简单计算机测控系统
测控系统概念
第一章1.1测控系统的概念测控系统是现代检测技术与现代控制技术发展的必然和现实的需要，是以检测为基础，以传输途径，以处理为手段，以控制为目的的闭环系统。
测控系统的基本构成由四个部分构成：传感检测部分：感知信息（传感技术、检测技术）信息处理部分：处理信息（人工智能、模式识别）信息传输部分：传输信息（有线、无线通信及网络技术）信息控制部分：控制信息（现代控制技术）1.3测控系统的基本特点❖设备软件化：简化硬件、缩小体积、降低功耗、提高可靠性。
❖过程智能化：以计算技术和人工智能为核心。
❖高度灵活性：实现组态化、标准化、分布式。
❖高度实时性：采集、传输、处理、控制高速化。
❖高度可视性：图形编程、三维技术、虚拟现实。
❖测控一体化：测量、控制、管理。
二、测控系统的分类和组成（ppt图10页）1.检测系统又称数据采集系统。
以通用计算或嵌入式计算系统为核心，单纯实现系统信号的检测、处理、记录和显示为目的的系统。
2.控制系统以通用计算机或嵌入式计算系统为核心，单纯以实现控制为目的的系统。
3. 测控系统以通用计算机或嵌入式计算机系统为核心，以实现检测、传输、处理和控制为目的的系统4. 局域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在局部区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统5. 广域分布式测控系统以通用计算机和网络为核心，以实现对分布在大范区域内的多个系统的检测、传输、处理和控制为目的的系统四、测控技术的发展方向◆微型化：向微机电系统方向发展◆网络化：向无线网、自组织网、物联网、泛在网方向发展◆智能化：向人工智能化方向发展◆虚拟化：向虚拟现实方向发展测控系统的网络化（1）有线测控网络工业总线、局域网络、广域网（2）无线测控网络ADhoc自组织网络、传感网（3）混合测控网络物联网、泛在网第二章MEMS器件的封装要求(1)封装应对传感器芯片提供一个或多个环境通路(接口)；(2)封装给传感器带来的应力要尽可能的小；(3)封装与封装材料不应对应用环境造成不良影响；(4)封装应保护传感器及其电子器件免遭不利环境的影响；(5)封装必须提供与外界的通道。
测控系统
2010年
第一章 概述
• 就技术而言： 测控系统是传感器技术、通信技术、计算机技术、控制技术、 计算机网络技术等信息技术的综合；
• 就其应用而言： 广泛应用于国民经济的各个领域，如化工、冶金、纺织、能源、 交通、电力，城市公共事业的自来水、供热、排水、医疗， 在科学研究、国防建设和空间技术中的应用更是屡见不鲜。
放大器是任何一台现代测量仪器不可缺少的基本电路。越灵 敏的仪器，越需要高增益高性能的放大器。根据实际仪器的 功能和要求的不同，对放大器也有这样或那样的性能要求， 如增益的高低，频带的宽窄，输入阻抗的高低等等。实际上， 放大器的参数远不止这些，还有许许多多的参数来表征放大 器，如非线性放大器，程控放大器，差动放大器，微功耗放 大器，轨—轨放大器……所以，放大器的种类举不胜举。往 常，通用运算放大器是设计工程师们的“万金油”。不管什 么样的放大器都用通用运算放大器来设计。虽然有的运算放 大器在某个或某些参数上具有突出的特性，比较适合于某些 应用场合。但可以说，最适合应用于某种场合的放大器一般 都不是采用通用运算放大器所构成的放大器，而是采用某些 有特色的运算放大器或专门设计的放大器芯片
●第三代就是智能式仪器仪表：计算机置于仪器中
●第四代为虚拟仪器：仪器仪表置于计算机中
以计算机为核心
• 门捷列夫：“科学是从测量开始的”
• 钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。 信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三 部分组成。测量技术是关键和基础”
数据采集技术
数据采集系统的组成结构
传感器
