第章计算机控制系统的常用硬件智能仪器PPT课件.ppt

计算机控制技术 智能仪器 1 随着微电子技术的不断发展 微处理器芯片的集成度越来越高 使用的领域也越来越广泛 这些都对传统的电子测量仪器带来了巨大的冲击和影响 尤其是单片微型计算机 以下简称单片机 的出现 引发了仪器仪表结构的根本性变革 2 单片机自20世纪70年代初期问世不久 就被引进了电子测量和仪器仪表领域 其作为核心控制部件很快取代了传统仪器仪表的常规电子线路 借助单片机强大的软件功能 可以很容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起 组成新一代的全新的微机化产品 即 智能仪器 从而开创了仪器仪表的一个崭新的时代 3 电子仪器的发展经历了三代 第一代 模拟式电子仪器如 大量指针式的电压表 电流表 功率表及一些通用测试仪器特点 功能简单 精度低 响应速度慢 智能仪器的发展状况 第二代 数字式电子仪器特点 精度高 速度快 读数清晰 直观 结果可输出容易与计算机技术相结合 数字信号便于远距离传输 第三代 智能仪器在数字化基础上用微机装备起来 是计算机技术与电子仪器相结合的产物 4 智能仪器是含有微计算机或微处理器的测量仪器 它具有数据存储 运算 逻辑判断及自动化操作 能根据被测参数的变化自选量程 可自动校正 自动补偿 自寻故障 等功能 具有一定智能的作用 表现为智能的延伸或加强等 因而被称之为智能仪器 微处理器在智能仪器中的作用可归结为两大类 对测试过程的控制对测试数据的处理 智能仪器的含义 5 智能仪器的组成 由智能仪器的基本组成可知 在物理结构上 微型计算机包含于电子仪器中 微处理器及其支持部件是智能仪器的一个组成部分 从计算机的角度来看 测试电路与键盘 通信接口及显示器等部件一样 可看作是计算机的一种外围设备 因此 智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统 它主要由硬件和软件两大部分组成 6 智能仪器的硬件部分主要包括主机电路 模拟量 或开关量 输入输出通道口电路 串行或并行数据通信接口等 其组成结构如图3 20所示 7 智能仪器的主机电路是由单片机及其扩展电路 程序存储器EPROM 数据存储器RAM及输入输出接口等 组成的 主机电路是智能仪器区别于传统仪器的核心部件 用于存储程序 数据 执行程序并进行各种运算 数据处理和实现各种控制功能 输入电路和A D转换接口构成了输入通道 而D A转换接口及驱动电路则构成了输出通道 键盘输入接口 显示器接口及打印机接口等用于沟通操作者与智能仪器之间的联系 属于人一机接口部件 通信接口则用来实现智能仪器与其他仪器或设备交换数据和信息 8 智能仪器的工作过程是 外部的输入信号 被测量 先经过输入电路进行变换 放大 整形和补偿等处理 然后再经模拟量通道的A D转换接口转换成数字量信号 送入单片机 单片机对输入数据进行加工处理 分析 计算等一系列工作 并将运算结果存入数据存储器RAM中 同时 可通过显示器接口送至显示器显示 或通过打印机接口送至微型打印机打印输出 也可以将输出的数字量经模拟量通道的D A转换接口转换成模拟量信号输出 并经过驱动与执行电路去控制被控对象 还可以通过通信接口 例如RS 232 GPIB等 实现与其他智能仪器的数据通信 完成更复杂的测量与控制任务 9 XMT3000A智能仪器外观和接线面板 10 系统组成 硬件和软件两部分组成 1 硬件部分 主机电路 用于存储程序 数据并进行一系列的运算和处理组成 微处理器 程序存储器 输入输出 I O 接口电路或 单片微型计算机 模拟量输入输出通道 用于输入输出模拟量信号组成 A D转换器 D A转换器和有关的模拟信号处理电路 人机联系部件与接口电路 沟通操作者和仪器之间的联系组成 仪器面板中的键盘和显示器 标准通信接口电路 实现仪器和计算机的联系 以便使仪器可以接受计算机的程控命令智能仪器标准通信接口 GP IB或 RS 232C 