计算机辅助检测系统

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9.1 带计算机的检测系统简介
7.能进行自动故障诊断 所谓自动故障诊断就是当系统出现故障无法正常工作时，只
要计算机本身能继续运行，它就自动停止正常程序，转而执 行故障诊断程序，按预定的顺序搜索故障部位，并在屏幕上 显示出来，从而大大缩短了检修周期。
9.1.2带计算机的检测系统的工作流程
第九章 计算机辅助检测系统
9.1 带计算机的检测系统简介 9.2 带计算机的检测技术应用实例
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9.1.1带计算机的检测系统的特点及功能
带计算机的检测系统与常规的不带计算机的检测系统比较， 有如下特点及功能:
1.性能价格比高 在采用单片机的系统中，由于采用软、硬件结合的办法，因
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4. D/A转换器(DAC)与接口电器 计算机运算处理后的数字信号有时必须转换为模拟信号，才
能用于工业生产的过程控制。如果说A/D是“编码器”的话， D/A就相当于“解码器”，它的输入是计算机送来的数字量， 它的输出是与数字量相对应的电压或电流。如果在计算机与 D/A之间插入多路光藕合器就能较好地防止工业控制设备干 扰计算机的工作。如果使用多路采样保持器，只要使用一只 D/A即可进行D/A转换。这种方法是以分时方式进行的， 数据的刷新不能太快。
不同形式。采用的ADC有8位的也有12位的，采用光电藕合 隔离方式。在进行温度测量时，可选用专用的“热电偶模拟 量输入模板”，可完成冷端自动补偿和非线性校正功能。若 采用铂热电阻作测温元件，则可选用铂热电阻模板。
此电路元件总数少，使产品具有可靠性高、造价低、体积小、 质量轻、功耗低、易于携带和移动等特点。 2.设计灵活性高 只需更改少数硬件接口，通过修改软件就可以显著改变功能， 从而使产品按需要发展成不同的系列，降低研制费用，缩短 研制周期。
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4.有强大的运算功能 计算机的特点是运算速度非常快，所以能对测量数据进行统
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上述剔除粗大误差的方法中，除了按第一章论述的数据统计 原理进行外，在工业中经常采用如下简易办法进行，即对存 在干扰和随机误差的信号进行“等精度”、快速多次采样， 然后先舍去第一个采样值，再舍去若干最大值和最小值，将 余下的几个中间值作算术平均值运算，该算术平均值可以认 为是排除了各种干扰后的较正确的结果，这种方法有时也被 称为简易数字滤波。以上介绍的检测系统的工作过程可以作 为系统软件设计的参考。
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9.1.4可编程序控制器中的传感器接口板
可编程序控制器(简称PLC)是计算机技术与继电器常规控制 概念相结合的产物，是以微处理器为核心，也同样有键盘、 显示终端、输入输出接口等外围设备。与普通计算机控制系 统不同的是，它是专门为工业数字控制设计的计算机系统。 它不仅可以取代以继电器、控制盘为主的顺序控制器，还可 以用于大规模的生产过程控制。它照顾到现场电气操作人员 的技能和习惯，摒弃了计算机常用的计算机编程语言的表达 方式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编 程语言和模块化软件结构，便于工程人员在使用现场修改软 件。目前国内外研制的PLC已广泛应用于各个工业领域，因 此检测技术与PLC的结合也是必然的。
计处理，减小随机误差;能对被测量进行线性补偿和函数转换; 能对组合数据进行综合计算、量纲转换;能进行PID运算、模 糊控制等。 5.具有来自百度文库忆功能 在断电时，能长时间保存断电前的重要参数。
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6.有自校准功能 自校准包括自动零位校准和自动量程校准。计算机采用程序
