现代传感系统概述

第12章现代传感系统概述12.1现代传感系统的组成特点和发展趋势12.2分布式测量系统12.3现场总线系统12.4虚拟仪器12.1现代传感系统的组成特点和发展趋势现代传感系统是传感器及其应用系统的总称，实现信息量采集、处理、远程操作、资源网络化共享，高效完成复杂、艰巨的测量控制任务，综合体现了信息获取、处理、传输及利用等环节的技术集成优势，是现代信息社会测量控制与仪器仪表学科重要的发展方向之一。现代传感系统由传感器节点、通信网络、中央处理服务器、处理电路和相关软件组成，集成了传感器技术、分布式测量技术、计算机技术、网络通讯技术、现场总线技术、智能仪器技术、虚拟仪器技术等，可以满足现代测量、控制和数据处理的多种需求。12.1现代传感系统的组成特点和发展趋势特点：协作性、自治性、灵活性、开放性、可扩展性、智能化。发展趋势：网络化、智能化、数据融合、微功耗和微型化。12.1现代传感系统的组成特点和发展趋势协作性：现代传感系统中各分散的基本功能单元通过网络互连，进行数据传输，实现资源共享，协同工作，完成大型、复杂的测量任务；各节点设备功能可动态配置，信息量大、速度快、信息数字化，可远距离传输，系统监控不受地域限制，系统结构开放、灵活。自治性：现代传感系统具有根据已有知识和经验、以理性的方式进行推理和学习的功能。能感知自身状态和所处环境的变化，能不需要其它实体的干预情况下，通过主动行为来适应这种变化并做出适当响应。12.1.1现代传感系统的组成及特点12.1.1现代传感系统的组成及特点灵活性：用户可以根据功能需要选择不同供应商提供的设备，或为了探测不同量型信息的不同类型传感器和测量设备，构成传感系统。用通讯协议来协同设备间的联系，实现信息交换、融合和资源共享，互联设备间、系统间的信息安全传送，实现系统信息的统一、协调处理。开放性：可以根据单一任务和多任务组成不同规模的传感系统，规模可大可小。系统还可以新任务的需要，不断地添加新的传感单元；也可以随着某任务的完成或因传感单元发生故障，使某些传感单元退出系统，而不会影响整个传感系统的正常运行。12.1.1现代传感系统的组成及特点可扩展性：系统为完成特定任务而组织在一起时，各单元之间合理地分配任务，相互协作，解决由单一单元不能完成的复杂问题。针对不同的测量任务，系统可以随时增加或除去某个硬件而不必改变结构。系统可以增加新的测量功能而不需重新设计，软件可以不断升级，功能不断扩展。智能化：系统具有自诊断、自修正和自保护功能，能确定故障位置、识别故障状态等，传感测量、补偿计算、工程测量处理与控制等功能可以在系统内完成；可以随时诊断设备的运行状态，提供可选择的运行操作方案；可以根据不同的测量要求，选择合理的工作流程，对信息进行综合分析处理，对运行状态进行预测。12.1.1现代传感系统的组成及特点集成化：硬件上可将原来分散的、各自独立的传感器集成为具有多敏感功能的传感系统，实现多参数测量，全面反应被测对象的综合信息。软件支持平台可帮助用户将多个测量设备集成到单个系统，利用网络或总线技术为接入设备提供标准接口，可以组建不同规模的测试系统，具有再开发、可重组性。软、硬件的模块化处理，方便了系统集成，减小了维护工作量。网络化：系统利用通信网络、总线和各种标准接口，不受时空制约地把所需的信息采集、传输、处理、控制等组成一个统一的整体。12.1.2现代传感系统的发展趋势网络化：可以实现资源共享，使已有资源得到充分利用，从而实现多系统、多专家的协同测试与诊断。用户可以完成单机不能完成的工作，使用远程数据库的强大功能和海量存储，对数据进行存取和共享；重要数据实现多机备份，提高了系统的稳定性，实现了整个测控过程的高度自动化、智能化，同时减少硬件的设置，有效降低了系统的成本。12.1.2现代传感系统的发展趋势智能化：采用超大规模集成电路技术，嵌入式系统，将CPU、存储器、A/D转换器和输入、输出功能集成在一起，充分利用了计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对其内部工作状况进行调节，使采集的数据最佳，并且可以自补偿、自校准和自诊断等。