单元，完成或响应本站与中心 站或其它站的通讯和遥控任务。
2 SCADA系统结构
RTU的配置与程序执行： RTU的主要配置有CPU模板、I／O（输入／输出）
模板、通讯接口单元，以及通讯机、天线、电源、机 箱等辅助设备。
RTU能执行的任务流程取决于下载到CPU中的程 序。应用程序可用工程中常用的编程语言编写，如梯 形图、C语言等。有些设备采用C语言编程。
2 SCADA系统结构
2 SCADA系统结构
计算机测控系统概述课件
测 控 非电量 对 象
传感器
输入信号 调理器
执行机构
输出信号 调理器
计算机测控系统概述课件
计算机
显示器
电厂生产车间
计算机测控系统概述课件
计算机集中监控室
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统概述课件
计算机测控系统硬件各部分功能描述
测控系统的演变
计算机测控系统概述课件
1、传统测控时代
被测参数
显示仪表
传统检测系统
计算机测控系统概述课件
被测控参数 执行机构
显示器
传统手动控制系统
计算机测控系统概述课件
2、电气测控时代
被
测
参
传感器
数
调理电路 模块
显示仪表
传感器检测系统
计算机测控系统概述课件
被
测
控 参
传感器
数
调理电路 模块
执行机构
计算机测控系统概述课件
1、被测控对象及其参数
1）环境特征； 2）参数类型； 3）测控要求
被
测 控 参
传感器
调理电路 模块
输入通道
数
计
算
机
执行机构
控制电路 模块
输出通道
计算机测控系统概述课件
2、传感器
1）选型；2）信号；3）量程；4）精度；5）环境
被
测 控 参
传感器
调理电路 模块
输入通道
数
计算机Fra bibliotek执行机构
计算机测控系统概述课件
实时系统
❖ 实时系统是对外来事件在限定时间内能 做出反应的系统。
CVI简介
CVI简介随着电子技术、计算机技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域的应用，新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化，仪器与计算机技术的深层次结合产生了全新的仪器结构概念——虚拟仪器。
它的出现使测试仪器与计算机之间的界限消失，从此开始了测量仪器的新时代。
虚拟仪器强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。
1、虚拟仪器技术随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，美国国家仪器公司（National Instruments,简称NI）于20世纪80年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。
经过十几年的发展，虚拟仪器技术将高速发展的计算机技术、电子技术、通信技术和测试技术结合起来，开创了个人计算机仪器时代，是测量仪器工业发展的一个里程碑。
1.1虚拟仪器概念1.虚拟仪器概念所谓虚拟仪器，就是在以个人计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。
操作者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器，虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。
虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现数据信号的运算、分析和处理，利用I/O 接口设备完成信号的采集、测量和处理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
“虚拟”主要包含以下两方面的含义。
1）新能源强的面板虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。
如由各种开关按键显示器等实现仪器电源的“通”、“断”，被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置，测量结果“数值显示”、“波形显示”等。
传统仪器面板上的器件都是实物，而且都通过手动和触摸完成操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相似的图表，“通”、“断”、“放大”等对应着相应的软件程序，这些软件已经设计好了，用户只需选用代表该种软件程序的图形控件即可，用计算机的鼠标对其进行操作。
第1章 测控系统简介
测控软件技术
Measurement and Control Software Technology
第一章 测控系统简介
1.测控系统概念 2.测控系统作用
3.测控系统应用
4.测控系统组成 5.测控系统分类
6.测控软件概念
7.测控软件地位
1.测控系统概念 测控系统是计算机自动测量和 控制系统的简称。它是自动化 控制技术、计算机科学、微电 子技术和通信技术有机结合， 综合发展的产物。
