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第九章智能仪表设计 9 1智能仪表设计原则9 2需求分析与方案设计9 3智能仪表硬件设计9 4智能仪表软件设计9 5调试与性能测试9 6智能电子计数器设计 1 智能仪表的设计需要许多综合知识 大致如下 首先必须掌握相关的微处理器构成系统 数据采集和输入 输出接口 数据处理技术 人机接口技术 智能技术 软件设计技术 通信技术和可靠性等技术 其次很重要的工作是掌握被测量的特征和特点 对其做深入的研究和分析 所采用的方案 算法起到对症下药的效果 最后按照科学的原则 合理的步骤 真实的用户需求 进行总体方案和细化设计 调试及测试 2 9 1智能仪表的设计原则 一 基本要求1 满足功能和技术指标要求主要是测量功能 控制功能 管理功能 2 可靠性要高可靠性是最重要的指标 特别是在线仪表 3 便于操作和维护操作简单 易于维护 保证正常使用 4 结构与造型合理的结构与造型适应环境能力好 美观大方 3 二 设计原则1 明确设计目标通过用户需求分析得到仪表要求的功能 性能和约束条件 避免功能 性能过高 约束条件过严 使得投入大 开发周期长 必须权衡利弊并留有一定的富裕量 在整个设计过程中要不断对照设计目标 2 自上而下设计把复杂问题分解为简单问题 单元电路和基本程序可实现 形成相互独立包含各项指标的子任务书 再逐级细分 直到可以由一个人独立完成的电路或算法为止 子任务完成后汇总起来既完成总体任务 4 3 软硬件优化设计大部分子任务可以硬件为主实现也可以软件为主实现 必须进行协调优化设计 提高性能质量 减低成本 硬件 成本增加 故障点多 处理及时 减轻微处理器负担 软件 降低成本 一次人力和时间投入多 按复杂软件用硬件取代的原则去协调 4 较高性价比在满足性能指标前提下 尽可能采用简单方案 依据产品化的规模权衡研制成本和生产成本 同时要考虑仪表的使用维护费用 5 5 提高可维护性采用自诊断技术 硬件保护电路 硬件冗余后备 留置方便测试点等提高可维护性 模拟运行环境对硬件进行试验和测试 对软件进行反复考核与诊断 设置异常情况和极限环境检验仪表的可维护性 6 组合及开放式设计基于流行的标准总线结构 选用成熟的软硬件功能模块组合成仪表 重点放在总体方案和专用软件设计上 缩短了开发周期 结构灵活便于扩充 质量稳定维修方便 6 三 设计步骤1 确定设计任务和方案进行用户需求分析 明确设计任务 功能 性能和使用环境 拟定方案并优选 2 软硬件研制设计硬件设计除了完成功能外 必须适应环境具备的抗干扰 软件设计要不断细化 避免疏漏 3 综合调试和性能测试软硬件联合调试 仪表能正常工作 测试其功能 性能指标 运行可靠性等 7 9 2需求分析与方案设计 一 需求分析明确所设计仪表用户的需求及目前类似仪表的现状 走访有代表性用户 查阅资料 写出需求分析报告 包括 1 功能要求 测量功能 哪些量 在线还是离线 实时性要求高低 输出形式 显示 通信 打印 等 控制功能 对象 模型 哪些状态 构成那类系统等 给定 随动 串级 管理功能 通信 报警 人机对话 数据库 报表 统计 决策分析要求 8 2 性能要求 测量范围 测量精度及灵敏度 稳定性及可靠性 响应速度 动态特性 数据库查询方式 容量 安全性 3 对象特征 输入输出关系 各变量的性质 生产使用规律 4 环境条件 温度 湿度 粉尘 水 油 腐蚀 电源条件 干扰情况 冲击振动 安装情况 使用人员素质 维护力量 用户经济能力 5 长远计划用户扩展 升级的规划 9 二 设计任务书按照需求分析编制设计任务书 明确各项要求 作为设计目标和验收依据 具体内容 1 名称 用途 特点 简要设计思想 2 仪表功能 测量 控制 管理方面 3 技术指标 测量范围 