检测信号的传输与采集

第2章检测信号的传输与采集第2章检测信号的传输与采集2.1检测信号的传输2.2检测信号的数据采集思考与练习题第2章检测信号的传输与采集2.1检测信号的传输2.1.1模拟信号的传输方法模拟信号的传输方法分为模拟信号模拟传输和模拟信号数字传输。模拟信号模拟传输传输的信号是模拟信号。在精密测量中，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，也就是调制。到达接收方后，接收方再通过解调方法还原出传送的模拟信号（不一定需要恢复原信号，只要能将它所反映的量值提取出来即可）。第2章检测信号的传输与采集检测信号可以采用电流形式，也可以采用电压形式传输。在机柜或控制室内，一般信号传输的距离不长，环境也较好，信号传输多采用电压形式。在较远距离传输时，考虑到传送线的电阻在一定的范围内变化对信号电流值的影响较小，并且信号电流流过电阻很容易转换成相应的信号电压，因而一般采用电流形式传送信号。模拟信号数字传输传输的信号是数字信号。第2章检测信号的传输与采集传感器输出的信号一般为模拟信号，在以微型计算机为核心组成的数据采集及控制系统中，必须将传感器输出的模拟信号通过编码器对其进行采样、量化和编码，将其转换成数字信号，再放在数字信道上传输，为此要使用模／数转换器。经计算机处理后的信号常需反馈给模拟执行机构如执行电动机等，需再经解码器解码还原成模拟信号，因此还需要数／模转换器将数字量转换成相应的模拟信号。第2章检测信号的传输与采集2.1.2U／I变换器集成器件1.XTR110的引脚排列如图2-1所示。图2-1XTR110的引脚图第2章检测信号的传输与采集2.XTR110采用标准４～20mA电流传输；输入／输出范围可选择；最大非线性误差为0.005％；带有精确的＋10V参考电压输出；采用独立电源工作模式，且电压范围很宽（13.5～40V）；引脚可编程。第2章检测信号的传输与采集3.输入/输出范围与引脚连接XTR110内部结构主要由输入放大器、U／I转换器和+10V基准电压电路等组成。对于不同的输入电压和输出电流，只要对某些引脚进行适当连接就可实现。不同的输入／输出范围时引脚的连接关系如表2-1所示。第2章检测信号的传输与采集表2-1不同的输入／输出范围时引脚的连接关系输入范围/V输出范围／mA3引脚4引脚5引脚9引脚10引脚0～200～202输入2222～204～202输入2220～104～2015、12输入22开路0～105～2515、12输入2220～50～2022输入221～54～2022输入220～54～2015、122输入2开路0～55～2515、122输入22第2章检测信号的传输与采集2.1.3U／IXTR110输入0～10Ｖ、输出4～20mＡ时的电路如图2-2所示。其中RP1为调零电位器，RP2为调量程电位器。对于其他输入电压与输出电流范围，使用时可根据具体情况改变管脚3、4、5、9、10的连接方式。ＸTR110的输出电流可用下式表示：SPANIN2IN1/4INREFo)2/V4/V16/V(10RI(2-1)第2章检测信号的传输与采集图2-2XTR110基本应用电路第2章检测信号的传输与采集RSPAN实际上就是内部50Ω电阻Ｒ9。为了获得不同的输出电流范围，也可连接相应的外部RSPAN。而外部晶体管则用于传导输出信号电流。推荐使用Ｐ沟道MOS晶体管。它的电压标称值必须大于或等于最大电源电压，如果电源电压＋Ｖcc超过了它的栅极击穿电压，晶体管的漏极将被击穿而失去作用。参考电压在管脚12处应精确校准。为保持精度，包括管脚３在内的任何负载都应与此点相连。第2章检测信号的传输与采集2.1.41.1）误码率的定义是二进制码元(每个数字就是一个码元)被错传的概率。这是衡量一个通信系统传输可靠性的指标。当所传输的数字序列趋于无限长时，误码率等于被传错的二进制码元数与所传码元总数之比，即传输的码元总数的码码元错误接受误码率第2章检测信号的传输与采集2）传输速率包括数据传输速率和调制速率两种，分别用比特率和波特率来表示。(1)数据传输速率。数据传输速率是指单位时间内传送二进制代码的位数。其单位是比特/秒或位/秒，用比特率表示，记为bit/s或b/s。计算公式为NTS21log第2章检测信号的传输与采集式中S——数据传输速率；T——电脉冲信号(码元)的宽度或周期；N——电脉冲信号所有可能的状态数，是2的整幂数。lbN是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数。若电信号所有可能的状态数N=2，即只有“0”和“1”两种状态，则每个电信号只传送1位二进制数据，那么S=1／T。第2章检测信号的传输与采集(2)调制速率。调制速率又称码元速率，是信号经调制后的传输速率，表示单位时间内传输的码元个数，用波特率表示，以波特(Baud)为单位。TB1数据传输速率与调制速率的关系是：S=BlbN。从上述介绍可知，只有当N=2即二进制调制时，数据传输速率和调制速率才是相等的。在多元调制时，两者是不相等的。信道是通信中传输信息的通道，它由相应的发送信息与接收信息的设备以及与之相连接的传输介质组成，其连接方式有点对点（点—点）连接和多点连接两种。第2章检测信号的传输与采集①点—点连接方式，又称两点直通方式，如图2-3(a)所示。这种方式是将终端和计算机系统之间用固定的专用线路相连接，平时并不拆除，适用于通信量较大的情况。②多点连接方式，如图2-3(b)所示。各终端共用一条主线路，这种方式节省线路，但要解决各终端同时访问主机而竞争线路的问题。第2章检测信号的传输与采集图2-3数据通信系统连接方式第2章检测信号的传输与采集2.1）单工、半双工和全双工通信（1）单工通信。如图2-4(a)所示，单工通信指数据总是沿一个固定方向传送，如从终端发数据给计算机，而不接收从计算机发来的信息。为了正确发送数据，在接收端收到信息后，要发回应答信息通知发送端，由发送端根据应答信息判断所发送数据是正确接收还是出错并再做处理。应答信息总是沿与数据传送方向相反的方向传送。故单工通信所指方向是数据传送方向。第2章检测信号的传输与采集图2-4单工、半双工、(a)单工通信；(b)半双工通信；(c)全双工通信第2章检测信号的传输与采集（2）半双工通信。