山东科技大学信电学院智能仪器复习题.pdf

智能仪器 复习题 智能仪器 复习题 1 1 叙述智能仪器的基本组成 工作原理及发展趋势 叙述智能仪器的基本组成 工作原理及发展趋势 答 智能仪器主要由硬件和软件两大部分组成 硬件部分主要包括主机电路 模拟量输入 输出通道 人 机接口电路 通信接口电路 其中主机电路用来存储程序 数据并进行一系 列的运算和处理 它通常由微处理器 程序存储器 数据存储器及输入 输出 I O 接口电 路等组成 或者它本身就是一个单片微型计算机 模拟量输入 输出通道用来输入 输出模拟 信号 主要由 A D 转换器 D A 转换器和有关的模拟信号处理电路等组成 人 机接口电路 的作用是沟通操作者和仪器之间的联系 主要由仪器面板中的键盘和显示器组成 通信接口 电路用于实现仪器之间的联系 以便使仪器可以接受计算机的程控命令 软件分为监控程序 和接口管理程序两部分 监控程序是面向仪器面板 键盘和显示器的管理程序 接口程序是 面向通信接口的管理程序 智能仪器的发展趋势是趋于智能化 自动化 小型化 模块化和开放式的系统 2 2 影响测试精度的因素有哪些 影响测试精度的因素有哪些 答 影响测试精度的因素有 1 传感器本身的转换精度 2 测量放大器的稳定性 3 外部电磁感应噪声 4 线间窜扰 5 公共阻抗干扰 6 传感器供电电源的稳定性 3 3 为什么智能仪器要具备自检功能 自检方式有几种 常见的自检内容有哪些 为什么智能仪器要具备自检功能 自检方式有几种 常见的自检内容有哪些 答 所谓自检就是利用事先编制好的检测程序对仪器的主要部件进行自动检测 并对故障进 行定位 自检功能给智能仪器的使用和维修带来很大的方便 智能仪器的自检方式有三种类型 1 开机自检 2 周期性自检 3 键盘自检 智能仪器的自检项目与仪器的功能 特性等因素有关 一般来说 自检内容包括 ROM RAM 总线 显示器 键盘以及测量电路等部件的检测 仪器能够进行自检的项目越多 使 用和维修就越方便 但相应的硬件和软件也越复杂 4 4 设计仪表专用微机系统包括哪些主要工作内容 设计仪表专用微机系统包括哪些主要工作内容 答 1 时钟电路设计 2 复位电路设计 3 存储器设计 4 I O 接口设计 5 总线驱动设计 5 5 提高智能仪器可靠性的方法有哪些 提高智能仪器可靠性的方法有哪些 答 提高智能仪器可靠性的方法有 1 元器件级可靠性措施 严格管理元器件的购置 储运 老化 筛选 测试 降 额使用 选用集成度高的元器件 2 部件及系统级的可靠性措施 冗余技术 电磁兼容性技术 信息冗余技术 时间冗余技术 故障自动检测与诊断技术 软件可靠性技术 失效保险技术 6 6 设计 设计智能仪表的主要依据是什么 有哪些问题必须在确定总体方案之前弄清楚 智能仪表的主要依据是什么 有哪些问题必须在确定总体方案之前弄清楚 答 智能仪表设计是一项复杂的技术工作 它要求设计者综合运用所掌握的电子技术 微机 硬件 软件知识 传感器原理与检测系统技术 数据处理和自动控制的理论与方法 仪表设 计技能与使用经验等 经过建模与仿真 原理设计 样机调试 修改设计等多个步骤甚至反 复 才能够完成 进行一项成功的设计既要了解国内外现状与水平 尽量采用先进技术 充 分利用已有成果 以下必须在确定总体方案之前弄清楚 1 需求分析与方案论证 2 机型选择与嵌入式系统 3 总线与结构 7 7 什么叫软测量 软测量建模可以用那些方法 什么叫软测量 软测量建模可以用那些方法 答 对于难于测量或暂时不能用单独的仪表进行测量的被测变量 又称为主导变量 选择 另外一些容易测量的变量 又称为二次变量或辅助变量 想法构成这些辅助变量与被测变 量之间的某种数学关系 就可以用数据处理软件代替单独的仪表这种硬件 通过计算 估计 和推断确定被测变量 这种方法就叫做软测量 软测量建模可以采用的方法有 1 机理建模 2 机理建模与经验建模相结合 3 回归分析建模 4 人工神经网络建模 5 其他方法建模 8 8 什么是专家系统 它有哪些类型 具有什么样的结构 什么是专家系统 它有哪些类型 具有什么样的结构 答 专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统 