测控系统原理及设计1_现代测控技术简介

6.5.1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统 ( Embedded Systems ) 是指以 应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。是将应用程序和 操作系统与计算机硬件集成在一起的嵌入在宿主设 备中的控制系统。
嵌入式计算机
6.1现代测控技术概述 随着电子技术、通信技术和计算机技术的迅速 发展，测控技术中的新技术元素迅速增多、涉及的 领域不断扩大。测控技术朝微型化、集成化、网络 化、虚拟化方向发展，形成了现代测控技术。 现代测控系统大多以微型计算机为核心，能完 成较高层次的自动化检测和控制，在不同程度上具 有“智能”技术。如基于网络的测控技术、基于虚 拟仪器(VI) 的测控技术、基于雷达与无线通信的测 控技术，以及基于全球卫星定位系统 (GPS) 的测控 技术等。
生物传感器的电极
b)传感器+嵌入式计算机 智能传感器
智能振动传感器 智能压力传感器
智能倾角RS232 传感器
IC总线数字温度 传感器
c)多个传感器信息的融合处理 如机器人中设置的传感器有：转动/移动位置 传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接 近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传 感器等，这些信号如何融合处理体现了机器人的智 能水平。
用监控组态软件设计一个水位控制系统。人机界 面由五大窗口组成。其中有两个用户窗口，四个主菜 单，分别作为水位控制、报警显示、曲线显示、数据 显示。 用户窗口1：
用户窗口2：
嵌入式系统


嵌入式系统，源于单片机的问世。 一般认为嵌入式系统，以应用为中心，以 计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积 和功耗等的严格要求的计算机系统 将应用程序和操作系统与计算机硬件集成 在一起嵌入在宿主设备中
6.3.2 虚拟仪器
虚拟仪器是测试技术和计算机技术结合的产物。
80年代后期
虚拟仪器（Virtual Instrument）
以通用计算机为基础，加上特定的硬件接口设 备和为实现特定功能而编制的软件而形成的一 种新型仪器。
1. 虚拟仪器的基本概念
所谓虚拟仪器（VI，Virtual Instrument），就 是在以计算机为核心的测控硬件和专用软件的平台 上，由用户设计定义测控功能、虚拟面板，由测控 软件实现的一种计算机仪器系统。
（6）需要专门开发工具支持程序功能开发和修改。
2. 嵌入式系统的应用
1）工业自动化——如工业过程控制、数字机 床、电力系统、电网安全、电网设备监测
2）交通管理—— 如车辆导航 3）消费类电子产品—— 如手机、数码相机、 数码相框、音乐播放器
4）家庭智能管理——如智能家用电器
5）POS网络及电子商务——如刷卡消费 6）自然环境与工程监测——如地震监测网 7）机器人
6.5.3 嵌入式系统的特点及应用
1.嵌入式系统的特点
（1）嵌入式系统大多是为特定产品设计。 （2）硬件和软件都必须量体裁衣、高效低耗。
（3）嵌入式系统的应用程序可以不需要操作系统支持 直接运行；但对于多任务系统，有实时操作系统支持更好。
（4）嵌入式系统与具体应用有机地结合在一起，它的 升级换代也是和具体产品同步进行的。 （5）嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或 者单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。
对传感器的要求主要体现在体积、精度、可靠 性、响应速度、处理信息的能力等方面。因此，传 感器的发展主要集中在以下方向：
1.发现新现象 2.利用新材料
3.发明新工艺
4.传感器微型化
5.多功能集成化
6.传感器网络化
如： a)利用新发现的材料和新发现的生物、 物理、化学效应开发出新型传感器。
光纤传感器 光纤传感器
本章小结
