第十四章 微型计算机在检测技术中 的应用微型计算机在检测领域中的应用日 益广泛，微机自动检测系统已成为检测 技术发展的主要方向。在掌握传感器及 信号处理技术的基础上，运用工程设计 的一些基本方法，可以方便地构建微机 自动检测系统。 第一节 现代检测技术综述现代检测系统的技术基础是总线技术、虚拟仪器 技术和网络化测试技术 .一.总线技术总线是一组互联信号线的集合，是计算机、测量仪器、测 试系统内部以及相互之间信息传递的公共通路，也是微机自 动检测系统的重要组成部分。微机自动检测系统的功能及形 式与其总线标准有很大的关系。利用总线技术，能够大大简 化系统结构，增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可维护 性，便于实行标准化以及组织规模化的生产，从而显著降低 系统成本。总线的类别很多，分类方式多样。根据总线上传输的信息不同，计算机系统总线分为地址总线 、数据总线以及控制总线；根据信息传送方式，总线又可分为并行总线和串行总线；从系统结构层次上区分，总线分为片内总线、元件级总线、 系统总线（内总线）及通信总线（外总线），如图14-1所示。片内总线是集成电路芯片内部用以连接各功能单元的信息 通路。 元件级总线是印刷电路板上连接各芯片的信息通路。 系统总线是微机机箱内的主板总线，用以连接微机系统的各 插件板，一般为并行总线。 通信总线用于微机系统之间、微机与仪器或其它外设之间的 连接，可以是并行总线，也可以是串行总线。 图14-1 微机各级总 线示意图1、系统总线除了许多计算机总线可用作系统总线外，还有不少专门为 自动检测系统设计的总线。系统总线主要包括：1）VME/VXI总线 2）PCI总线 PCI(Peripheral Component Interconnect) 3）PXI总线 PXI(PCI Extension for Instrumentation) 2、通信总线1）串行总线2）并行总线 3、现场总线 现场总线（Fieldbus）是用于过程自动化和制造自动化最底 层的现场设备或现场仪表互联的通信网络，是现场通信网络与控 制系统的集成。 图14-2 CAN测控网络二.虚拟仪器技术虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件三部分构成，计 算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。虚拟仪器将计算机强大的图形界面、数据处理能力与仪器 硬件的测量、控制能力结合在一起，实现对数据的显示、存储 以及分析处理。虚拟仪器由三大功能块构成：信号的采集与控制,信号的分析与处理,结果的表达与输出.图14-3 虚拟仪器结构图虚拟仪器的关键是软件，这是因为虚拟仪器技术最核心的思想 ，就是充分利用计算机的硬软件资源，使本来需要硬件实现的技 术软件化(虚拟化)，最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与 灵活性。虚拟仪器的软件框架由三部分构成：VISA库、仪器驱动程序和 应用软件。 三.网络化测试技术网络化测试技术则是在计算机网络技术、通信技术高速发展， 以及对大容量分布式测量的大量需求背景下，由单机仪器、局部的 自动测试系统到全分布式的网络化测试系统而逐步发展起来的。目前，以Internet为代表的计算机网络正在迅猛发展，随着网 络信道容量的扩大，网络速度将不再成为网络应用的障碍。为了实 现资源共享，许多企业都建立了自己的企业网（Intranet），并接 入到Internet，测试信息则通过企业网与外部Internet互连，从而 产生了基于网络化的分布式测试系统。图14-4 分布式测试系统的体系结构现场级总线用于连接现场的传感器和各种智能仪表，工厂级 用于过程监控、任务调度和生产管理，企业级则将企业的办公自 动化系统和测试系统集成而融为一体，实现综合管理。底层的现 场数据进入过程数据库，供上层的过程监控和生产调度使用，以 进行优化控制，数据处理后再提供给企业级数据库，以进行决策 管理。