《气象仪器精品课程》PPT课件.ppt

气象仪器 主讲人 第二章智能仪器基础 2020 2 15 2 2020 2 15 3 2 1概述 随着微电子技术的不断发展以及单片机的问世 以单片机为主体 将计算机技术与测量控制技术结合在一起 又组成了所谓的 智能化测量控制系统 也就是智能仪器 操作自动化 具有自测功能 具有数据处理功能 具有友好的人机对话能力 具有可程控操作能力 智能仪器的功能特点 智能仪器发展趋势 1微型化2多功能3人工智能化4融合ISP和EMIT技术 实现仪器仪表系统的Internet接入 网络化 5智能仪器发展的新阶段 虚拟仪器 第二章智能仪器基础 2020 2 15 5 2 2传感器与信号调理 2020 2 15 6 Text4 结构型 物理型 能量转化型 能量控制型 传感器的分类 按被测物理量 按传感器与被测量间能量转换关系 2 2 1传感器 2020 2 15 7 Text3 按传感器工作或信号转换原理 力 速度 温度传感器等 传感器的选择 2020 2 15 8 1 测量对象与测量环境2 灵敏度3 频率响应特性4 线性范围5 稳定性6 精度 合理地选用传感器 是在进行某个量的测量时首先要解决的问题 当传感器确定之后 与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了 测量结果的成败 在很大程度上取决于传感器的选用是否合理 2 2 2信号调理 2020 2 15 9 信号调理 滤波 放大 去噪 主要针对前置放大器部分加以阐述 传感器输出的信号不可避免的包含杂波信号 幅度也不一定适合直接进行数模 A D 转换 需要将传感器的信号进行调理 完成滤波 幅度变换等调理功能的电路称为信号调理电路 仪用放大器 2020 2 15 10 仪用放大器是一种具有精密差动电压增益的器件 由于其具有高共模抑制比 高稳定增益 高输入阻抗 低输出阻抗 低温漂 低失调电压等优点 因此 非常适合于微弱信号的放大 以及有较大共模干扰的场合 为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响 电路采用上 下对称结构 仪用放大器的闭环增益为 集成仪用放大器 2020 2 15 11 美国AD公司提供的AD521 522 AD612 605等测量放大器 BB公司的INA114 118 Maxim公司的MAX4195 4196 4197等 管脚OFFSET 4 6脚 脚用来调节放大器的零点 调整方法是将这两个端子接到一个10电位器的固定端 电位器的滑动端接到负电源上 如图2 2 b 所示 放大器的放大倍数A 程控增益放大器 2020 2 15 12 1 程控同相放大器信号从同相端输入 电阻网路接在运放反相端与输出端之间 当CD4051的端接通时 电路是一个跟随器 当其他端如第j端接通时 电路增益为 2 程控反相放大器结构简单 电阻网络接在运放的反相输入端与输出端之间 输入电阻不随增益的变化而变化 缺点是模拟开关的导通电阻及其漂移会影响增益的精度 a 同相程控增益放大器 b 程控反相增益放大器 隔离放大器 2020 2 15 13 隔离放大器将输入 输出及电源在电流和电阻上进行隔离 使之没有直接耦合的测量放大器 主要用于要求共模抑制比高的 模拟信号的传输放大中 可在模拟信号进入采集系统之前 用隔离放大器进行隔离放大 特点 1 能保护系统元器件不受高共模电压的损害 防止高压对低压信号系统的损坏 2 泄漏电流低 对于测量放大器的输入端 无需提供偏流返回通路 3 共模抑制比高 能对直流和低频信号 电压或电流 进行准确 安全的测量 第二章智能仪器基础 2020 2 15 14 2 3模 数转换技术 由于实际测量对象往往都是一些模拟量 如温度 压力 位移 等 要让微处理器识别 处理这些信号 必须首先将这些模拟信号转换成数字信号 也就是模 数 A D 转换 通常A D转换的过程包括采样 保持和量化 编码两大步骤 采样 是指周期地获取模拟信号的瞬时值 从而得到一系列时间上离散的脉冲采样值 保持 是指在两次采样之间将前一次采样值保存下来 使其在量化编码期间不发生变化 量化 将采样保持电路输出的模拟电压转化为最小数字量单位整数倍的转化过程 编码 把量化的结果用代码 如二进制数码 BCD码等 表示出来的过程 2 3 1A D转换器的主要技术指标 2020 2 15 16 A D转换器的主要技术指标 分辨率是指输出数字量变化一个最小单位 最低位的变化 