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干簧继电器中的干簧管其实也是一种十分简单的传感器。它 与一块磁铁就可以组成接近开关。它在水位控制、电梯“平 层”控制、防盗报警等方面得到应用，其优点是体积较小， 触点可靠性较高，属于“无源”传感器。感兴趣的读者可参 阅接近开关方面的有关内容。
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下面简要介绍与巡回检测系统有关的一些重要部件以及它们 与计算机之间的接口电路。
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9.1.3系统中的几种重要部件
1.采样开关 常用的采样开关主要有两种:一是干簧继电器，二是CMOS
模拟开关。 (1)干簧继电器干簧继电器主要由驱动线圈和干簧管组成，
控制的办法，在每次测试前，先将放大器输入端短接，将零 漂数值存入RAM，在正常测试时从测量值中扣除零位偏差; 计算机通过判断被测量所属的量程，自动切换可编程放大器 的放大倍数，完成量程的自动切换。为了消除由于环境变化 引起的放大器增益误差，计算机于测试之前在放大器输入端 自动接入基准电压，测出放大器增益变化量，在正常测试时 通过运算加以纠正。自校准功能大大减小了测量误差，减少 了面板上的各种旋钮。
图9-1 (a)示出了两常开干簧继电器的外形。干簧管是干式 舌簧开关管的简称，它是一个充有惰性气体(如氮、氦等)的 小型玻璃管，在管内封装两支用导磁材料制成的弹簧片，其 触点部分镀金，如图9-1(c)所示。
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当驱动线圈中有电流通过时，线圈内的弹簧片被磁化，当所 产生的磁性吸引力足以克服弹簧片的弹力时，两弹簧片互相 吸引而吸合，使触点接通，当磁场减弱到一定程度时，触点 跳开。干簧管具有簧片质量小、动作比普通继电器快、触点 不易氧化、接触电阻小、绝缘电阻高、抗电冲击等特点。驱 动线圈绕在干簧管外面，驱动功率约几十毫瓦，耗电较大、 速度较慢是干簧继电器的主要缺点。优点是不易烧毁或击穿。
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又由于放大倍数一般较大，系统要求的精度又较高，所以放 大器的输入失调电压温漂系数一般要小于1μV/℃。目前常 用的放大器有三种型式:一种是高精度、低漂移的双极型放大 器，如OP-07等;另一种为CMOS斩波、自稳零集成运放， 它的输入失调电压漂移系数很低(约0.001 μ V/℃ )，共模 抑制比达130 dB，但它存在较大的斩波尖峰干扰电压，噪 声较大，如ICL7650等;第三种为隔离放大器，带有光电隔 离或变压器隔离，有很高的抗共模干扰能力，但价格昂贵。 目前已研制出专门用于放大微弱信号的“数据放大器”，它 的各项性能指标均较好，在自动检测系统中的应用日渐增多。
这里主要介绍检测系统的巡回检测概念和软件抗干扰技术， 不涉及常规的计算机软件编写方法。
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从图9.1可以看到，检测系统涉及的传感器和输入量众多， 所以，工作流程通常是这样的:计算机首先根据存储在ROM 或硬盘中的程序，向多路采样开关阵列的选通地址译码器写 入准备采样的传感器地址，由译码器接通该地址对应的采样 开关，所要采样的信号被连接到高精度放大器，放大后的信 号经A/D转换器转换成数字量，计算机通过数据总线接收该 信号。为了随机误差统计处理的需要，每个采样点需要快速 地采样多遍。一个采样点采样结束后，计算机转而发送第二 个采样地址，对第二个传感器采样，直至全部被测点均被采 样完毕为止。如果被采集的信号不是模拟量而是状态量，计 算机由并行接口进行读操作;如果被采样信号是串行数据量， 则通过串行接口接收该信号。
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从上述分析可知，计算机不可能在同一时刻读取所有传感器 来的信号，而是分时但快速地轮流读取所有的被测量，这种 采样方式称为“巡回检测”。
采样结束后，所有的采样值还需要经过误差统计处理，剔除 粗差，求取算术平均值，然后存储在RAM中。计算机根据预 定程序，将有关的采样值作一系列的运算、比较判断，将运 算的结果分别送显示终端和打印终端，并将某些数值送到输 出接口，输出接口将各数字量分别送到位控信号电路和多路 D/A转换电路，去控制各种执行机构。若某些信号超限，计 算机立即启动声光报警电路进行报警。
