1、第20章自動檢測系統(tǒng)概述概述p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(tǒng)稱為自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)p具有自動完成信號檢測、傳輸、處理、顯示與記錄等功能功能，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(xiàn)p“與信息技術深度融合的智能檢測技術與儀器”發(fā)展趨勢越來越明顯，極大地方便了信號檢測與處理的實現(xiàn)p檢測任務是在計算機控制下自動完成的，特點特點：p測試速度快、測試準確度高、測試功能多、測試結果表現(xiàn)形式豐富，能夠實現(xiàn)自檢、自校和自診斷，操作簡單方便等20.1 20.1 自動檢測系統(tǒng)的組成自動檢測系統(tǒng)的組成p由硬件、軟件兩大部分組成p硬件主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集

2、系統(tǒng)、微處理器、輸入輸出接口等 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 前置放大器前置放大器p前置放大器的主要作用主要作用是將傳感器輸出的微弱信號放大到系統(tǒng)所要求的電平p先經(jīng)前置放大器放大到較高的電平再作濾波、采樣等處理，以提高系統(tǒng)的準確度和抗干擾能力p目前，已有許多高性能的專用前置放大器芯片出現(xiàn)，如 AD521、AD522等，它們比普通運算放大器性能優(yōu)良、體積小、結構簡單、成本低弱信號放大到系統(tǒng)所要求的電平采樣采樣/ /保持器保持器p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(chǎn)生較大的誤差，因此，在A/D轉換器之前需接入采樣保持器p采樣保持器由模擬開關、保持電容和控制電路等組成由模擬開

3、關、保持電容和控制電路等組成pA1和A2為同相跟隨器。模擬開關S接通時，信號對保持電容迅速充電達到輸入電壓Vi的幅值，充電電壓Vc同時對Vi進行跟蹤（采樣階段采樣階段）p模擬開關斷開時，理想狀態(tài)下電容器上的電壓Vc保持不變，并通過A2送到A/D進行模數(shù)轉換，保證在轉換期間輸入電壓穩(wěn)定不變（保持階段保持階段）多路開關多路開關 多路開關是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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 多路開關的技術指標要求： 導通電阻越小越好（小于導通電阻越小越好（小于100歐），斷開電阻越大越好（歐），斷開電阻越大越好（109歐）歐） 對其導通或斷開的切換時間要求與被傳輸信

4、號的變化速率相適應，一般在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1us左右左右 各輸入通道之間要有良好的隔離，防止互相串擾 多路開關的分類多路開關的分類p機械觸點式和半導體集成式（電子式） 機械觸點式（常用舌簧繼電器）：結構簡單、導通阻抗小、斷開阻抗高、工作壽命長，但切換速度慢但切換速度慢，適合大電流、高電壓、低速高精度數(shù)據(jù)采集適合大電流、高電壓、低速高精度數(shù)據(jù)采集 半導體集成式：體積小、壽命長、切換速度快切換速度快、耗電小、易控制，但導通電阻大，輸入電壓電流容量有限，適用于小電流、低電壓、高速切換場合適用于小電流、低電壓、高速切換場合p單向和雙向 單向：信號按一個方向流

5、動，做多路開關或反多路開關 雙向：信號可兩個方向流動，可同時做多路開關和反多路開關p按模擬輸入通道可分為4路、8路、16路等。單向多路開關單向多路開關 AD7501芯片結構及管腳 差分差分4 4通道模擬開關通道模擬開關 AD7502芯片結構及管腳功能 多路開關的選用多路開關的選用p在模擬信號電平較低模擬信號電平較低時，應選用低電壓型多路開關，并注意在電路中采用嚴格的抗干擾措施 p在數(shù)據(jù)采集速率高、切換路數(shù)多數(shù)據(jù)采集速率高、切換路數(shù)多的情況下，宜選用集成多路開關，并盡量選用單片多路開關，以保證各路通道參數(shù)一致 p在信號變化慢且要求傳輸精度高信號變化慢且要求傳輸精度高的場合，如利用鉑電阻測量緩變溫

6、度場，可選用機械觸點式開關p在進行高精度采樣系統(tǒng)高精度采樣系統(tǒng)設計時，應特別注意多路開關的傳輸精度，特別是開關漂移特性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式 p采用分時轉換，各路被測信號共用一個采樣/保持器和一個A/D轉換器p在某一時刻，多路開關只能選擇一路輸入信號，把它接入采樣/保持器的輸入端。采樣完成后A/D轉換器開始轉換。在轉換期間，多路開關將下一路信號接到采樣/保持器的輸入端。系統(tǒng)這樣不斷重復操作，實現(xiàn)對多路信號的數(shù)據(jù)采集。p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。基本型基本型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式 p每一路通道都有一個采樣/