对应输入模拟量需要变化的量 通常以输出二进制码的位数表示分辨率 转换误差通常以输出误差的最大值形式给出 它表示A D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别 转换时间是指A D转换器从转换控制信号到来开始 到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间 输入电压范围 功率损耗等 分辨率 2 3 2几种常见的A D转换器原理 2020 2 15 17 并行比较型 逐次比较型 双积分型 型 并行比较型A D转换器 2020 2 15 18 由电阻分压器 电压比较器 数码寄存器及编码器4个部分组成 优点是转换速度快 其转换时间只受电路传输延迟时间的限制 最快能达到低于20ns 缺点是随着输出二进制位数的增加 器件数目按几何级数增加 一个n位的转换器 需要2n 1个比较器 一个n位的转换器 需要2n 1个比较器 例如 n 8时 需要28 1 255个比较器 适用于要求转换速度高 但分辨率较低的场合 3位并行比较型A D转换器 逐次比较型A D转换器 2020 2 15 19 由控制逻辑电路 时序产生器 移位寄存器 D A转换器及电压比较器组成 原理 将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较 使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值 特点 转换时间与转换精度比较适中 转换时间一般在级 转换精度一般在0 1 以下 是目前集成A D转换器产品中使用较为普遍的一种 4位逐次逼近型A D转换器的原理图 双积分型A D转换器 2020 2 15 20 双积分型AD转换器属于间接型AD转换器 它把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量 例如 时间T或频率F 然后再对中间变量量化编码 得出转换结果 与逐次逼近型AD转换器相比 双积分型AD转换器工作性能稳定 抗干扰能力强 电路结构简单 但转换速度较慢 一般一次转换时间在1 2ms 而逐次比较型AD转换器可达到1 s 双积分式A D基本原理 型A D转换器 2020 2 15 21 型A D转换器以很低的采样分辨率 1位 和很高的采样速率将模拟信号数字化 原理 通过使用过采样 噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率 然后对A D转换器输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率 实现A D转换 近年来 型A D转换器以其分辨率高 线性度好 成本低等特点 得到越来越广泛的应用 特别在既有模拟又有数字信号处理场合 型转化器结构图 第二章智能仪器基础 2020 2 15 22 2 4微控制器 MCU 2020 2 15 23 习惯上称智能仪器中的微处理器为微控制器或单片机 它将CPU 存储器 定时计数器 I O接口 甚至A D转换器 D A转换器 监视定时器电路等集成在一块集成电路上 构成了一个完整的微型计算机系统 采用单片机控制使得仪器仪表数字化 智能化 微型化 且功能比起采用电子或数字电路更加强大 在硬件设计时应首先考虑选择单片机 然后确定与之配套的外围芯片 在选择单片机时 要考虑的因素有字长 寻址能力 指令功能 执行速度 中断能力以及市场对这种单片机的软 硬件支持状态等 2020 2 15 24 常见的单片机有两种体系结构 即复杂指令集 CISC 结构和精简指令集 RISC 结构 2 4 1单片机概述 CISC结构即冯 诺伊曼结构这种结构的单片机指令丰富功能较强 可应用于控制关系复杂的场合 但其数据线和指令线分时复用 取指令和取数据不能同时进行 速度受限 价格亦高 Intel的8051系列 Motorola的M68HC系列 Atmel的AT89系列 华邦Winbond的W78系列和Philips的P80C51系列等 RISC结构即哈佛结构 这种结构的单片机数据线和指令线分离 取指令和取数据可以同时进行 执行效率更高速度更快 程序存储器的空间利用率大大提高 有利于实现超小型化设计 TI的MSP430 各公司的ARM单片机 Microchip的PIC系列 Zilog的Z86系列 Atmel的AT90S系列 三星KS57C系列4位单片机和义隆的EM 78系列等 