自动检测系统设计

自顶向下的设计方法 即从总体到局部、再到细节。先考虑整体目标， 明确任务，把整体分解为多个子任务，并充分考 虑子任务之间的联系。
自底向上的设计方法 为了完成某个检测任务，可以利用现有的模块、 仪器，综合成一个满足要求的系统。这种系统 虽然未必是最简单、最优化的方案，但只要能 完成检测任务，仍不失为快速、高效解决问题 的方法。



（2) 进行总体设计 通过调研对所提出的系统初步设计方案，进行 论证，完成系统总体设计。 在完成总体设计之后，便可进行设计任务分解， 将系统的研制任务分解成若干子任务 之后针对子任务去进行具体的设计。
2 硬件和软件的研制 在开发过程中，硬件和软件应同时进行。 (1) 硬件电路的设计、功能模板的研制和调试 根据总体设计，将整个系统分成若干个功能块， 分别设计各个电路，如输入通道、输出通道、信 号调理电路、接口、单片机及其外围电路等。 在完成电路设计之后，即可制作相应功能模板。 要保证技术上可行、逻辑上正确， 注意布局合理、连线方便。 先画出电路图， 基于电路图制成布线图 基于布线图加工成印刷电路板 将元器件安装、焊接在印刷电路板上 仔细校核、调试。
1 确定传感器的类型 全面考虑被测量的特点和传感器的使用条件，包括： 量程的大小； 被测空间对传感器体积的要求； 测量方式为接触式测量还是非接触式测量； 信号的传输方法，是有线传感还是无线传感； 传感器的来源，是购买商品化的传感器还是自行研 制传感器，是购买国产传感器还是购买进口传感器。 考虑上述问题，确定选用何种类型的传感器， 然后再考虑传感器的具体性能指标。



(2) 软件框图的设计、程序的编制和调试 将软件总框图中的各个功能模块具体化，逐级 画出详细的框图，作为编制程序的依据。 编写程序一般用汇编语言建立用户源程序。 在开发系统机上，利用汇编软件对输入的用户 源程序进行汇编，变为可执行的目标代码。 在程序设计中还必须进行优化工作，利用各种 程序设计技巧，使编出的程序占用内存空间尽 量小、执行速度尽量快。



4.2.6 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持稳定的能 力称为稳定性。 影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结 构外，主要是传感器的使用环境。要使传感器 具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环 境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调研， 并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或 采取适当的措施，减小环境的影响。
1 u1 % 3
2) 用传感器的分项标准不确定度来估算
u u
2 1
2 11
u12 u13 u14
2 2
2
1 u11 H 3
——由滞后 H 引入的不确定度分量；
1 u12 R ——由重复性 R 引入的不确定度分量； 3
1 u13 E ——由电源波动系数 E 引入的不确定度分量； 3
8.3.2 动态性能的预估

1 模拟部分
动态(幅值)误差表达式
r
W ( j) WN ( j) WN ( j)
100%
传感器与放大器均为一阶系统
r
1 1 (1 )2
1 1 ( 2 )2
1
传感器为二阶系统，放大器为一阶系统
1 1
r
2 2 2 1 ( 2 )2 [1 ( ) ] (2 ) 0 0

“硬件软化” 为降低硬件成本，将某些硬件功能用软件实现。 例如计数器、运算器等硬件设备所具有的计数、 运算功能可用软件完成，从而节省了硬件设备。 但是硬件软化后运行速度比硬件低得多。
“软件硬化”
近年来随着半导体技术的发展，又出现了“软件硬化” 的趋势，即将软件实现的功能用硬件实现。其中最典型 的是数字信号处理芯片DSP。过去进行快速傅里叶变 换都用软件程序实现，现在利用DSP进行FFT运算，可 以大大减轻软件的工作量，提高信号处理速度。




2 线性范围和量程 当传感器的种类确定之后，首先要看其量程和线 性范围能否满足要求。 任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性范围 是相对的。 根据不同的测量精度要求，可将非线性误差较小 的传感器近似看作线性传感器。
3 灵敏度的选择 希望传感器的灵敏度越高越好。但传感器的灵敏度 高，外界噪声也容易混入，也会被测量系统的放大 器放大，影响测量精度。 要求传感器本身应具有较高的信噪比。
u1 0.293%
(2) 数据采集系统A／D转换器标准不确定度的设定 1) 由分度值进行示值估读的量化误差e引入的不确 定度服从均匀分布，当选用8位A／D时
1 1 1 u31 8 0.113% 3 2 2
2) 因显示结果要修约至估读值，故产生的修约误差为 量化误差的1/2，服从均匀分布 1
U urc 0.33% ky
式上式的误差公式用标准不确定来表示
urc 2 u112 u122 u132 u212 u222 u232 u312 u322 u332
(1) 有关传感器分项标准不确定度的设定 1) 用传感器的准确度等级指数α进行估算，即令
1 1 fH n 1 π 2 TAJ