11 2 软件部分 监控程序 面向仪器面板键盘和显示器内容 键盘操作输入并存储所设置的功能 操作方式与工作方式 通过控制I O接口电路进行数据采集 对仪器进行预定设置 对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理 以数字 字符 图形等形式显示处理结果 接口管理程序 面向通信接口内容 接受并分析来自通信接口总线的各种有关功能 操作方式与工作参数的程控操作码 并通过通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果 以影响计算机的远程控制 12 13 智能仪器的主要特点 仪器的功能强 仪器的性能好 操作自动化 14 智能仪器的功能 1 人 机对话 智能仪器使用键盘代替了传统仪器中的切换开关 操作人员只需通过键盘输入命令 就能实现某种测量和处理功能 与此同时 智能仪器还可以通过显示屏将仪器的运行情况 工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员 使仪器的操作更加方便 直观 15 2 自动校正零点 满度和自动切换量程 智能仪器的自校正功能大大降低了因仪器的零点漂移和特性变化所造成的误差 而量程的自动切换又给使用带来了很大的方便 并可以提高测量精度和读数的分辨率 3 多点快速检测 许多传感器的固有特性是非线性的 且受环境温度 压力等参数的影响 从而给智能仪器带来了测量误差 在智能仪器中 只要能掌握这些误差的规律 就可以依靠软件进行非线性误差的修正 在一些复杂的测量系统中 对于不确定的随机误差 若能找出其统计模型 也能进行有效的补偿 16 4 自动修正各类测量误差智能仪器能实现各种复杂运算 对测量数据进行整理和加工处理 例如统计分析 查找排序 标度变换 函数逼近和频谱分析等 5 数字滤波智能仪器能实现PID及各种复杂的控制规律 例如 可进行串级 前馈 解耦 非线性 纯滞后 自适应 模糊等控制 以满足不同控制系统的需要 17 6 数据处理智能仪器的输出形式有数字显示 打印记录和声光报警 也可以输出多点模拟量 或开关量 信号 7 各种控制规律在运行过程中 智能仪器可以自动地对仪器本身各组成部分进行一系列的测试 一旦发现故障即能报警 并显示出故障部位 以便及时处理 有的智能仪器还可以在故障存在的情况下 自行改变系统结构 继续正常工作 即在一定程度上具有容忍错误存在的能力 18 8 多种输出形式智能仪器的输出形式有数字显示 打印记录和声光报警 也可以输出多点模拟量 或开关量 信号 9 自诊断和故障监控在运行过程中 智能仪器可以自动地对仪器本身各组成部分进行一系列的测试 一旦发现故障即能报警 并显示出故障部位 以便及时处理 有的智能仪器还可以在故障存在的情况下 自行改变系统结构 继续正常工作 即在一定程度上具有容忍错误存在的能力 19 10 数据通信智能仪器一般都配有GP IB RS 232 RS 485等标准的通信接口 使智能仪器具有可程控操作的能力 可以很方便地与其他仪器和计算机进行数据通信 以便构成用户所需要的自动测量控制系统 完成复杂的测控任务 20 设计 研制智能仪器的一般步骤 确定设计任务 根据设计目标 编写设计任务说明书 明确仪器应具备的功能和应达到的技术指标 拟制总体设计方案 选择微处理器芯片 确定仪器总框图 自上而下进行功能模块划分并绘出相应的硬件和软件工作框图 硬件电路和软件的设计与调试 整机联调 件和软件分别装配调试合格后 对硬件和软件进行联合调试 21 硬件电路和软件的设计与调试 硬件设计的一般过程 根据仪器硬件框图按模块分别对各单元电路进行电路设计 进行硬件合成构成一个完整的整机硬件电路图 绘制印刷线路板 进行装配与调试 软件设计的一般步骤 分析仪器系统对软件的要求 进行软件总体设计 包括总体结构设计和模块化设计 绘出各模块的详细流程图 选择合适语言编写程序 按总体设计的结构框图 将各模块连接成一个完整的程序 调试时先按模块分别调试再联接起来总调 