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现代检测技术复习题：智能仪表原理：应用新的采集技术、处理技术、硬件平台和人工智能技术，使仪表的性能（如精度）、功能、可靠性、可维护性和可测试性都得到了提高。典型智能仪表结构，由三个层次构成 智能仪表的结构与特点智能仪表的特点 可以自动进行量程转换、零点和增益误差补偿，测量特性的自动校准，按照一定的规律自动寻找最优的算法参数，从而极大的提高了仪表的性能。 按照事先的安排(体现在编制的程序上)可以对仪表的主要元器件进行自动检测，对故障进行定位，还可以对故障部分进行隔离或对系统进行重组，大大提高了仪表的容错性和可靠性。 应用模糊识别与模糊控制、人工神经网络建模与识别、专家系统、多传感器信息融合处理方法等智能技术。 新工艺，经串口或扫描口（JTAG）即可下载和仿真。 如：贴片工艺；多层艺； 屏蔽与防护工艺；ISP与IAP工艺 设计基础需求分析: 通过需求分析确定智能仪表任务要求应包括以下几点功能要求 测量功能：哪些量？有实时在线要求否？什么输出形式？ （ 显示、打印、传输、通信）； 控制功能：什么对象？模型为何？哪些状态？需构成什么系统？ （随动、恒值、串级控制）； 管理功能：操作要求、数据库要求、打印报表、决策分析、统计 分析。 需求分析与方案论证性能要求 测量范围 测量精度 测量灵敏度（分辨率） 稳定性、可靠性要求（MTBF） 响应速度 动态特性 数据库浏览（查询）方式、容量、安全性对象特性 输入输出关系（传递函数、用户以往的经验、作法、 其它图纸资料） 各变量的性质（幅度、变化率、分布性等） 生产使用规律环境条件其它: 用户长远发展规划、扩展、升级的计划调查研究的结果应形成需求分析报告，以便设计方 案。. 方案论证: 总方案论证包括测量（工作）原理分析、推导，智能仪表的系统组成说明，总体的硬、软件结构描述，主要性能、功能的计算、分析和说明等内容。 在进行总体方案设计时，既要仔细研究仪表的功能要求、技术指标、环境条件等因素，还要与可以达到的技术水平，设备、资金的拥有量，必要的实验场地，必备的元器件来源，以及投入的人力和规定的完成时间等条件相比较，在此基础上确立总体方案的可行性.机型的选择 首先是指选择CPU型号，相同CPU内核的单片机很多，根据性能、资源和熟悉程度选择 总线结构总线是智能仪表中单片机与外围芯片、电路板与电路板、智能仪表与其它设备之间相互连接的桥梁与纽带。 总线有自行定义的非标准总线与权威机构规定的标准总线之分。标准总线不只是一簇无源导线的简单汇集，它对于信号根数、排列方式、连接件形式、信号的名称、性质及传送方向、定时关系等都有明确而严格的规定。通常某一标准总线规约需通过相应的逻辑电路或特定的接口芯片来实现。 I2C总线 I2C总线（Inter IC bus,集成电路芯片间总线） I2C总线规范及传输协议 I2C总线实际只有两根信号线，一根是串行数据线SDA，由当时发送数据的器件使用，另外一根是串行时钟线SCL，由当时具有最高优先权的主器件占有SPI接口总线 串行外设接口总线 (SPI)：是一种同步串行接口,用于单片机、MCU 与各种外设、接口以串行方式进行高速通信、交换信息。 SPI串行外设接口由四条信号线组成，这四根信号线分别为：时钟线（CLK）、数据输入线（SDI）、数据输出线（SDO）、片选线（/CS），其中，/CS的有效与否完全由主控制器决定，时钟信号也由主控制器发出。 SPI 总线的使用可以简化电路设计，省掉了很多常规电路中的接口器件，提高设计的可靠性。外总线 用于设备与设备之间连接的总线称为外总线。与内总线相比，外总线的标准化尤为重要。在智能仪表领域最流行的外总线有如下几种： IEEE-488并行接口总线 IEEE-488总线与IEC-625-II统称通用目的接口总线 EIA RS-232C串行接口总线 串行通信传送速度低，但数据线根数少，EIA RS-232C是早些年使 用最广泛的串行通信总线，它的信号电压范围宽，抗干扰能力较强，联络线功能齐全，并可配用调制解调器，使传送距离达到数千公里。 RS-422、RS-423、RS-485标准 RS-232传输距离短，而且最大数据传输率也受到限制，因此，EIA公布了适应远距离传输的RS-422（平衡传输）和RS-423（不平衡传输）标准。这两种标准的特点是采用差分接收器接收信号电压，从而提高了抗噪声干扰的能力，获得较长的传输距离和较高的数据传输率。 