7、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p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(shù)轉換。這些同步采樣的數(shù)據(jù)有助于描述各路信號的相位關系p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同步型同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式 p每個通道都有獨自的采樣/保持器和A/D轉換器。轉換的數(shù)據(jù)經(jīng)過接口電路直接送到計算機中，數(shù)據(jù)采集速度很快p這種結構使用的硬件多、成本高；適用于高速、分散系統(tǒng)并行型并行型20.1.2 20.1.2 輸入輸出通道輸入輸出通道p輸入輸出通道的基本任務是實現(xiàn)人機對話，包括輸入或修改系統(tǒng)參數(shù)

8、，改變系統(tǒng)工作狀態(tài)，輸出測試結果，動態(tài)顯示測控過程，實現(xiàn)以多種形式輸出、顯示、記錄、報警等功能 p輸入通道輸入通道：傳感器與微處理器間的接口通道，將傳感器輸出的信號轉換成統(tǒng)一的標準電壓或電流信號，如05V、 420mA p輸出通道輸出通道：將檢測結果轉換成易顯示記錄的信號形式，或用于驅動執(zhí)行機械的控制信號20.1.3 20.1.3 自動檢測系統(tǒng)的軟件自動檢測系統(tǒng)的軟件p開發(fā)出友好的自動檢測系統(tǒng)操作使用平臺，使系統(tǒng)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(tǒng)的軟件設計p自動檢測系統(tǒng)的軟件配置取決于檢測系統(tǒng)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p從實現(xiàn)方式和功能

9、層次來劃分，自動檢測系統(tǒng)的軟件一般可分為主程序、中斷服務程序和應用功能程序 20.2 20.2 自動檢測系統(tǒng)的基本設計方法自動檢測系統(tǒng)的基本設計方法 價值觀考慮 在設計自動檢測系統(tǒng)時，除技術本身外，還要考慮法律、道德、經(jīng)濟、社會、環(huán)境、文化、健康、安全、能效等非技術因素，要嚴肅回答：該不該做？該不該做？可不可以做？可不可以做？值不值得做？值不值得做？ 自動檢測系統(tǒng)的一般設計過程系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求分析p確定系統(tǒng)的功能、技術指標和設計任務p主要是對被設計系統(tǒng)運用系統(tǒng)論的觀點和方法進行全面的分析和研究，以明確對本設計提出哪些要求和限制，了解被測對象的特點、所要求的技術指標和使用條件等p重點重點是分

10、析被測信號的形式與特點；被測量的數(shù)量、變化范圍；輸入信號的通道數(shù)、性能指標要求；激勵信號的形式和范圍要求；測試系統(tǒng)所要完成的功能；測量結果的輸出方式及輸出接口配置；對系統(tǒng)的結構、面板布置、尺寸大小、研制成本、應用環(huán)境等的要求 系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)總體設計 總體設計是一個事關全局的概要設計 系統(tǒng)總體設計應： 本著創(chuàng)新的精神和規(guī)則（標準）意識 考慮性能穩(wěn)定、精度符合要求、具有足夠的動態(tài)響應、具有實時與事后數(shù)據(jù)處理能力、具有開放性和兼容性等要求 追求整體優(yōu)化，并確保工程上的可行性、合理性系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)總體設計一般要遵循十個原則(1)創(chuàng)新性原則（創(chuàng)新） 創(chuàng)新是確保產(chǎn)品領先和延續(xù)產(chǎn)品生命力的源泉，唯有創(chuàng)新

11、才能贏得未來 在設計自動檢測系統(tǒng)時，應本著首要創(chuàng)新的精神，強化創(chuàng)新能力n落實創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念n充分運用新思路、新方法、新技術，追求新境界與新高度n通過跨界整合、交叉融合等創(chuàng)新途徑，不斷迭代式推陳出新，或者顛覆式創(chuàng)新n確保所設計的自動檢測系統(tǒng)“前所未有”，滿足目標用戶不斷增長的新期望n例：3D打印、方輪車、會飛的摩托車創(chuàng)新能力構成要素間的關系系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)總體設計(2)從整體到局部的原則（分解）(3)環(huán)節(jié)最少原則（簡化）(4)經(jīng)濟性原則（成本）(5)可靠性原則（可靠）(6)精度匹配原則精度匹配原則（協(xié)同）(7)抗干擾能力（抗干擾）(8)標準化與通用性原則（標配）(9)整