它应用人工智能技术和计算机 技术 根据某一个或多个专家提供的知识和经验 进行推理和判断 模拟人类专家的决策过 程 以便解决需要人类专家处理的复杂问题 简而言之 专家系统是一种模拟人类专家解决 领域问题的计算机程序系统 根据专家系统所面对的不同任务 领域 可将其划分为下面几大类 1 解释类 2 诊断类 3 监控类 4 预测类 5 规划类 6 设计类 第二代专家系统结构 学习 机制 经验性知识 原理性知识 浅层推理 深层推理 人 机 界 面 全局数据库 知 识 库 管 理 9 9 什么是模糊控制 它的特点是什么 什么是模糊控制 它的特点是什么 答 模糊控制是基于模糊推理 模仿人的语言表达方式和思维方式 对难以建立精确数学模 型的对象实施的一种智能控制技术 它是模糊技术和控制技术相结合的产物 是智能技术的 一个重要分支 模糊控制的特点在于 1 不要求知道被控对象的精确数学模型 只需要提供现场操作人员的经验及其操作数据 2 控制系统的鲁棒性强 适合于解决常规控制难以解决的非线性 强耦合 时变和时滞 系统 3 以语言变量代替常规的数学变量 容易构成专家 知识 4 控制推理模仿人的思维过程 采用 不精确推理 融入了人类的经验 因而能处理复 杂乃至病态的系统 1 10 0 数据采集系统由哪几部分组成 包括哪些主要环节 数据采集系统由哪几部分组成 包括哪些主要环节 答 智能仪表的数据采集系统硬件由两部分组成 一是信号的滤波 放大 采样 保持 转 换部分 二是微机及其接口部分 如图所示的为一数据采集系统的结构框图 S H 环节根据 系统的要求进行采样并保持采样值 多路开关从 S H 环节选择一路送到 A D 模 数 转换器 进行 A D 转换 转换结果 数字量 经接口进入微机 存于寄存器或内存中 传感器 传感器 测量 电路 测量 电路 S H S H 多 路 开 关 A D 输入 输出 接口 CPU 存储器 传感器 控制信号微型计算机 总线 数据采集系统结构框图 1 11 1 怎样确定数据采集的采样方式和采样频率 怎样确定数据采集的采样方式和采样频率 答 有两种数据采集的采样方式可供智能仪表选择 一为 实时采样 一为 等效时间采 样 实时采样即数据采集开始后 信号波形的第一个采样点即被采入并数字化 经过一个采 样间隔后 再采入第二个采样点 这样一直将整个信号波形数字化并存入存储器中 为了不 丢失被采样信号所携带的信息 实时采样的采样频率应满足采样定理 香农定理 的要求 当采样频率不满足采样定理时将产生信号混迭现象 使采样后波形中增加了额外的低频成 分 造成失真 引起误差 除了 定时采样 等间隔采样 外 实时采样 通常使用 变 步长采样 即 等点采样 这种方法不论被测信号频率如何 一个信号周期内均匀采样的 点总数为 N 个 由于采样周期随被测信号周期变化 故通常称之为 变步长采样 等效时间采样 技术要求信号波形是可以重复产生的 由于波形可以重复取得 因 此采样可以用较慢的速度进行 采集的样本可以是时序的 步进 步退 差额 也可以是 随机的 这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形 1 12 2 有哪些特殊的集成运算放大器类型 应如何选用 有哪些特殊的集成运算放大器类型 应如何选用 答 1 超低温漂放大器 温度漂移系数 V 温度每变化 1 所引起的变化折合到输 入端的电压漂移信号 是运算放大器的一个重要指标 对于直流电压放大情况尤其重要 通 用运算放大器的温度漂移系数一般在 10 300 V 范围内 而低温度漂移运算放大器的温 度漂移系数仅 1 V 左右 2 测量放大器 测量放大器又称仪表放大器 数据放大器 工业过程测量传感器经 常在很恶劣的环境下工作 它的两输出端难免带有很大的干扰信号 且多数为共模干扰信号 测量放大器的差动输入端 IN 和 IN 分别是两个运算放大器的同相输入端 因此输入阻 抗很高 由于采用对称结构且信号直接加到输入端 因此有很高的抑制共模干扰能力 3 隔离放大器 来自现场传感器的检测信号不可避免会夹杂有干扰和噪声 隔离放 大器能够通过光耦合或磁耦合的办法实现信号的联系 完成放大的功能 而输入 输出电路 没有直接的电耦合 因此可实现电路隔离 