本章主要介绍了现代测控技术的基本原理、应 用技术和发展趋势。 新型传感器的典型代表是集成传感器和智能传 感器。新一代仪器仪表的典型代表是虚拟仪器。 计算机监控系统是以计算机为主体完成监控任 务的系统。监控组态软件是计算机监控系统的专用 软件。 嵌入式系统是将应用程序和操作系统与计算机 硬件集成在一起嵌入在宿主设备中的控制系统。
虚拟仪器组成
计算机
仪器模块
软件
个人计算机 （各种通用计算机）
各种传感器 过程通讯 信号调理器 模数转换器 图形用户界面等软件 数据分析 数据采集器
即： 同一个硬件系统，软件不同，就可得
到功能完全不同的测量仪器
软件系统是虚拟仪器的核心
目前较流行的虚拟仪器软件环境
文本式的语言 如：C、Lab Windows／CVI， Visual Basic， Visual C++ 图形化语言 如：LabView、HPVEE
6.4.4 监控组态软件
监控组态软件（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）简称组态软件，是指在自动 监控系统的系统软件平台上预先设置一些数据采集 与过程控制的功能软件模块，用户能根据需要组态 使用。 1.监控组态软件的组成
1）图形界面组件 2）控制功能组件 3）实时数据库 4）通信接口组件
被监控对象
6.4.2计算机监控系统的特点
1）数据采集处理 3）网络开放 1）电力系统 3）消防系统 2）人机交互 4）可维护性 2）交通系统 4）城市治安系统
6.4.3计算机监控系统的应用
计算机监控系统和计算机控制系统的区别：
一般来自百度文库计算机控制系统中，计算机的主要作用 就是实现控制算法；而计算机监控系统着重强调数 据的采集处理、网络化，及可视化的人机界面。
6.1.2 现代测控技术的特点 现代测控技术呈现微型化、集成化、远程化、 网络化和虚拟化特点：
1．测控设备软件化：软件代替了很多硬件功能。
2．测控过程智能化：自诊断、自屏蔽、自学习等功能。 3．高度的灵活性：以软件为核心，功能实现方便。 4．实时性强：CPU运算速度快。 5．可视性好：具有友好的人机交互界面。
6.1.1 现代测控技术的定义 现代测控技术隶属于现代信息技术，是以电 子、测量及控制等学科为基础，融合了电子技术、 计算机技术、网络技术、信息处理技术、测试测 量技术、自动控制技术、仪器仪表技术等多门技 术，利用现代最新科学研究方法和成果，对测控 系统进行设计和实现的综合性技术。 现代测控系统中的每一个环节都有新技术的 影子，如：新型传感器；专用集成芯片；以计算 机为核心；构建网络等。
虚拟仪器的优点：
测量精度高、速度快、可重复性好、开关、 电缆少、系统组建时间短、测量功能易于扩展等 优点，有最终取代大量的传统仪器成为仪器领域 主流产品的趋势 。
2.虚拟仪器技术的特点 虚拟仪器融合了仪器仪表技术、计算机技术、高 速总线技术以及图形软件编程等技术。计算机在显示 方式、存储能力、处理器性能、网络等方面的优势， 使虚拟仪器具有多种优势。如：性能高、扩展性强、 便于集成、灵活性好。 3. 虚拟仪器系统的分类 根据通讯方式不同虚拟仪器可分为五种类型： PCI总线方式虚拟仪器；并行口式虚拟仪器；GPIB总 线方式虚拟仪器；VXI总线方式虚拟仪器；PXI总线 方式虚拟仪器。
集散控制系统的结构是管理集中、控制分散。 一个典型的DCS结构如图所示，由分散执行控制功能 的现场控制站（Field Control Station）和进行集 中监视、操作的操作站（Operator Station）以及 高速通信总线组成。
4．虚拟仪器的应用 1）电量测量 在电量测量方面，虚拟仪器功能强大，可实现 示波器、频率计、数字万用表等多种仪器的功能。 2）非电量测量 配以传感器和软件可检测各种非电量参数。
3）自动控制
适合测控一体化的设计。
4）自动测绘 各种仪器功能集成，可 实现多种参数同时测绘
虚拟示波器
6.3.3 仪器仪表技术发展方向 1. 仪器仪表智能化 2. 仪器仪表网络化 3．测控管一体化
5.4.4 基于计算机的网络控制 80年代后期，计算机控制开始采用开放式通 讯系统，可以和以太网接口，图示功能增强，组 态更加直观、灵活，基于计算机的网络控制系统 性能日益完善、应用逐渐普及。 1. 计算机集散控制系统DCS DCS(Distributed Control System)是以多个微 处理机为基础，利用现代网络技术、现代控制技 术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散工艺 对象的控制、监视管理的控制系统。