12、體優(yōu)化原則（優(yōu)化）(10) 工程倫理原則（人性化）系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)總體設計(10) 工程倫理原則（人性化、價值觀） 要求在考慮技術方案合理性的同時，還要兼顧社會、法律、道德、文化、環(huán)境、能還要兼顧社會、法律、道德、文化、環(huán)境、能效、健康、安全等非技術因素效、健康、安全等非技術因素 工程倫理是社會對工程技術人員在從事與工程相關的決策、設計、實施、評價等活動時的要求，與職業(yè)道德緊密關聯(lián)n工程倫理的基本準則包括：n以公眾的安全、健康和幸福為最高原則n僅在專業(yè)領域內提供工程服務n必須以客觀公正的態(tài)度發(fā)表公開聲明n誠實對待每位雇主或客戶n避免迷惑或欺詐行為n以提高職業(yè)信譽、水準為己任，做一個誠實可信、明

13、理守法的工程師n工程倫理最低要求就是不作惡！不能用自己所學的專業(yè)知識干壞事！采樣速率的確定采樣速率的確定 p必須正確選擇采樣速率，才能保證獲得最佳的性價比 p香農(nóng)采樣定理香農(nóng)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 p實際使用中一般取采樣頻率為輸入信號最高頻率的一般取采樣頻率為輸入信號最高頻率的3 5倍倍標度變換標度變換 p不同的傳感器的測量結果有不同的量綱和數(shù)值，這些參數(shù)經(jīng)傳感器和A/D轉換后得到一系列的數(shù)碼一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼值不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它只是對應被測參數(shù)的一個相對量值，往往還要轉換成人們熟悉的工程值工程值，即轉換成

14、帶有量綱的數(shù)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p標度變換有多種類型，取決于被測參數(shù)和傳感器的傳輸特性，常用硬件實現(xiàn)法和軟件實現(xiàn)法硬件實現(xiàn)法和軟件實現(xiàn)法 線性標度變換線性標度變換 線性標度變換適用于線性儀器，即測量得到的參數(shù)值與A/D轉換結果之間成線性關系，其變換公式為： 式中，y參數(shù)的測量值； y0量程最小值； ym量程最大值； N0y0所對應的A/D轉換后的數(shù)字量； Nmym所對應的A/D轉換后的數(shù)字量； x測量值所對應的A/D轉換值。0000mmxNyyyyNN例題例題- -線性變換線性變換 某煙廠用計算機采集煙葉發(fā)酵室的溫度變化數(shù)據(jù)，該室的溫度變化范圍為2080，

15、采用鉑熱電阻（線性傳感元件）測量溫度，所得模擬信號為15V。用8位A/D轉換器進行數(shù)字量轉換，轉換器輸入05V時輸出是000H0FFH。某一時刻計算機采集到的數(shù)字量為0B7H，試作標度變換。 解：根據(jù)題意，溫度20時檢測得到的模擬電壓是1V，因此，其對應的數(shù)字量為：N0=255*1/5=51 溫度80時檢測得到的模擬電壓是5V，因此，其對應的數(shù)字量為：Nm=0FFH255 因此，對應數(shù)字量0B7H183的標度轉換結果為： y=20+(80-20)*(183-51)/(255-51)=58.82 硬件設計硬件設計p一般包括以下幾個步驟步驟：自頂向下的設計、技術評審、設計準備工作、硬件的選型、電路

16、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。p硬件設計的內容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p硬件設計是在系統(tǒng)總體設計的基礎上，根據(jù)確定的電氣連接形式、控制方式、系統(tǒng)總線等以及檢測參數(shù)的數(shù)量、特點、要實現(xiàn)的檢測功能等來進行硬件選型或電路設計，使整個系統(tǒng)構成完整、協(xié)調 傳感器的選型傳感器的選型 選用傳感器一般要遵循三大原則三大原則，即遵從測量系統(tǒng)整體設計需要原則、高可靠性原則測量系統(tǒng)整體設計需要原則、高可靠性原則和高性價比原則和高性價比原則。 在進行傳感器選型時，通

17、常應考慮以下四個方面四個方面。 測試條件測試條件測試條件包括測量目的、被測量的選擇、被測量的特性、測量范圍、輸入信號的幅值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需要的時間、測量成本要求等。 傳感器性能指標傳感器性能指標傳感器性能指標包括傳感器的靜態(tài)特性指標和動態(tài)特性指標，如精度、靈敏度、穩(wěn)定性、響應速度、頻率響應特性、線性范圍、輸出量形式（模擬量或數(shù)字量）、輸出幅值、對被測對象產(chǎn)生的負載效應、校正周期、超標準過大的輸入信號保護等。 測量環(huán)境測量環(huán)境測量環(huán)境包括測量場地環(huán)境（如溫度、濕度、振動等），安裝現(xiàn)場條件及情況，信號傳輸距離，所需提供的電源及要求，與其他設備的連接要求等。 購買與維修因素購買與維

