智能测控系统设计 思考题0501答案.docx

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智能测控系统设计思考题0501答案

思考题（20120501）

一、简述题：

1.在设计智能检测/控制单元时，你会根据那些因素去选择一款微型计算机芯片？

1、功能性能分析

根据应用场合确定单片机的功能需求：

智能仪器、工业控制、英特网、无线网、通信设备、人机设备、USB、CAN、触摸传感器、LCD、家电等。

根据应用系统性能确定单片机的性能要求：

运算速度、数据采集精度与速度、控制精度、数据传输速度等。

2、功耗和电源要求

根据供电条件确定单片机的功耗和电源，主要是功耗指标、节电模式、电源电压等。

环境要求：

主要是环境温度、湿度、冲击、振动等，满足军用级、工业级、车载级等要求。

4、工作可靠性

主要是抗电磁干扰、电磁兼容性、使用寿命等。

5、价格要求

低附加值的大批量产品对芯片价格的要求，封装等对工艺成本的要求。

6、其它

封装与体积、开发的软硬件平台与工具、产品的内部标准与习惯等。

2.解释传感器的灵敏度、重复性、稳定性。

传感器的静态特性

1.线性度：

输入输出曲线与拟合直线之间的偏差。

2.回差（滞后）：

输入量增大与减小过程中，输入输出曲线的不重合。

3.重复性：

在同一测试条件下，所测得的特性曲线的一致程度。

4.灵敏度：

输出量增量与输入量增量之比。

5.分辨率：

能检测出的最小输入变化量。

6.阈值（死区）：

能产生输出的最小输入量。

7.稳定性：

相当长时间内保持其性能的能力。

8.漂移：

零点和灵敏度随时间和温度的缓慢变化。

9.静态综合精度：

在测量范围内任一点的输出值相对其理论值的偏离程度。

3.

涡流传感器什么原理，检测什么物理量？

当金属导体置于线圈产生的交变磁场中时，由于导体中产生的涡流所引起的新磁场将削弱原线圈磁场，从而导致线圈的等效电感、阻抗、品质因数发生变化。

这种效应随金属导体与线圈的距离大小而变化，可以制成线性传感器，也可以制成接近开关。

主要用于检测位移。

4.多普勒效应可用于速度、流速等变量的检测，简述其原理。

5.半导体集成电路温度传感器的测温范围和测温精度一般为多少？

输出形式有哪几种？

（4、5两题见2010年答案第二页）

6.说明半导体霍尔效应，霍尔元件有哪些用途？

当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，垂直于电流和磁场的方向上，导体两侧会产生电势差，此现象在1879年为美国科学家霍尔发现，称为霍尔效应。

