[科普中国]-自动测控系统

简介

人们无论从事科学研究，工程设计或者工业生产，都要通过大量测试取得客观事物的正确量值，从而了解事物的本质。但过去多年来，传统的测试技术都是分别用单个仪器表对被测对象进行测量，再由人工处理各种测量结果。1

随着近代工业和科学技术的发展，测试任务和测控对象变得越来越复杂，对测试速度和测试精度的要求也越来越高，这就促使从事计量测试和仪器仪表研究的科学工作者们不断地探索新的测试理论、方法、新的测试设备，从而推动自动测控科学和仪器仪表技术不断地向新的领域发展。1

近几十年来，不论是航空、航天电子学系统和卫星通讯系统的设计和调试，或是工艺过程的自动测控、多点重复测试和动态校准都远非人工测试所能胜任，因此发展自动测试就势在必行。所谓的自动测试就是改版传统的人工测量、记录、处理方法，使整个测量过程完全由计算机控制，通过各种仪器设备对不同被测量对象进行自动测量、自动数据处理和自动显示、打印等，给出测量结果。把各种仪器设备（如控制器——计算机、测量仪器——数字万用表、记录仪器——打印机等）按一定方式连接在一起，完成上述自动测量和控制任务的系统就称为自动测控系统。这里所谓的“按一定方式连接”就是仪器接口和接口系统部分。1

发展阶段自动测控系统的发展经历了如下的几个阶段：

第一阶段第一阶段为50年代初到60年代中期，这一阶段所应用的自动测控系统是将不同输入输出电路的几种可程控仪器总装在一起，为进行某种专门测量而组建的，因此必须用一种专门的接口转换装置才能把计算机和各种可程控仪器联接起来。这种转换装置包括计算机和程控仪器各自的接口电路，它们分别被装在一块印刷电路板上，每一块电路板称为一个接口卡片，插在专用的接口卡片箱内的一条槽中。这类接口箱和接口卡片都是为专用的系统设计制造的，因此不能通用。因为接口不能通用，组建一个自动测控系统不仅耗资巨大而且要花相当长的时间。1

第二阶段第二阶段是60年末期。在此时期，美国HP公司研制出了一种新型的接口系统，并生产了与之相适应的计算机。新的接口系统的特点是把接口卡片箱装在专用的计算机内，该公司生产的程控仪器相应的接口卡片便可插入该卡片箱中。但这种接口系统只适用于HP公司生产的计算机和程控仪器，如果选用其它厂家生产的仪器时，还得重新设计接口，因此具有一定的专用性。

由于各厂家生产的仪器接口结构不统一，给使用者带来了很大困难。因为要想把不同厂家生产的仪器组装到所需要的自动测试或过程控制系统中去时，往往要花很大力气去设计制造联接它们的特殊接口电路，因此人们提出了接口标准化的要求。1

第三阶段第三阶段是70年代以后，美国和欧洲都开始研究自动测控系统的接口标准化问题，希望研制出一种适用于任何自动测控系统的通用的标准化接口系统，以便世界各国都能按同一接口标准来设计可程控仪器的接口电路。美国HP公司在原设计的接口电路基础上，首先提出了接口标准化方案，该方案经进一步修改和完善，于1974年正式命名为HP-IB（这里的IB即接口母线Interface Bus）。该接口系统有很多优点（如采用了积木式结构，易于组成所需要的自动测控系统：使用灵活、方便、价格低廉），因此得到了美国电气与电子工程师学会和国际电工委员会等织织的承认，并分别命名为IEEE-488和IEC-625标准，通称GP-IB，即通用接口母线标准。这些标准经进一步补充完善，于1979年形成“可程控测量仪器的接口系统”的IEC625-1-79文本，1980年又形成“可程控测量仪器信息编码格式约定”的IEC625-2-80文本。这两个文本都是国际标准，世界上任何厂家只要按这些标准生产测量仪器，都可被用来组建自动测控系统。我国是IEC组织的参加国，所以于1984年正式颁布ZBY207-1-84（相当于IEC625-1-79）和ZBY207·2-84（相当于IEC625-2-80）文本，作为中华人民共和国专业标准，1985年又升级为国家标准GBn249-85，正式公布实施，这对发展我国的仪器接口技术及自动测控系统起了很大的推动作用。1

在仪器接口技术及自动测控系统方面，目前国际上除了正在推广应用的IEC-625（或IEC-488）通用接口标准系统外，另一种接口系统（CAMAC系统）也正在得到越来越广泛的应用。CAMAC是“计算机自动化测量和控制”的英文首字母。自动控制接口系统首先由欧洲核电子标准（ESONE）委员会研制，主要用于核物理电子测量。到1957年，欧洲CAMAC协会ECA、美国电气及电子工程师协会和“国际电工委员会”相继采用CAMAC标准。经进一步完善，于1982年正式发表了诸如“组件仪器和数字接口系统”、“串行数据公路接口系统”、“CAMAC系统中的数据块传递”等7个CAMAC标准文件。CAMAC系统不仅能自动和快速地测量大量电量和非电量，而且有数据采集、记录、监控处理、调节、控制和远传等多种功能。CAMAC系统为组件式结构，组件任何一个系统，只需要改变组件的类型和数量以及所用的程序，因此具有高度的灵活性和通用性。正是由于CAMAC系统具有如此强的功能和上述的许多优点，因此自从CAMAC问世以来，各国均积极采用与推广，现已成为国际标准。它除了大量用于原子能和核物理研究领域外，也开始被广泛应用于工业过程控制、医疗卫生、交通管理、数字仪器设备的数据处理系统和实验室自动化等各个方面。1

