（机械电子工程专业论文）新型智能仪器系统研究及设计.pdf

中文攮要 随着半烀体技术、两络技术、通讯技术和软件技术的飞速发展，智能仪器 仪表黎绞弱设计思想秘方法发生了革愈性熬变化，缀多因素翅i pc o r e 和基予 i n t e r n e t 的e d f i 的飞速发展正促使以i n t e r n e t 为中心的智能仪器仪表的设计和 运行环境热速形成。i s p 和e m i t 技术正是推动和德避这一变化的基础。“薪澄 智能仪器仪袭系统”是融合了计算机、通信和控制技术，具存智能化测控功能 和开放的通信接口，能对测量结果进行自验证，实现在特定环境条件下量程的 鑫动选择，爨动梭漆等葫麓。它稍懿蜜瑰尧工望蕊汤静叁劝纯测量，i s t ( 阏 络传感器技术) 、h v a c ( 家庭环境自动控制) 、i a ( 信息家电) 、环境自动嫩 测、智能小区管理簿的i n t e r n e t 化提供了技术保证，这些技术，将会改变传统 豹工渡测试方法、快速壤密测量及数簿诊瑟。 d s p 技术、嵌入式i n t e m e t 技术、在系统可编程技术及其在系统可编程横 叛数字器件在智缱仪器设计的研究慰一个全新的研究领域，国内对魏研究的 单位还不是缀多，且硬究只限于大学的实验室盼段。本论文围绕逛子科技大学 青年科学基垒项目，对新型智能仪器系统及i n t e r n e t 接入进行了理论和技术应 建嚣方嚣静臻究，多孛秘多褥毒豢蓬警畿仪器鹣模鍪。 新型智能仪器系统是多种理论和新技术的综合，本文全面地研究了智能仪 器故障检测技术原理、在系统可编程技术原理及其檬拟数字器件、嵌入式 i n t e r n e t 原疆以及e m i t 嵌入式i n t e m e t 技术) 帮s o c ( 片上系统s y s t e m o n c h i p ) 技术，猩综合各种原理和技术的基础上，通过深入地矜析和综合， 提出并实现了新型镯能仪器系统。本文县体给出了新型智能仪器硬件结构及实 现，描述了镪能仪器硬件设计细节，包括数字信号处理器、单片枧、i n t e r n e t 接入芯片、可编程数字模拟嚣件等在新型智能仪器中的接口电路设计、数据 逶痞设计黧数字逻瓣设计簿，详缀逑绘密了设计蒙壤露煮毫路图；给出了新墅 智能仪器的软件设计细节，从而完成了新型智能仪器完整的软硬件设计。本文 履点提出了新型智能仪器的重构概念，深入地研究了新型锗能仪器重构的技术 基礁、实觋环凌窝遥过i n t e r n e t 实褒遴程重捻，绘密了薮黧餐麓纹器系统重搦 的实现。 关键谪：智能仪器霞构 在系统可编程嵌入式i n t e r n e t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h e t e c h n o l o g y o f s e m i c o n d u c t o r s ，n e t w o r k s ， c o m m u n i c a t i o n sa n ds o f t w a r e ，t h ei d e a la n dm e t h o do fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ts y s t e m sd e s i g n h a v ec h a n g e dr a d i c a l l y s u c ha st h ed e v e l o p m e n t so f “i pc o r e a n de d a b a s e do i l i n t e r n e tr e s u l ti nt h eq u i c kf o r mo ft h ed e s i g no fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ta n dr u n n i n g e n v i r o n n l e n ti nt h ei n t e r a c t 。t h et e c h n o l o g i e so fi s pa n de m i ta r eb a s eo ft h e s e c h a n g e sw h i c hh a v e o c c u r r e d ”t h es y s t e mo fn e wt y p ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a m a l g a m a t e st h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，a n dc o n t r 0 1 i th a so p e n c o m m u n i c a t i o na n di n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n t & c o n t r o li n t e r f a c e ；a n di tc a nt a k e s e l f - v a l i d a t eo ft e s tr e s u l t s ，r e a l i z e sa u t os e