数据 采集
数据 处理
输出
数据 传输
数据 显示
闭环控制系统
系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量 对控制过程产生直接影响，如恒温箱自动控制系统。
只要被控制量的实际值偏离给定值，闭环控制就 会自动产生控制来减小这一偏差，因此，闭环控制 精度通常较高。 系统是靠偏差进行控制的，因此，在整个控制过 程中始终存在着偏差，由于元件的惯性（如负载的 惯性），若参数配置不当，很容易引起振荡，使系 统不稳定，而无法工作。
闭环控制系统框图
输入
被控 对象
信号 调理
数据 采集
数据 处理
输出
数据 传输
数据 显示
控制（反馈）
半闭环控制系统
系统的 反馈信号不是直接从系统的输出端引出， 而是 间接 地取自中间的测量元件。
一般可获得比开环系统更高的控制精度，但由于 只存在局部反馈，在局部反馈之外的部分所导致 的输出扰动无法通过自动调节的方式消除，因此， 其精度比闭环系统要低。
1
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测控技术在现代科学技术、工业生产和国 防等诸领域中的应用十分广泛。
2.测控系统作用 今天，计算机测控系统在各个工业部门承 担着生产过程的控制、监督和管理等任务。
数据采集系统
可以使用普通的数十微秒A／D转换器从 容地分时处理这些信号。但当分时通道 较多时，必须注意泄漏及逻辑安排等问 题；当信号频率较高时，使用多路分路 开关后，对A／D的转换速率要求也随之 上升。 在数据通过率超过40～50kHz时，一般 不再使用分时的多路开关技术。
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采样信号的频谱有时也叫做矩形脉冲序列 的或调幅脉冲序列的线频谱或幅频谱。为 了分析f*(t)的频谱，先要确定采样控制脉冲 S(t)的频谱。设S(t)是宽度为t0、周期为Ts的 矩形脉冲串，由富氏级数展开式可得到：
t0 2t0 sin( nω s t0 / 2) S (t ) = + ∑ nω t / 2 cos nωst Ts Ts n =1 s 0
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放大器用来放大和缓冲输入信号。由 于传感器输出的信号较小，例如常用 的热电偶输出变化，往往在几毫伏到 几十毫伏之间；电阻应变片输出电压 变化只有几个毫伏；人体生物电信号 仅是微伏量级。因此，需要放大。以 满足大多数A／D转换器的满量程输入 5～10 V的要求。
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9.1.1 数据采集系统基本组成
数据采集系统包括硬件和软件 两大部分，硬件部分又可分为 模拟部分和数字部分，基本组 成示意图。
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M
M
M
图9-1 数据采集系统硬件基本组成
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传感器和电路中的器件常会产生噪 声，人为的发射源也可以通过各种 耦合渠道使信号通道感染上噪声， 例如工频信号可以成为一种人为的 干扰源。这种噪声可以用滤波器来 衰减,以提高模拟输入信号的信噪 比。
4. 什么是测控系统的关键组成部分？
4. 什么是测控系统的关键组成部分？4、什么是测控系统的关键组成部分？测控系统在现代科技领域中扮演着至关重要的角色，它广泛应用于工业生产、航空航天、医疗设备、环境监测等众多领域。
那么，究竟什么是测控系统的关键组成部分呢？让我们一起来深入探讨一下。
首先，传感器是测控系统的“感知器官”。
它们负责将被测量的物理量，如温度、压力、位移、速度等，转换为电信号或其他易于处理和传输的信号。
传感器的精度、灵敏度、响应速度和稳定性直接影响到整个测控系统的性能。
例如，在工业生产中的压力传感器，如果其精度不够高，就可能导致生产过程中的参数控制不准确，从而影响产品的质量。
在航空航天领域，用于测量飞行器姿态和速度的传感器，必须具有极高的灵敏度和可靠性，以确保飞行安全。
数据采集模块则是将传感器输出的信号进行收集和整理的重要环节。
它要能够准确地获取传感器的信号，并进行必要的滤波、放大、模数转换等处理，将模拟信号转换为数字信号，以便后续的计算机处理。
一个高性能的数据采集模块能够有效地减少噪声干扰，提高数据的准确性和可靠性。
计算机系统是测控系统的“大脑”。
它负责对采集到的数据进行处理、分析和存储。
通过各种算法和软件，计算机可以对数据进行实时监测、趋势分析、故障诊断等操作。
强大的计算能力和高效的软件算法是保证测控系统能够快速、准确地处理大量数据的关键。
例如，在复杂的工业控制系统中，计算机需要实时处理多个传感器的数据，并根据预设的控制策略，迅速做出决策，调整生产过程中的参数。
通信模块是测控系统的“信息通道”。