2 4 2MCS 51系列单片机 MCS 51系列单片机最初由Intel公司在研制成功 现在以8051技术核心为主导的微控制器技术已被 Philips Atmel等公司继承 并在原有基础上又进行了新的开发 形成功能更加强劲的 兼容51的多系列化单片机 MCS 51单片机分51和52子系列 并以芯片型号的末位数字加以标识 51子系列是基本型 52子系列是增强型 MCS 51系列单片机的主要硬件特性表 2 4 3PIC系列单片机 PIC系列单片机由美国Microchip半导体公司为要求高性能而低价格的用户设计的 率先采用了精简指令集 RISC 结构 可以实现单周期指令 功耗低 这一系列单片机最大的特点是不搞单纯的功能堆积 从实际出发 重视产品的性能与价格比 目前已有初档8位单片机 中档8位单片机 高档8位单片机等 此外 PIC单片机还有高性能PIC18CXXX系列单片机 是集高性能 CMOS 全静态 模 数转换器于一体的16位单片机 内含灵活的OTP存储器带有先进的模拟和数字接口 可用做片上系统 具有嵌入控制分层控制能力 为用户提供了完善的片上系统解决方案 2 4 4MSP 430系列单片机 MSP 430系列单片机是TI公司推出的超低功耗 功能集成度高的16位单片机 其电源电压采用的是1 8 3 6V电压 由于具有超低的功耗 内核指令均为单周期指令 功能强运行的速度快等特性 此系列单片机不仅可以应用于许多传统的如仪器仪表 自动控制以及消费品领域 更适用于一些用电池供电的低功耗产品 如能量表 水表 电表 气表等 手持式设备 智能传感器等 以及需要较高运算性能的智能仪器设备 2 4 5基于ARM内核的单片机 ARM架构是ARM公司面向市场设计的第一款低成本RISC微处理器 它具有极高的性价比 代码密度 以及出色的实时中断响应和极低的功耗 并且占用硅片的面积极少 RM公司开发了很多系列的ARM处理器核 应用比较多的是ARM7系列 ARM9系列 ARM10系列 ARM11系列 Intel的XScale系列和MPCore系列 还有针对低端8位MCU市场最新推出的Cortex M3系列 其具有32位CPU的性能 8位MCU的价格 其应用范围非常广泛 比如手机 PDA MP3 MP4 和种类繁多的便携式消费产品 第二章智能仪器基础 2020 2 15 29 2 5人机接口 2020 2 15 30 显示器接口技术 键盘接口技术 触摸屏技术 打印机接口技术 人机接口 键盘是一组按压式或触摸式开关 按键 的集合 是智能仪器常见的输入设备 操作者可以通过键盘输入数据 参数和操作指令等 实现人 机对话 在智能仪器中 有时不仅要求系统具有显示功能 还要求系统将有关数据 表格或曲线打印出来 显示器是智能仪器重要的输出设备 是人机交互的重要工具 其主要功能是接受主机信息 以光的形式将文字和图形显示出来 触摸屏是一种新型的智能仪器仪表输入设备 具有简单 方便 自然的人 机交互方式 2 5 1显示器接口技术 2020 2 15 31 发光二极管LED是七段或八段数码管的简称 是一种由某些特殊的半导体材料制作成的PN结 LED显示器由于其工作电压低 体积小 功耗小 成本低 亮度适中 颜色丰富 响应速度快 易于TTL数字逻辑电路连接 因而广泛用于嵌入式系统与单板机系统等系统的显示部件中 智能仪器中用得较多的是七段显示器和点阵式显示器 为了适用于不同的驱动方式 每种结构形式又有共阳极和共阴极两种产品类型 b 共阳极 a 共阴极 c 外型及引脚 为了用七段LED显示器显示数字或字符 需要将相应的字码送至LED 译码也就是将数码或字符变换为字型码 有硬件译码和软件译码两种 下图是软件译码和硬件译码的接口电路图 硬件译码电路由锁存器 译码器 驱动器组成 译码器一般有两种 十六进制型和BCD型 硬件译码的优点是可以节省CPU的时间 但成本高 而且只能译出十进制或十六进制的字符 无法显示除此之外的其他字符 软件译码的基本思想是预先在内存中建立一张如下表所示的断码表 根据要显示的数字或字符去查表去获得相应的数字或字符 LED显示宇符与段码的关系 下页 上页 返回 LED的驱动 2020 2 15 34 LED显示器需要适当的驱动电流才能得到适当的亮度 还可以通过在电路中串联适当的限流电阻得到合适的亮度 LED的驱动方式有静态驱动和动态驱动两种方法 两种驱动方法都有利用软件译码驱动器和硬件译码驱动器的两种扫描显示方式 LCD显示 LCD也就是通常所说的液晶显示器 具有耗电量低 驱动电压低 