分布式网络化测试技术是一项应用面非常广的综合技术，涉 及到网络化测量、网络化仪器、网络化控制、网络化制造、遥测 、遥控等信息技术多方面的内容，有着广阔的应用前景。第二节 微机自动检测系统设计微机自动检测系统种类很多，按用途大体上可分 为通用和专用两大类。专用检测系统是针对具体的检测任务而设计的， 系统结构较为简单，所需的器件少，研制成本也较低 ，是本节讨论的重点内容。一、微机自动检测系统组成结构微机自动检测系统由现场传感器、数据采集装置及微 机三部分组成。数据采集装置的基本任务是：采集传感器 输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，通过 标准总线接口送至计算机进行数据处理。 图14-5 微机自动检测系统基本结构在微机自动检测系统的集成过程中，传感器的选用是前提， 总线构成了系统的框架，数据采集装置则是系统的关键。在数据 采集装置的设计过程中，微处理器是采集装置的核心，A/D芯片 决定了系统的精度和速度，监控程序是开发是重点。二、数据采集装置的硬件设计1.微控制器选择微控制器性能差异对系统实时能力和数据处理能力 产生直接影响，选择时一般考虑如下几方面的因素：CPU 性能，存储器，指令系统，中断系统功能。目前自动检测系统中广泛采用以单片微计算机（ Single Chip Microcomputer，以下简称单片机）为核心 构成数据采集系统。 最近十年来，以MCS-51技术核心为主导的微控制器 技术已被ATMEL、PHILIPS等公司所继承。ATMEL公司把自 身的先进Flash存储器技术和8031核相结合，生产出了与 MCS-51兼容而功能更强的ATMEL89系列单片机。其最大的 特点是内部含Flash存储器，在系统的开发过程中可以十 分容易地进行程序修改，使开发周期大为缩短。ATMEL89系列单片机有AT89C系列的标准型及低档型 ，以及AT89S系列的高档型。图14-6 AT89C单片机的结构框图 图14-7 AT89S单片机的结构框图近几年来片上系统SoC（System on Chip）的出现，为微机 自动检测系统的设计提供了全新的方案。SoC是指以嵌入式系统 为核心，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成 器件。SoC将电路设计的可靠性、低功耗性等都解决在IC设计之 中，把过去许多需要系统设计解决的问题集中在IC设计中解决 。SoC的出现极大地简化了检测系统硬件部分的设计，使得原 先单片机应用系统设计中软、硬件并重的局面发生了变化，软 件设计的比重将会加大。目前，许多可编程的SoC芯片及其开发 平台都提供了较理想的SoC技术应用开发套件，这些套件具有编 译、仿真、调试及验证功能。借助与这些工具和芯片所提供的 技术和方法，工程技术人员可以较快地进入SoC应用设计领域。2.信号调理电路信号调理单元是传感器输出与A/D转换之间的一个重要 环节，其主要作用有三点：第一是为A/D转换器提供适合其输入量程的输入信号；第二是运用隔离技术抑制共模干扰电压；第三是信号滤波及线性化处理。3.多路模拟开关微机自动检测系统往往需要同时采集多个传感器的输 出信号，然后进行A/D转换。如果每一路信号都采用独立的 输入回路，则系统成本成倍增加。为此，通常采用微机分 时采样的方法，使用多路模拟开关来实现信号测量通道的 切换。选择多路模拟开关一般要考虑下列技术指标：1）通道数量 2）泄漏电流 3）切换速度 4）开关电阻 4、A/D转换A/D转换的功能是将模拟量信号转换成数字量。 目前使用较多的A/D转换器有两大类，一类是并行A/D转 换，另一类是串行A/D转换。传统的A/D转换器都是并行的， 由于I/O的引脚较多，这类芯片的体积都较大。在串行A/D转 换器中，转换结果以串行二进制编码的形式输出，只有1根 数据输出线，加上1根时钟输入线、片选或其他形式的控制 信号线，引脚大为减少，体积也大为减小，接口电路的设计 更为简单。1)A/D转换的基本原理图14-8是逐次逼近型A/D转换器的原理图，图14-9是双积分型A/D转换器的原理图。 图14-8 逐次逼近型A/D转换器原理图图14-9 双积分型A/D转换器原理图2）A/D转换器的主要技术指标分辨率: 表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电 压的变化量。 