l e c tm e a s u r ew o r di ns p e c i a le n v i r o n m e n t s i t sr e a l i z a t i o ne n s l l r e st h en e t w o r ko fa u t ot e s ti n d u s t r i a ls c e n e ，i s t 姒v c ，i ae t c t h e s et e c h n o l o g i e ss h a l lc h a n g et h eo r i g i n a lm e t h o do fi n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n d r e a l i z ea l s of a u l t d i a g n o s i s t e c h n o l o g i e so fd s p , e m b e d d e di n t e r a c t ，i n s y s t e mp r o g r a m m i n ga n di s p sa p p a r a t u sa r e a b s o l u t en e wd o m a i no ft h er e s e a r c ho nt h ed e s i g no fi n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t ，o nw h i c hf e w i n s t i t u t i o n sh a st a k e nr e s e a m h ：a n do n l yi nt h el a b si nu n i v e r s i t i e s 。t h i sp a p e ri si nb a s eo f t h e i t e mo fy o u t h s c i e n c ef u n d “i nu e s t c ，a n dt a k e sar e s e a r c hi nn e w t y p ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s a n di t si n t e r a c to n t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n ，a tt h ee n dd e v e l o p am o d e l t y p e t h es y s t e mo fn e w t y p ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti si n t e g r a t i o n so fal o to fn e w t h e o r i e sa n d t e c h n o l o g i e s t h i sp a p e rt a k eat h o r o u g hr e s e a r c ho nt h et h e o r yo ff a u l t - d i a g n o s i si ni n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t ，e m b e d d e di n t e m e t ，t n - s y s t e mp r o g r a m m i n g ，e m i ta n ds o c ；a n di nb a s eo f i n t e g r a t i o n so f al o to fn e w t h e o r ya n dt e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e ri n a u g u r a t e dt h es y s t e mo fn e w d p ei n t e l l i g e n ti m s t r u m e n t b yt h o r o u g ha n a l y s i sa n ds y n t h e t i z et h i sp a p e rm a d eaf r a m eo ft h e s y s t e mo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ta n di t sh a r d w a r es t r u c t u r e a sf o l l o w e d ，t h i sp a p e rd e p i c t e d d e s i g nd e t a i l so f i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sh a r d w a r e , i ti n c l u d e dt h ed e s i g no f i n t e r f a c ec i r c u i t ，d a t a c o m m u t a t i o n sa n d d i g i t a ll o g i co fd