设计原则设计智能仪表与设计传统仪表存在许多差别， 智能仪表内藏微处理器（嵌入式系统）是根本原因。 1. 根据设计对象的要求和实际的约束条件列出详细的设 计目标 2. 采用自上而下逐级分解的方法形成子任务 3. 硬、软件协调优化设计方案 4. 发挥技术与设备潜力提高设计质量与开发速度 5. 依照产品化规模确定部件与器件的级别 6. 设计自诊断与异常处理功能提高产品的可维护性 7. 针对现场极限条件的防范措施与试运行设计内容智能仪表的设计内容主要包括以下几点： 硬件设计 软件设计 工艺设计 外观设计(面板,界面) 可靠性设计 测试设计硬件设计 . 专用微机系统设计 . 人机接口设计 . 数据采集系统 . 过程控制接口设计 . 电源设计 软件设计 软件设计是智能仪表设计的重要内容之一。软件设计中，一些基本的要求和基本的方法是大家公认的。这里就几个主要方面加以说明。 应用程序的基本要求 可靠性：尽量把错误排除在样机试制阶段 精度: 分为算法的精度,程序本身的精度 速度： 提高程序执行速度的基本方法是改进程序设计 效率： 开发过程中投入的人力和时间的效率， 开发成果的程序的运行效率 用户界面：从用户角度来考虑和安排各种操作与对话功能 可读性和可扩展性： 可读性是指程序结构合理、脉络清晰、易于阅读和理解； 可扩展性则指程序结构标准化、便于修改和扩充。 软件设计 软件设计的基本方法-结构化程序设计 结构化编程方法的实施包括如下三个步骤： 自上而下的分层设计 模块化编程：(如下图为同一程序的两种结构形式) 结构化编程：三种基本结构人机接口的设计智能仪表通过人机接口与系统操作者进行信息交换和传输。人机接口由输入、输出设备和相应的连接与控制硬、软件组成，在实现最基本的信息交换功能的同时，人机接口在很大程度上也决定了仪表的可操作性和外观性能，其相关的程序通常是智能仪表监控程序的主体开关接口的工作方式.无条件方式：在需要开关状态信息时就读开关状态，其它时间的开 关状态改变，系统不会响应，直到下一次读开关时才会 被检测到。这种方式不需要额外的软、硬件开销，可看 作是实时处理。 .查询方式：在CPU读开关状态前，给出提示信息，要求操作者检查开 关设置是否正确或重新设置开关状态，操作者在完成开关操 作后，反馈给CPU一个开关设定完毕的信息，CPU再读开关状 态。需要显示输出设备和软件的配合。 .中断方式：若操作者希望系统立即响应对开关的操作，则需要采用中 断方式。在硬件处理上通常要增加一个按键以产生中断信号与开关一样，按键也具有“断开”和“闭合”两种状态，通过接口电路对应于0和1两个逻辑电平; 不同之处在于，按键的“闭合”是暂态，当操作者停止按压时，按键即恢复到“断开”状态，因此，按键适用于连续快速的输入操作。但按键不像开关对输入的状态具有保持作用，按键通常与输出显示配合使用，利用显示输出对按键操作给予反馈。 另外，开关是各状态设置好后再输入的，而按键则是在操作中输入的（动态），因此，按键需解决抖动和单次键入的问题，以协调操作的机械过程慢与 CPU读入判断过程快之间的矛盾。 . 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，如图2.5所示。对于高速运行的微机系统，这数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（互锁）和软件（延时）两种方案。现在基本都用软件方法。.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，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。. 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。. 按键接口的工作形式 对按键的处理应具有实时性，CPU处理按键的方式可采用中断或定时查询的方式。 . 矩阵式键盘矩阵式键盘又称行列式键盘，在结构上由m行n列的线构成矩阵，在每个行、列线的空间交叉接点上可跨接一个按键，则构成mn个按键的键盘。按压键判断是矩阵式键盘的中心问题，通常可采用逐行扫描法和口线反转法进行按压键的判断。. 