结构空间小而有效 显示面积大 体薄物轻 厚度约为LED的1 3 适于大规模集成电路直接驱动 其易于实现全彩色显示的优良特性 为智能仪器设计提供良好条件 液晶显示器分扭曲向列型 TN LCD 超扭曲向列型 STN LCD 和薄膜晶体管 TFT LCD 等几种 它们的工作原理都是利用液晶的物理特性 即在通电时导通 液晶分子收到极化 排列变得有秩序 使光线容易通过 液晶显示器看起来就呈现 亮 的白色状态 不通电时 排列则变得混乱 阻止光线通过 此时显示器就呈现 暗 的黑色状态 LCD的驱动 2020 2 15 36 LCD的驱动方式也有静态驱动和动态驱动两种方法 LCD的驱动电压通常采交流电压 交流电压的频率一般在30Hz到200Hz 以免频率的增大将引起LCD功耗的增大 此外 交流电压中直流成分的值应当小于100mV 以免使液晶材料在长时间直流电压作用下发生分解而缩短LCD的寿命 CRT显示 阴极射线管CRT CathodeRayTube 显示器是微机系统中一种最基本的人机交互输出设备 它能将计算机中的数据以字符 图形和图像的形式在荧光屏上直观地显示出来 并且具有响应速度快 无噪音 无机械磨损 使用方便等优点 因而被作为一种理想的人机交互设备在微机系统中广泛使用 按照显示原理分类CRT显示器可分为光栅扫描式和随机扫描式两种类型 按显像管的颜色来分 可以分为单色和彩色两种类型 CRT显示器原理 CRT显示器是利用阴极射线管中高速电子束的不断扫描来实现屏幕上的字符 图形显示的 光点的亮度取决于电子束的强弱 而电子束的强弱可由视频信号 1 或 0 决定 通过控制栅极与阴极之间的电位差调节电子束的强弱 控制光点的亮度 光点的位置则受扫描电路的控制 扫描发生器产生水平扫描和垂直扫描信号 经同步后控制电子束在屏幕上的位置变化 CRT显示器原理与光栅扫描过程图 CRT显示器的主要性能指标 2020 2 15 39 CRT显示器的主要性能指标 带宽 水平扫描频率 垂直扫描频率 点距 像素 分辨率 刷新频率 2 5 2键盘接口技术 2020 2 15 40 译键 识键 键值分析 键盘与CPU的接口包括硬件和软件部分 硬件是指键盘的结构以及主机的连接方式 软件是指对按键的识别与分析 称为键盘管理程序 键盘的抖动与串键 一 2020 2 15 41 检测到按键按下或松开时 延时再判断按键状态 确认是否有键按下 硬件 RS触发器 消抖 软件 延时消抖 按键抖动过程 1 按键抖动 键盘的抖动与串键 二 2020 2 15 42 b 按键连击处理 a 按键单击处理 2 单次键入与连击 键盘的抖动与串键 三 2020 2 15 43 方法一 最后仍被按下的键是有效的正确按键 方法二 当第一个按键未松开时 第二个键不产生键值 不理会所有被按下的键 直至只剩下一个键按下时为止 只处理一个键 任何其他按下又松开的键不产生键值 通常第一个被按下或最后一个松开的键产生键码 N键同时按下 N键锁定 两键同时按下 3 串键处理 非编码式键盘与编码式键盘 通常采用软件的方法 逐行逐列检查键盘状态 当发现有键按下时 用计算或查表的方式获得该键的键值 独立式键盘 非编码矩阵式键盘 编码式键盘 内部设有键盘编码器 被按下键的键值由编码器直接给出 同时具有防抖和解决连击的功能 具有速度快的特点 a 直接连接 b 通过扩展口连接 键盘及LED显示器接口 使用8279芯片作为键盘及LED显示器接口 8279作为通用接口电路 接受来自键盘的输入数据并进行预处理 同时实现对显示数据的管理和对数码显示器的控制 键盘输入部分与24个按键的键盘矩阵相连接 采用编码扫描工作方式 2 5 3触摸屏技术 2020 2 15 46 按触摸屏的检测手段和传输介质分类1 电阻式触摸屏2 电容式触摸屏3 红外线式触摸屏及4 表面声波触摸屏 触摸屏由检测部件和控制器组成 检测部件安装在显示器前面 用于检测用户触摸位置 并转换为触摸信号 控制器的作用是接受触摸信号 并转换成触摸坐标后送给CPU 它同时能接受CPU发来的命令并加以执行 按照按触摸屏的结构分类嵌入式 内置式 结构外挂式 电阻式触摸屏 电阻触摸屏的缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料 不知道的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废 常用在PDA等手持设备或其它 电阻触摸屏检测原理 电容式触摸屏 电容式触摸屏是众多触摸屏中最可靠 