如图：

一般说来，金属和电解质的霍尔效应都很小，但半导体则显著得多。

霍尔元件是应用霍尔效应的半导体，是一种基于霍尔效应的磁传感器,在磁场测量及位置、位移、角度、转速等物理量的测量和自动控制中广泛应用。

7.集成运算放大器的精度由哪些技术参数反映？

速度由哪些技术参数反映？

（2010第三页）

8.可编程增益放大器（PGA）是如何实现增益控制的？

可编程增益放大器（PGA）是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制。

采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。

9.模拟隔离放大器原理？

其作用是什么？

原理：

在某些情况下，输入电路与输出电路之间以及放大电路与电源电路之间不能有直接的电路连接，信号的耦合以及电源电能的传递要靠磁路或光路来实现。

放大器内部采取这种隔离措施的就叫隔离放大器。

隔离放大器不仅具有通用运放的性能，且输入公共地和输出公共地之间有良好的绝缘性能

隔离放大器由输入放大器、信号耦合器件、输出放大器以及隔离电源等部分组合。

作用：

用于输入通道隔离，防止强电强磁干扰或损坏，消除大共模电压。

10.根据传递函数，低通滤波器有哪些种类？

各有何特点？

请图示。

（2011第2页）

11.集成有源低通滤波器通过调节什么参数改变截止频率？

调节时钟信号频率改变滤波器的截止频率（分频比）

12.U/I变换有什么作用？

采用4~20mA电流信号来传输传感器输出信号的优点是什么？

（2011第4页）

电压/电流变换器（VCC）用来将电压信号变换为与电压成正比的电流信号。

用途：

①常用作传感器或其他检测电路中的基准（参考）恒流源

②在磁偏转的示波装置中常用来将线性变化电压变换成扫描用的线性变化电流

③在控制系统中作为可控电流源驱动某些执行装置，如记录仪记录笔的偏转和电流表的偏转。

电流传输的优点：

a.电流信号适用于远传，不会因为电阻变化而变化；b.电流信号容易还原成电压信号；c.可进行断电检查

20mA上限的优点：

这是防爆的要求，20mA电流通断引起的火花容量不足以引燃瓦斯。

4mA下限的有点：

a.方便断线检查b.可有效防止4mA一下干扰信号的干扰，提高抗干扰能力。

13.何为EMC，它包括哪两个方面？

电磁兼容性EMC（ElectroMagneticCompatibility），是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

因此，EMC包括两个方面的要求：

一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

14.共阻耦合有哪几种形式？

如何抑制？

（2010第5页、2011第4页）

15.平衡传输（对称传输）有什么好处?

如何用变压器耦合实现平衡传输?

平衡传输是指信号传输线的有两个输入端，两个地线。

当有共模干扰存在时，由于平衡传输的两个端子上受到的干扰信号数值相差不多，而极性相反，干扰信号在平衡传输的负载上可以互相抵消，所以平衡电路具有较好的抗干扰能力。

16.-A/D转换器有何特点？

（2010第6页）

17.高速AD转换器芯片有什么特点？

（课堂作业（复印）P2-问题1）

18.怎样将数据采集系统与计算机系统隔离？

（2010第7页）

19.C8051F12X系列单片机是一种混合式片上系统，它有哪些数字外设和模拟外设？

（2010第8页）

20.与MCS-51单片机相比，PIC单片机在技术性能上有何特点？

（2010第9页、2011-p6-18）

21.单片机点对点之间采用RS232进行通信，画出连接示意图。

（2009-p7-61）

22.用一个示例说明单片机与PC机之间串行通信的接口。

（2011-p8-20）

23.单片机系统为何有时需要总线驱动？

（2010-p9-33）

24.TMS320F2812中的SCI的多机工作模式有哪两种？

如何工作（2010-p11-39）

25.TMS320F2812有哪些片内外设资源？

（2011-p8-21）

26.TMS320F2812的多通道缓冲串行口有何功能？

（2009-p8-69）

27.常用的工控机I/O接口模板有哪些种类？

（2011-p10-24）

28.在PC总线上扩展多路DA输出，请画出一种接口框图。

（2010-p11-41）

29.工控机系统有哪几种基本通信方法？

（2011-p11-25）

30.用框图表示直接数字控制系统（DDC）。

31.什么是组态软件？

它有哪些功能？

（2011-p11-26）

32.设计智能测控系统时，单片机、DSP、嵌入式微处理器、工控机各应用在何种场合？

（2011-p13-30）

33.ARM微处理器有哪些产品系列？

各系列又包括哪些种类？

（2011-p12-28）

34.与工控机相比，用嵌入式微处理器设计测控系统有何优点？

（2011-p13-29）

35.简述PLC的特点和发展趋势。

特点：

1灵活·实用

2可靠性高·抗干扰能力强

3编程简单·使用方便

4接线简单

5功能强

6体积小·重量轻·易于实现自动化

发展趋势

1向高速·大内存容量方向发展cpu处理速度进一步加快，存储容量进一步扩大

2控制系统将分散化分散控制·集中管理原则。

3可靠性进一步提高随着Pc进入过程控制领域，对可靠性要求进一步提高。

硬件冗余的容错技术将进一步应用。

4控制管理功能一体化PC将广泛采用计算机信息处理技术·网络通信技术和图形显示技术，使PC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。

