第20章自動檢測系統傳感器與檢測技術（第2版）PAGE468PAGE467第20章自動檢測系統（知識點）知識點1概述能夠在沒有人或只有較少人參與情況下完成整個信息采集處理過程的系統稱為自動檢測系統。自動檢測系統集成了傳感器、計算機、總線等技術，具有自動完成信號檢測、傳輸、處理、顯示與記錄等功能，能夠完成復雜的、多變量的檢測任務，極大地方便了信號檢測的實現，是目前檢測技術發展的主要方向。自動檢測系統的各項檢測任務是在計算機控制下自動完成的，自動檢測系統通常具有測試速度快、測試準確度高、測試功能多、測試結果表現形式豐富，能夠實現自檢、自校和自診斷，操作簡單方便等特點。知識點2自動檢測系統的組成自動檢測系統由硬件、軟件兩大部分組成。硬件主要包括傳感器、數據采集系統、微處理器、輸入輸出接口等。這里主要就數據采集系統和輸入輸出接口進行介紹。（1）數據采集系統的組成典型的模擬信號數據采集系統由前置放大器、采樣/保持器、多路開關、A/D轉換器和邏輯控制電路等組成。1）前置放大器前置放大器的主要作用是將傳感器輸出的微弱信號放大到系統所要求的電平。目前，已有許多高性能的專用前置放大器芯片出現，如AD521、AD522等，它們比普通運算放大器性能優良、體積小、結構簡單、成本低。2）采樣/保持器由于A/D轉換需要一定的轉換時間，在此期間輸入信號電壓如有變化，則會產生較大的誤差，因此，在A/D轉換器之前需接入采樣／保持器（Sample/Hold，即S/H）。在通道切換前，使其處于采樣狀態，在切換后的A/D轉換周期內使其處于保持狀態，以保證在A/D轉換期間輸入到A/D的信號不變。采樣/保持器可以取出輸入信號某一瞬間的值并在一定時間內保持不變，它有采樣和保持兩種工作狀態。在采樣狀態下，采樣/保持器的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓；在保持狀態，采樣/保持器的輸出將保持采樣命令發出時刻的電壓輸入值，直到保持命令撤銷為止。采樣／保持器由模擬開關、保持電容和控制電路等組成。3）多路開關多路開關是數據采集系統的主要部件之一，其作用是切換各路輸入信號，完成由多路輸入到一路輸出的轉換。在測控系統中，被測物理量通常有多個，為了降低成本、減小體積，系統中通常使用公共的采樣/保持器、放大器和A/D轉換器等器件，因此，需要使用多路開關輪流把各路被測信號分時地與這些公用器件連通。有時在輸出通道中，需要把D/A轉換器生成的模擬信號按一定順序輸出到不同的控制回路中去，完成一到多的轉換，這時可稱為多路分配器或反多路開關。多路開關的技術指標要求導通電阻越小越好（實際＜100Ω），斷開電阻越大越好（一般在109Ω左右）；對其導通或斷開的切換時間要求與被傳輸信號的變化速率相適應，一般在1左右；各輸入通道之間要有良好的隔離，防止互相串擾。多路開關有機械觸點式和半導體集成式。目前采用的多路開關可分為單向（多路開關或反多路開關）、雙向（既能作多路開關、也能作反多路開關）兩種；按模擬輸入的通道數分有4路、8路和16路。常用的多路開關有AD7501(單向8路)、AD7506（單向16路）、CD4051（雙向8路）CD4066（雙向4路）等。4）總線、接口及邏輯控制電路模擬量輸入系統中各部分電路都需要邏輯控制電路進行管理和控制，而這些控制信息均來自計算機；A/D轉換器的輸出數據也要及時送到計算機中。相應的信息交換任務由接口和總線轉換電路完成。（2）數據采集系統的結構形式設計數據采集系統時，首先需要確定其結構形式，這取決于被測信號的特點（變化速率和通道數等）、對數據采集系統的性能要求（測量精度、分辨率、速度、性價比等）。常用的數據采集系統結構形式如下：1)基本型基本型結構通過多通道共享采樣/保持器和A/D轉換器實現數據的采集（如圖20.5所示），它采用分時轉換的工作方式，各路被測信號共用一個采樣/保持器和一個A/D轉換器。如果信號變化很慢，也可以不用采樣/保持器；如果信號比較弱，混入的干擾信號比較大，則還需要使用放大器和濾波器。