22 微处理器的选择 根据 仪器的功能 性能价格比 研制周期 考虑 字长 输入 输出的执行速度 选择 高集成度 高性能的单片机 23 智能仪器设计中应注意的问题 采用新颖测量方法传统 没有运算能力 采用直接测量方法智能 先分析与被测参量有关的各种计算方法和计算公式 选择最基本的和最容易测量的参数 然后通过计算 得出所需的参数 2 硬件软件化传统 采用模拟电路 只有改进模拟电路和使用元器件质量 才能有限地提高测量精度 且成本将大大提高 智能 可使用数字调零 误差自动修正 非线性补偿 数字滤波等方法来提高精度 3 分时操作传统 对多参数同时进行测量 需要几种测量电路智能 利用微机数据存储和控制功能 用多路开关接到各个测量源 然后用软件控制分时进行测量 24 智能仪器设计中应注意的问题 4 增强功能传统 功能单一智能 利用微机地计算和控制功能 尽可能地增加各种功能 以提高产品地性能价格比 扩大仪器应用范围 5 简化面板结构传统 面板开关繁多 结构复杂 使用和维修比较困难 机械开关接线过长 会引起干扰 影响仪器的性能 智能 模拟开关代替机械开关 键盘或按键直接输入微机 再由微机通过程序来控制模拟开关 仪器显示器采用数字显示CRT显示来代替电表指示 外表美观 结构简单 操作使用方便 25 智能仪器通常要有人机对话功能 即人与机器交换信息的功能 智能仪器的人机接口 人机交换功能 键盘 显示器和打印机等是仪器操作人员与智能仪器交换信息的主要手段 它们常被称作智能仪器中的人机对话通道 利用键盘等输入设备向智能仪器输入数据 命令等有关信息 实现对仪器的控制与管理 利用显示器或打印机等输出设备把智能仪器的测量结果或中间结果等信息显示或打印输出 人机接口技术是智能仪器设计的关键技术之一 26 键盘输入接口方法和键盘分析程序 通常采用硬件与软件相结合的方法来实现键盘接口的这些功能硬件 指键盘的组织 即键盘结构及其与主机的连接方式软件 指对按键操作的识别任务 识键 译键 键值分析 键盘是若干按键的集合 键盘接口应具有如下功能 1 识键功能 判别是否有键按下 2 译键功能 确定哪个键被按下 3 键值分析功能 根据按键识别结果 产生相应的键值 4 去抖动功能 消除按键按下或释放时机械触点产生的抖动 5 处理同时按键功能 有一个以上的键被同时按下时能避免产生错误键值 27 键盘设计要求 2 键盘工作方式 3 键盘操作管理软件任务 解决问题 消除抖动串键保护措施 键盘系统分类 键盘电路结构 28 显示器输出的接口技术 LED显示器 LED是发光二极管 LightEmittingDiode 的简称 1 LED显示器的基本结构和工作原理 LED显示器的基本单元均为LEDLED的基本特点 1 工作电压为1 5V左右 2 功耗约为150mW左右 3 响应时间大致为1 0 s 4 正向工作电流为2mA 20mA时发光 在此电流范围内 LED的发光强度基本上与正向工作电流成比例 29 信息源和信息接收者 信息源 信源 和信息接收者 信宿 是信息的产生者和使用者 发送设备 功能是将信息源和传输媒介匹配起来 即将信息源产生的消息信号经过编码 并变换为便于传送的信号形式 送往传输媒介 接收设备 功能与发送设备的功能相反 它对接收到的信号进行解调 译码 解密等 传输介质 指发送设备到接收设备之间信号传递所经过的媒介 通信系统的组成 由信息源和信息接收者 发送 接收设备 传输媒介几部分组成 智能仪器中的通信技术 30 通信规程和数据传送方式 异步协议把字符看作一个独立的信息 在每个字符的起止处同步 各字符间的相对时间可以变化 与之相应的通信方式称为异步通信方式 两种基本的数据传送方式 通信协议可分为两类 异步协议和同步协议 同步协议把许多字符组成一个数据块 在该数据块的起始处用8位或16位特定的字符进行同步 收发两端维持固定的时钟 串行通信 按位 bit 并行通信 按字节 31 仪器的网络化测试技术 网络化测试系统 网络化测试系统以网络为基础 将分散的各种不同测试