精度 稳定性 可靠性 4 使用环境 温度 湿度 粉尘 干扰 冲击振动 5 操作规范 键盘 显示 报警 6 产品形式 主机型 分机型 外设型 需外配单元 7 时间安排 设计研制的进度控制 10 三 设计方案按照设计任务书 设计多个总体方案 经专家论证 综合 优化 确定最终方案 总体方案内容包括 1 工作原理充分掌握被测对象的特征 分析现有仪表采用的原理存在的问题 优选先进的智能算法确定测量过程的工作原理 确定采用的系统方式 2 系统组成完成设计任务书具有的功能 达到相应的技术指标 满足使用环境等时 协调优化的软 硬件 即总体的软 硬件结构和分工 其原理某种程度上就决定了系统的总体结构 11 3 主要功能的说明根据仪表的工作原理 描述主要功能实现的过程 对重点 难点问题解决的方法 4 主要性能的分析计算对主要技术指标采用的方案 关键技术及路线进行分析 对指标的分解及计算 采用某种方法的可行性 留有一定余地 5 其它目前技术水平 设备及实验条件 人力财力及时间的可行性 12 9 3智能仪表硬件设计 根据总体硬件结构和任务书要求 以硬件设计人员为主与软件人员协商 进行硬件设计 通常包括 微机系统 人机对话接口 数据采集接口 输出控制接口 电源等 一 基本要求1 充分了解所涉及到的芯片性能 分析对比其性能 用功能强的芯片简化硬件电路 采用典型线路 2 考虑到可能会修改和扩展 硬件资源留有余地 3 采取硬件抗干扰措施 是否需要RAM掉电保护 4 为自诊断功能设计监测报警电路 5 元件 单元 板布局合理 连线 安装 调试方便 13 二 微机系统设计微机系统是核心 包括 微处理器 总线结构 时钟电路 复位电路 存储器及I O扩展电路 1 微处理器不同类型 不同型号的微处理器 字节长度 时钟频率 指令功能 寻址空间 存储能力 I O扩展能力 中断能力 定时 计数能力 特殊功能 功耗及兼容性都不同 选择根据所完成的功能确定微处理器的类型 单片机 DSP 多微处理器 根据性能指标所需的字节长度 时钟频率 指令功能 寻址空间 I O扩展能力 中断能力 定时 计数能力 特殊功能 功耗确定芯片型号 14 2 总线与结构智能仪表中微处理器是通过总线与外围芯片 电路板 其它设备相互连接实现数据传送的 总线的选择应与选机型 确定结构同时进行 总线可以采用非标准的 但大多智能仪表采用标准总线结构 可简化结构 方便廉洁 可扩充性和维护性好 可靠性高 按照使用范围分为内总线和外总线 内总线 仪表内部板与板间的连线 a 单板结构 仪表功能简单 没有对外连接的总线 合理布局数据 地址线并采用I2C InterICbus 和SPI SerialPeripheralInterface 连接微处理器和存储器 I O接口 结构简单 成本低 体积小 可靠性高 15 b 多板结构 仪表功能复杂 避免重复设计选标准总线多板结构 通用部分采用标准板 专用部分自行设计 缩短开发周期 研制阶段非常可行的一种结构 外总线 设备与设备间连接的总线 外总线分为并行和串行总线 其传输速率 可靠性 传输距离 使用的传输线数量都不同 a IEEE 488并行接口总线 通用目的接口总线 b RS 232C串行接口总线 早些年使用广泛 c RS 422 RS 423 RS 485串行接口总线 比232性能好 广泛用 16 3 时钟电路时钟是CPU定时的基准 最好使用其典型值 须留有一定的富裕量 必须按照微处理器对时钟电平 频率 波形的要求进行设计 包括 允许的最低和最高频率 高低电平容差 脉冲宽度容差 最大与最小升降时间 晶振有标准 高速 低功耗 高精度 多频切换的可以选择 因要求时钟的频率要稳定 又简化设计 最好选用典型的时钟电路 优先使用内部时钟电路 再选用专用时钟芯片 外部提供时钟时应选数倍于所需频率的晶振 经分频得到所需频率 