量化误差: 由ADC有限的分辨率而引起的误差。偏移误差: 指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以 有时称为零值误差。满刻度误差: 指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理 想输入电压之差非线性度: 指ADC实际的转换函数与理想直线的最大偏移。转换速率: 指ADC每秒转换的次数，完成一次A/D转换所需的 时间则为转换速率的倒数。 3)A/D转换器选择要点首先要考虑A/D转换器的位数，它与整个检测系统的测量范 围及精度有关 .其次要考虑A/D转换器的转换速率。 再次要考虑的问题是工作电压和基准电压。此外，要考虑的 还有模拟量输入的范围和极性、性能价格比、可替换性等诸多因 素。5、采样及保持为了在满足转换精度的条件下提高信号允许的工作频率，可 采用采样/保持器(Sample /Hold)。它在AD转换开始时使信号电 平保持不变，而在AD转换结束后又能跟踪输入信号的变化。选择采样/保持器时，主要考虑：输入信号范围，输入信号变 化率和多路开关的切换速度. 当输入的模拟信号变化很缓慢，A/D转换速度相对而言足够快 时，可以不用采样/保持器。三、数据采集系统的软件设计微机自动检测系统的软件运行在不同的平台下， 设计中可能用到不同层次的程序设计语言。数据采集装置通常基于单片机或片上系统，一般 用汇编语言或C语言编写监控程序。监控程序的主要作 用是及时响应来自系统或外部的各种服务请求，有效 地管理系统软硬件资源，并在系统一旦发生故障时， 能及时发现和作出相应的处理。系统的数据处理功能通常在微机上实现，一般用 高级语言开发应用软件。 第三节 微机自动检测系统应用实例 一.基于单片机的数据采集系统1、方案制定根据设计要求，微机自动检测系统硬件由传感 器及测量电路、数据采集装置和通用微机三部分组成 ，系统结构如图14-10所示。传感器及测量电路是检测系统的前置部分，它 将被测参数转换成-10V10V双极性电平信号。 数据采集装置是一个单片机系统。 微机的主要任务是对信号进行分析处理。 图14-10 微机自动检测系统结构框图2、数据采集装置数据采集装置的电路由单片机、模数转换器AD574A、 RS232通信芯片以及部分逻辑电路组成。1)单片机单片机采用AT89S52，其CPU为8031，指令系统与MCS-51 兼容。内部有8KB可重复编程的Flash存储器，256字节的RAM ，有32条可编程的I/O线，3个16位定时/记数器，8个中断源 ，3级程序存储器锁定（加密），可编程串行接口及片内时 钟振荡器，一个全双工的UART串行通道以及看门狗电路。2)A/D转换器ADC芯片采用美国模拟器件公司的12位逐次逼近型快速 A/D转换器AD574A，转换时间为25s，转换误差为1LSB。 AD574A内部有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的 8位或16位微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，且与 TTL电平兼容。 图14-11 数据采集装置电路原理图 3）工作原理分析系统上电后先进行初始化工作，包括清RAM、设置堆栈指针 、设置相关的寄存器及标志位，然后立即进入监控程序。监控 程序的主要任务是接收解释微机发来的命令控制字，对被测量 的信号按规定的速度采样，经处理后通过串行口将数据发送到 微机。当发生串行口中断时，进入相应的中断服务程序，接收微 机发来的命令控制字。本系统中制定了一个简单的通信协议： 命令字为C0C9分别代表10档采样速度，数据块发送方式；命 令字为CA表示以最高速度采样并单点发送。在监控程序的每一次主循环中，CPU都要从命令控制字单元 取出命令并加以分析判断，当控制字的内容发生变化，则改变 定时器T0的时间常数，从而达到改变采样速度的目的。定时器T0中断的主要任务是启动AD574A的模数转换。 图14-12 监控主程序流程图3、微机应