它确保了数据在系统内部各组件之间以及与外部设备之间的顺畅传输。
无论是有线通信还是无线通信，都需要具备高速、稳定、可靠的特点。
在现代测控系统中，网络通信技术的应用越来越广泛，使得远程监控和分布式测控成为可能。
执行机构是测控系统的“行动力量”。
根据计算机系统的指令，执行机构对被控制对象进行相应的操作。
例如，在自动化生产线上，电机、阀门等执行机构根据控制信号来调整生产线的运行速度、物料流量等。
计算机测控技术与系统第1章计算机测控系统概述课件
图1.9 分布式控制系统结构图
在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装 置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能 相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性。
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5.现场总线控制系统（FCS）
图1.10 现场总线控制系统结构图
从控制的角度看，FCS具有两个显著特点：（1）信号传输实 现了全数字化。（2）实现了控制的彻底分散。
A／D转换及采样程序 数字滤波程序
线性化处理程序
巡回检测程序
数据采集程序 越限报警程序
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数据管理程序
事故预告程序 画面显示程序
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1.4计算机测控系统的发展趋势
1.数字化 数字化主要是指计算机技术的应用，特别是单片机
的高速发展，为测控系统的数字化提供了强有力的手 段，从传感器到远程终端设备很多都实现了数字化控 制。 2.智能化
1.1 测控系统的基本概念
1.现代测量技术
测量是采用各种方法获得反映客观事物或对象的运动属性 的各种数据。
根据系统中被测量信号类型的不同，可以分为模拟式和数 字式测量系统。
图1.1 模拟式测量系统
图1.2 数字测量系统
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2.现代控制技术
由经典控制系统可知，控制系统可以分为开环控制和闭环 控制。开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用 而没有反向联系的控制过程，不具备自动修正的能力。
4.虚拟化 虚拟仪器是随着计算机技术和现代测量技术的发展
而产生的一种新型虚拟化技术，代表着当今测控技术 发展方向。
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本章内容结束
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测控系统技术
测控系统技术测控系统是指能够对被测对象进行准确测量和控制的系统。
它广泛应用于工业生产、科研实验、环境监测等领域。
测控系统技术的发展，推动了现代化生产和科学研究的进步。
本文将介绍测控系统技术的基本原理、应用领域和发展趋势。
基本原理测控系统技术的基本原理包括传感器、信号调理、数据采集与传输、数据处理与分析以及控制执行等方面。
1.传感器：传感器是测控系统的重要组成部分，用于将被测量转化为与其相对应的信号。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、湿度传感器等。
传感器的选择要根据被测量的特性和精度要求进行。
2.信号调理：传感器输出的信号通常十分微弱，信噪比低，需要进行信号调理以提高信号质量。
信号调理包括放大、滤波、增益调整等过程，以保证后续的数据采集和处理能够获得高质量的信号。
3.数据采集与传输：数据采集器负责将信号转换为数字信号，并通过数据总线传输给计算机或控制设备。
采用模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，并通过串行或并行接口传输。
4.数据处理与分析：通过计算机对采集到的数据进行处理和分析，提取出有用的信息。
数据处理包括数据滤波、数据校正、数据压缩等过程。
数据分析可以通过统计学方法、机器学习算法等手段进行。
5.控制执行：测控系统技术的最终目的是对被测对象进行控制。
通过控制执行器，对被测对象进行控制，以达到预定的目标。
应用领域测控系统技术在众多领域得到了广泛应用。
1.工业生产：在工业生产中，测控系统可用于实时监测生产过程中的各项参数，如温度、压力、流量等。
通过对这些参数的控制和调节，可以提高产品质量和生产效率。
2.科研实验：在科学研究中，测控系统可用于实时监测实验过程中的各种参数，如温度、湿度、压力等。
通过对这些参数的监测和控制，可以保证实验的准确性和可重复性。
3.环境监测：测控系统可应用于环境监测领域，如大气污染监测、水质监测等。