17 4 复位电路智能仪表有上电复位 按钮复位 掉电冻结 故障恢复等几种情况 上电复位 按钮复位 不同的CPU和接口芯片所要求的复位电平和持续时间不同 应按照其要求设计 一般都具有典型的复位电路 掉电冻结 电源电压较低时把数据保存起来 冻结CPU的运行 电压恢复时自动启动运行 掉电保护电路和复位电路要一起进行设计 故障恢复 避免复位时造成数据丢失 采取一定措施 18 5 存储器存储器有内存和外存 有存数据和存程序之分 内存 考虑存储类型 存储容量 存取时间 功耗 数据保护等 ROM 工厂掩膜编程的只读存程序 EPROM 紫外线擦除多次编写存程序 EEPROM 电擦除1万次擦写存放设定参数 RAM 随机存取存数据 FLASH 闪存存数据或程序 外存 不受微机系统结构限制 大量数据长期保存 磁带 磁盘 一般容量 速度 可靠性 适应环境都差 微型计算机 数据传送至微机存储 19 6 I O接口一般数据输入 输出都是通过数据总线与I O接口交换信息 必须有序进行 I O接口编址 信息交换的方法是给每个外设相应的地址 给对应的地址进行读写操作 就完成了数据输入 输出 不同微处理器有两种编址方式 统一编址 映射方式 所有I O接口当存储器看 对外设输入 输出操作和对单元的读写操作一样 单独编址 I O接口地址和存储器分开编址 指令独立地址容易安排 20 I O接口控制方式 微处理器和外设间交换的信息有三种类型 数据 状态信息 控制信息 控制方式有三种 查询方式 查询I O接口状态 了解外设情况 决定是否进行相应的处理 消耗CPU时间 响应不及时 中断方式 外设通过I O接口向CPU发中断请求 CPU响应中断执行相应处理程序 实时性好 效率高 如能分时操作更好 DMA方式 在DMA控制器管理下 I O接口设备和存储器直接交换信息 无需CPU参与 21 I O接口芯片 接口芯片主要有三种 可编程芯片 节约CPU的资源 三态缓冲器 CPU将控制信号和数据送至外设 寄存器 外设状态信号送至数据总线 接口芯片品种繁多 74系列TTL 74LS低功耗肖特基型 74AS先进肖特基型 CMOS型 MC14500系列 CD4000系列 74HC 74HCT 74HCU系列 功耗降低 HTL高阈值系列 可编程芯片 MC68XX系列 Intel和Zilog的8XXX系列 总之 以速度为主要指标应选TTL 以功耗为主要指标选CMOS 以抗干扰为主选CMOS或HTL 可编程芯片减轻CPU负担 程序简单 专门完成特定任务 22 6 总线驱动微处理器通过数据 地址 控制总线与I O接口交换信息 微处理器自身总线的驱动能力有限 外部扩展的芯片多时负载太重 引起芯片发热 逻辑混乱 波形失真 导致系统混乱 按照信息流动的方向 可分为单向和双向 一般地址线 大部分控制线 状态线是单向的 用恒定接通的单向总线驱动器 数据总线是双向的 用两个单向驱动器或双向驱动器 注意方向端控制 DIR 74系列单向 4位125 6位367 8位244 双向8位245 23 三 人机接口设计智能仪表的人机接口是按照任务书要求完成人机对话功能对应的输入和输出操作 输入输出设备 正常运行和维修使用的开关 按钮 键盘 显示 打印等 人机接口组成 由I O接口和相应驱动电路组成 I O接口作为微机系统的组成部分 通过驱动电路与人机对话设备连接 人性化设计 具备容错功能 24 四 数据采集设计数据采集是智能仪表的核心 直接影响仪表的测量精度 分辨率 输入阻抗 速度 抗干扰能力等主要指标 包括 模拟测量电路 传感器 信号变换器 滤波器 前置放大器 模数转换器 多路切换器 采样保持器 A D转换器 特殊信号转换电路 把不同的模拟信号 电压 电流 频率 相位 脉宽 转换成数字信号 注意 对各单元电路进行误差分配 再选电路和器件 