由于具备数据处理、双向通信、信息存储和记忆以及数字量输出等功能，从而可以完成图像识别、特征检测和多维检测等复杂任务。12.1.2现代传感系统的发展趋势数据融合：对冗余数据进行网内处理，即中间节点在转发传感器数据之前，首先对数据进行综合，去掉冗余信息，在满足应用需求的前提下将需要传输的数据量最小化。在网内进行数据融合，可以在一定程度上提高网络收集数据的整体效率。数据融合减少了需要传输的数据量，可以减轻网络的传输拥塞，降低数据的传输延迟。数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠性，增加了数据的收集效率，延长系统的使用寿命。12.1.2组成特点和发展趋势微功耗和微型化：传感器工作时一般离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往使用电池或太阳能等供电，开发微功耗的传感器是必然的发展方向。各种控制仪器设备的功能越来越强，要求各个部件体积越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术。传感器的微型化不仅仅是尺寸上的缩微与减少，而且是一种具有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统，并在智能程度上与先进科技融合。其微型化主要体现为以下发展趋势：尺寸上的缩微和性质上的增强性，各要素的集成化和用途上的多样化，功能上的系统化、智能化和结构上的复合性。12.2.1分布式测量系统及其特征分布式测量系统通过Internet、Intranet或无线网络等，把分布于不同地方、独立完成特定功能的本地测量设备和测量计算机连接起来，允许在不同地理位置的多个用户与不同地理位置的多个仪器交互，以完成特定的测试任务，达到测量资源共享、协同工作、分散操作、集中管理、测量过程监控和设备诊断等目的。分布式测量系统是计算机技术、网络通讯技术、测量技术发展并紧密结合的产物，可实现测量设备的动态配置，测量数据的资源共享，增加了系统的灵活性、移植性和扩展性。12.2分布式测量系统12.2.2典型分布式测量系统的组成结构分布式测量系统以网络为基础，测量中心服务器为核心，由测量中心服务器、现场测试子系统和数据查询子系统组成，具有开放互联能力，支持网上测试应用服务的功能。客户端客户端客户端客户端Internet客户层管理层测量系统中心服务器测量任务数据库数据处理任务分类系统维护测试服务测量仪器测量仪器测量仪器测量对象测量对象测量对象测量层测量仪器测量对象现场测量中心查询显示Internet总线总线总线总线12.2.2典型分布式测量系统的组成结构客户端客户端客户端客户端Internet客户层管理层测量系统中心服务器测量任务数据库数据处理任务分类系统维护测试服务测量仪器测量仪器测量仪器测量对象测量对象测量对象测量层测量仪器测量对象现场测量中心查询显示Internet总线总线总线总线客户层是由一台或多台计算机（或终端设备）组成，以网络互联方式接入测量系统，负责与普通用户的交互。普通用户可以完成试验浏览、试验预约和数据查询、分析处理等过程。管理层是分布式测量系统的事务响应和事务处理中心，同时也是测量数据的处理、存取和交换中心。测量中心服务器负责完成用户的数据处理请求，控制测量服务器、响应与处理测量请求，同时实现对仪器的操作和反馈。客户端客户端客户端客户端Internet客户层管理层测量系统中心服务器测量任务数据库数据处理任务分类系统维护测试服务测量仪器测量仪器测量仪器测量对象测量对象测量对象测量层测量仪器测量对象现场测量中心查询显示Internet总线总线总线总线12.2.2典型分布式测量系统的组成结构现场测量层主要由测试仪器和数据采集设备构成，主要任务是响应测试中心的测试请求，并完成数据采集和调理工作（信号放大、滤波和转换等）。