通过测控系统对环境参数进行实时监测和控制，可以及时发现和处理环境问题。
现代测控技术概论
1.3计算机控制系统概述
1.3.1微机过程控制系统的基本组成
过程控制一词具有特定的含义，广义地说，过程是一个 能被监视或控制的物理系统。而过程变量是指该系统中应按 照某种目的或规则变化的物理参数，也就是被控制量。控制 的目的是使一个或多个过程变量达到预定的最佳参考值，从 而使系统处于最佳工作状态。
图1-6微机过程控制系统的组成框图
1.3.2计算机控制系统的类别及要求
一般来说，各类控制系统均可以使用计算机进行在线控 制。但是,往往只有在那些更能体现计算机作用的控制系统 中才使用计算机。所使用的计算机档次需按系统控制任务的 情况恰当地选择。为了了解计算机控制系统的概貌,在前面 所介绍的基本型计算机过程控制系统的基础上,再按计算机 在计算机控制系统中所担任的不同控制任务分类， 几种:
人类在工程实践的过程中，一种需求是要采取各种方法 获得反映客观事物或对象的运动属性的各种数据、记录并进 行必要的处理，这种技术称为“测量”。另一种需求是要采 取各种方法支配或约束某一客观事物或对象的运动过程，达 到一定的目的，这种技术称为“控制”。
“测量”和“控制”是人类认识世界和改造世界的两项 工作任务。相应地，人们就要研制和发展测控仪器或系统以 实现测量和控制，与此相关的理论和技术就是测控技术。测 控仪器或测控系统按照任务的不同，可以分为三大类，即检 测系统、控制系统和测控系统。
4) A/D
A/D
(1)分辨率和量化误差。对于同样的量化值，分辨率由 寄存器的位数决定，也就是量化单位q。设满刻度为Xm，寄 存器位数为n位，则
q Xm 2n 1
(1.7)
量化误差为ε=q/2。
(2)偏移误差。偏移误差是指输入信号为零，输出信号 不为零时的值，所以也称为零值误差。偏移误差通常是由放 大器的偏移电压产生的，一般在静态时对电路进行调整，使 之最小。
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衬底B
结构
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2）工作原理
❖ Chapter 10 信号测量与调理
原理1
栅源电压vGS的控制作用—— 形成导电沟道
正电压vGS产生的反型层把 漏-源连接起来，形成宽度均 匀的导电N沟道，自由电子是 沟道内的主要载流子。
反型层刚形成时，对应的栅 源电压vGS称为开启电压，用 VT表示。
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
传感器 变送器
······
传感器 变送器
多 路 模 拟 开
采 样 保 持 器
A/D
计 算 机
D/A
模 拟 控 制 器
关
测控系统框图
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
把模拟量转换为数字量的过程称为模数 转换，完成这种转换的电路称为模数转换器 (Analog to Digital Converter)，简称为ADC或 A/D；
耗尽型FET重要参数。在VGS=0的条件下，管子预夹 断时的漏极电流。
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
4）直流输入电阻RGS、rds 栅源电压与漏极电流之比，通常JFET的
RGS>107Ω，MOSFET的RGS>109Ω。 5）低频跨导gm
表征工作点Q上栅源电压vgs 对漏极电流id的控制作用大小 的参数，单位是mS。 6）最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= vDS iD决 定，与双极型三极管的PCM相当。
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
沟道预夹断后， vDS继续 增大，夹断点向源极方向移 动， iD略有增大。 vGS变化时，vGS < VT，没有导电 沟道， iD≈0； vGS =VT时开始形成导电沟道； vGS ≥ VT时，导电沟道变宽。从 而改变vGS 的大小有效地控制沟 道电阻的大小。 ——输入电压vGS 对输出电流iD的控制
2、 场效应三极管的参数
1）开启电压VGS(th) (或VT) 增强型FET的重要参数。 在VDS为某
一固定值下能产生iD所需要的最小 |VGS|值。 2）夹断电压VGS(off) (或VP)
耗尽型FET的参数。在VDS为某一固定值 条件下, iD等于一微小值（便于测量）时所 对应的VGS。 3）饱和漏极电流IDSS
MOSFET可分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
1、N沟道增强型MOSFET
1）结构 N沟道增强型
源极S
MOSFET在P型半导
体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后
用光刻工艺扩散两
个高掺杂的N型区。
栅极G
漏极D
