测控系统原理及设计1_概论
测控系统原理及设计
测控系统原理及设计测控系统原理及设计是一种将测量和控制过程结合起来的技术系统，它通过采集和处理数据，实时监测和控制被测对象的状态和参数，并根据设定的规则和算法，进行反馈控制，以实现预期的控制目标。
测控系统的原理主要包括传感器、信号采集、信号处理、控制器和执行机构等组成部分。
传感器是测控系统的感知器件，它能将被测对象的状态和参数转化为电信号，如温度、压力、流量等。
信号采集模块将传感器输出的模拟信号进行采样和量化转换，转化为数字信号，以便进行数字信号处理。
信号处理模块对采集到的数字信号进行滤波、增益和滤波等处理，提取出有效信息，并进行参数计算和特征提取。
控制器是测控系统的决策和执行器，根据信号处理模块提供的参数和目标值，生成控制规则和控制算法，并输出控制信号。
执行机构是测控系统的执行器，将控制信号转化为物理作用力，实现对被测对象的控制。
测控系统的设计需要考虑多个因素，包括被测对象的特性，控制目标的要求，系统的可靠性和稳定性等。
首先需要选择合适的传感器，根据被测对象的特性和参数要求，选择适当的传感器类型和规格。
其次，需要设计合理的信号采集和处理电路，确保信号的准确性和稳定性。
在控制器设计中，要根据控制目标的要求，选择合适的控制算法和调节策略，使系统能够快速响应和稳定控制。
此外，系统的可靠性和稳定性是设计中需要重点考虑的因素，需要做好故障检测和容错处理，确保系统在异常情况下能够保持正常工作。
总之，测控系统原理及设计是一门涉及多学科的综合性学科，需要了解传感器原理、信号处理技术和控制理论等方面的知识。
通过合理选取传感器、设计有效的信号采集和处理电路，以及选择合适的控制算法和策略，可以实现对被测对象的准确测量和精确控制，满足各种应用场景的需求。
测控系统原理与设计
测控系统原理与设计测控系统是指通过一定的传感器、执行器和控制器等设备，对被测对象进行监测和控制的系统。
它在工业生产、科学研究、环境监测等领域发挥着重要作用。
本文将从测控系统的基本原理、设计要点和发展趋势等方面进行探讨。
首先，测控系统的基本原理是通过传感器获取被测对象的信息，经过信号处理后，由控制器进行分析和判断，再通过执行器对被控对象进行调节。
传感器是测控系统的核心部件，它能够将被测对象的物理量、化学量等转换成电信号，为系统提供输入。
控制器则是系统的智能核心，它能够根据传感器获取的信息做出相应的控制决策。
执行器则是根据控制器的指令，对被控对象进行调节，实现系统的闭环控制。
其次，测控系统的设计要点包括传感器的选择、信号处理、控制算法和执行器的选型等。
在传感器的选择上，需要根据被测对象的特点和测量要求，选择合适的传感器类型和参数。
信号处理是保证系统准确性和稳定性的关键环节，它能够对传感器采集的信号进行放大、滤波、线性化等处理，以保证控制器能够得到准确的输入。
控制算法是控制器的核心，它能够根据传感器获取的信息，实时调整执行器的输出，以实现系统的自动控制。
执行器的选型需要考虑被控对象的特性和控制要求，选择合适的执行器类型和参数。
最后，测控系统的发展趋势主要体现在智能化、网络化和多功能化等方面。
随着人工智能、物联网等技术的发展，测控系统将更加智能化，能够实现自主学习和决策。
网络化是指测控系统将更加便于远程监测和控制，实现远程操作和数据共享。
多功能化则是指测控系统将具备更多的功能和应用场景，能够适应更多的复杂环境和控制要求。
综上所述，测控系统作为一种重要的技术手段，在工业生产、科学研究等领域发挥着重要作用。
它的原理和设计要点决定了系统的性能和稳定性，而发展趋势则决定了系统的未来发展方向。
因此，对测控系统的原理和设计进行深入理解和研究，对于提高系统的性能和应用水平具有重要意义。
测控系统原理与设计
测控系统原理与设计1. 引言测控系统是指用于测量和控制各种物理量和工艺过程的系统。
它在工业自动化、科学研究、医学诊断、环境监测等领域起着重要的作用。
本文将介绍测控系统的原理和设计过程，并探讨一些常用的技术和方法。
2. 测控系统的基本原理测控系统的基本原理可以概括为测量、采样、处理和控制四个过程。
2.1 测量测量是测控系统的核心过程，它用于获取被测量的物理量或工艺参数。
常用的测量方法包括传感器测量、光学测量、电磁测量等。