逐行扫描法图2.10所示的是44键盘与MCS-51单片机P1口的接口电路，设P1.0P1.3为行输出口线，P1.4P1.7为列输入口线(说明: 对于矩阵式键盘，行、列只是个相对概念，但为了与“逐行扫描法”的名称对应，我们固定称扫描输出为行、状态输入为列).口线反转法口线反转法键值判断快，程序较简单，但要求与键盘矩阵接口的端口为可编程的输入/输出端口，在端口设置灵活的单片机系统中，这一要求易于满足。口线反转法在智能仪表中的应用不如逐行扫描法广泛。 图2.11 用口线反转法的键盘电路LED数码显示器图2.15(a)所示的是最常见的七段数码显示器的示意图，显示器主体由七个条形LED（发光二极管）组成，分别被称做a、b、c、d、e、f、g七段，点亮不同的段，可组成数字09和一些英文字母及特殊的符号。一般在右下角还有一圆形LED用于显示小数点，称做dp段（共8段）。在实际应用中，显示器的每一段都应接一限流电阻，以保护各段对应的LED，限流电阻阻值R可按如下公式计算:Vcc为接入显示器的驱动电压；Vd、Id 分别是段LED的压降和工作电流。R取值以适中最好，过大则显示器亮度不足; 过小则Id过大，LED进入发光的饱和区，亮度提高不大却降低了器件的使用寿命。一般每段10 mA左右。 分类：一般，高亮，超高亮；（现用得较多的是高亮。） 在选用LED数码显示器时，有共阴、共阳的极性选择；（如下图） 还有器件几何尺寸的选择，如0.5” 、 0.3”、 1”等；不同尺寸器件的引脚排列区别很大；如下图 超大尺寸显示器内的一段是由多个LED共同组成的，要求的驱动电压较高。动态驱动：当显示器位数较多时，宜采用动态显示驱动方式。动态显示的原理是利用人生理上的视觉残留现象，使各显示器轮流通电点亮，当每个显示器点亮的通电频率在50Hz以上时，人眼就不会感到显示器的闪动了。如图2.17所示，通过控制两锁存器的内容按一定时序循环，可实现动态显示。 .8279芯片简介图(a)所示的是8279芯片的引脚图，该芯片为40脚引线双列直插式，单+5V供电，可接16个LED显示器，64个按键，自动去抖，可中断申请。图(b)所示的为其功能逻辑图。8279的功能强，应用灵活多样，相应的控制字和命令较多。. zlg7289芯片简介 zlg7289A是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管（或64 只独立LED管）的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64 键的键盘矩阵，单片即可完成LED 显示键盘接口的全部功能。zlg7289A还具有多种控制指令如消隐闪烁左移右移段寻址等。zlg7289A具有片选信号，可方便地实现多于8 位的显示或多于64 键的键盘接口。（内部有89c2051单片机）。特点： SPI串行接口，无需外围元件可直接驱动LEDl 各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性l 循环左移/ 循环右移指令l 具有段寻址指令，方便控制独立LED管l 64 键键盘控制器，内含去抖动电路液晶显示器(LCD) 是一种功耗极低、体积小、重量轻的显示器件，是袖珍仪表和低功耗系统中的首选器件。随着制造技术的发展，液晶显示器的性能价格比不断提高，在智能仪表中的应用日益广泛液晶显示器正是利用液晶分子排列结构的可极化性和旋光特性工作的。如图，器件由偏振方向垂直的上、下偏振片、反光片、上下电极和封于上下电极之间的液晶材料组成。液晶分子平行排列，上下扭转90，具有旋光效应。常态下，外部光线通过上偏振片后形成偏振光，该偏振光通过分子平行排列的液晶材料后被旋转90，就可以通过下偏振片，再被反射回来，器件看起来是“亮”的透明状态。反之器件呈“暗”的黑色。根据需要，将电极做成字段、图形、或点阵，即可构成段码式、字符点阵式和图像点阵式等各种液晶显示器。数据采集：n 应明确信息、数据、信号三者的关系； 明确信号采样，数据采集的含义和区别n 采样n （数字）数据采集包含模拟信号量化过程。数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上也是离散的。类似于从总体中抽样研究分布，故称采样。量化精度取决于最小量化单位，称为量化当量，它是二进制数码最低有效位所对应的模拟信号数值。例如=1 mV，即数字量的最低有效位对应于1 mV。因此量化当量越小，量化的精度愈高。 