s p , m c u ，i n t e m e t sc h i pa n di s p sa p p a r a t u se t c ，a n dh a v e d e s i g n e ds c h e m a t i cm a pa n dc i r c u i t s oi ta c c o m p l i s h e dt h ef u l ld e s i g no fh a r d w a r e s o f t w a r eo f t h en e w 露辨i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t t h i sp a p e rf o c u s e do i lt h ec o n c e p to f r e f a c t o r i n go fn e w t y p ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，a n dt o o kat h o r o u g hr e s e a r c ho nt h et e c h n i c a lf o u n d a t i o n so fn e w t y p ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，w o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dr e a l i z e dr e f a c t o r i n gb yi n t e m e t a tt h ee n d t h i sp a p e rr e a l i z e dt h e r e f a c t o r i n go f t h e n e w t y p ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t r e f a c t o r i n gi n s y s t e mp r o g r a m m i n ge m b e d d e di n t e r n e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：炒) 年6 月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：型建盈导师签名：垄垂逡 日期：炒j 年月r 日 塑王型垫2 三堂塑主堂焦堡茎 第一章绪论 1 1 仪器的发展与现状 微电子技术和微计算机技术是推动仪器仪表发展最大的动力。 自微处理器在7 0 年代初期问世不久，就被引进了电子测量和仪器 领域，而且所占比重在各项计算机应用领域中名列前茅。微电子学 和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了 巨大的冲击和革命性的影响。在这以后，随着微处理器在体积小、 功能强、价格低等方面的进一步的进展，电子测量与计算机结合久 愈加紧密，形成了微机化仪器。 回顾电子仪器的发展过程，从使用的器件来看，它经历了从真 空管时代一晶体管时代一集成电路时代一大规模集成电路四个阶 段；而从仪器的工作原理来看，它也经历了从模拟电子仪器一数字 电子仪器一智能仪器一虚拟仪器等不同的阶段。 模拟电子仪器。大量指针的电压表、电流表、功率表及一些通 用测试仪器均是典型的模拟式仪器。这一代仪器功能简单，精度低， 响应速度慢。 数字电子仪器。数字电子仪器的基本工作原理是将待测的模拟 信号转换成数字信号，进行测量，结果以数字形式输出显示。它的 精度高，速度快，读数清晰、直观，结果可打印输出，也容易与计 算机相结合。同时因数字信号便于远距离传输，所以数字式电子仪 器适用于遥测、遥控。 智能仪器。智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物， 是含有微计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存 储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用( 表 现为智能的延伸或加强等) 。它是在数字化的基础上用微机装备起 来，它是计算机技术与电子仪器相结合的产物。它具有数据存储、 运算、逻辑判断能力，能根据被测参数的变化自选量程。可自动校 电子科技大学硕士学位论文 正、自动补偿、自寻故障等，可以做一些需要人类的智慧才能完成 的工作，即具备了一定的智能。 虚拟仪器。虚拟仪器是充分利用计算机技术，由用户自己设计、 定义的仪器，通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成，仪器的 功能主要由软件实现。通过编程，构成仪器的软面板，进行采集数 据的处理、分析。软件技术是虚拟仪器的核心，功能强大的软件替 代了以往仪器的部分硬件，从而使仪器具有更强的分析处理能力、 更高用户设计的灵活性。 技术的发展进步和仪器仪表系统应用要求的不断提高促使着 仪器仪表朝着更高发展方向前进。网络化、微型化、智能化是仪器 仪表发展的方向。 