传感器是测控系统中最常见的测量设备，它能够将被测量的物理量转化为电信号，供后续的采样和处理。
2.2 采样采样是将连续的模拟信号转化为离散的数字信号的过程。
采样过程中需要确定采样频率和采样精度。
采样频率应根据被测量物理量的变化情况进行选择，采样精度则取决于采样器的分辨率和噪声水平。
2.3 处理采样得到的数字信号需要经过处理才能得到有用的信息。
处理过程可以包括滤波、放大、数字化等操作。
滤波可以去除噪声和杂散信号，放大可以增强信号的强度，数字化可以将模拟信号转化为数字形式，方便存储和处理。
2.4 控制控制是根据测量得到的信息对被控对象进行调节和控制的过程。
控制可以分为开环控制和闭环控制两种。
开环控制是在没有反馈信号的情况下进行的控制，而闭环控制则通过测量系统输出与期望值的差异进行调节。
3. 测控系统的设计过程测控系统的设计过程可以分为需求分析、系统设计、硬件设计、软件设计和系统测试等环节。
3.1 需求分析需求分析是测控系统设计的第一步，它需要明确系统的功能需求、性能要求和运行环境等。
在需求分析过程中，需要对被测量的物理量、测量范围、系统响应时间等进行详细的分析和规定。
3.2 系统设计在系统设计阶段，需要确定系统的整体架构和各个组件之间的关系。
系统设计需要综合考虑硬件和软件两方面的因素，选择合适的传感器、采样器、控制器等设备，并设计合理的数据传输和处理流程。
3.3 硬件设计硬件设计是测控系统设计的核心环节，它包括电路设计、布线设计和硬件模块的选型和搭建等。
测控系统原理与设计
3.4.2 51单片机 用于频率测量
3.4 脉冲信号的采集
3.4.4 V/F转换
3.5.1 开关量输入信号的调 理
3.5.3 开关量输入信号与光 耦的连接
3.5.5 数字量输入信号的采 集
3 检测信号采集技术
3.5 开关量信号的采集
3.5.2 光电耦合器
3.5.4 开关量输入信号与 CPU的连接
3.6.1 VI的 结构
B
4.3.3 调制解调器集 成电路
C
4.3 数字信号的频带传输
4.4.1 发射电路
4.4.3 采用CC2400的收发 器电路
4.4.5 蓝牙技木
4 数据通信技术
4.4 数字信号的无线传输
4.4.2 接收电路
4.4.4 采用nRF24E2的发射 电路
4.4.6 实现远程数据无线通 信的一种方案
05
测控系统原理与设计
演讲人
2 0 11 - 11 - 11
01
1 概述
1 概述
01
02
03
04
1.1 测控系 统的分类与 组成
1.2 智能测 控系统
1.3 嵌入式 系统
习题与思考 题
1.1.1 测控系统的分类
1.1.3 测控系统的基本概念
1.1.5 测控系统的建模
1 概述
1.1 测控系统的分类与组成
1.1.2 测控系统的组成
1.1.4 测控系统的性能指标
1.1.6 测控技术的发展
1 概述
1.1 测控系统的分类与组成
1.1.7 控制策略与算法的发展
1 概述
1.2.1 智能测控 系统的概念
1.2.3 智能测控系统 的主要功能特征
测控系统原理与设计1_绪论
即： 同一个硬件系统，软件不同，就可
得到功能完全不同的测量仪器
软件系统是虚拟仪器的核心
返 回
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目前较流行的虚拟仪器软件环境
如：C、Lab Windows／CVI， 文本式的编程语言 Visual Basic， Visual C++
图形化编程语言
如：LabView、HPVEE
虚拟仪器的优点：
的功能与测量范围 单片机 DSP的广泛应用 ASIC、FPGA／CPLD技术 LabVlEW等图形化软件技术 网络与通信技术
1、传感器技术
为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感 器不断涌现。 聋哑传感器(Dumb Sensor) 智能传感器(Smart Sensor) 网络化传感器(Networked Sensor)
虚拟仪器
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三大组成模块
虚拟仪器
计算机 仪器模块 各种传感器 信号调理器 模数转换器 数据采集器 软件