如图2-4(b)所示，半双工通信是指数据可沿两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。当需要反向传送数据时，需要变换传输信道。（3）全双工通信。如图2-4(c)所示，全双工通信是指数据能同时沿相反的两个方向传送。一般实现方法是采用两个单工信道完成全双工通信，即四线制。也可采用频率分割法，将传输信道分成高频和低频两条信道，这时可采用二线制。第2章检测信号的传输与采集2）异步传输方式又称起止式同步。它是以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器任一方都不向对方提供时钟同步信号。在数据可以传送之前，异步传输的发送器与接收器双方不需要协调。发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。计算机主机与输入、输出设备之间一般采用异步传输方式，如图2-5（a）所示。同步传输以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号。计算机网络采用同步传输方式时，常将时钟同步信号置入数据信号帧中，以实现接收器与发送器的时钟同步，如图2-5（b）所示。第2章检测信号的传输与采集图2-5异步传输和同步传输第2章检测信号的传输与采集3）数据的传输分为串行传输与并行传输。串行传输的数据是一位一位在设备间进行传输，在发送站需将并行数据位流变成串行数据位流，然后发送到传输信道上，而在接收站又要将从传输信道接收到的数据位流变换成并行数据位流。在并行传输时，多个位在设备间是同时传输的。串行传输的速度比并行传输要慢得多，但费用低，通常传输距离较远的数字通信系统多采用串行传输。而并行传输的速度高，但设备费用也高，适用于近距离传输。第2章检测信号的传输与采集4）多路复用技术在同一条通信线路上，实现同时传送多路信号的技术叫做多路复用技术。常用的多路复用技术有时分多路复用、频分多路复用和波分多路复用。时分多路复用(TDM)是在传输时把时间分成小的时间片，每一时间片由复用的一路信号占用，各路信号在微观上是串行传送的，在宏观上是并行传送的。它广泛应用于数字通信中，计算机网络系统也使用TDM技术。第2章检测信号的传输与采集频分多路复用(FDM)是将多路信号分别调制到互不交叠的频段来进行传输，各路信号在微观上是并行传送的。FDM的缺点是各路信号之间易互相干扰，它多用于模拟通信中。波分多路复用(WDM)是在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种，它是在光波频率范围内，把不同波长的光波，按一定间隔排列在一根光纤中传送，即将光纤可工作的有效波长划分为多个波段，通过棱柱或光栅将不同的波段合成到一根共享光纤上。WDM用于光纤通信中。第2章检测信号的传输与采集5）基带、频带和宽带传输原始电信号所占用的频率范围叫基本频率(简称基带)，这种原始电信号称为基带信号。基带传输就是将基带信号直接送到线路上进行传输的传输方式。数字信号的基本频带为从0到若干兆赫。基带传输系统无需使用调制解调器，设备费用低，适用于短距离的数据传输系统中。频带传输是指将基带信号进行调制后形成的模拟信号送到线路上进行传输的传输方式。频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器。频带传输适合于长距离的数据传输，而且能够实现多路复用。第2章检测信号的传输与采集2.1.51．现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。它把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容、实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数十万米之外的电气开关等。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供了传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态第2章检测信号的传输与采集图2-6集中控制、(a)集中控制；(b)集散控制；(c)现场总线控制第2章检测信号的传输与采集2．现场总线的基础是数字通信，通信就必须有协议，现场总线的协议是参照国际标准化组织(ISO)的开放系统互连(OSI)协议。OSI协议是为计算机互联网而制定的七层参考模型，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，它对任何网络都是适用的，只要网络中所要处理的要素是通过共同的路径进行通信的。目前，各个公司生产的现场总线产品没有一个统一的协议标准，但是各公司在制定自己的通信协议时，都参考了OSI七层协议标准，且大都采用了其中的第1层、第2层和第7层，即物理层、数据链路层和应用层，同时考虑现场装置的控制功能和具体运用增设了第8层即用户层。第2章检测信号的传输与采集1）物理层定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。现场总线有两种编码方式：曼彻斯特编码（Manchester）和不归零编码（NRZ），前者同步性好，但频带利用率低，后者则刚好相反。Manchester编码采用基带传输，而NRZ编码采用频带传输。其调制方式主要有CPFSK和COFSK。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无线介质。第2章检测信号的传输与采集2）关于MAC层，目前有以下三种协议：（1）集中式轮询协议。其基本原理是网络中有主站，主站周期性地轮询各个节点，被轮询的节点允许与其他节点通信。（2）令牌总线协议。这是一种多主站协议，主站之间以令牌传送协议进行工作，持有令牌的站可以轮询其他站。（3）总线仲裁协议。其机理类似于多机系统中并行总线的管理机制。第2章检测信号的传输与采集3）应用层可以分为两个子层。上面子层是应用服务层(FMS层)，它为用户提供服务；下面子层是现场总线存取层(FAS层)，它