总的说来，测量系统动态性能主要受传感器的 限制。
4.3.3 静态性能的预估



静态性能的预估就是按总误差的限定值对组成 系统的各个环节进行误差分配的问题。 它包括误差预分配、综合调整、再分配、再综 合，直至选定环节的静态性能满足系统静态性 能的要求。 以某压力测量系统为例，要求该系统在 (20±5)℃环境温度内引用误差不大于1.0%， 当工作于上限温度60℃时温度附加误差不大于 2.5%，试确定压阻式压力传感器、放大器、数 采系统的静态性能。
4.3.1 检测系统分辨力与量程的预估




在设计过程中，指标分配与合成往往需要反复进行。 通常按检测系统分辨力与量程的要求，先初步确定 传感器的灵敏度值S1，然后再进行放大器增益S2与A ／D转换器分度值S3的权衡。 在被测量范围较大的情况下，初定的S2、S3往往不 能既满足分辨力又同时满足量程两方面的要求。此 时有两种解决办法。 办法之一是设置多种增益，被测量值较小时用增益 大的档，测量值大时自动切换为增益小的档； 办法之二是固定放大器的增益值而选用多位A／D转 换器，如10位、12位、14位A／D转换器等。




软硬件折衷 智能检测系统中有些功能必须靠硬件实现，而另 外有些功能利用软件或硬件都可完成。 软件可完成许多复杂运算，修改方便，但速度比 硬件慢。硬件成本高，组装起来以后不易改动。 多使用硬件可以提高仪器的工作速度，减轻软件 负担，但结构较复杂；使用软件代替部分硬件会 简化仪器结构，降低硬件成本，但同时也增加了 软件开发的成本。 大批量投产时，软件的易复制性可以降低成本。 工作速度允许的情况下，应该尽量多利用软件。 必须根据具体问题，分配软件和硬件的任务，决 定系统中哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件 实现，确定软件和硬件的关系。
4.3 自动检测系统的性能估计



将传感器、调理电路、数据采集系统集成为一 个测量系统的基本原则是使测量系统的基本功 能、静态性能、动态性能均达到预先规定的要 求。 原则是采用预选的环节组成测量系统后，经过 标定实验，其性能既要达到规定的要求，同时 又不过分的超过预先规定的指标。 预估过程是一个反复设定、权衡调整直至最后 确定的过程，在误差理论中属于误差分配与合 成问题。
4.1 自动检测系统的设计原则与步骤
4.1.1 自动检测系统的设计原则
*首先要能够实现所要求的功能和技术ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ标； *要满足系统在可靠性、可维护性方面的要求
如平均无故障工作时间、故障率、失效率、平均寿命等
*考虑到用户操作方便，提供良好的人机界面
*系统结构应规范化、模块化； *降低成本，提高系统的性能价格比
dx =0 x
ry r1 r2 r3
r1 r11 r12 r13 r2 r21 r22 r23 r r r r 3 31 32 33
测量系统整机误差表达式
ry r11 r12 r13 r21 r22 r23 r31 r32 r33


3 系统总调、性能测试 在硬件、软件分别完成后，即可进行联合调试， 即系统总调，测试系统的性能指标。 若有不满足要求之处，需要仔细查找原因，进 行相应的硬、软件改进，直到满足要求为止。
4.2
传感器的合理选用
1、确定传感器的类型 2、线性范围和量程
3、灵敏度的选择
4、精度
5、频率响应特性
6、稳定性
u32 2 u31 0.056%
u32 u312 u322 (0.1132 0.0562 ) 104 (0.126)2




(3)放大器标准不确定度的限定 根据整机标准不确定度的要求和已设定的传感器 及A／D转换器的标准不确定度值，由公式可解得 放大器标准不确定度为≤0.096％。达到上述要求 对一般放大器而言不是太困难。 放大倍数的波动通常是环境温度变化引起放大器 的失调温度漂移及反馈电阻阻值比的漂移。 注意，放大倍数的实际值偏离设计值引起的系统 误差是可以消除的。在实时自校的测量系统中， 放大倍数是由基准电压实时标定的。 因此放大器的不确定度则决定于基准电压源。同 样基准电压值的波动通常也是受环境影响，对于 2DW232系列稳压二极管制作的基准电压源，其温 度系数可以达到(20--5)ppm／℃。
自动检测系统的设计步骤
1 确定任务、拟定设计方案 （1) 根据要求确定系统的设计任务、功能、指标 明确系统需要完成的测量任务； 明确被测信号的特点、被测量类型、被测量变化 范围、被测量的数量、输入信号的通道数； 明确测量速度、精度、分辨率； 明确测量结果的输出方式、显示器的类型； 明确输出接口的设置。 考虑系统的内部结构、外形尺寸、面板布置、研 制成本、可靠性、可维护性及性能价格比等。 综合考虑上述各项，提出系统设计的初步方案。