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采用八选一多路开关的“多通道数据切换电路”如图9-3所 示。该电路的优点是使用的元件少，缺点是所有传感器的零 信号线均须并联起来。若各传感器的地电位不相同，这样的 接法会引起较大的环流，是不适当的。较好的办法是采用双， n选一开关来切换每个传感器的一对信号线。但是当各传感 器对地电位相差较大时，会引起各通道间漏电甚至击穿，所 以当共模电压较大时，一般不使用CMOS模拟开关而宁愿使 用体积较大、动作较慢的干簧继电器。
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3. A/D转换器(ADC)与接口电路 计算机只能对数字信号进行运算处理，因此经放大器放大后
的模拟信号必须进行A/D转换。目前采用较多的A/D转换 器有两大类:一类是并行A/D转换器，另一类是串行A/D转 换器。 在并行A/D转换器中，又有逐位比较型和双积分型之分。前 者转换速度较快，有8位、10位、12位等规格。位数越高， 精度也越高，但价格也相应提高。后者转换速度较慢(每秒 10次左右，，但精度高，价格便宜，常见的有3 位、4 位等规格。
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在串行A/D转换器中，A/D转换的结果以串行二进制编码 的形式输出，所以这类A/D转换器属于2线输出型。还有一 种使用压控振荡器构成的V/F型A/D转换器，它能将输入模 拟电压的变化转换为输出脉冲频率。输入电压越高，输出脉 冲的频率越高，因此可以利用计算机对脉冲进行定时计数。 V/F型A/D转换器也属于2线输出型，其输出是一连续的脉 冲信号。如果在A/D转换器输出端与计算机之间插入高速光 藕合器，就能切断计算机数字地与放大器模拟地之间的联系， 使放大器电路浮置，大大提高了系统的抗干扰能力。这样的 光电隔离方式称为A/D转换的后隔离方式。后隔离方式的 A/D转换电路框图如图9-4所示。
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(2)CMOS采样开关 CMOS采样开关是一种传输模拟信号 的可控半导体开关。它的核心是由P沟道MOS管和N沟道 MOS管并联而成的CMOS传输门。当控制端处于“有效” 状态时，P沟道MOS管或N沟道MOS管导通，模拟开关处 于导通状态，导通电阻约十几至几百欧姆。当控制端处于 “无效”状态时，两个MOS管均截止，截止电阻大于108Ω。 在自动检测系统中常采用多路COMS模拟开关集成电路，如 CD4051, CD4052等(目前已有对应的HC系列产品)。前 者是八选一开关，后者是双四选一开关，分别如图9-2 (a),(b)所示。CMOS模拟开关的优点是集成度高，动作快 (小于1μs)、耗电省等。缺点是导通电阻较大、各通道间有 一定的漏电、击穿电压低、易损坏等。
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2.放大器 从传感器来的信号有许多是毫伏级的弱信号，须经放大才能
进行A/D转换。由于高质量的放大器价格相对较为昂贵，所 以一般是将放大器放在采样开关之后，这样只需要一个高质 量的放大器就可对几十、上百个传感器来的信号进行放大。 系统对放大器的主要要求是:精度高、温度漂移小、共模抑制 比高、频带宽的直流放大器。之所以有这些要求，是因为工 业中的被测量有的变化十分缓慢，因此放大器的频率下限必 须延伸到直流;由于多通道数据的切换速度可能很高，可达每 秒数千次以上，所以放大器要有很高的电压上升率;由于被测 信号中调制了较高的共模干扰电压，所以放大器必须有很高 的抗共模干扰的能力;
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传感器与PLC的联系主要是输入接口。生产PLC的厂家为了 让不同的用户能方便地使用PLC,设计制造了各种不同的 “I/O模板”与各种不同的传感器配套。常用的输入模板有:
1.模拟量输入模板 输入可以是0~5 V,0~10 V、-10~+10V, 4~20 mA等