故也叫隔离器 4 可编程增益放大器 可编程增益放大器是一种通用性很强的放大器 其放大倍数 可根据需要用程序控制进行改变 很容易使各种满量程信号达到与 A D 匹配的要求 5 可编程模拟电路 内置许多电可编程功能模块 如多路转换器 可编程放大器 滤 波器 D A 转换器和驱动器等 可编程功能包括 增益 0 5 10 八档 极性 偏置 速度 功耗 内部各种连接等 1 13 3 什么是共模干扰和串模干扰 各有哪些对应的抗干扰措施 什么是共模干扰和串模干扰 各有哪些对应的抗干扰措施 答 串模干扰常叠加在各种不平衡输入和输出信号上 也会通过供电线路窜入系统 因此抗 干扰措施通常设在这些干扰的必经之路上 在传输通道上经常采用的抗干扰措施有 1 隔 离技术 2 硬件滤波电路 3 采用抗干扰性能好的 A D 器件 4 过压保护电路 5 调制 解调技术 6 数字信号采用负逻辑技术 共模干扰在理论上对系统没有影响 但实际上 共模干扰很容易作用于非对称输入单元 转化为串模干扰 过高的共模电压还会造成系统的损坏 电磁感应干扰可能产生共模干扰 采用屏蔽与接地的方法可以很好地抑制这种干扰 除此之外 共模干扰也常由测量通道引 入 抑制这样的共模干扰可采用下列措施 1 选用高质量的差分放大器 2 平衡对称输入 3 采用隔离技术 1 14 4 简述键盘处理时去抖 单次键入和串键判断等操作的道理和方法 简述键盘处理时去抖 单次键入和串键判断等操作的道理和方法 答 1 按键的去抖动 按键从最初按下到稳定接触要经过数毫秒的抖动过程 按键松开时也存在同样的问题 对于高速运行的微机系统 这几毫秒的抖动将引起多次读数的误动作 因此 按键必须进行 去抖动处理 去抖动通常有硬件和软件两种方案 硬件去抖动的方法可采用 RS 触发器或单 稳电路 软件延时去抖动是在 CPU 首次检测到按键按下或按键放开信号时 延时一段时间 延 时长短取决于按键的性能 一般 20ms 即可 后 再次判断按键的状态 显然这次读入的是按 键稳定后的状态 软件去抖动不用额外的硬件开销 软件也不复杂 因此在智能仪表中广泛 地使用 特别是在按键个数较多的情况下 2 按键的单次键入 操作者按下键 观察到系统响应 再松开按键的一次按键操作过程的时间量为秒级 而 CPU 即便考虑延时去抖动的时间 处理按键操作的速度也相对较快 这样会造成按键单次键 入 而 CPU 却多次响应的问题 通常仍采用软件的方法来解决按键单次键入的问题 即当 CPU 测得按键按下的信号时 不立即转入处理程序 而是反复检测按键的状态 直到按键被 松开才认为一次按键操作有效 对按键单次键入的处理是非常必要的 但有时在连续对一个按键操作时 又希望一次 按键连续输入 为此 可在不断监测被按下键的同时设超时判断 当按键被按压的时间超时 时 即认为操作者在进行连续输入 3 串键处理 当多个按键并列使用时 因操作因素可能将双键或多键同时按下 此时程序应考虑对串 键的处理 对串键最简单的处理是做无效输入而不予理睬 也可采用双键锁定的原则 即 串键时不判断键值 只到按着仅剩的一个键时 才判断键值 1515 简述相关流量测量的原理 简述相关流量测量的原理 答 相关流量计的工作原理如图所示 在沿管道轴线相距位已知距离 L 的两个截面aa 和 bb 处 分别安装有结构完全相同的某种物理效应 例如光学 电学 声学等等 的传感器 按照流体的流动方向 一般将这两个 或两组 传感器分别称为上游传感器和下游传感器 在工作时 这些传感器将向被测流体发射一定幅度的探查能量束 如光束 声束等 当被 测流体在管道内流动时 流体内部自然发生的随机噪声现象 例如 两相流体中离散相颗粒 cp V 0 t x t t y t 0 1 lim T xy T Ry t x tdt T 0 cp VL xy R 0 y t x t b b a a 上游传感器 下游传感器 的尺寸分布和空间分布的随机变化 以及多组分流体中各组分的局部浓度的随机变化等等 都会对传感器发出的能量束产生随机调制作用 幅值调制 随之 传感器中的敏感元件会 检测到这些调制作用引起的随机噪声信号 并产生相应的物理量 如电流 电压 频率 应 力等 的变化 当然 这些物理量随时间的变化也将呈现随机的性质 最后 