n 采样频率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。在工程上采样频率应取被采样信号所含最高频率的K倍，通常K1020。还应在A/D转换之前加入抗混迭模拟滤波器AF，滤掉多余的高频分量n (推荐)工业过程变量采样周期：n 流量 0.5s n 压力 1sn 液位 2s n 温度 5s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。接口程序的任务为: 对接口初始化，确定采样通道、采样频率、中断方式,启动A/D,读取结果,作前期数据处理，存入指定单元等；如图所示集成运算放大器选择 n 所谓数据放大器就是一种性能优良，适合在数据采集系统中应用的放大器。它应该具有很强的共模抑制能力，很高的输入阻抗，很好的线性度，很好的温度稳定性和时间稳定性。n 把弱小的直流电压信号放大到与A/D转换器输入电压相匹配（例如，把040mV的热电偶信号放大为05V的信号），是数据采集经常会遇到的问题。n 除了一般通用运算放大器，这里再简单介绍一些特殊集成运算放大器。掌握这些放大器的特点，就可以正确选择集成运算放大器器件，并构成数据放大器电路。数据放大器的设计数据放大器的性能首先取决于放大器电路原理、结构，也与所选择的集成运算放大器，以及其它元件的参数计算和选型有重要关系，因此在设计数据放大器的时候应全面进行分析、计算和设计下图所示数据放大器用于放大差动式光电传感器的弱信号，可以消除共模干扰，获得稳定的高增益。由于它不同于测量放大器，因此不能用一个测量放大器芯片，而要选用三个低温漂的集成运算放大器芯片构成；另外，电路中的电阻Ri与电阻Ri不仅额定值要一样，而且应实测配对或选用精密电阻。 频率相位信号的采集及其接口(1) “数字式传感器”输出频率信号、相差信号或脉冲信号；它是检测信号的主要形式之一 (2)为了提高传输抗干扰能力，常常通过V/F技术将模拟电压信号转换为频率信号输入微机，还可以达到A/D转换的目的； (3)频率是单位时间里信号重复过程的次数,时间是测频的基准! V/F变换器是把直流电压信号转换为频率信号的装置（有A/D转换效果），有以下几个特点： V/F转换过程是对输入信号的不断积分，因而能对噪声或信号 的波动进行平滑滤波； 转换后输出的是串行信号，便于隔离和远传； 利用微机的特点，可使串行信号采集接口简化，编程方便。 V/F转换器基本上由积分电路和比较电路组成。下页图所示的为单积分式V/F转换器的结构原理图。应用时基集成电路555，就可按上述原理构成普通的V/F转换器。下图所示电路是该转换器的一种基本形式，可以把010V电压转换成010kHz脉冲频率信号，非线性误差为0.1%左右。频率相位信号的采集及其接口 (1). 模拟方式 处理相差信号的传统做法是用模拟方式，如下页图所示。通过微分电路将两列方波脉冲转换为尖脉冲，去触发RS触发器，得到一列新的窄脉冲(PWM)，其脉宽表示两列信号的相位差，然后通过平均值检波器输出一个比例于此脉冲宽度的平均电压值。如果脉冲的周期为T，脉冲宽度为，则输出平均电压（2）数字方法 现以相差调制脉冲(PWM)作为开门信号，将高频的时钟脉冲送入与门。有相差调制脉冲时，与门打开，时钟信号通过，相差调制脉冲消失时，与门关闭，时钟信号不能通过，在一个周期内通过的时钟脉冲个数与相差成比例，如上页图所示。将相位调制脉冲送入微机的计数器计数，再利用微机的记忆和运算功能，减去标定的初始相位计数，即可得到真正的相位差数据。这时的计数时间由相差调制脉冲控制，利用调制脉冲的下降沿产生中断信号停止计数器计数，然后读取数据，对计数器复位，做再次转换的准备ADC0809与单片机直接连接如图所示，ADC0809为8通道8位A/D转换器，内部有三态输出缓冲器，因此可以和89C51单片机数据总线直接相连ADC0809作为89C51单片机的一个I/O接口，可以采用线性编址方式，结合通道选择一次确定地址。例如对通道IN1，地址为F7F9H，其高字节表示P2.3为低时选中ADC0809芯片，低字节表示选择8个通道中的IN1通道，这时芯片通道选择信号C、B、A对应地址总线的A2、A1、A0，为001B图中采用中断方法进行I/O通道接口控制，即通过中断方式了解A/D转换结束与否，在外部中断服务程序中读取A/D转换结果，并启动下一次转换。 根据ADC0809的时序要求，必须先锁存通道地址再启动A/D转换。时序下图所示，上升沿(前沿)