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3）特性曲线
❖ Chapter 10 信号测量与调理
iDf（vFra bibliotek）DS vG
S
常
数
——输出特性
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iD
f（vG
）
S vDS
常
数
——转移特性
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
N沟道耗尽型
N沟道增强型
P沟道耗尽型
P沟道增强型
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
把数字量转换为模拟量的过程称为数模 转换，完成这种转换的电路称为数模转换器 (Digital to Analog Converter)，简称DAC或D/A。
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
§10.7 多路模拟开关
模拟开关是一种能够按照控制指令对模拟信号 传输进行通、断控制的电子器件
注意：模拟开关多用场效应管来构成，因为 场效应管的VGS能够使D、S之间导通和断开， 但这样做成的实际的模拟开关接通时还会有 一导通电阻，在断开状态时仍会有一小的关 断电流
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
一、场效应管结构原理
场效应管（Fiedl Effect Transistor——FET）是利 用电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般 半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特 点，还具有输入电阻高（MOSFET最高可达 1015Ω）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、 抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大 规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中 得到广泛应用。
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
二、 双极型和场效应型三极管的比较
双极型三极管
结构
NPN型
PNP型
C与E一般不可倒置使 用
载流子 多子扩散少子漂移
输入量
电流输入
电流控制电流源 CCCS(β)
场效应三极管
结型耗尽型 N沟道 P沟道 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 D与S有的型号可倒置使用
按结构，场效应管可分两大类：
结型场效应管（JFET）
绝缘栅型场效应管（IGFET）
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
二、绝缘栅型场效应管
绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化 硅作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层 ， 又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOSFET ( Metal-Oxide-Semiconductor FET)。
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用 原理2 vGS ≥ VT，加vDS，形成iD，且iD与vDS基本成正比。 因vDS形成电位差，使导电沟道为梯形。 vDS增大至vGD = vGS− vDS< VT，沟道被预夹断（漏 端），管子进入饱和区。
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多子漂移 电压输入 电压控制电流源 VCCS(gm)
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
噪声 温度特性 输入电阻 静电影响 集成工艺
双极型三极管
较大 受温度影响较大 几十到几千欧姆
不受静电影响 不易大规模集成
场效应三极管
较小 较小，可有零温度系数点
几兆欧姆以上 易受静电影响 适宜大规模和超大规模集成
❖ Chapter 10 信号测量与调理
第十章 数据采集系统—— 计算机测控系统
§10.6 典型的测控系统组成 §10.7 多路模拟开关 §10.8 采样保持器 §10.9 D/A 转换器 §10.10 A/D 转换器
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❖ Chapter 10 信号测量与调理
§10.6 典型的测控系统组成