★时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测 量仪等
★电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC测量仪、 静电仪、磁参数测量仪等
测控
一．概述1.计算机测控技术的含义：是传感技术，自动控制技术，计算机技术，通信技术，计算机网络技术，智能技术和数据库管理技术综合发展的产物。
2.计算机测控系统的含义：是以测量与控制为目的，在无人直接参与的情况下，应用计算机测控技术实现目标对象的数据采集，信息处理，决策控制，监督管理的综合自动化系统。
3.测试系统特点：网络化，多功能，智能化，易操作，可靠性高等。
4.测控系统的基本组成：测控对象；测控系统硬件（测试主机，检测与执行机构，过程通道，通信与网络接口，人机接口）；测控系统软件（数据采集，分析及处理，控制决策，控制输出，监控报警，数据通信系统管理）5.典型的测控系统：1）基于处理器的测控系统；2）基于工控机的测控系统；3）集散控制系统（DCS）；4）基于现场总线的测控系统；5）工业以太网测控系统；6）基于无线通信的测控系统；7）基于Internet的网络测控系统。
6.微处理器化测控系统的组成：嵌入式微处理器（最核心），外围硬件设备，接口部件及软件。
特点：1）功能丰富，性价比高；2）结构紧凑，可靠性高；3）具有自测试和自诊断功能；4）系统自动化水平高；5）系统能实现复杂的运算和控制功能；6）系统的人机对话能力强；7）系统构成柔性化。
7.集散控制系统（DCS）：体系机构按垂直分解通常分为三级：第一级即分散过程控制级（基础）；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。
集散控制系统特点：1）采用分级递阶结构；2）采用微处理器技术；3）采用工业以太网络通信技术；4）采用高可靠性技术；5）具有丰富的软件功能。
8.现场总线控制系统（FTS）是以现场总线为基础，是开放式，数字化，多点，铜线的网络化控制系统。
FCS的特点：1）全数字化；2）系统开放性；3）互操作与互换性；4）现场是被智能化，功能自治；5）高度分散性；6）高度环境适应性；7）低成本；8）信息系统化。
9.测控系统发展趋势：测控系统的智能化，网络换，虚拟化，多样化，标准化。
第一章计算机测控系统概述
第一章计算机测控系统概述计算机测控系统是一种用计算机和相关设备进行控制和测量的系统。
它通常包括硬件设备、软件工具和算法，用于收集、分析和处理测量数据，并根据需要控制被测对象。
计算机测控系统被广泛应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、科学研究等。
计算机测控系统的基本构成主要包括传感器、数据采集卡和数据处理器。
传感器用于将被测量转换为电信号，传感器的种类多种多样，根据不同的测量对象和需求选择合适的传感器进行测量。
数据采集卡是连接传感器和计算机的接口，它负责将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，然后传输给计算机进行处理。
数据处理器是计算机或嵌入式设备，它负责接收和处理采集到的数据，并根据需要进行控制操作。
计算机测控系统的核心技术包括数据采集和处理、数据传输和通信、控制和决策算法等。
数据采集和处理是系统的基础部分，它涉及到模拟信号转换为数字信号的过程，以及对采集到的数据进行滤波、去噪、校准等处理。
数据传输和通信是系统与外部设备或网络之间进行信息交换的方式，通常使用串口、以太网等接口进行数据传输。
控制和决策算法是系统的核心部分，它根据测量数据进行分析和判断，并根据需要进行自动或手动控制操作。
计算机测控系统的优势在于其高效、准确和灵活的特点。
通过计算机的处理能力和算法优势，可以对大量的测量数据进行实时分析和决策，提高系统的控制精度和效率。
同时，系统的硬件设备可以根据需要进行扩展和更新，以适应不同的测量对象和环境要求。