6．立体化：全球卫星定位、无线通信、雷达探测等。
6.1.3 现代测控技术的应用 1．现代工业 现代测控技术是现代工业的核心技术。
2．国防安全
现代武器系统离不开现代测控技术的支持。 3．航空航天 测控系统是航天发射和飞行的重要支持系统。 4．医药医疗
现代医药医疗业越来越依赖于现代测控技术。
6.2现代传感器技术 微电子技术、计算机技术和网络技术的快速发 展，推动了新型传感器技术的发展。 6.2.1新型传感器 1．集成传感器 利用微电子技术可将几种不同的敏感元件与放 大器、补偿电路等集成在同一芯片上，可以同时测 量多种参数。 或者将同一类敏感元件集成在一个芯片上，构 成二维阵列式传感器（又称面型固态图像传感器） ，可以测量物体的二维平面数据。
6.5.2 嵌入式系统的组成
一般而言，嵌入式系统由硬件和软件两大部分 组成。其中由嵌入式处理器和嵌入式外围设备构成 硬件平台，嵌入式应用软件在嵌入式操作系统的支 持下运行。
6.5嵌入式系统
一些应用场合要求计算机系统能嵌入到应用设 备之中。最早提出嵌入式的概念源于20世纪60年代 的武器制造，后来用于军事指挥控制和通信系统。 微处理芯片、液晶显示器、大容量电子存储器 件技术的发展为计算机控制系统的微型化提供了基 础条件。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的 每个角落，包括工业、服务业、消费电子等。
2．智能传感器 智能传感器带有微处理器，是具有信息处理功 能和通讯功能的传感器。表现在： 1）能对信息进行处理、分析和判断、调节。 2）具有自诊断和自校准功能。 3）能完成多传感器多参数混合测量。 4）能实时处理大量数据。
5）有数字式通信接口，可以直接与计算机进 行通信联络和交换信息。
6.2.2 传感器技术发展方向
6.4 计算机监控系统 计算机监控系统是指具有数据采集、监视、控 制功能的计算机系统。在这个系统中，计算机直接 参与被监控对象的检测、监督和控制。 6.4.1计算机监控系统的组成
计算机 应用程序 组态软件/数据库 操作系统 硬件 输入 输出 检测变送 功放执行 I/O接口 输入 检测/执行 检测变送
现代测控技术
1现代测控技术概述 2现代传感器技术 3 现代仪器仪表技术 4 计算机监控系统
5嵌入式系统
影响测控仪器的主要技术



传感器技术 A/D等新器件的发展 单片机与DSP的广泛应用 嵌入式系统与片上系统(SOC) ASIC、FPGA／CPLD技术 LabVlEW等图形化软件技术 网络与通信技术
6.5.4 嵌入式处理器
嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器 ，从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种，速 度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。
现在常用的嵌入式处理器可以分成下面几类： 嵌入式微处理器EMPU、嵌入式微控制器EMCU、嵌入 式DSP处理器、嵌入式片上系统ESoC、嵌入式可编 程片上系统ESoPC。 目前，全世界嵌入式处理器已经超过1000种， 流行的体系结构有30多个系列，其中以 ARM、 PowerPC、MC 68000、MIPS 等使用最为广泛。
2. 监控组态软件的特点
1）封装性 2）通用性 3）延续性和可扩充性 4）强大的图形设计工具
3. 监控组态软件的应用 除了自动控制领域，组态软件的应用已经拓展 到社会生活的方方面面。只要同时涉及实时数据通 讯、实时动态图形界面显示、数据处理、历史数据 存储及显示，就存在对组态软件的需求。
4. 监控组态软件的应用举例
广州中鸣数码的机器手
广州中鸣数码的机器狗
6.3 现代仪器仪表技术 6.3.1新型仪器仪表的特点
新型仪器仪表都无一例外地利用计算机的软 件和硬件优势，根据测控的实际需求，不断挖掘 仪器仪表智能化、网络化和虚拟化的特点。 由于信号被采集变换成数字形式后，更多的 分析和处理工作都由计算机来完成，很自然地使 人们模糊了仪器与计算机之间的界限，形成了 “ 计算机就是仪器”的概念。