由接口系统发展所经历的3个阶段看出，第1、2阶段发展起来的接口系统往往是为了一种测试目的而专门设计的，不具有通用性。在第3阶段，形成、并得到广泛应用的通用接口系统，虽有许多优点，但建立在该接口系统基础上的自动测控系统，在本质上仍然是人工测控的一种模仿，是用计算机代替了人工测控的各个步骤，未在测试方法上进行重大变革。因此近年来，许多科学工作者又在开始进行新的自动测控系统的研究，力图充分发挥计算机的软、硬件功能，使计算机除了担任系统控制和进行数据处理外，其本身也成为测量功能的一个主要组成部分而与测量系统完全融合成为一体。可以预料，未来的测控系统不仅能大大简化系统本身的结构，而且还会引起传统测试技术的彻底变革。1

组成部分一个完整的自动测控系统的组成如下：

传感器传感器的作用是将被测非电物理量转换成与其有一定关系的电信号，它获得的信息正确与否，直接关系到整个系统的精度。依照中华人民共和国国家标准（GB/T7665—1987传感器通用术语）的规定，传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。2

应该指出的是，并不是所有的传感器必需包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件；如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，此时传感器就无敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏电阻及光电器件等。敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器是很多的。2

在传感器组成框图中接口电路的作用是把转换元件输出的电信号变换为便于处理、显示、记录和控制的可用电信号。其电路的类型视转换元件的不同而定，经常采用的有电桥电路和其他特殊电路，例如高阻抗输入电路、脉冲电路、振荡电路等。辅助电源供给转换能量，有的传感器需要外加电源才能工作，例如应变片组成的电桥、差动变压器等；有的传感器则不需要外加电源便能工作，例如压电晶体等。2

传感器感受被测量的大小，并输出相对应的可用输出信号，一般为电量。3

变送器变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号，为解决测控系统中传感器与其他装置的兼容性和互换性，它们之间必须用标准信号进行传输，大多数变送器的输出信号是统一的标准信号，目前多为4~20mA的直流电流，信号标准是系统各环节之间的通信协议。4~20mA信号是国际通用标准信号，是连接仪表、变送装置、控制设备、计算机采样设备的一种标准。常用的信号有：0~10mA、0~5V、0~10V等。3

信号处理信号处理环节将传感器输出信号进行处理和变换，如放大、电平移动、滤波、阻抗匹配、调制、解调，使得信号适合于传输、显示或便于记录。3

传输通道传输通道将测量系统各环节之间的输入、输出信号连接起来，通常用电缆，或者光导纤维连接，以用来传输数据。3

显示装置显示装置是将被测量的结果显示出来，可以采用模拟显示，也可用数字显示或图形显示；或由记录装置进行自动记录，记录装置可以是磁记录、电子记录或纸带记录。3

特点自动测控系统是计算机技术与自动测试技术相结合的产物，它有许多突出的特点，这些特点主要是依靠计算机高速度的数据处理能力，控制能力和信息存贮能力所取得的。归纳起来主要有以下几个方面：

高速度由于整个测控过程是在计算机按预先编制好的程序控制下自动进行的，因此自动测试的速度要比手动、目测、笔算的测试方法快许多倍。如我国国家计量院的光电波比长仪测量1m的线纹尺，过去3个人要用一星期的检定时间和近一个月的计算时间，现在用自动测试和自动数据处理，仅用11分钟就可完成全部测试和计算任务。1

高精确度由于自动测控系统中测试和计算的速度都很高，因此在测试过程中通过多次重复测量取平均值结果来减小随机误差的影响。通过自校准技术对测量结果进行误差修正来减小系统误差；而且由于测试过程完全按预定程序进行，不需要人为参与，从而避免了测量过程中的人为误差；另外还由于测量速度快，可避免环境变化对测量结果的影响，从而可以实现测量结果的高精确度。1

具有自校、自检和自诊断的功能自动测控系统的自校准是指将自动校准时测得的误差因子存入计算机内存中，然后根据误差因子对每次测量结果进行修正，以清除测量的系统误差。系统还可以按照预先编制的程序进行自检和自诊断，自动检定本身各项指标是否合格，系统各部分工作是否正常等。如果测到系统某一部分出现了某种故障，系统能自动发出警告信号，并以文字和数字形式显示故障代号。1

测量结果的显示方式多样化在测试过程中，测试结果的显示方式，可以根据系统的设备情况，先由程序规定，即系统既可以给出最终结果，又可以给出中间结果，可以由显示器显示数字、字符、图形，也可以由打印机打印出数据和表格，或由绘图仪绘出图形。1

操作简便虽然组件一个自动测控系统的技术很复杂，既要进行测试任务的分析，仪器（包括控制器）和接口系统的选择，又要准备软件系统和编制应用测控软件，但这些工作一经完成后，自动测控系统的一切工作就是按照预先编制好的测控程序进行，很少需要人的参与。所以操作人员的工作就十分简单，即只需要接入被测器件和接通电源，无需操作人员具有很高的理论水平和熟练的测试技巧。1