1 2 智能仪器的结构和特点 1 2 1 智能仪器的结构 智能仪器将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，仪器具 有类似于智能特性或智能功能。为了实现这种特性或功能，智能仪 器中一般都使用嵌入微处理器的系统芯片( s y s t e m0 nc h i ps o c ) 、 或数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a p r o c e s s o rd s p ) 及集成专用 电路( a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i ta s i c ) ，仪器 内部带有处理能力很强的智能软件。仪器已不再是简单的硬件实 体，而是硬件、软件相结合，软件在仪器智能高低方面起重要作用 的智能化仪器。智能仪器与微处理器相结合，取代了许多笨重的 硬件，内部结构和前面板大为改观，节省许多开关和调节旋钮。微 处理器通过键盘或遥控接口接受命令和信号，并用来控制仪器的运 算，执行常规测量，对数据进行智能分析和处理，数字显示或传送， 而传统的模拟方法是很难做到的。 从智能仪器发展的状况来看，其结构可有两种基本类型，微机 内置式和微机扩展式。图卜l 为微机内置式结构图。c p u 为仪器的 核心，它通过总线及接口电路与输入通道、输出通道、仪器面板及 电子科技大学硕士学位论文 仪器内存相连。 4 1 也* 键斑、j r - j 、披钢、i 聊) ) 图卜1 典型智能仪器的结构图 e p r o m 及r a m 组成的仪器内存可保存仪器所用的监控程序、 应用程序及数据区。中断申请可使仪器能够灵活反应外部事件。仪 器的输入信号要经过输入通道( 预处理部分) 才可以进入微机。输 入通道包括输入放大器、抗混叠滤波器、多路转换器、采样保持 器、a d 转换器、三态缓冲器等各部分。输出部分有c r t 、磁盘、 光盘、x y 绘图仪或打印机等。 1 2 2 智能仪器的特点 与传统仪器相比较，由于智能仪器中微处理器的作用，使智能 仪器具有下列主要特点： ( 1 ) 微处理器控制的可编程性 智能仪器中采用微处理器后能实现“硬件软化”，许多硬件逻 辑可用软件取代。仪器在微处理器的指挥下，按照软件流程不断地 取指、寻址，进行各种转换、逻辑判断，驱动执行单元。软件控制 带来了很大的灵活性，当需要改变功能时，只改变程序即可，并不 需要改变硬件结构。软件控制受微处理器的影响，控制响应相对于 硬件较慢，但随着微电子技术发展，微处理器的性能在不断地提高， 测试控制的实时性正逐渐得到满足。 ( 2 ) 可计算和数据处理 电子科技大学硕士学位论文 智能仪器通过器内含的微处理器，可以进行许多复杂的计算， 可以很容易的实现多种自动补偿、自动校正、多次测量平均等技术， 以提高测量精度。通过执行适当和巧妙的算法，对测量进行再加工， 获得更多高质量的信息量，而且常常可以克服或弥补仪器本身的缺 点和弱点，改善仪器的性能。 ( 3 ) 友好的人机对话和操作自动化 操作人员只需按键，就可使智能仪器实现某种测试和处理功 能。同时，通过显示屏将运行情况、工作状态、测试数据的处理结 果等及时告诉操作人员，使人机联系更紧密。智能仪器通常都能自 动选择量程、自动校准，省去了人工麻烦，提高了测试精度。 1 3 智能仪器的新发展 1 3 1 现代电子技术是智能仪器发展的推动力 微电子技术、专用集成电路技术、d s p ( 数字信号处理器) 技术、 c p l d f p g a ( 复杂可编程逻辑器件现场可编程门阵列) 和i s p ( 在 系统编程) 技术的迅速发展和在仪器仪表行业新的应用，促使了新 型智能仪器的出现。微电子技术领域芯片的集成度一直遵循着摩尔 定律( 每隔1 8 个月增长一倍) 稳步提高。过去一块p c b 板和一些 复杂器件组成的仪器，今天可以集成在单个芯片上，系统设计已从 传统的p c b 板设计进展到v l s i 芯片的设计，这对智能仪器的进展 有着重大的影响。 专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f ici n t e g r a t e d c i r c u i ts ) 产品或称为定制产品( c u s t o n l iz e dc i r c u i t s ) 无论 在集成度、价格或是在产量方面均取得了飞速发展。把一些性能要 求很高的单元线路设计成专用集成电路，转给其他厂商去生产专用 集成电路，然后再生产a s i c 产品，这样在芯片上直接实现先进的 仪器仪表系统。 自1 9 8 2 年t i 公司推出数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o ce s s o t ，d s p ) 以来，d s p 在速度、片内外部存储容量、外部接 妻至登鍪盔兰蒌圭鲎鱼鲨塞 口翻封装形式蠢了缀丈的进步。高速度的d s p ，为仪器仪表内进号亍 数字信号的分析处理提供了保障。 c p l d f p g a 向高集成鹰、高遽度和低价位方向不断迈避，其应 瘸领域不灏扩大，在信号处理矮域懿凌溪纛正在扩大。麸数字僖号 处理的i s p ( i ns y s te mp r o g r a m m i n g 在系统编程) 到模拟信号处 理的i s p 技术，使得系统设计更加方便。 