测控系统通信与网络课件

测控系统通信与网络主讲：武汉大学电子信息学院王泉德第一章绪论自动测量和控制系统(ComputerAutomatedMeasurementAndControlSystem)(简称测控系统)是一门新兴技术，它是自动化控制技术、计算机科学、微电子技术和通信技术有机结合、综合发展的产物。测控系统包含的内容十分广泛，它包括各种数据采集和处理系统、自动测量系统、生产过程控制系统、导弹与卫星的检测及发射控制系统等，广泛应用与航空/航天、核科学研究、工厂自动化、实验室自动测量和控制、以及办公自动化、商业自动化、家庭自动化等人类生活的各个领域。目前，计算机已经大量进入各个工业部门，承担着在生产过程的控制、监督和管理等任务，计算机可以实现复杂的数学分析计算，以便对生产过程实行更有效的控制。以计算机为中心构建的测控系统也称为计算机测控系统。在计算机测控系统中：操作人员可以通过显示终端对生产过程进行监督和操作，键盘和显示屏幕代替了庞大的控制仪表盘以及大量的开关和按纽，控制室已变的越来越小，只需很少人就能完成对生产过程进行监督和操纵的任务；管理人员和工程师可以通过计算机测控系统获取大量的有关生产装置工作状态的信息和分析计算的结果，以便及时作出正确的决策，使生产装置更有效的发挥效能。测控系统与具体的对象和领域联系起来形成了不同的学科。测控系统的发展经历了从人工监测与控制、自动监测与控制到复杂智能监测与控制的演变历程。本教材所指的测控系统主要指用于工业、国防、环境、医学等领域的各种仪器仪表、自动测试系统、过程控制系统、集散型控制系统等。一、智能仪器和个人仪器把内部装有微计算机的仪器，或者把内部装有微计算机并可程控的仪器叫做智能仪器（IntelligentInstruments）,或称为灵巧仪器（SmartInstruments）。在智能仪器中，微计算机的作用负责信号的处理、变换、计算、判断、诊断、以及仪器测量过程的协调等。从嵌入式技术的角度来看，微计算机系统为嵌入式系统，仪器为宿主系统。随着人工智能理论与技术的成熟，智能仪器正在向着具有知识的自学习、智能识别、智能判断的高级智能仪器发展。1982年后，出现了另一类与微计算机紧密结合的仪器，即个人仪器（PersonalInstruments）或个人计算机仪器（PCInstruments）。这种仪器和智能仪器的不同之处在于它是将与信号检测有关的硬件作成计算机标准部件并置于个人计算机内。1、智能仪器的基本构成智能仪器主要包括微型计算机系统、测试功能或信号发生器、通用接口母线三个部分：（1）仪器中的键盘控制、输出显示是微型计算机系统的组成部分，与微型计算机系统的接口类似。（2）微处理器是整个智能仪器的核心（3）各种信号的传递通过总线进行。信号测试模块显示输出键盘控制微处理器GPIB接口微型计算机总线微型计算机系统被测信号GPIB总线2、个人仪器的基本构成（1）仪器插件直接插在个人计算机的总线扩展槽。该结构难于满足重载仪器对散热和电源的要求；（2）在PC总线扩展的底板或外部插件箱中插上若干仪器卡，并配上可编程通用仪器接口GPIB和其他仪器连接，形成以PC扩展总线为核心的多功能仪器系统，解决了电源要求，同时避开了个人计算机的噪声干扰。软件个人计算机个人仪器插件PC总线总扩线展槽（1）PC总线仪器插件1软件个人计算机总线扩展槽仪器插件2仪器插件n通用接口电源GPIB总线扩展底板或外部插件箱…（2）（3）采用个人计算机和个人仪器互连的专用接口总线，如VXI、CAMAC、PXI总线等。个人计算机扩展槽GPIB接口接口板专用接口个人仪器模块电源软件PC总线专用总线GPIB总线（3）随着计算机技术的发展，尤其是数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度越来越快。在仪器的信号处理部分，用软件代替硬件，即：用算法代替电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能；同时，结果表达与仪器控制原本就是计算机的“长项”。