圖20.5基本型結構基本型結構形式簡單，適用于信號變化速率不高、對采樣信號不要求同步的場合。2)同步型與基本型結構不同的是，同步型結構中（如圖20.6所示）每一路通道都有一個采樣/保持器，可以在同一個指令控制下對各路信號同時進行采樣，得到各路信號在同一時刻的瞬時值。多路開關分時地將各路采樣/保持器接到A/D轉換器上進行模數轉換。這些同步采樣的數據有助于描述各路信號的相位關系。圖20.6同步型結構同步型結構中各路信號仍然串行地共用A/D轉換器進行轉換，因此其速度依然較慢。3)并行型并行型結構如圖20.7所示。每個通道都有獨自的采樣/保持器和A/D轉換器，各個通道的信號可以獨立地進行采樣和A/D轉換。轉換的數據經過接口電路直接送到計算機中，數據采集速度很快。如果被測信號分散，可以在每個被測信號源附近安裝采樣/保持器和A/D轉換器，避免長距離模擬信號傳輸受到干擾。這種結構使用的硬件多、成本高；適用于高速、分散系統。圖20.7并行型結構知識點3輸入輸出通道輸入輸出通道的基本任務是實現人機對話，包括輸入或修改系統參數，改變系統工作狀態，輸出測試結果，動態顯示測控過程，實現以多種形式輸出、顯示、記錄、報警等功能。(1)輸入通道接口自動檢測系統的輸入通道是指傳感器與微處理器之間的接口通道。檢測系統中，各種傳感器輸出的信號是千差萬別的。從儀器儀表間的匹配考慮，必須將傳感器輸出的信號轉換成統一的標準電壓或電流信號輸出，標準信號就是各種儀器儀表輸入、輸出之間采用的統一規定的信號模式，標準電壓信號為0～±10V、0～±5V、0～5V等；標準電流信號為0～10mA、4～20mA等幾種形式。在大多數自動檢測系統中，傳感器輸出的信號是模擬信號（如直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓），因此，需要進行信號調理，涉及到的技術包括信號的預變換、放大、濾波、調制與解調、多路轉換、采樣/保持、A/D轉換等。如果傳感器本身為數字式傳感器，即輸出的是開關量脈沖信號或已編碼的數字信號，則只需要進行脈沖整形、電平匹配、數碼變換即可與微處理器接口。(2)輸出通道隔離與驅動自動檢測系統的輸出通道有兩個任務：一是把檢測結果數據轉換成顯示和記錄機構所能接受的信號形式，加以直觀的顯示或形成可保存的文件；二是對以控制為目的的系統，需要把微處理器所采集的過程參量經過調節運算轉換成生產過程執行機構所能接受的驅動控制信號，使被控制對象能按預定的要求得到控制。驅動信號不外乎是模擬量和數字量兩種信號類型。模擬量輸出驅動受模擬器件漂移等影響，很難達到較高的控制精度，相反，數字量驅動可以達到很高的精度，應用越來越廣泛。知識點3自動檢測系統的軟件(1)軟件構成除了硬件基礎外，軟件是自動檢測系統的核心。設計好自動檢測系統硬件之后，如何充分發揮其潛力，特別是系統中微處理器的潛力，開發出友好的自動檢測系統操作使用平臺，使系統具有良好的可管理特性、可控制特性，很大程度上依賴于系統的軟件設計。自動檢測系統的軟件配置取決于檢測系統的硬件支持和計算機配置、實時性與可靠性要求以及檢測功能的復雜程度。自動檢測系統的軟件大多采用結構化、模塊化設計方法。從實現方式和功能層次來劃分，自動檢測系統的軟件一般可分為主程序、中斷服務程序和應用功能程序。從所要完成的功能來劃分，自動檢測系統軟件可分為系統管理、數據采集、數據管理、系統控制、網絡通信與系統支持軟件六部分。(2)實時多任務處理自動檢測系統的整個應用軟件可由各任務組成，設計、調試可分別運行，且只針對目標任務修改其對應的程序。在自動檢測系統中可應用實時管理軟件（如實時多任務操作系統）進行資源管理、任務調度及任務間通信，滿足實時多任務處理的要求。自動檢測系統的實時性是指在規定的時限內，能對外部環境的變化（包括用戶的操作）做出必要的響應；多任務處理則是指根據預定任務處理的優先級別進行分時處理（多個任務的并行處理）。