此外，计算机测控系统还可以实现远程监控和操作，便于用户对系统进行远程控制和数据访问。
然而，计算机测控系统也存在一些挑战和问题。
首先，系统的稳定性和可靠性是一个关键问题，由于测控系统常常运行在复杂的工业环境中，例如高温、强电磁干扰等，因此对系统的硬件设备和软件工具进行可靠性设计是至关重要的。
其次，系统的数据安全和保密性也是需要考虑的问题，特别是在一些敏感领域和国家级重点工程中，对系统的数据进行保护和防护是必不可少的。
《计算机测控技术》课件
航天航空
利用计算机测控技术，可以实时监测和控制飞 行器的参数，确保飞行安全和任务顺利完成。
计算机测控系统的构成和工作原理
构成
工作原理
计算机测控系统由传感器、数据 采集卡、计算机和执行器等组成， 通过软硬件的协同工作实现测量 和控制功能。
控制器接收传感器采集的数据， 经过处理和分析后，输出控制信 号给执行器，实现对被控对象的 控制。
3 智能农业
利用计算机测控技术，实现农田的自动化浇灌和监测，提高农作物的产量和质量。
总结与展望
总结
计算机测控技术是一种结合计算机科学和测量控制 技术的应用技术，广泛应用于各个领域，提高了测 量和控制的准确性和效率。
展望
随着科技的不断发展，计算机测控技术将继续创新， 实现更高水平的测量和控制，为人类的生活和工作 带来更多便利。
计算机测控技术的应用领域
工业自动化
计算机测控技术广泛应用于工业自动化领域， 用于监测和控制工业术，可以实时监测环境参数 如温度、湿度、气压等，用于环境保护和资源 管理。
医学仪器
计算机测控技术在医学仪器中的应用使得医学 诊断和治疗更加准确和可靠，提高了医疗水平。
3
未来
未来计算机测控技术将更加智能化和自动化，结合人工智能和大数据分析等技术， 实现更高水平的测量和控制。
案例分析：计算机测控技术在实际项 目中的应用
1 智能家居
计算机测控技术与物联网技术结合，实现智能家居的自动化控制，提高生活品质。
2 智能交通
通过计算机测控技术，实现交通信号灯的智能控制，优化交通流量和减少交通拥堵。
数据处理
数据处理是计算机测控系统的核 心环节，包括数据采集、数据转 换、数据存储和数据分析等。
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。
第一章计算机测控系统概述
期望温度
输 入 变 换
+
电 压 放 大
功 率 放 大
执 行 机 构
减 速 器
调 压 器
电 热 器
炉 子
实际温度
热电偶
给定电压
比较 热电偶
u 前 置 放 大 功 率 放 大
执行机构
减速器
M
电热器 调压变压器
炉子
~220V
1-24
扰动 输入量 + -
控制器
控制量
被控对象
输出量
反馈元件
特点： 1) 由负反馈构成闭环，利用误差信号进行控制； 2) 对于外界扰动和系统内部参数的变化等引起的误差能够 自动纠正；
1）计算机主机
2）过程通道 3）操作控制台
1-28
过程通道
1) 接口与输入输出通道：主机与被控对象信息传递的纽带。 2) 检测元件及仪表：将被测（被控）参数由非电量变为电 量，并将这些电量变为A/D转换器所能转换的统一电压。 3) 执行机构：执行控制动作从而达到控制被控参数的目的 （有电动、气动、及液动控制形式、各种控制电机 （交、 直流电机、步进电机等。））
1-43
分布控制系统也称集散控制系统，是以微处理器为基础的集中 分散控制系统，主要特征是集中管理和分散控制 主要分为三部分：操作管理站、现场控制站和通信网络，以实 现分散控制与集中管理和操作的功能。 操作管理站负责系统的管理、控制组态、系统生成，实现控 制系统的控制操作、过程状态显示、报警状态显示、历史数 据的收集和各种趋势显示及报表生成与打印等
1-16
控制周期（采样周期）：完成实时数据采集、 实时控制决 策，实时控制 输出所用的时间。
实时的概念：是指信号的采集、计算决策、输 出控制都要在一定的时间内完成， 满足系统的要求。
嵌入式测控系统
2）输出设备，用于数据的输出。常见的输出设备有各种显示器、各种打印机、绘图仪等。