通过适当的信 号转换电路 就可以分别从上 下游传感器提取出与被测流体流动状况有关的流动噪音x t 和y t 当被测流体在管道内作稳定流动时 随机流动噪声信号x t 和y t 可以分别看作 是来自各态历经的平稳随机过程 k x t和 k y t的两个样本函数 由上 下游传感器 测量管道及被测流体所组成的系统视为一个信号系统 且将上游传 感器产生的随机信号x t 作为该系统的的输入 下游传感器产生的随机信号y t 作为该系 统的输出 那么 确定流体从截面aa 运动到截面bb 所需的时间长短的问题 就可归结 为一随机信号通过给定系统所需时间的问题 由相关理论可知 将该系统的输出信号y t 与它的输入信号x t 作互相关运算 实际 上就是在不同的延时值下比较这两个信号波形的相似程度 得到互相关函数 xy R 的图 形 该图形峰值位置所对应的时间位移 0 就是随机信号x t 在该系统中的传递时间 因此 信号x t 在该系统中的传播速度 c v可以按下式计算 0 c vL 1 通常 称 c v为相关速度 在理想流动状态下 也就是管道横截面上各点处流体的速度都相等时 被测流体的体积 平均流速 CP V可以用相关速度 c v来表示 即 0 cpc vvL 2 因而 被测流体的体积流率Q可表示为 c QvA 3 1616 如何提高频率信号采集的精度如何提高频率信号采集的精度 答 采用同步计数技术可以获得精密的测量结果 所谓同步技术是在对两路信号计数时 用 频率低的被测信号来控制定时计数的开始和结束 同步 仅让频率很高的基准信号不同步 由此产生的 1个脉冲的影响将大大减小 如图1所示 微机先清除两个计数器 再发出START 信号表示定时计数开始 在 fx 的上升沿到来之前 D 触发器仍关闭两计数门 由 fx 上升沿开 启两计数器计数 即定时开始与被测信号同步 微机内部定时一到就改变 START 信号 触发 器要等 fx 的又一个上升沿到来时才跳变而关闭计数器 即定时结束与被测信号同步 如图 2 图 1 频率同步测量电路原理图 图 2 频率同步测量时序图 1717 如何利用单片机测量频率 分析测量误差 如何利用单片机测量频率 分析测量误差 答 测频的方法主要可分为两种 一种为直接测量法 即在一定的闸门时间 通常为 1S 内测量被测信号的脉冲个数 另一种为间接测量法 如周期测量法 V F 转换法等 直接测量法适合于高频信号的频率测量 间接测量法更适合于低频信号 频率小于 10HZ 的频率测量 采用低频端测周 高频端测频时存在中界频率测量误差很大即测量死区 问题 也就是说不论低端和高端测量准确度有多高 中界频率测量误差总是最大 频率的测 量准确度很难提高 改进的方法是采用多周期求平均值的测频法 测量的准确度可以得到一 定程度的提高 采用测量多个周期求平均值的方式测频 使用单片机的两个定时器 定时器 0 工作在方 式 1 16 位定时器方式 定时器 1 为被测信号输入端 工作在方式 1 16 位计数器方式 测频过程原理如下图所示 设被测信号和定时器 0 的计数周期分别为 T 和 t 测频开 始 被测信号第一个上升沿 到来时 同时打开定时器 0 和定时器 1 开始计数 当定时器 0 计满 65536 个周期后 被测信号的下一个上升沿 到来时 同时关闭定时器 0 和定时器 1 此时 设计数器 1 所计信号周期数为 N 定时器 0 的 TH0 TL0 中所计数为 n1 则定时器 0 所定时间为 nt 65536 n1 t 又因为 NT nt 从而 得出被测信号的周期 T nt N 进 一步可求得被测信号的频率 f 1 T 1818 试述多单片机系统 计算机网络系统 现场总线系统之间的区别 试述多单片机系统 计算机网络系统 现场总线系统之间的区别 答 多微机测量 控制系统一般指由多个微机按分级结构组成的系统 最下级是进行测量 转换和控制的仪表 它们只与控制站联系 彼此并不通信 每个控制站控制几个或几十个回 路 与其它控制站或操作站通信联络 这样 系统将控制功能相对分散了 而将操作 监视 功能相对集中了 操作站有 CRT 显示屏 打印绘图机 键 杆操作台和数据库 管理信息系 统等 因此又被称为集散系统 