个人计算机 （各种通用计算机）
数据分析 过程通讯 图形用户界面等软件
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虚拟仪器
计算机和仪器模块组成了虚拟仪器硬件测 试平台，完成被测输入信号的采集、放大、模 数转换以及输出信号的数模转换等。当硬件确 定后，用户可以通过不同测试功能的软件模块 （如数据分析、过程通讯以及图形用户界面等 软件）的组合实现不同的功能。
测量精度高、速度快、可重复性好、开关、 电缆少、系统组建时间短、测量功能易于扩展等 优点，有最终取代大量的传统仪器成为仪器领域 主流产品的趋势 。
NI的PCI-GPIB卡
操 作 系 统 ： DOS, Windows2000/9x/NT 最大I/0速度：
第一章 绪论 测控系统原理与设计 教学课件
§1.1测控仪器和系统的地位与作用
一、测控系统的地位
“测量”和“控制”是人类认识世界和改造世 界两项基本任务，而测控仪器或系统则是人类实 现这两项任务工具和手段。 二、测控仪器或系统的类型 测试系统、控制系统、测控系统
1.2测控系统微机化的重要意义
一、测控仪表或系统的发展历史 二、测控系统微机化的优点 计算机测控系统的新特点和新功能： (1)自动对零功能 (2)量程自动切换功能 (3)多点快速测控功能 (4)数字滤波功能 (5)自动修正误差功能 (6)数据处理功能 (7)复杂控制功能 (8)多媒体功能 (9)通信或网络功能 (10)自我诊断功能
1.3.2微机化控制系统
微机化控制系统是以微机为核心，单纯以程序控 制为目的的系统，其组成框图如图1-3-2所示。 它实质上是一种开环控制系统
图1-3-2微机化控制系统框图
1.3.3微机化测控系统
微机化测控仪器是以微机为核心、测控一体化的 系统，这种系统对被控对象的控制是依据对被控 对象的测量结果决定的。因此，它实质上是一种 闭环控制系统，其基本组成框图如图1-3-3所示。
主要由三部分构成： ①测控通道，包括输入通道和输出通道 ②人机接口 ③通讯接口
测控通道
图1-3-3微机化测控系统框图
测控系统原理及设计概论
西安卫星 测控中心
测控系统原理及设计概论
中国于2000年10月开始发射“ 北斗”定位卫星，可提供高精度的 定位、测速和授时服务，中国计划 在2015年形成覆盖全球的卫星导航 定位系统。
测控仪器和测控系统是检测技术的具体实 现 ，是获取信息的工具。
测控系统原理及设计概论
1.2 测控技术的发展
传统的测量仪器仪表用以测量、观察、监视 、验证、记录各种物理量、物质成分、物性参数 等。如压力表、测长仪、显微镜等。
随着工业的发展，测量和分析、计算、控制 常常融为一体。因此，现代仪器仪表还包括计算 、分析、控制、报警、信号传递和数据处理等功 能。
计算机测控系统
测控系统原理及设计概论
第1章 计算机测控系统概述
测控系统原理及设计概论
1.2 测控技术与仪器专业的定位
测控技术与仪器专业是多个仪器仪表类专业 合并而成的大专业，“测控技术与仪器”是指对 信息进行采集、测量、存贮、传输、处理和控制 的手段与设备。包含测量技术、控制技术和实现 这些技术的仪器仪表及系统。其内涵如所示。
测控系统原理及设计概论
课程名称
电路
模拟电子技术（I）
数字电子技术
微机原理与接口技术
自动控制原理
单片机原理与应用
可编程逻辑器件原理与设计
传感器原理
数字化测试技术
传感器技术课设
可编程逻辑器件课设
单片机技术课设
测控系统原理及设计概论
学分 5
3.5 3.5 3.5
4 4 3 4 4 1 1 1
本课程是测控专业的专业课，本课程 以 模拟电路、数字电路、传感器技术和微机 技术为前提，不同于先修课程，本课程主 要学习如何将各个功能模块组装起来构成 一个完整的测控系统，换言之，先修课程 是从微观上学习各模块自身的原理及构成， 而测控系统这门课程是从宏观上学习各个 模块之间的连接及影响，学习如何将各个 功能模块组合起来实现测试和控制的功能。
测控系统原理与设计实验指导书
电气工程学院《测控系统原理与设计》实验指导书王民慧，王武编写适用专业：测控技术与仪器贵州大学二O一六年八月前言本课程的基本内容介绍，通过学习学生需要掌握的基本知识。
“测控系统原理与设计”是测控技术及仪器专业的一门重要课程。