集成电路按照m o o r e 定律，萃个芯片上的集成度每】8 个胃翻 一番的速发提赢。电路系统的设计正遮进赢度集戏化、固件化的畚 统集成的时代。s o c i p - c o r e 正是集成电路发展的方向，将整个应 庸毫子系统全部集成在一个芯片中，利用可互换的i p - c o r e ，构成 整个独立粒系绕。 1 3 2 瓤型智能仪器是替种瓤技术的融合 随着半导体技术、网络技术、通讯技术和软件技术的飞速发展， 智能仪器仪表系统的设计慰想和方法发生了革命性的瘦化，很多围 素魏i pc o r e 秘基予i n t e r n e t 魏e d a ( 毫予设诗自动能) 瀚飞速 发展正促使以i n t e r l 3 e t 为中心的新型智能仪器仪表的设计期运行 环境加速形成。i s p 和e m i t 技术正是推动和促进这一变化的基础。 “薪鳖餐髓铰秣系统”是融合了计算橇、避信蠢控铡( 篱称3c ) 毅 术，具有智能化测控功能和开放的通憾接口，能对测量结果舱有效 性进行自验证，实现在特定环境条件下最适窟量程的自动选择，零 点靛鑫动梭准等功能。它改交传统鲍工监溺试方法，麓实现远程羚 级重构，测量，快速精密测量及故障诊断。 1 4 本课题所做的工作鄹论文的结构 1 4 1 新型智能仪器的功能描述 新型智能仪器与以往的智能仪器冉勺不同之处在于新型的智能 仪器应用了微电子、计算机、网络方磷的最新技术，是高智能化的 仪器设备。瑟懿技术绘我们带来了巨大懿攥战懂，为了更好瓣掌援 和应用新的技术，设计出更加优异韵系统，我们在设计本系统时， 一5 一 电子科技大学硕士学位论文 采用了简化一般，突出重点的策略，研究在新的技术条件下，新型 智能仪器的系统结构和运行机制，重点研究新型智能仪器的重构及 其远程重构。经充分认证，我们研究和设计的智能仪器系统应初步 具有以下的功能： ( 1 ) 在硬件软件重构基础上实现智能仪器的功能重构 ( 2 ) 智能仪器具有自检测和报错功能。 ( 3 ) 智能仪器能实现i n t e r n e t 接入 ( 4 ) 智能仪器能实现信号分析处理 1 4 2 研究的内容、重点和采取的方法 新型智能仪器系统是仪器仪表科学发展的新的研究领域，它不 同于以往的仪器仪表系统，可以说在系统结构、数据处理方式和系 统的控制方式方面有了根本性的改变。我们通过充分研究前人的成 果，从研究新型智能仪器系统结构入手，阐述新型智能仪器系统的 工作原理和不同于以往仪器系统的组成结构，运用和结合人工智能 原理，提出新型智能仪器的硬件架构，然后针对系统的在系统编程 原理和远程重构进行重点的讨论，并给出具体的设计和电路实现， 研究智能仪器的重构技术，提出新型智能仪器的重构，以及新型智 能仪器的重构架构的实现。 我们采取自顶向下的设计分柝方法，先考虑整体，明确任务， 把硬件部分分解成一个个硬件子模块：输入输出信号处理模块、 i n t e r n e t 接口模块和微c p u 控制模块三大部分。接着是自顶向下 的理论设计，然后是计算机硬件设计软件化和仿真，最后综合合成。 软件部分采用模块化设计，把一个长的程序分成若干个较小的程序 模块进行设计和调试，然后再把各个模块连接。新型智能仪器仪表 的软件部分总的可分为两大模块，即d s p 处理程序和单片机控制程 序。 1 4 3 论文的结构 本论文细分为六章： 电子辩菝大学蘸士学位论文 嫠一牵分缨了仪器的发展历程和智鹱仪器，结合掰的技术论述 了新型智能仪器发展的技术前提，并提出了新型智能仪器的设计思 想。 第二肇营宠系统籀单叙述了藐鍪餐襞纹器系统懿溪件嚣较 串 结构，接着着熏介绍了在仪器仪表领域发鼹的新技术、新思想和新 的设计方法，强调了新型智能仪器系统所采用技术原理和最新发展 情况。 第三拳是瑟型智能仪器的硬 孛系统豹设计部分。文章从硬件设 计的角度出发，阐述了硬件设备的选型、组合和功能上的分配，进 一步将新漤智能仪器的设计思想具体纯。 第嚣举穷缁了程疆终设计懿基醚上，配合硬 牛豹软佟设计。主 要以图表的形式给出了软件设计的思想和设计的方法。 第五章提出了智能仪器的熏构及其概念，智能仪器的熏构技 术、重构技零静特点和实现方法等。在j 龟黧础上，实鼗新黧智能仪 爨的重构。 第六章是本论文的结论和展望部分。 电子科技大学硕士学位论文 第二章新型智能仪器系统结构和原理 2 1 新型智能仪器系统结构和原理概述 随着通讯技术、网络技术和半导体技术的飞速发展，智能仪器 仪表系统的设计步入了崭新的时代。智能仪器系统是一个专用的微 型计算机系统，由硬件系统和软件系统组成。新型的智能仪器系统 不同于以往仪器仪表系统，它更复杂，在系统结构、数据处理方式 和系统的控制方式方面有了根本性的改变；它应用在系统编程技 术、嵌入式接入i n t e r l 3 e t 技术和内嵌式操作系统技术将仪器的功 能进一步扩大，使仪器不仅具有自动化测量、数据处理和模拟人工 智能功能，还具备了远程测量、远程升级软件、重构硬件等新功能。 本章提出了新型智能仪器的系统结构，具体从硬件系统结构和 软件系统予以论述；在本章里，作者省却了传统智能仪器应用的原 理和技术，而是重点阐述了在新型智能仪器系统开发中要运用的新 出现的原理和新的技术，在系统编程技术和器件、嵌入式i n te r n e t 技术和片上系统原理等。 