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物 在计算机网络环境下 计算机是互 联起来的 能互相传递信息 在一个区域乃至全球实现资源共享 同时各计算机又是相互独 立自治的 可以独立自主地进行自己的工作 运行用户程序 显然 计算机网络既不同于 一台计算机带多台终端的多用户系统 也与一台主机控制多台从机的多微机测控系统有很大 区别 现场总线 FieldbusFieldbus 是现场通信网络与控制系统的集成 现场总线的节点是现场仪表 或其它现场设备 这些仪表是具有综合功能的智能仪表 现场总线用于构成现场仪表 控制 室 控制系统之间的全分散 全数字化 智能双向 多变量 多点 互联的通信系统 这里 特别强调 互联 1919 试对试对 RSRS 232C232C RSRS 422422 RSRS 423423 RSRS 485485 的通信总线标准作一比较的通信总线标准作一比较 答 通过 RS 232C 微型计算机可以与串行打印机 鼠标 仿真器 ICE 调制解调器和智能 仪器等设备连接 并实现数据通信 RS 232C 的电平信号不能直接与 TTL 电平的信号连接 而微处理器及其它很多设备都通用 TTL 电平 因此要进行电平转换 即发送前将 TTL 电平转 换成 RS 232C 电平 接收后再将 RS 232C 电平转换成 TTL 电平 由于 RS 232C 直接传输的距离很短 最大数据传输率也不高 使用受到很多限制 因此 EIA 又公布了适应于远距离传输的 RS 422 平衡传输线 和 RS 423 不平衡传输线 标准 T NT 计数器 1 nt t 定时器0 65536t n1t RS 232C 传送单端电压信号 传输特性不好 RS 422 和 RS 423 则改为差分接收器接收差动 电压 差分输入有较强的抗噪声干扰能力 使得 RS 422 和 RS 423 总线有较长的传输距离 RS 422 和 RS 423 的差别在于平衡式差分传输和不平衡式差分传输 前者因采用平衡驱动器 发送传输信号 即双端线传输信号 其中一条线是逻辑 1 状态 另一条就是逻辑 0 状 态 传输距离更远 传输速率更高 RS 423 差分接收而单端发送 发送与 RS 232C 兼容 由于单端发送而差分接收 因而无公共地 为非平衡式差分传输 为了减少通信信号线 又产生了目前广泛应用的 RS 485 接口总线标准 它实际上是 RS 422 的变型 RS 422 采用两对平衡差分信号线 实现全双工串行通信 RS 485 则只用其 中的一对 实现半双工通信 节省了信号线 RS 485 可以高速远距离传输 抗干扰能力强 又便于多点互联 是目前应用十分广泛的一种只能仪表外总线标准 2020 试分析智能仪表可能受到的各种电磁干扰 试分析智能仪表可能受到的各种电磁干扰 答 1 静电干扰 这是通过电容效应耦合的静电场干扰 具体包括系统电路周围元件 物体或设备上积聚 的电荷直接对电路的泄放 大载流导体产生的电场通过寄生电容向电路耦合而产生的干扰 等 2 磁场耦合干扰 是一种感应干扰 它是与仪表系统相邻的电流线路周围的磁场对仪表电路回路的耦合 所造成的干扰 例如动力线 变压器 电动机 发电机 继电器等附近都存在着工频交变的 磁场 3 电磁辐射干扰 这是仪表系统所处空间的电磁波引起的干扰 这类辐射干扰多数是由电动设备 开关形 成的电火花引起的 无线广播通信的电磁辐射 闪电等也会造成辐射干扰 4 共阻抗干扰 这是一类广泛存在于仪表系统内部的干扰 电路各部分的公共联线 如电源线 存在着 分布电阻 电容和电感 其上的电流会产生压降 这种附加的噪声干扰作用于电路 形成公 共阻抗干扰 对于高频和瞬变信号 情况就更严重 5 直接传输干扰 这是线路上存在的干扰信号直接通过电源 信号线的传导进入电路引起的 例如在条件 恶劣时电路单元之间的绝缘电阻下降所产生的漏电流的干扰 现场的各种干扰通过传感器或 执行器窜入的干扰等 电网电压的波动与尖峰也可认为是一种直接干扰 2121 如何抑制来自电网和电源的干扰 系统的屏蔽和接地应注意哪些问题 如何抑制来自电网和电源的干扰 系统的屏蔽和接地应注意哪些问题 答 智能仪表的供电线路是干扰的主要入侵途径 而且微机系统对来自供电源的干扰又特别 