36.PLC由哪些组成部分？

PLC由中央处理器CPU，存储器，输入输出接口，编程器组成。

37.PLC的工作分为哪几个过程？

38.简述PLC控制系统的设计步骤。

（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求

这是整个系统设计的基础，以后的选型、编程、调试都是以此为目标的。

a．被控对象就是所要控制的机械、电气设备、生产线或生产过程。

b．控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和连锁等。

对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这样可化繁为简，有利于编程和调试。

（2）确定I/O设备

根据被控对象的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器、编码器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀、变频器、伺服、步进等。

（3）选择合适的PLC类型

根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、I/O模块的选择、特殊模块、电源模块的选择等。

（4）分配I/O点

分配PLC的输入输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。

接着就可以进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。

（5）编写梯形图程序

根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。

这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。

（6）进行软件测试

将程序下载到PLC后，应先进行测试工作。

因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。

因此在将PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。

（7）应用系统整体调试

在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。

调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。

（8）编制技术文件

系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等。

39.现场总线控制系统（FCS）的作用和影响？

（2009-p5-38）

40.列举一些常用的现场总线标准。

（2009-p5-40）

41.简述CAN的分层结构。

按照OSI基准模型，CAN结构划分为两层：

数据链路层和物理层

42.CAN通信协议中有哪几种帧类型？

各自的作用是什么？

（2009-p5-43）

43.TMS320F2812CAN模块的主要特点（2011-p14-35）

44.请分别解释下列串行通信接口的名词术语：

UART、I2C、SPI、CAN、USB、McBSP。

（2009-p6-57）

45.USB传输有哪四种类型？

分别作何应用？

（2011-p15-36题）

46.USB控制器芯片有哪三种？

（2011-p15-37题）

47.何为固件？

它完成什么任务？

（2011-p15-38题）

二、问题：

1.某应用场合需要对八路温度进行巡回检测，每路测温范围均为-40～120℃，测温精度1.5℃，测温为定时进行，测温数据在本机保存，同时通过485串行口送至上位机。

试设计一个满足上述要求的系统方案，并画出系统硬件框图和软件框图。

单片机为系统的控制核心部分。

8通道温度传感器由八选一模拟选择开关循环选通，被选中的温度传感器信号由信号处理及放大电路进行处理之后送入A/D转换器，再由单片机控制A/D转换器进行温度数据的采集，而后对温度原始数据进行处理，根据处理结果执行与上位机PC串行通信。

AD59O具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。

由于单片机无操作系统，如果程序出现异常情况（如出现死循环）就无法正常运行，因此，系统采用了一个硬件看门狗来监视程序的运行。

主程序框图和八路温度模拟数据量采集模块框图：

2.某称重系统采用电阻应变式传感器进行重量监测，试设计该系统的信号调理电路，将传感器信号（直流电桥）进行放大，并转化为频率信号，经光电隔离后输出至单片机。

3.如图，某生产工艺中需对n个加热炉进行温度控制，每个加热炉用2套装置分别对上下层进行温度控制。

试对该方案进行总体论述，并对每个部分的功能进行叙述。

然后将这个集中－分散控制系统改为集中控制系统，提出方案。

该方案是一个采用标准通信总线进行通信的集中-分散工控系统，每个加热炉分别采用了2条独立的温控装置进行控制，所有温控装置通过RS-422总线（适于长距离传输）与中心工控机连接，上传温度数据。

工控机在远离现场的控制室里。

工控机IPC可以保存接收到的现场数据，通过显示器，打印机实现人机交互，操作人员可以用键盘对系统进行操作，通过中心工控机讲控制指令传达给温控机（如设定各个炉上下层的温度），实现实时的集中-分散控制。