自動檢測系統的實時多任務處理功能包括各任務的工作時間管理、系統的任務調度、各任務間的通信聯絡、任務間的同步及信息的發送與接收等功能。知識點4自動檢測系統的基本設計方法自動檢測系統區別于傳統檢測系統的主要特點在于其“自動性”，體現為系統可根據被測參數及外部環境以及應用要求等的變化，靈活自動地選擇測試方案并完成測試任務。因此，設計自動檢測系統要著重從如何充分提高系統的自動化程度、提高系統對環境及被測量變化的適應性、提高對系統使用方式變化的適應性等方面來考慮。自動檢測系統的設計一般要經歷這樣幾個主要步驟：系統需求分析、系統總體設計、采樣速率的確定、標度變換、硬件設計、軟件設計、系統集成和系統維護等。20.2.3采樣速率的確定香農采樣定理指出：只有采樣頻率大于原始信號頻譜中最高頻率的兩倍，采樣結果才能恢復原始信號的特征。因此，在選擇采樣速率時，必須對被測信號進行分析，確定信號中的最高次諧波頻率，然后根據香農定理來確定采樣頻率；確定最高次諧波頻率（或截止頻率）時，要求被測參量信號中除去高于所確定的最高次諧波頻率成份后，仍然保留了其主要特征，不會造成測量精度的畸變或測量信號的失真。實際使用中一般取采樣頻率為輸入信號最高頻率的35倍。20.2.4被測信號通過ADC轉換成數字量后往往還要轉換成人們熟悉的工程值，因為ADC輸出的是一系列數字，同樣的數字往往代表著不同的被測量，即轉換成帶有量綱的數值后才具有參考意義和應用價值，這種轉換就是標度變換。標度變換有多種類型，取決于被測參數和傳感器的傳輸特性，實現的方法也很多，常用的有硬件實現法和軟件實現法。(1)硬件實現法硬件實現法通常利用精密電位器來調整前向通道某一放大器的放大倍數。其優點是簡單、直觀；缺點是將增加硬件的費用，占用線路板的面積，被標度變換的信號不很準確，使用上受溫度、濕度等環境變化引起漂移的限制。該方法只適用于輸出信號與被測量值成線性關系的情況。(2)軟件實現法軟件實現法在智能儀器儀表測量信號的標度變換中得到了廣泛使用，具有實現靈活、適用性廣、能克服硬件實現標度變換的環境限制等優點。其實現的方法一般是借助于數學表達式編寫程序，達到變換定標的目的。常用的軟件實現標度變換方法有兩種。1）線性標度變換線性標度變換適用于線性儀器，即測量得到的參數值與A/D轉換結果之間成線性關系，其變換公式為：（20.1）式中，－參數的測量值；－量程最小值；－量程最大值；－所對應的A/D轉換后的數字量；－所對應的A/D轉換后的數字量；－測量值所對應的A/D轉換值。20.2.5硬件設計硬件設計的步驟與自動檢測系統的功能要求和系統復雜程度有關，一般包括以下幾個步驟：自頂向下的設計、技術評審、設計準備工作、硬件的選型、電路的設計與計算、試驗板的制作、組裝連線電路板、編寫調試程序、利用仿真器進行調試、制作印刷電路板、硬件調試等。硬件設計的內容主要包括傳感器的選型、微處理器或計算機的選型、輸入輸出通道設計以及需要自行完成的硬件設計。硬件設計是在系統總體設計的基礎上，根據確定的電氣連接形式、控制方式、系統總線等以及檢測參數的數量、特點、要實現的檢測功能等來進行硬件選型或電路設計，使整個系統構成完整、協調。(3)A/D轉換器的選擇 A/D轉換器是將模擬輸入電壓或電流轉換為數字量輸出的器件，它是模擬系統與數字系統之間的接口。按轉換原理可以將A/D轉換器分為逐次逼近型、積分型、并行型和計數型四類。逐次逼近型A/D轉換器兼顧了轉換速度和轉換精度兩個指標，在檢測系統中得到了最廣泛的使用；雙積分型A/D轉換器具有轉換精度高、抗干擾能力強、性價比好等優點，常用于數字式測量儀表或非高速數據采集過程中；并行型A/D轉換器的轉換速度最快，但結構復雜、成本高，適合轉換速度要求極高的場合；計數型A/D轉換器結構簡單，但轉換速度較慢，目前較少采用。A/D轉換器的位數不僅決定采集電路所能轉換的模擬電壓動態范圍，也很大程度上影響采集電路的轉換精度。因此，應根據對采集信號轉換范圍與轉換精度兩方面要求選擇