敏感 所以设计一个抗干扰的直流稳压电源是智能仪表电磁兼容性设计的重要环节 通常 采取的措施有如下几种 1 微机系统和产生干扰的设备分开供电 2 设计抗干扰稳压电源 3 选用高性能的电源 4 供电电路上的抗干扰措施 5 接地问题 屏蔽只有在接地正确 良好的前提下 才能发挥作用 而不合理的屏蔽接地反而会增加 干扰 屏蔽接地应注意的基本原则如下 屏蔽外壳的接地要与系统信号的参考点相接 而且只能在一处相接 如上面关于信号 屏蔽传输接地的例子那样 所有具有相同参考点的电路单元必须全部装入同一个屏蔽层内 如有引出线时 应采 用屏蔽线 接地参考点不同的单元应分别屏蔽 不可共处一个屏蔽层内 如弱电系统应对机柜浮置接 地屏蔽 2222 试分别说明试分别说明 watchdogwatchdog 软件陷阱和掉电保护等 软件陷阱和掉电保护等 CPUCPU 抗干扰措施的原理和具体实施方法 抗干扰措施的原理和具体实施方法 答 1 程序运行监视系统 程序运行监视系统 WDT Watch Dog Timer 被直译为 看门狗 是一种软 硬件结合 的抗程序 跑飞 措施 WDT 硬件主体是一个用于产生定时周期 T 的计数器 该计数器基本 独立运行 其定时输出端接至 CPU 的复位线 而其定时清零则由 CPU 控制 在正常情况下 程序启动 WDT 后 即以 T 的间隔将其清零一次 这样 WDT 的定时溢出就不会发生 在受 到干扰的异常情况下 CPU 时序逻辑被破坏 程序执行混乱 不可能周期性地将 WDT 清零 这 样当 WDT 定时溢出时 其输出可使系统复位 CPU 摆脱因一时干扰而陷入的瘫痪状态 2 掉电保护 掉电保护也是一种软 硬件结合的抗干扰措施 电网的瞬间断电或电压突然下降 将使 微机系统陷入混乱状态 一方面实时的数据丢失 另一方面混乱的系统可能执行混乱的操 作 因此 掉电保护的工作也从这两方面入手 保护现场实时数据和及时关闭微机系统 3 软件陷阱 软件陷阱是指令冗余的一种应用形式 用于捕捉 跑飞 的程序 对于因受干扰而混乱 的程序 多字节指令是最危险的 因为错误的 PC 指针很有可能落在多字节指令的中间 进 而执行更加不可知的指令 而单字节指令则可使混乱 PC 的指针理顺 使程序按正确的顺序 执行 尽管此时不该执行到这里 但混乱现象得以抑制 2323 用用 ADC0804ADC0804 为主构成数据采集系统测量某环境温度 当温度变化为为主构成数据采集系统测量某环境温度 当温度变化为 2020 4040 时 温度变 时 温度变 送器输出送器输出 5 5 10mA10mA 模拟信号 问模拟信号 问 A DA D 接口电路应采取何措施可提高采集分辨率接口电路应采取何措施可提高采集分辨率 温度测量的 温度测量的 最高分辨率为多少 最高分辨率为多少 答 A D 转换器的输入有单边输入 例如 ADC0809 和差分输入 例如 ADC0804 两种形式 利用差分输入可以增加共模抑制作用 补偿零输入电压 0804 的两差分输入端为 VIN 和 VIN 如已知某单极性输入模拟信号的变化范围为 Vmin 到 Vmax 则可产生一个等于 Vmin 的零点 补偿电压接于 VIN 端 达到零点迁移的目的 如图 1 所示 利用半值基准电压输入 Vmin Vmax 2 特性 还可以使转换量程减小 即将 0 Vmax Vmin 的模拟量 无论其大 小如何 转换为 0 FFH 的数字量 提高转换分辨率 VIN VIN VCC 10u 10u 稳压 33K 35 VCC 1K 15 VCC 750 VR 2 9 VCC20 6 7 15 85 VCC 比例传感器 与测量电路 ADC0804 图 1 ADC0804 的零点迁移电路 分辨率为 5mA 256 0 02mA 2 24 4 图 图 1 1 所示的双积分所示的双积分 A DA D 转换器最大显示数为转换器最大显示数为 1999919999 BCDBCD 码 满刻度值为码 满刻度值为 2V2V 时钟频 时钟频 率为率为 f0f0 100kHz f0 100kHz f0 0 T 1 试求 试求 1 该双积分式 A D 转换器的基准电压 UR UR应该为多少 该双积分式 A D 转换器的基准电压 UR UR分别为 