12.2.2典型分布式测量系统的组成结构客户端客户端客户端客户端Internet客户层管理层测量系统中心服务器测量任务数据库数据处理任务分类系统维护测试服务测量仪器测量仪器测量仪器测量对象测量对象测量对象测量层测量仪器测量对象现场测量中心查询显示Internet总线总线总线总线12.2.3分布式测量系统的软件支持随着计算机软件技术的发展和变迁，分布式测量系统的软件结构大致涉及底层硬件驱动程序、网络通信协议实现、数据库存储及访问和测量控制/查询/显示平台开发等。开发工具主要有VB、C++Builder、VC、C#、JAVA等。在实际开发中可能采用不同的工具开发不同的模块，例如数据库开发可以采用Delphi、VB或SQLSever2000。仪器控制界面采用VB或.NET等等。开发语言和开发环境对系统影响不大，主要看相互之间信息交互的网络平台，下面主要介绍目前最流行的基于JAVA语言的测量平台开发。12.2.4分布式测量系统的设计开发基本因素：系统功能及技术指标，系统可靠性，系统可操作性和维护成本等。设计原则：从整体到局部（自顶向下），分析测量系统总体功能需求和技术指标，制定总体设计要求；根据总体设计需求，将复杂要求简单化，分解为相对独立的任务，制定详细的设计方案和实施策略。12.3现场总线系统现场总线：安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。测控领域的计算机局域网，使控制系统和现场设备之间有了通讯能力，并组成信息网络，实现系统的自动化，提高系统运行的稳定性。现场总线是以单个分散、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，节点间通过总线连接实现信息交互，共同完成自动控制功能的网络系统和控制系统。现场总线控制系统：以现场总线为基础的全数字控制系统。12.3.1现场总线系统的体系结构具有总线接口的传感变送器、控制模块等设备通过总线与控制器相连并形成网络。各个现场总线控制器再与位于车间的控制计算机形成车间级的监控网。每个现场设备都具有微处理器和通信单元，可以与阀门、开关等执行机构直接传送信号，控制系统能够不依赖中央控制室的计算机而在现场直接完成，实现彻底的分散控制。工厂骨干网车间级监控网控制器控制器??现场总线现场总线12.3.2典型现场总线协议PROFIBUS12.3.3现场总线仪表全数字式：这是现场总线技术的显著特征，采用全数字式通信可以提高传输距离和通信可靠性。精度高：仪表的智能化和数字化从根本上提高了测量和控制的精度，基本上消除了模拟通信中数据传送所产生的误差。互操作性：不同厂家的设备可以相互通信，相互兼容。只要符合同一现场总线标准的仪表都可以互相连接和交换数据，这就对用户在系统构建初期产品的选择和后期维护更换带来了极大的便利。系统成本低：一方面，一个设备可以实现多变量测量。另一方面，现场总线系统的接线比较简单，现场布线的成本大大降低，后期维护方便，成本低。12.3.3现场总线仪表信号调理存储器数字信号处理（DSP）CPU数字接口A/D数字逻辑控制现场总线接口显示单元现场总线模拟量输入典型结构12.3.4现场总线系统的实现①网络的拓扑结构：设计合理的结构，采用网桥等中继设备，能够有效提高网络的传输性能。②传输距离：每种现场总线都有其一定传输距离要求，在不能够满足需要的情况下是否可以采用中继器。③传输速度：传输速度必须满足测量系统需要，保证整个系统的实时性。④负载能力：每种总线网络可串行负载数量有一定的限制，如果负载需要扩展，需要采用怎样的拓扑结构和扩展设备。⑤空间分布：现场总线系统各个节点分布在不同空间，系统拓扑结构往往与空间分布密切相连，选择合适的拓扑结构，可提高系统可靠性、降低系统成本。12.3.4现场总线系统的实现⑥节点功能：现场总线上每一个节点都是一个智能单元，在保证功能的前提下，每个节点和主控器分担不同的功能，为保证整个系统的可靠，在节点硬件成本合理增加的基础上，每个节点应尽量完成较多的计算任务，减少现场总线的数据传输量，提高系统的可靠性。⑦总线开放程度：有的总线协议是开放的，有的是不开放的，有的提供芯片级支