2 2 新型智能仪器的系统结构 2 2 1 新型智能仪器的硬件系统 智能仪器的硬件系统包括信号模块信号处理模块、i n t e r n e t 接口模块和c p u 控制模块三大模块。图2 1 显示了智能仪器的硬件 结构。各个模块根据自己所执行的功能，在智能仪器中处于不同的 位置。模拟数字信号处理是仪器采集测量数据的处理前端，由传 感器传入的信号可能是微弱信号、受过干扰的信号，模拟处理的作 用是将这些信号进行放大、滤波处理，再进行模数转换；数字信 号处理器的信号分析处理的效率和速度很高，可以进行数字的频 谱、滤波等计算。智能仪器的数据输出可通过通常的i 0 和 i n t e r n e t 方式，更方便的是用户除了在现场控制、观察智能仪器 的运行状态和数据之外，还可以通过i n te r n e t 来控制执行。 一r 一 童置登茎盔望堡圭差壁鲨塞 圈2 - l 新型智能仪器的硬件结构 2 2 2 新鍪智能仪器的软件系统 硬件是软俘设计的基础。新型智熊仪器系统软件的设计楚建立 在硬锌系统的纂破上靛。 从硬件的角度出发，软件系统主鹱有两个部分组成。第一部分 是仪器的信号处理前端控制软件，它主要融数字处理器来完成执 嚣；笫二帮分楚单片掇控制软 串，它主要囊萃冀掇控裁捷撂。这嚣 个部分负资仪器系统的不同的软件控制。 2 3 智能仪器系统自诊断原理 2 3 1 故障产生的原因 仪器产生故障的物理原因很多。从外部因素讲，空间强电磁场 的冲击，电阏电压的冲击，机械震动，温度、湿胰的交亿等对仪器 的 警髑，或者馒用秘维护不当，都可弓l 起仪器懿揍捶 拳、痰藩元件 和电路板的工作不良、损坏或失效，或者遗成短路。击穿、断路、 接触不良等。从内部因素看，随着时间的变化，仪器内部元器件和 毫路板豹老纯零| 起其性姥下降帮参数交纯，这转变亿超过一定懿终 限时就会形成仪器故障。此外，和传统仪器不同，智能仪器除硬件 一n 一 鱼王型垫丕堂堡圭堂焦鲨塞 故障外，还可能出现软件故障。 故障测试分两种。如果只要求确定仪器是否存在故障，称为故 障检测。如果不仅仅要求检查仪器是否存在故障，而且要求确定故 障发生地具体位置( 故障定位) ，称为故障诊断。故障诊断比故障 检测难得多。 故障定位有一个细度问题。被检测地对象大小不同时，对故障 诊断和细度要求不同。通常，诊断一个系统时，要求故障定位到印 刷电路板级，诊断一块电路板时，要求故障定位到集成电路块级， 诊断一块集成电路时，则希望将故障定位到其输入、输出脚或内部 元件上。 依靠仪器内部地微机和内附的故障检测电路来自动实现故障 检测和故障诊断，称为自检。故障的测试时靠外部自动测试设备来 完成的，则称为故障的外部测试。 检测的原理是：给被测的对象施加一定的检测信号，根据其输 出响应来判断是否存在故障。所加的检测信号称为测试矢量或测试 码。 2 3 2 仪器故障的自检 仪器的自检、主要是针对下列部件： 仪器的数字电路部件，包括中央处理器( c p u ) 、存储器( r a m 、 r o m 、e p r o m ) 、输入输出口、逻辑控制电路、总线等；仪器的模拟 电路部件，包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、电源、标准源 等；仪器的软件部分。 仪器自检的方式： 开机自检。每当接通电源或者复位之后，仪器即进行一次自检。 周期性自检。为保证仪器长时间可靠稳定的工作，有时在仪器 运行过程中周期性地进行插入自检。周期自检是自动进行的。 键控自检。某些仪器的面板上设有自检按键，操作者可以命令 仪器进行一次自检。 皇王型堇盔堂堡主兰壁迨塞 连续监控。仪器内设有专门电路或者附加专门的检错码，时刻 监视仪器运行状态，一旦出现故障，究停止仪器工作，转入出错处 理。 智能仪器的故障检测和诊断，通常只定位到电路板级或电路板 中的重要部件级，而不是对各个部件的故障定位作进一步的细化。 2 3 3 自检技术 数字电路的自检根据被检测电路的不同，采取不同的自检方法 在不同的场合使用。 ( 1 ) 扫描设计技术。将电路板中的含有时序电路的部件采用可 测性设计方法进行设计，在自检时，如果输入和输出在部分通路切 断的情况下，各个触发器在给定串行输入序列下，观察其输出序列， 得出电路是否正常的判断。 ( 2 ) 特征分析技术。在对于有3 个输入端的逻辑电路中，用穷 举法可产生2 ”个不同的测试矢量，这是一个有序的数据流。正常电 路和有故障电路所产生的数据流不一样。这样在电路中选择合适的 观察点，采集和分析测试矢量作用下的数据流的特征，就可以检测 出电路中的故障。 ( 3 ) 环绕技术。将输出部件的输出端与输入部件的输入端连接， 由c p u 将存储在r o m 中的测试矢量加到输出部件上，由c p u 读输入 部件的数据，并与刚才加到输出部件的测量矢量相比较，即可判断 仪器内输入部件和输出部件的故障。 2 4 智能仪器在系统编程原理 在系统编程技术( i s pi n s y s t e m p r o g r a m m i n g ) 是一种设计 电路和系统的最新技术，它可以使我们在产品设计、制造过程中的 每个环节甚至在产品买给最终用户以后，具有对其器件、电路板或 整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组能力的最新技术。 