主要研究测控系统的组成原理、设计技术和应用方法。
课程涉及微机接口、标准总线、数据处理方法、测量控制算法、故障诊断以及测控系统的典型实例分析。
目的是让学生掌握测控系统的设计、开发方法，适应现代测控仪器发展的要求。
本课程的主意内容有：测控系统的构成、微机接口电路及其编程、标准总线、数据处理技术、监控程序设计方法、测控系统自检和故障诊断、测控系统总体设计和开发、以及智能化测量控制仪表的典型实例分析。
为使学生加深对测控系统原理基础理论的理解，掌握测控系统接口电路设计的基本方法，掌握基本的人—机接口软件编写方法，掌握用Proteus软件进行仿真试验的方法，为今后进行测控系统的设计打下坚实的基础。
本课程设置了如下实验：实验一 Proteus使用（验证性，2学时）通过实验熟悉Proteus的界面和使用，掌握用Proteus对模拟电路、数字电路和单片机进行仿真的方法。
实验二开关量输入通道实验（验证性，2学时）用一个按键模拟开关的接通和断开动作，将此开关信号送入51单片机，51单片机将收到的开关量信号用发光二极管显示。
实验三 ADC0809与MCS—51单片机接口实验（设计性，2学时）利用实验板上的ADC0809做A/D转换器，用电位器提供模拟量输入，编制程序，将模拟量转换成二进制数字量，用发光二极管显示。
实验四 DAC0832与MCS—51单片机接口实验（设计性，2学时）利用DAC0832，编制程序产生三角波，用示波器观看输出波形。
实验五按键控制液晶显示实验（综合性，2学时）利用按键和LCD1602进行电路设计，通过相应按键实现选择数字位的状态，并控制数字增加和减少的功能。
实验六键盘、LED显示实验（综合性，2学时）通过实验掌握键盘、显示器的接口方法；掌握键盘子程序调试方法，掌握按一个键并将其键值显示出来的方法。
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第1章 计算机测控系统概述
1.2 测控技术与仪器专业的定位
测控技术与仪器专业是多个仪器仪表类专业 合并而成的大专业，“测控技术与仪器”是指对 信息进行采集、测量、存贮、传输、处理和控制 的手段与设备。包含测量技术、控制技术和实现 这些技术的仪器仪表及系统。其内涵如所示。
测控技术 与仪器
测量技术
控制技术
测量仪器 测量系统 控制仪器 控制系统
课程名称 电路 模拟电子技术（I） 数字电子技术 微机原理与接口技术 自动控制原理 单片机原理与应用 可编程逻辑器件原理与设计 传感器原理 数字化测试技术 传感器技术课设 可编程逻辑器件课设 单片机技术课设
学分 5
3.5 3.5 3.5
4 4 3 4 4 1 1 1
农业自动化意味着农业生产的电子化、仪表化 和计算机控制化，而不仅仅是机械化（如拖拉机、 收割机、插秧机等）和电气化（小水电站、电力灌 溉等）。农业自动化主要包括耕耘、栽培、收割、 运输、排灌、作物环境的自动控制和最优管理。
本课程是测控专业的专业课，本课程 以
模拟电路、数字电路、传感器技术和微机 技术为前提，不同于先修课程，本课程主 要学习如何将各个功能模块组装起来构成 一个完整的测控系统，换言之，先修课程 是从微观上学习各模块自身的原理及构成， 而测控系统这门课程是从宏观上学习各个 模块之间的连接及影响，学习如何将各个 功能模块组合起来实现测试和控制的功能。
*家庭： 全自动照相机、洗衣机、电饭煲 *建筑： 自动门禁、自动监控系统
*银行： 自动取款机ATM
*交通： 自动控制红绿灯
化工控制使用的仪表种类繁多，温度测量使用的仪表 有热电偶、热电阻等；流量测量使用的仪表有差压式流量 计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计和质量流量 计等；液位测量使用的仪表有差压液位计、浮筒液位计、 雷达液位计和超声波液位计等；还有许多与产品质量相关 的物性如浓度、酸度、湿度、密度、浊度、热值以及各种 混合气体组分等测量仪表。
早期测控系统：
1926年美国建成第一条 汽车自动生产线
1952年美国研制出第 一台数控机床
70年代
独立式智能仪器（简称称智能仪 器）
微处理器的出现和广泛应用,产生以微处理器为 核心,将计算机技术与测量仪器相结合的仪器.