其中，每套温控装置中包含温控器，加热器，热电偶三个部分，加热器是执行机构，受温控器控制，用于对加热炉加热，改变控制对象的温度，热电偶用于采集温度数据，将温度转变为相应的电量，提供给温控器，温控器将温度与设定的温度进行比较，根据相关算法（如PID控制）控制加热炉器，温控器是一个功能较简单的单片机，只要完成现场控制和与中心IPC通信的功能，带有AD、DA、RS-422等控制单元，适配器用于RS-232/485转换，因为一般的IPC只带有RS-232接口。

采用工控机直接控制温度采集系统，通过多路开关读取热电偶数据，通过驱动电路控制加热气质型单元，实现集中式控制。

4.V/F变换的原理如图所示，请说明其原理。

5.如图，说明开关电容网络实现电阻参数变化的原理，并说明集成有源低通滤波器通过调节什么参数改变截止频率？

（09年题目，P4-T4）

6.下图所示为一种分布式测温系统，其中，单片机C8051F320为主机，单片机C8051F330为从机，DS18B20为温度传感器。

请说明该系统各部分功能，并画出主机和从机的通信流程图。

（2011-p16-3/资料一-p4-6）

7.下图所示为一种常用的流量传感器，请说明其原理。

（资料一-p1-2）

液体流动推动涡轮旋转，涡轮叶片周期性地扫过磁钢，使磁路磁阻周期性变化，在线圈中感应出交流信号，信号频率与流量成正比。

流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。

8.如图所示为微型机－单片机两级温度控制系统，用于电阻炉的温度控制。

温度范围为0～200℃，采用PID算法控制炉温跟随设定的温度曲线。

请根据你的设计思路，回答问题：

（1）解释各组成部分的硬件功能；

（2）单片机的软件功能；（3）微型机的软件功能；（4）画出用RS232通讯的接口示意图；（5）如果用铂电阻作为温度传感器，画出输入通道接口示意图。

微机-单片机风机温度控制系统

（1）1输入通道

输入通道包括从被测量信号的检测变换到将其输入单片机的数据总线，由温度检测电路和模／数转换器两部分组成。

传感器检测的信号经运算放大器输出给模／数转换器0809的输入端，模／数转换器080将模拟量信号转换成数字量，然后送人单片机内进行判别和运算。

2输出通道

单片机对检测信号进行分析、计算后，通过输出通道输出相应的控制信号。

输出通道由D／A转换器、放大电路、脉冲宽度调制电路组成。

D／A转换器输出的模拟量经过放大器K1放大后，加到脉冲宽度调制电路PWM的输入端。

PWM的输出端和固态继电器SSR的输入端相联，当其为高电平时，SSR导通，负载上获得交流电压，当输入端为低电平时，则SSR不导通，负载上无电压。

3串行通信电平转换电路

上位微型计算机与下位8031单片机采用串行通信，由于微型计算机串行13给出的是标准的RS232电平，而MCS-51给出的是TTI电平，故须将TTI电平与RS232电平进行转换。

（2）单片机的软件功能

单片机系统复位后，首先向微型机发送启动信号，表示单片机系统已准备好。

等待接收微型机下传控制参数后，然后将接收到的控制参数全部回发给微型机经确认传送正确无误后，开始进行采样，并按PD控制规律进行运算输出控制值，而同时每次采样值和输出值通过串行口送给微型机显示。

（3）微型机的软件功能

软件由主程序和修改参数、传送参数、显示工作状态子程序组成。

软件按如下工作过程编制，首先清屏，初始化端口，显示系统画面，然后显示预先设定的系统控制参数同时提示用户可以修改控制参数。

如设定温度值、采样周期及PID调节的Kp，Kd，T等参数，参数确定后，等待接收下位机发来准备工作就绪的信号后，开始向下位机发送已确定的控制参数，并接收下位机又反送回来的控制参数，确认正确后系统投入运行，显示温度调节曲线，既不断地接收下位机运行过程中发送来的采样温度值和控制量输出值，同时在屏幕上显示。