在系统编程消除了传统可编程器件的某些限制和连接弊病，有利于 电路板和系统级设计、制造与编程。在系统编程硬件灵活且易于软 - q 1 一 电子科技大学硕士学位论文 件修改，便于设计开发。由于在系统编程器件可以像任何其他器件 一样，在印刷电路板( p c b ) 上处理，因此编程在系统编程器件不 需要专门编程武器和复杂的流程。只要通过p c ，嵌入式系统处理 器甚至i n t e r n e t 远程就可以对器件进行编程。 在系统编程技术不但非常适宜于仪器逻辑电路和系统的设计， 同样也适宜于仪器模拟电路和系统的设计。在系统可编程模拟器件 使模拟电路和系统的设计同样灵活和易于软件修改，便于智能仪器 设计开发。 2 4 1 在系统编程的设计特点 ( 1 ) 设计调试方法独特。在大多数电路与系统设计过程中，诸 如微处理器和r a m 之类一些重要部件，通常在系统功能、逻辑确定 之前就已选定。当采用在系统编程器件进行设计时，设计者就可以 把这些重要部件全部提前安装在仪器电路板上，然后再用可编程逻 辑器件、可编程开关器件，必要时甚至使用可编程迷你器件等，按 预定功能和要求，将它们连接起来。调试过程中，若要修改设计， 无论时在增加或减少功能和逻辑，都能够极为方便地通过设计工具 软件或i n t e r n e t ，在几分钟内就可以完成。 ( 2 ) 可进行内部调试。一旦在系统编程器件中的逻辑功能调试 完成后，设计者还可以利用这些已调好的在系统编程器件来调试系 统板上的其他部分。内部调试可以全面验证仪器电路板设计的能 力，节省在系统调试期间的时间，提高产品的市场竞争力。 ( 3 ) 能进行电路板重组态和现场升级。在系统编程器件提供了 现场重组仪器板子和升级产品性能的理想方法。用传统的仪器电路 与系统设计技术，一个系统按用户的要求设置后，最后若要升级， 进行硬件修改，排除硬件故障，是困难和不经济的。然而，对于在 系统编程器件，如果以后需要重新组态、产品升级或检修，则无论 在现场还是在工厂，只要简单采用软盘升级，就可重新组态。依据 仪器系统环境和需要，可利用p c 机和i o 口、用户目标板上自各 的单片机或微处理器、串行链接，甚至i n te r n e t 或通过调制解调 一2 一 皇王型蒸盔堂亟主兰焦鲨窒 器等，对智能仪器系统实现现场升级。 2 4 2 在系统编程器件的制造特点 在系统编程技术不仅引起了电路与系统设计领域的革命，而且 也在制造领域产生了引人瞩目的变革。用在系统编程器件可以实现 多功能硬件的设计，从而减少了系统部件，降低了成本。在系统编 程技术也对测试提供重组态能力，这样就提高了板级测试能力，最 终提高了系统可靠性。 多功能硬件实现。在系统编程技术开拓了多功能硬件的概念。 单一的硬件设计，通过在系统编程以后，就有了完成各种系统级功 能的能力。多功能硬件的实现，减少了产品制造中为实现各种系统 级功能所需的各种电路板的数目，进一步简化了制造流程，大大降 低了系统级成本。 通过测试重新组态。在系统编程技术能在不浪费仪器电路板资 源或电路板面积的情况下，进行仪器电路板级的测试，并能扩大故 障寻迹的范围。设计者可以把诊断测试模式暂时编程到在系统编程 器件中，事先设定各种情况，以毫无遗漏的方式运行电路或系统中 的各种功能。同时，还可利用可编程数字开关等可编程器件，在测 试环境中把编程信号引导到所需部位，来强化或检验电路板级的测 试。这种在生产过程初期即可检测电路板级故障的能力，大大降低 了系统总成本。对各部位的详细测试一旦完成，就可将在系统编程 器件重新正式编程组态，并进行最后的功能测试。 边界扫描测试。采用边界扫描测试技术，可以进一步提高系统 的总体质量。随着所设计的电路板上元件密度的增加以及芯片密度 及其i 0 数量的增加，测试和接近电路板上的关键结点的难度越来 越大。采用边界扫描测试技术后，通过测试进入端口( t a p t es t a c c es s p o r t ) ，将原先用标准测试方法接触的关键结点用环路串接 起来，大大简化了现场诊断与测试过程，进一步提高了整个系统的 质量，降低了成本。又因为边界扫描测试的串行通道和控制引脚还 兼用作i s p 编程引脚，因而仪器生产总成本也随之下降。 3 一 垒至鍪茎查窆壅圭鲎垒鲨塞一 篱化了制造漉瑕且无弓l 脚损伤。目前，还没有能处理多引脚、 高密度p l d 的全自动编程设备，于是所有多引脚的非在系统编程器 件必须通过手工莉嗣标准逻辑编程嚣编程。把齑雩| 麟数、小引脚闯 疆熬爨件捶入缡程逶配器殛座，编程、并重囊入痒是一项娥琐的任 务，在此期间很容易损伤器件娇弱的引脚。遗漏受损厝将会导致引 脚平面平整度下降和虚焊，从而增加电路扳和系统的敬障。采用 i s p 器馋遂幸亍竣计与生产，元传壹接从疼痨到铡造戆魄爨投p c b 底 板，完全消除了单个编程釉标记工序，避免了由于器件在编程器插 座中安装、错位所造成的弓i 脚损伤，简化了制造流程。没有编程的 在系统编程器箨可以觳进强凌安装设备，然焉童接安装裂舞能仪器 p c b 上，不要插座，无需考虑特定的组态。各个可编程器件的组态 可以由自动测试仪、p c 或工作站平台，在最终板子测试过程中完 或。薅含育成予上万个p l d j 密度懿在系统编程高密发器羚豹编 程，仅需几秒锄完成。 系统升级和维护。即使是奁仪器系统被出售以后，在系统编程 焉户也可 蔓体会到在系统编程技术的好处。