功能
可根据被测参数的变化自动选 择合适的量程，进行自动校准、 自动补偿、自动判断故障、优 化控制等，具有一定的人类智 能作用。
测量：是人们对客观事物取得数量概念的一 种认识过程。测量技术是实现这一过程的方法。
控制：是人们对客观事物或过程进行驾驭、 支配的一种操纵过程。控制技术是实现这一过程 的方法。
测量和控制是测控技术的重要手段。测控 仪器属于仪器仪表范畴。
测控仪器和测控系统是检测技术的具体实 现 ，是获取信息的工具。
1.2 测控技术的发展
西安卫星 测控中心
中国于2000年10月开始发射“ 北斗”定位卫星，可提供高精度的 定位、测速和授时服务，中国计划 在2015年形成覆盖全球的卫星导航 定位系统。
1981年美国“哥伦比亚” 号航天飞机首次发射成功
2005年我国成功发射载人飞船（神舟6号）
• 2.2.10 测控技术在农业中的应用
本课程的内容
测控系统 设计原则步骤与实例 可靠性与抗干扰技术
数据采集技术 人机接口与通信
数据处理
软件设计方法
测控技术即“测量”和“控制”的技术
测控技术与仪器即“测量技术”、“控制 技术”和实现它们的仪器。
测控技术涉及电子学、光学、精密机械、计算 机、信息与控制技术等多项技术，主要研究各种精 密测试和控制技术的新原理、新方法和新工艺。
1.1 测控技术的核心概念
测控技术研究的是如何运用各种技术工具延 伸人的信息获取、处理、控制和操纵的功能，使 动态过程稳定准确、提高效率、降低能耗等。
测控技术的核心是信息、控制与系统，尤其 是高度复杂系统的信息获取和控制问题，具有很 大的挑战性和潜在的经济效益。
如图水箱液位自动控制系统是典型的测控系统
化工厂的控制室
• 2.2.7 测控技术在航空航天业中的应用
航空指的是在地球周围稠密大气层内的航行活 动；航空飞行器有气球、飞艇、飞机等。航空仪表 相当于飞机的耳目、大脑和神经系统，用来测量、 计算飞机的飞行参数、调整飞机的运动状态，对保 障飞机飞行安全、改善飞行性能起着重要作用。
飞机驾驶舱内的仪表盘是显示和控
传统的测量仪器仪表用以测量、观察、监视 、验证、记录各种物理量、物质成分、物性参数 等。如压力表、测长仪、显微镜等。
随着工业的发展，测量和分析、计算、控制 常常融为一体。因此，现代仪器仪表还包括计算 、分析、控制、报警、信号传递和数据处理等功 能。
测量仪器与测控系统的发展
▪ 第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表 ▪ 第二代为数字式仪器仪表 ▪ 第三代是智能式仪器仪表
制飞行状态的核心，航空仪表测量 的数据主要有：
（1）飞行高度和飞行速度的测量 （2）飞机状态和方向测量 （3）过载测量： （4）发动机状态参数测量： （5）加速度测量：
空中客车A380飞机驾驶舱
为了保证火箭正常飞行和航天器在轨道上正常 工作，除了火箭和航天器上载有测控设备外，还必 须在地面建立测控(包括通信)系统，地面测控系统由 分布全球各地的测控站及测量船组成。
1）工业自动化仪表和控制系统 2）科学仪器 3）医疗仪器 4）电子与电工测量仪器 5）各类专用仪器仪表 6）传感器及仪器仪表元器件材料
除了卫星测控等非常专业的领域外，日常生活 中较少听到“测控”这个名词。更多听到的是这个 设备(工艺)是“自动化的”或“自动控制的”。上 述功能的本质都是测控技术。
测控技术不仅应用于现代生产、科学研究、航 空航天，也越来越多地应用于现代生活中。
智能仪器：
随着电子技术的飞速发展，仪器仪表的功能 从测量个别参数扩展为测量整个系统的各种参数； 从使用单个仪器进行测量转变为用测量系统进行 测量；从单纯的测量显示扩展为测量、分析、处 理、计算、控制与通讯。
பைடு நூலகம்
控制器
温湿度计
1.3 测控技术的应用领域
现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性 大致划分为6个大类：