这样，把传统仪器的后两部分（信号处理、结果表达与仪器控制）用计算机软件来实现，而不再采用硬件（电子线路）来实现，基于这种思想形成的仪器，就叫虚拟仪器。3、虚拟仪器所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。“虚拟”有两层含义：（1）虚拟的仪器面板（2）由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器）随着计算机网络技术的高速发展和应用的普及，基于网络技术的虚拟仪器已成为今天仪器领域发展的一个重要方向。目前，对网络化虚拟仪器还没有一个准确的概念，但普遍认为网络化虚拟仪器应该包含数据采集、数据分析和数据显示三部分，并称为：测量节点、测量分析服务器和测量浏览器。4、网络化虚拟仪器网络化虚拟仪器的基本构成（1）远距离测量系统：将一个或多个测量点的测量数据通过网络传输到一台计算机节点进行处理的系统。此时，待测点一般远离本地计算机主机系统。（2）测量数据发布系统：由本地测量节点完成测试任务，再将测量的结果通过网络发布到一台或多台远程PC节点的系统。非智能节点远程测量节点智能仪器GPIBEthernetEthernetEthernetEthernet/GPIB本地PC机（1）远距离测量系统本地测量节点远程PC节点EthernetEthernetEthernet（2）测量数据发布系统（3）将（1）和（2）融合，每个PC节点从多个测量节点获取测量数据，并将测量数据发布给其他PC节点，形成一个共享测量资源与数据的网络。EthernetPC节点PC节点PC节点测量节点测量节点（3）企业级测量系统（4）网络化虚拟仪器与INTERNET结合的典型结构各种现场被测设备及I/O节点本地PC机本地PC机实时监控计算机用户WEB服务器FTP服务器EMAIL服务器播放器其他服务器GPIB转换器其他接口现场节点测试网络信息网络INTERNET二、自动测试系统（ATS）通常把在较少人工参与下就能自动进行测量、数据处理并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统（AutomaticTestSystem）。把各种可程控仪器、计算机及其支援设备以特定接口相连并装备面向测试的软件就构成了自动测试系统。因此，开放、标准的控制接口是构建自动测试系统的基础；同时自动测试系统的应用需求，极大地促进了仪器智能接口和总线技术的发展。自动测试系统具有速度快、实时性好、数据量大、功能全可进行产品参数测试等优点。因此，对提高生产效率、减轻工作强度和提高产品质量实现生产系统的自动化有重大的现实意义。自动测试系统的基本构成自动测试系统经历了最初采用单一GPIB总线，到采用GPIB和VXI混合总线，未来将采用cPCI、PXI和LXI总线等。与传统单台仪器相比，自动测试系统充分发挥计算机优势、能将多台仪器有机地结合起来发挥群体优势，是解决大数量、多参数、高精度、高速度这些相互间不无矛盾的测量要求的重要手段，非常适合复杂测试对象或生产线快速测量要求的场合，如：大型复杂电子装备集成联试和维修保障，电子元器件或射频微波模块批量生产线等。三、过程控制系统过程控制系统主要用于生产过程控制、武器的导航与制导等，强调监测的目的是自动控制。在工业应用领域，过程控制系统经历了从PLC控制系统、单/多回路自动控制系统、计算机测控系统、过程控制系统（PCS）、集散型控制系统（DCS）到全集成控制自动化系统（TIA）1、过程控制系统的基本构成操作站和上位机：主要完成测控系统的管理、调度和静态优化处理任务，并协调指挥各监控站的工作，亦即完成“集中操作、综合协调”的功能，同时也完成“分级管理”的功能。CRT操作站有系统组态工作台、运行操作工作台、CRT显示器、打印机和软硬盘通信接口等。上位计算机一般是小型计算机、超小型计算机或高性能微型计算机。