3）外存储设备，用于存储程序和数据。常见的外存储设备有硬盘、软盘、光盘设备、存储卡等。
（2）专用外设及其接口：在嵌入式测控系统中，专用外设是指那些为完成用户要求的功能而必须使用的外 设。在实际应用中，由于对测控系统功能要求的多样性，实现这些要求的技术途径灵活性，使得专用外设的种类 繁多。例如，发光二极管、继电器、直流电A/D器件、D/A器件、按键等都可以认为是专用外设。
(2)实时性
嵌入式测控系统的一大特点就是必须实时响应和处理事件。因为，在这样的系统中，经常对事件的响应提出 规定的时限，要求刻不容缓地进行处理。当嵌入式测控系统比较复杂，要求实时响应的事件比较多时，设计者就 更应当考虑和处理有关实时性的问题。现实中的事件有非周期性随即出现的，也有周期性发生的。对于前者，在 系统设计时就必须考虑到最坏的情况一一即最大出现率的情况下，如何应付这种情况。对于后者，在设计时就必 须保证有足够的性能来响应它们。
简介
简介
嵌入式计算机系统的出现，是计算机发展史上一个重要的里程碑。嵌入式系统诞生于微型计算机时代，它与 通用计算机系统的专业化分工发展导致20世纪末、21世纪初计算机技术的飞速发展。通用计算机按照高速、海量 存储技术发展，而嵌入式系统的发展则完全不同，走的是单芯片化道路。它以体积小、功能全、性价比高等诸多 优点而独具特色，在工业控制、军事武器、通信设备、信息处理、家用电器等用领域中独占鳌头，迅速地将传统 的电子系统发展为智能化的现代电子系统时代 。
不管是常规外设还是专用外设，它们的接口要完成的功能是都是一样的。接口应该提供计算机与外设的信息 传送的通路;实现外设状态的输入和对外设控制信息的输出；实现电平转换、信号形式(数字信号与模拟信号)的 转换以及快速的处理器与慢速的外设间的同步 。
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单片机系统连接光电开关模块，该模块的功能为采集外部开关信号。代表是否有人通过。
单片机系统连接继电器模块，该模块的功能为控制外部220V交流照明灯的亮与灭。
计算机与单片机系统通讯通过RS232来进行。
命令协议格式： 协议字节顺序 第一字节
第二字节
第三字节 第四字节
协议格式含义
数据头
操作类型选Leabharlann 操作内容9.2简单计算机干预自控系统项目目标与项 目规范
• 9.2.1简单计算机干预自控系统设计思想 • 整体系统行为过程分析： • （1）单片机系统启动后将有两种可能，一种是等待计算机发来命令在确定是进入开始
工作状体还是进入停止工作状态。但是考虑到单片机系统等待的过程实际上就是不工 作，也就是相当于进入了停止状态，所以开机应该直接进入停止工作状态。 • （2）由1的分析，开机直接进入停止工作状态后，应当向计算机系统不间断发出采集 的数据信号，因此采集数据应当是独立运行的软件。在单片机系统中应当采用定时器 中断来实现。 • （应3当）实当时收发到送计数算据机到发计来算的机开。始因工此作也命应令当则有进2入中开的始定工时作器状中态断。软即件便部是分开的始实工时作采状集态信也号。 • （电4器）开开灯始。工当作信状号态消的失行等为待：一单段片时机间系后统关等闭待继采电集器光，电则传灯感被器关的闭信。号此，过如程果一有直则重启复动。继 • （5）开始工作命令与停止工作命令的切换，当在工作状态收到停止工作命令时，应当 完成当前任务之后再进行切换；停止工作命令则无此问题。命令接收只需要串口中断 即可。
• 在第七章的7.1节当中我们简单介绍了入侵检测系统，本章希望通 过基于前面章节的设计来完成一个带有计算机干预的测控系统。 该系统需要达到两方面的能力，第一方面是系统本身是独立的， 大致与第七章一致。第二方面是系统能够完成基本的计算机通讯 能力，即：由计算机干预该独立系统的工作过程，该系统能够实 时向计算机汇报其工作状态
数据尾
系统开启
0XAA
FF
FF
0X55
系统关闭
0XAA
FF
00
0X55