2V 2V 2 该 A D 转换器的分辨率为多少 转换速率大约为多少 因为转换器最大显示数为 19999 BCD 码 满刻度值为 2V 所以分辨率为 2V 20000 0 1mv 转换速率大约为 2T1 2 2000 T0 0 f 4000 400ms 3 积分时间 T1为多少毫秒 时钟频率是否可选择 80kHz 为什么 T1 2000 T0 0 f 2000 200ms 时钟频率不能选择 80kHz 因为那样采样时间不是 20ms 工频周期 的整数倍 4 当输入电压 Ui 0 25V 时 积分时间 T2为多少毫秒 显示器的数码指示为多少 解 T2 R 1 U T Ui 2V 200ms 0 25V 25ms N2 0 2 T T s10 25ms 250 2525 参考参考下图下图所示的微处理机控制的双积分式所示的微处理机控制的双积分式 A DA D 转换器系统 试分析 在软件控制双积转换器系统 试分析 在软件控制双积 分式分式 A DA D 转换的过程中 转换的过程中 1 仪器软件如何判断输入电压 Ui的极性 如何根据 Ui的极性选择 UR的极性 答 在第一次积分结束时 可以通过读取比较器的输出状态来判定输入电压 Ui的极性 如 当比较器输出为高电平 说明输入的电压为正极性 因此积分器应在第 T2时期加入负基准 电压 即接通 S3 反之 应接通 S2 2 仪器软件如何判断积分器输出的过零点 答 每当微处理器的计数器加 1 就检测一次积分器输出是否过零 3 如何体会软件程序代替硬件逻辑 以软件代硬件的优点是什么 局限性是什么 答 软件程序是利用 CPU 内部定时机构 运行软件编程 循环执行一段程序而产生的等待延 时 主要用于短时延时 这种方法的优点是不需增加硬件设备 只需编制相应的延时程序以 备调用 缺点是 CPU 执行延时等待时间增加了 CPU 的时间开销 延时时间越长 这种等待开 销越大 降低了 CPU 的效率 浪费 CPU 的资源 并且 软件延时的时间随主机频率不同而发 生变化 即定时程序的通用性差 硬件逻辑不占用 CPU 的时间 定时时间长 使用灵活 尤其是定时准确 定时时间不受 主机频率的影响 定时程序具有通用性 2626 如何实现如何实现 MCSMCS 5151 单片机与单片机与 IBMIBM PCPC 机的数据通信 试设计其接口电路以及相应的通机的数据通信 试设计其接口电路以及相应的通 信程序的流程图 信程序的流程图 答 PC 机内装有异步通信适配器板 其主要器件为 8250UART 它使 PC 机有能力与其他具有 标准 RS 232C 串行通信接口的计算机或仪器设备通信 而 MCS 51 单片机本身具有全双工 的串行口 因此 只要配一些驱动 隔离电路就可以构成一个分布式系统 其连接图如图 1 所示 图 1 IBM PC 机与单片机的接口电路 PC 机通信软件框图如下 数据的发送与接收采用查询方式 MCS 51 单片机通信软件框图如下 单片机采用中断方式发送和接收数据 2727 在一个时钟频率为在一个时钟频率为 12MHz12MHz 的的 80318031 系统中接有一片系统中接有一片 ADC0809A ADC0809A D D 转换器 地址自定 以转换器 地址自定 以 构成一个简单构成一个简单 8 8 通道自动巡回检测系统 要求该系统每隔通道自动巡回检测系统 要求该系统每隔 100ms100ms 时间就对时间就对 8 8 个直流电压源个直流电压源 0 0 5V5V 自动巡回检测一次 测量结果对应存于 自动巡回检测一次 测量结果对应存于 60H60H 67H67H 的的 8 8 个存储单元中 定时采样个存储单元中 定时采样 可以采用单片机内定时器的定时中断方法 试画出该系统的电路原理图 并编写相应的控可以采用单片机内定时器的定时中断方法 试画出该系统的电路原理图 并编写相应的控 制程序 制程序 答 ALE P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 INT1 RD P2 0 WR 8031 CLOCK A B C D4 D5 START D6 D7 VCC VR VR GND D0 D1 D2 D3 EOC OE ALE IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 ADC0809 D CK Q Q G OC 74LS373 NOT NOR NOR 5v 控制程序 MOV DPTR 0FEF8H MOV R0 60H MOV A 00H MOV R1 08H LOOP MOVX DPTR A MOV R3 125 WAIT1 MOVX R2 50 WAIT2 DJNZ R2 WAIT2 DJNZ R3 WAIT1 MOVX A DPTR MOV R0 A INC DPTR INC R0 DJNZ R0 LOOP 2828 以 以 MCSMCS 5151 系列单片机为核心部件 设计基于单片机控制的多功能温湿度显示系统 该系列单片机为核心部件 设计基于单片机控制的多功能温湿度显示系统 该 系统具有日历时钟 温湿度显示系统具有日历时钟 温湿度显示 切换 复位 校对 调整 报警等功能 切换 复位 校对 调整 报警等功能 答 测量系统的总体框图如图 1 所示 以 MCS 51 系列单片机为核心 配以温度传感器和湿 度传感器组成的采集数据模块 A D 转换模块 数码管显示模块 键盘控制模块 报警模块 看门狗复位模块和通讯电平转换模块组成 图 1 测量系统总体框图 其功能是 通过温度 湿度传感器将非电量的温 湿度值转换为电量输出并由 A D 转换 器对模拟信号进行数字化 经过单片机处理后 通过数码管显示结果 温度和湿度的报警范 围可由用户根据需要设定 经过一段时间后 存储器中的数据可通过通讯电路和接口程序传 输给 PC 机 建立数据库并生成最终测量结果报表 2 29 9 以 以 MCSMCS 5151 系列单片机为核心部件 设计基于单片机的无线式音乐作息响铃系统 用户系列单片机为核心部件 设计基于单片机的无线式音乐作息响铃系统 用户 可可以随时对实时时钟 作息时间表进行修改和设定 还可设置多套作息时间方案 采用无以随时对实时时钟 作息时间表进行修改和设定 还可设置多套作息时间方案 采用无 线方式 不需要另外架设线路 线方式 不需要另外架设线路 答 校园作息自动响铃系统由两部分组成 主控中心和多响铃终端 主控中心是整个系统的中心模块 该模块以 89C51 为核心 包括控制电路 显示电路 监控电路和无线通信部分 用户可以通过控制电路操作主控中心 以对当前时间进行设定 或对作息时间表进行设定及修改 同时主控中心还有掉电保护的功能 以保证系统的持续工 作 从而极大的提高了整个系统的稳定性和可靠性 响铃终端为控制响应设备 是以微控制器 2051 为核心 外围山无线模块 音乐芯片及 音频放大模块构成 通过无线模块接受主控中心的控制数据 进行响铃音乐曲日选择及响铃 时间的控制 系统整体框图如下图所示 补充 30 常用的数字滤波算法有哪几种 各有什么特点和应用场合 31 试分析算术平均值滤波后的信噪比 32 智能仪表的存储器自诊断及输入 输出接口自诊断和人机界面自诊断分别是怎样进行 的 33 试设计校园自行车防盗系统 答 本系统由 ID 卡和刷卡器两部分组成 有自行车的同学可到相关部门现场采集个人 照片和自行车照片 有管理人员将其添加到 ID 卡对应的个人数据库中 每当有人骑自行车 出 入校门时必须到终端刷卡器上刷一次卡 显示屏幕将显示完整的个人信息 这时可由保 安人员来查看显示信息与实际情况是否相符 如果信息不相符则由保卫人员进行质询 如果 信息相符则可顺利通过 不论哪种情况保卫人员都要在计算机上做好记录 刷卡器中单片机 和读卡模块可由 AC DC 模块来供电 由于 ID 卡只有一个卡号 并不在上存储信息 故办理 费用低 6 当有校外人员骑自行车进入 出校园时 必须现场采集个人和自行车照片 并发给一张 ID 卡 有管理人员及时将此 ID 卡号与个人信息存储在数据库中 当此人员再次出 入校园 时同样要刷卡验证 有保安人员确认个人信息与实际情况相符与否 下图为自行车防盗系统结构框图 刷卡终端安装到每个学校的出口 刷卡器由单片机 ID 读卡模块 计算机组成 当进 行一次刷卡操作时 ID 读卡模块读取 ID 卡号 读取的卡号由单片机通过串口传到计算机上 本地计算机再通过局域网将读取的 ID 卡号上