上位机扩展接口操作站高速数据通道监控站通信接口工业对象通信接口通信接口通信接口监控站高速数据通道：是具有高速通信能力的总线，负责各监控站之间以及各监控站与上位计算机、外部系统之间的数据传输，是现代计算机测控系统的支柱。该总线一般采用局域网络，使用通用或专用通信协议。通信接口：配合高速数据通道完成各监控站之间通信的基本部件。它的结构和监控站的功能有关，主要包括移位寄存器、地址译码寄存器、驱动器和收发电路等。依通信规则，有的计算机测控系统设有通信指挥器或通信控制站。监控站：除上位计算机外，其他通过通信接口挂在高速数据通道上的装置都称为监控站。功能不同，站的具体构成也不同，赋予不同的名称。每个站都以微处理器为核心，是一个高度依赖计算机技术的智能装置。除上面的硬件系统外，计算机测控系统还有非常丰富的软件系统，包括操作系统、网络通信系统、组态软件、数据采集软件、控制算法软件、诊断软件、报警程序等等。2、过程控制系统举例空分过程控制系统：自空压机来的压缩空气，经分子筛除去水份、二氧化碳、碳氢化合物等杂质后，一部分空气被直接送往精馏塔的上塔，另一部分则进入膨胀机经膨胀制冷后，被送往下塔。精馏塔中，上升蒸汽和下落液体经热量交换后，在上塔的顶部可得到纯度很高的氮气，在上塔底部可得到纯度很高的氧气。四、测控系统的典型应用无论是智能仪器、个人仪器、虚拟仪器、自动测试系统，还是过程控制系统，都需要以通信系统为核心来构建。本课程所讨论的通信与网络技术就是指应用于测控系统的通信与网络技术。在航空和航天领域中，测控系统已经代替了大量的测试仪器，担负着实验室、导弹总装厂和发射场的各种测试及发射控制任务，使得测试和发射准备时间大大缩短，操作人员和特种车辆大量减少。发射场的指挥员在控制室或指挥车里就可以观察到导弹或卫星各系统的工作情况和各种参数，以便作出正确判断，对发射过程进行有效的控制。飞船和运载火箭每次任务都要研制，而测控系统长期使用（10-15年）西安卫星测控中心1、测控系统在航空航天领域的应用航天测控系统中的测控通信系统是载人航天工程七大系统之一，也是其中最不容易被人注意到的部分。然而，作为这个系统代表的航天测控网，却始终贯穿每次载人航天飞行任务的全过程。我国航天测控网采用Ｓ波段（2-4GHz）测控体制，由陆基测控站、海上测量船以及车载测控站和北京、西安、酒泉三大中心共同组成的遍布全国及可航行于三大洋的庞大航天测控网。美国载人航天测控网具有跟踪、遥测、遥控功能，后增加了通信和电视，支持了水星、双子星和阿波罗计划。水星计划时包括１６个测控站，９个设在国外，其中包括两艘远洋测量船，跟踪使用Ｃ和Ｓ频段雷达。双子星座网计划时测控站增加到２１个，并将飞行计算中心和控制中心合并建立休斯敦载人航天指控中心。阿波罗网的变化主要是采用ＵＳＢ站，全球建立了近２０个测控站。在跟踪与数据中继卫星系统投入使用后，美国关闭了大部分地面站。俄罗斯载人航天测控网包括加里宁格勒飞行控制中心和加里茨恩飞行控制中心，通信方面采用卫星通信和中继卫星系统，包括上升段发射场和航区的多个测控站，运行段使用了沿国土均匀分布的７个测控站。站内设备有多能测控设备、遥测设备、雷达、通信设备、卫通、中继卫星终端、计算机和标校设备等，具有测轨、遥测、遥控、通信和电视传输等功能。后来，俄罗斯在二十世纪七八十年代相继建造了11艘测量船。2、测控系统在工业上的应用（1）配电综合测控系统遥测功能电能计量功能统计功能遥信功能遥控功能低压智能无功补偿功能远程通讯功能（2）机器人测控系统具有无线监控端具有遥控功能轨迹规划控制参数调整3、民用测控系统基于以太网的智能社区、智能建筑的民用智能测控系统以TCP/IP网络为中心，将各子系统有机的集成为一体4、ABB公司的INFI-90开放集散控制系统开放系统管理财务管理人力资源管理物资管理经营管理产品报告配置管理调节计算试验管理维修管理产品跟踪基于小型机的信号服务基于PC的信号服务工程师工作站INFI-90仿真计算过程控制单元过程仿真单元仿真模件网络交换机局域网交换机局域网INFI-90生产控制系统的通信包含多个层次：局域网为公司内部部门间通信；双环总线为实时监控提供服务；模板总线是过程控制单元内的