（4）用RS232通讯的接口示意图

（5）如果用铂电阻作为温度传感器，输入通道接口示意图

9.某液体自动罐装机是这样工作的：

首先通过键盘设定罐装容量（如500毫升），将设定容量保存在控制系统中，然后打开交流阀门（即输出一个开关量信号并驱动交流电磁铁），使液体流入容器，通过蜗轮流量传感器（输出为脉冲信号）检测液体流量，当达到设定罐装容量时关闭交流阀门。

试设计一个满足上述要求的系统方案，并画出系统硬件框图和软件框图。

10.某小型精细化工生产过程实验装置共有21个检测控制节点，包括温度检测控制点11路、流量检测控制点7路、液位检测控制点1路、压力检测控制点2路。

采用下图所示的DCS控制系统，请说明该系统的特点和各部分的功能；将控制系统改为PC机集中控制方式，画出示意图；将控制系统改为CAN总线控制方式，画出示意图。

该控制系统以工业PC机为上位机，以智能调节器、智能数显表和流量积算仪等为基本检测控制单元，经RS-232／485通讯转换器转换，应用RS-485通讯电缆进行数据信号互连，完成硬件系统的集成。

所有二次仪表均通过RS一485总线把现场检测的工艺参数远传上位工控机，进行显示、记录、打印、存储，便于工艺专业人员分析处理，进行工艺过程计算和工艺过程建模。

FP23智能调节器作为基本控制器，实现对进气流量的自整定程序控制和配方控制。

其他指示回路，选用了带RS--485通讯口、自由信号和量程输入的SDl6智能数显表，可满足温度、流量、压力等多种信号的检测、指示要求。

流量积算则选用了带RS一485通讯口的TCXS智能流量积算仪。

11．下图所示为带CAN通信接口的数据采集系统，对图中各部分进行功能描述并作相关分析。

上面的电路有以下部分构成：

1）A/D转换电路及光电隔离电路：

由11路模/数转换芯片TLC2543及四块6N136实现，TLC2543的/CS、CLOCK、DATAIN和DATAOUT分别通过光电隔离模块与89C51的P1.4～P1.7引脚相连，通过这些连接，89C51可以控制A/D转换的时机、选择转换通道、极性；当A/D转换结束后，TLC2543通过EOC引脚，以中断的形式通知89C51接收数据。

通过光电隔离，提高抗干扰能力，其中TLC2543为CMOS12位开关电容逐次逼近模/数转换器，具有快速转换和通用的控制能力，片内设有采样-保持电路。

2）CAN总线接口电路：

由SJA1000及82C250组成，89C51对SJA1000的操作相当于外部RAM的操作，其P0口接SJA1000的AD0～AD7，ALE、/WR、/RD端分别接SJA1000的ALE、/WR、/RD端。

CAN总线收发器82C250提供了CAN控制器与物理总线之间的接口，提供总线的差动发送和接收能力，抗干扰能力，使得信号能更远更可靠的传输。

其TXD、RXD端分别接SJA1000的TX0、RX0，两个输出端CANH和CANL分别与物理总线的CANH和CANL连接。

3）看门狗复位电路

用IMP813芯片用于看门狗复位电路，IMP813主要是作为Watchdog计数器重定用的。

在单片机工作现场，为了避免电源电压降低时，使CPU在电源电压低于某一值时停止工作，处于复位状态，待电压恢复正常后，CPU在脱离复位状态，进入正常工作状态；还可能有各种干扰源可能导致程序跑飞，造成死机或者程序不能正常运行。

如果不及时恢复或者使系统复位，就容易造成损失。

看门狗电路的作用就是在程序飞跑或者死机时，能有效的使系统复位，以使系统恢复正常运转。

三、其它题

上课布置的思考题等