最精确的一种 但价钱也是众多触摸屏中最昂贵的一种 缺点是反光严重 光线在各层间反射易造成图像字符的迷糊 此外 用戴手套的手指或持不导电的工具触摸时没有反应 但最大缺点还是漂移 当温度 湿度或环境电场改变时 都会引起触摸屏的漂移 造成不准确 红外触摸屏 红外触摸屏的缺点是发光二极管寿命比较短 影响了整个触摸屏的寿命 红外线触摸屏由于依靠感应红外线运作 外界光线变化会影响其准确性 且红外线触摸屏不防水不防污物 甚至非常细小的外来物体也会导致误差 影响性能 近来红外触摸技术有较大突破 主要应用在较大尺寸上 表面声波触摸屏 表面声波触摸屏性能相对精确可靠 价格适中 是现时触摸屏市场很畅销的产品 它具有低辐射 不耀眼 不怕震 抗干扰强等特点 抗刮伤性良好 不受温度 湿度等环境因素影响 寿命长透光率高 能保持清晰透亮的图像质量 没有漂移 只需安装时一次校正 有第三轴 即压力轴 响应 灰尘 油污等对其表面影响较大 因而需要经常维护 另外它还容易受到噪声干扰 表面声波触摸屏的工作原理图 2 5 4打印机接口技术 打印机是一种复杂而精密的机械电子装置 结构基本上都可分为机械装置和控制电路两部分 机械装置包括打印头 字车机构 走纸机构 色带传动机构 墨水 墨粉 供给机构以及硒鼓传动机构等等 它们都是打印机系统的执行机构 由控制电路统一协调和控制 而打印机的控制电路则包括CPU主控电路 驱动电路 输入输出接口电路及检测电路等 第二章智能仪器基础 2020 2 15 52 2 6低功耗设计 2020 2 15 53 选用节能的微处理器 采用电池低电压供电 选用低功耗高频率的外围器件和电路 尽量采用高速低频工作方式 妥善处理芯片闲置引脚 充分利用微控制器上集成的功能 尽量选用CMOS集成电路 2 6 1电源设计 2020 2 15 54 电源设计 根据各组电路供电的功耗 考虑各组供电的需求 综合选取电源电压输出 例如 5V 15V 24V等 电源变压器等器件应有良好的屏蔽 必要时可以在电源入口处设置交流稳压器 交流电源滤波器和分布式电抗器等 以提高稳压和滤波性能 电源应该具有足够的功率 以免满负荷或超负荷运行时发热严重 使精度降低或失效 有时仪器还需要具有相互隔离的电源 共地系统不宜采用隔离电源 而隔离系统不宜使用共地电源 第二章智能仪器基础 2020 2 15 55 2 7数据处理技术 2020 2 15 56 数据处理是指对智能仪器的测量数据进行加工和处理 以便进行控制 显示和记录等 在进行设计时 要使微机化仪表的误差主要取决于输入误差 使运算误差小于输入误差 以充分利用传感器和ADC部件的精度 2 7 1系统误差处理技术 从时间角度 把误差分为动态误差和静态误差 静态误差包括系统误差和随机误差 动态误差又可分为第一类误差和第二类误差 误差引起的原因 线性插值 线性插值 从一组数据 xi yi 中选取两个有代表性的点 x0 y0 和 x1 y1 然后根据插值原理 求出插值方程 抛物线插值 抛物线插值 在一组数据中选取 x0 y0 x1 y1 x2 y2 三点 相应的插值方程 分段插值法 分段插值法 将曲线y f x 按分成N段 每段用一个插值多项式Pni x 来进行非线性校正 等距节点分段插值 适用于非线性特性曲率变化不大的场合 分段数N及插值多项式的次数n均取决于非线性程度和仪器的精度要求 不等距节点分段插值用于曲率变化大的非线性称场合 在线性好的部分 节点间距离取大些 反之则取小些 从而使误差达到均匀分布 最小二乘法 一 设被逼近函数为f xi 逼近函数为g xi xi为x上的离散点 逼近误差为令使 最小 即在最小二乘意义上使V xi 最小化 这就是最小二乘法原理 具体实现方法有直线拟合法和曲线拟合法 最小二乘法 二 2020 2 15 62 直线拟合法 曲线拟合法 直线拟合法 设一组测试数据 出一条最能反映这些数据点变化趋势的直线 也就是这组测量数据在最小二乘意义上的最佳拟合直线方程 曲线拟合法是指自变量x与因变量y之间的单值非线性关系可以用自变量x的高次多项式来逼近 选用m次多项式 此时还可以使用其他函数 如三角函数 指数函数 对数函数等进行拟合 2 7 2随机误差的校正 随机误差是指由串入仪表的随机干扰 仪器内部器件噪声和A D量化噪声等引起的误差 采用模拟滤波器是主要硬件方法 在工业生产和科学实验中 经常采用数字滤波方法数字滤波就是通过特定的计算机程序处理 降低干扰信号在有用信号中的比例 其实质是程序滤波 数字滤波方法有很多种 从大的范围可分3类 1