18、修因素包括價格、零配件的儲備、服務與維修制度、保修時間、交貨日期等。 除了以上四個大的方面外，還應盡可能兼顧結構簡單、體積小、重量輕等條件?？梢灾乜紤]以下幾個方面可以著重考慮以下幾個方面 1)根據(jù)測量對象、測量方法與測量環(huán)境確定傳感器的類型根據(jù)測量對象、測量方法與測量環(huán)境確定傳感器的類型 2)頻率響應特性頻率響應特性 3)靈敏度選擇靈敏度選擇 4)線性范圍線性范圍 5)精度精度 6)穩(wěn)定性穩(wěn)定性微處理器的選擇微處理器的選擇p微處理器是自動檢測系統(tǒng)的硬件核心，對系統(tǒng)的功能、性能價格以及研發(fā)周期等起著決定性的作用p目前，市場上可供選用的單片機類型很多，如美國Intel公司的8位MCS51系列、1

19、6位MCS96系列、PIC單片機，臺灣凌陽公司提供的8位、16位帶數(shù)字信號處理、語音處理功能的單片機等p單片機的選用主要考慮單片機的選用主要考慮CPU位數(shù)、存儲器容量、定時位數(shù)、存儲器容量、定時/計數(shù)器和通用計數(shù)器和通用輸入輸入/輸出接口等輸出接口等。一般要求微處理器的位數(shù)和機器周期要與傳感器所能達到的精度和速度一致，輸入輸出控制特性要合適，包括有無豐富的中斷、I/O接口、合適的定時器等，微處理器的運算功能要滿足傳感器對數(shù)據(jù)處理運算能力的要求等A/DA/D轉換器的選擇轉換器的選擇pA/D轉換器是將模擬輸入電壓或電流轉換為數(shù)字量輸出的器件pA/D轉換器的位數(shù)位數(shù)不僅決定采集電路所能轉換的模擬電壓

20、動態(tài)范圍，也很大程度上影響采集電路的轉換精度p應根據(jù)對采集信號轉換范圍與轉換精度采集信號轉換范圍與轉換精度兩方面要求選擇A/D轉換器的位數(shù)；在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，應盡量選用位數(shù)較低的A/D轉換器以節(jié)約成本成本p總體上說，在進行A/D轉換器選擇時，要根據(jù)信號轉換任務的精度要求、轉換速度要求、與前置環(huán)節(jié)的阻抗匹配、抑制噪聲干擾的能力、成本等綜合考慮例：數(shù)字化測溫系統(tǒng)例：數(shù)字化測溫系統(tǒng) 設計一個數(shù)字化Pt100鉑熱電阻溫度傳感器的測溫系統(tǒng)如圖20.9所示。已知鉑熱電阻溫度系數(shù)即靈敏度A3.8510-3/；恒流源電流Io3.0mA；差分放大器的放大倍數(shù)為40；如果要求測溫系統(tǒng)的測溫范圍為0160

21、，分辨率不小于0.01,試選擇A/D轉換器。n解：采用兩個完全相同的恒流源分別給測溫熱電阻RT與標準參考電阻Rf（其值為100歐）供電。調節(jié)差分放大器使得測量溫度為0時放大器的輸出為0V。當測量溫度為160時，送入差分放大器的電壓差值為：n經(jīng)差分放大器放大后的輸出電壓（滿量程輸出）為：0T0f000f0f1UI RI RI RAtI RI R At m0f3340 3.0 10100 3.85 101607.392 VUk UkI R At 例：數(shù)字化測溫系統(tǒng)例：數(shù)字化測溫系統(tǒng)n由上面的分析可知：要測量0160的溫度，放大器輸出電壓范圍在07.392V之間。通常A/D轉換器的量程范圍為05V或010V，因此，可選擇量程為010V的A/D轉換器。n為了達到0.01的溫度測量分辨率，要求A/D轉換器能夠分辨的最小電壓值為：n由于：n因此，A/D轉換器應采用16位的。 0T0f000f0f1UI RI RI RAtI RI R At min0f3340 3.0 10100 3.85 100.010.00046 VUkI R At141610V 0.00046V21739216384