智能仪器程系统编程其 寿缀强豹现场诊龋熊力，低藏熬产品特性舞级，维护麓蕈，降低了 现场升级维护的成本。 2 4 3 在系统可编糕模拟器件 目前在系统可编程模拟器件有五种( is p p a c l 0 等) 。根据不同 模拟痿号处理熬需要，哥将它销送雩亍不嚣戆组合，形残放大、滤波 电路。 在系统可编程模拟器件一般由基本单元电路p a c 块、模拟布线 区、配餮存储器、e e c m o sm e m 、i s p 控翎攀元、参考电压、自魂校 正单元和在系统编稷接口组成。更高级豹可编程模拟器件逐育放大 器、滤波器、d a c 输出。w 编程模拟器件中包含有一个复杂的低逍 滤波器所需的所有电路元件，通过在系统编程，可以快速实现典型 滤波器b u t t e r w o r t h 、c h e b y s h e v 、l e g e n d r e 、l l i t ie a l 、e 8 娃s s i a n 、 l i n e a rp h a s e 等。 电子科技大学硕士学位论文 2 4 4 在系统可编程数字器件 在系统编程的逻辑器件可以实现所有通用数字逻辑集成电路 的功能，克服了专用数字集成电路设计周期长和投入费用高的缺 点，反映了数字逻辑系统的发展趋势。在系统可编程数字器件包括 在系统可编程逻辑器件和在系统可编程接口和互连器件。 在系统可编程逻辑器件通常被称为c p l d ( 复杂可编程逻辑器 件) ，通常包括一下几个部分： 集总布线区( g r p g e n e r i c r o u t i l 3 9 p 0 0 1 ) 在高密度可编程逻辑器件中部的有一个g r p ，它将所有的片内 逻辑联系在一起。g r p 在时延恒定并且可预知的前提下，提供了完 善的片内互联性，保证了芯片的性能。 万能逻辑块( g l b g e n o r icl o g icb 1 0 c k ) 在系统可编程器件的关键部件是万能逻辑块。它提供了强有力 而又灵活多变的逻辑结构模块，可以支持各种宽输出或窄输出逻辑 功能，以实现快速可预测的性能。 输出布线区( o r p o u t p u tr o u t in gp 0 0 1 ) 输出布线区o r p 是高密度is p l s i 芯片所特有的，它提供了g l b 输出到器件i o 单元之间的连接途径。 保密单元( s c ) 保密单元是防止未经认可的阵列图形的拷贝，s c 一经加密， 就不能从中读出功能信息。 阻塞保护( l p ) 阻塞保护是高密度可编程器件具有的功能，器件具有电荷吸收 板，以吸收基片的负偏置电荷。当负偏置有足够数量时，要防止输 入负尖峰脉冲引起的内部电路系统阻塞现象。 在系统可编程接口和互连器件主要应用于信号布线、微处理器 接口连接，多位的数据地址总线接口的连接。 2 5 智能仪器嵌入式网络原理 - le 电子科技大学硕士学位论文 2 5 1 嵌入式网络技术的兴起 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗严格要求的专用计算机系统。 以单片机或微控制器( m c u ) 为主的智能设备已经在家庭和工 业的各个领域得到了广泛应用。目前大多数嵌入式系统还处于单独 应用的阶段，以m c u 为核心，与一次检测、伺服、指示设备配合 实现各自的功能目前大多数嵌入式系统还处于独立应用阶段，以 m c u 为核心的系统与一些监测、伺服、指示设备配合实现各自的功 能。在一些工业应用和各种消费类电子产品中，为了实现多个m c u 之间的信息交流，常利用c a n 、r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 等组成“轻”网络， 由于其通信协议简单，并且是孤立于i n t e r n e t 的。 i n te r n e t 现己成为社会重要的基础信息设施之一， 是信息流 通的重要渠道，如果嵌入式系统能够连接到i n t e r n e t 上面，则可 以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。嵌入式 i n t e r n e t 技术经历了从有到无的发展阶段。 第一阶段：1 9 8 0 年一1 9 9 0 年i n t e r n e t 发展的萌芽阶段。解决 异种计算机的联网和信息交换，采用t c p i p 协议交换文件和信息， 主要解决专业领域如银行、军用系统采用不同操作系统的大、中、 小型计算机的联网问题，这时并不称之为i n t e r n e t ，t c p i p 网络 仅是少数计算机专家的概念，这是i n t e r n e t 发展的萌芽阶段。 第二阶段：l9 9 0 年一2 0 0 0 年，p c 作为客户机，i n t e r n e t 席卷 全球。在t c p i p 协议网络之上发明的e m a i l 和w w w 普遍应用， i n t e r n e t 国际互联网被大众接受，这时一个重要的条件是p c 普及 的非常广泛，即形成了c l i e n t s e r v e r 体系结构( 客户机服务器) ， 进而发展为b r o w s e r s e r v e r 结构( 浏览器月务器) ，这时的客户 机是已广泛普及的p