9.2简单计算机干预自控系统项目目标与项
目规范
[要求]
1、必须写出算法文档（中文、伪代码均可）
9、讲解用PPT,讲解用PPT上交文件名为：
模块项目讲解文件.PPT
[注意]
10、全部文档资料整理打包,文件名为：
1、主程序一个算法
序号_姓名.rar
9.2简单计算机干预自控系统项目目标与项 目规范
• 9.2.1简单计算机干预自控系统设计思想
计算机 系统
串行通 讯软件
V
D+ D-
V
D+ D-
USB转 RS232
RX TX
G
G 模块 G
继电器 模块
VSG
单片机 主控板
VSG
光电传感 器模块
9.2简单计算机干预自控系统项目目标与项 目规范
• [任务名称]简单计算机干预自动控制系统设计要求
9.1计算机干预自控系统简介
单片机 主控板
控制部分 测控 目标
测量部分
• 上图表达了本章需要设计与实现的计算机干预测控系统的基本架构。上面的设计 思路是可以用计算机来控制单片机主控系统，也就是将单片机的测控系统过程当 中引入计算机的干预过程。其中：计算机与单片机主控之间实现双向通讯，单片 机主控一方面获取测量的数据，一方面对控制部分进行控制调节。对于被测目标 而言，这属于一个简单的闭环自动控制系统。本章的目标是希望这个简单的自动 控制过程中能够引入计算机的干预，将系统状态反馈给计算机，并由计算机进行 突发的决策干预过程
• 本章的主要顺序为： 首先给出简单计算机控制系统的项目规范，其中包含需要实现的
具体功能。 第二，使用对物理的电路连接方式进行介绍； 第三，实际搭建出该简单计算机控制系统；最后通过编写控制代
码来对该简单计算机控制系统进行测试与使用
本章要点
• 本章需要掌握的要点如下： ·简单计算机控制系统的物理电路设计思想与实际搭建 ·简单计算机控制系统的软件算法设计思想 ·使用C语言编写软件实现简单计算机控制系统的行为
a) 源代码中最上面一行加一个注释，写上：序号_姓名
4. 硬件测试文档,硬件测试文档上交文件名为：
2. 每个子程序（函数）各自一个算法
[注意]序号_姓名.rar打包文件目录列表：
2、必须画出程序流程图
1. XXX算法文档.doc
[注意]
2. 程序流程图.doc
1、主程序一个程序流程图
3. XXX.C
2. 每个子程序（函数）各自一个程序流程图
[注意]源代码需要达到如下要求：
3. 源代码上交与注释规范。
• 本章需要了解的要点如下： ·简单计算机控制系统的基本原理 ·简单计算机控制系统的简单项目规范
目录
• 9.1计算机干预自控系统简介 • 9.2简单计算机干预自控系统项目目标与项目规范 • 9.3硬件系统设计与实现 • 9.4软件系统设计与实现 • 9.5系统联合调试
9.1计算机干预自控系统简介
9.2简单计算机干预自控系统项目目标与项 目规范
• [目标] 一个受到计算机控制的感应灯系统
• 计算机能够随时干预该系统的开启工作与停止工作，当该系统开 启工作状态时、检测外部信号来即启动继电器开灯，并在信号离 开一段时间之后关灯，其工作过程与感应灯一致；当该系统处于 停止工作状态时，无论是否有外部信号来临不作任何操作。并且， 该系统能够不间断发送外部状态信号与灯开关状态信号到上位机 系统。
第九章：简单计算机测控系统
Introduction
• 简单计算机控制系统是将自动控制与计算机通讯联合起来进行设计与 实现的一个简单计算机干预测控系统。本章需要介绍的计算机控制系 统是在前面章节学习的基础上，通过结合第八章介绍的RS232通讯、与 第七章介绍的简单测控系统，来设计与实现一个基本计算机干预控制 系统。
• [目标简述]完成简单计算机干预下的感应照明灯自动控制系统
• [具体功能]
单片机系统启动后直接进入停止工作状态，等待计算机发送开始自动工作命令。
计算机系统发送开始工作命令，单片机系统进入自动工作状态。
计算机系统发送停止工作命令，单片机系统进入停止工作状态，并等待计算机发送开始工作命 令
无论在开始工作还是在停止工作状态，单片机系统应该实时向计算机系统传递测控端目标接口 的工作状态数据。