对滤波 标度变换等用软件实现 采取程控放大 零点和增益校正 非线性校正等措施 25 五 输出控制接口设计输出控制接口控制开关量输出和数模转换及驱动变换电路 开关量 要具有足够的驱动能力并实现电气隔离 控制信号灯 继电器 蜂鸣器等 数模转换 D A和功率驱动电路 V I变换器等 控制电动执行机构 可控硅设备 步进电机驱动装置等 注意 具有足够耐压和过冲击能力 设备开 关动作不影响仪表正常工作 事故下保护正常运行的电路 26 六 电源设计智能仪表大多采用工频交流供电 有两种电源 普通电源 由变压器 整流器 低通滤波器 稳压器等组成 结构简单 成本低 体积大 满足一般要求 开关电源 按照PWM原理工作 体积小 精度高 稳定性好 成本高 采用专业厂家生产的 注意 有足够功率 避免满负荷时发热 降低精度 变压器等有良好的屏蔽 减低电源引入的干扰 电压档次满足主机 放大 A D 继电器等要求 共地系统不用隔离电源 隔离系统不用共地电源 27 9 4智能仪表软件设计 根据硬件结构和任务书要求 按照科学合理的设计步骤和方法进行设计 一 基本要求1 可靠性 分析可能偶然出现的异常现象 避免出现逻辑错误 反复运行调试解决软件失误和潜在的硬件故障搅在一起的错误 2 精度 软件精度由算法的精度 算法本身制约 和程序的精度决定 一般软件精度比A D精度高一个数量级以上符合要求 但同时满足系统分配的精度要求 用多字节 浮点运算 建立高精度数据表格可提高精度 但同时速度慢 存储量大 程序复杂 故满足要求即可 28 3 速度 保证实时性 改进程序结构和方式 延时等待改为中断方式 循环次数减少和较快的循环指令 计算方法简化 时事性要求高的改为汇编语言等 4 效率 开发效率和运行效率 用高级语言开发 开发效率高运行效率低 用汇编语言开发 开发效率低运行效率高 注意 运行效率满足要求时 优先使用高级语言 尽量使用各种现成程序和开发调试工具 必要时用硬件简化软件 速度与程序长度冲突时 以速度为主 不要过分重视设计技巧浪费时间 29 5 用户界面 良好的用户界面 符合使用者文化素质及习惯 文字 图形结合 容错性良好 6 可读和可扩展性 可读性指程序结构合理 清晰 易于阅读和理解 可扩展性指程序结构标准化 便于修改和扩充 注意 采用结构化的程序设计方法 不要将子程序分得太细以致反复出现子程序嵌套 不宜过多使用编程技巧是程序生涩费解 程序区和数据区留适当空间 扩展时不打乱结构 程序文件完整 流程 注解 存储分配 参数定义 30 二 结构化程序设计是软件的基本设计方法 按如下三步实施 1 自上而下的分层设计 把整个软件设计任务划分成若干大的任务 模块 每个大任务分为若干子任务 这样分下去 直到每个子任务可编程实现为止 注意 每个模块有明确的功能和输入输出条件 与高一级的标志相吻合 某一子任务可以纳入低一级某模块时 就不要考虑此子任务具体实现 对任一层次 任一模块具体规定不宜过大 模块间的接口包括数据和功能 31 2 模块化设计 分层设计后对每层的子任务应保证 同一模块内任一段落的修改不影响其它程序模块 形成特定的功能模块 便于独立运行和调试 为程序进一步细分奠定了基础 原则 模块大小随问题复杂程度定 过大难于普遍使用 过小零乱 程序可读性差 一般几十句到一二百句 模块设计为一个入口 一个出口 正确与否与其它模块无关 模块内关键的是与硬件对应的典型试通程序 每一模块都应独立上机调试运行 32 3 结构化设计 任何一个单输入 单输出都可以由以下三种基本结构合成的 细分程序模块至不含复合结构为止 即与语句对应 顺序结构 执行顺序与模块排列顺序一致 条件结构 根据条件决定程序的走向 循环结构 满足某条件与否决定继续循环还是向下执行 有两种结构 33 三 软件设计软件设计包括 题目定义 题目细分 确定算法 画流程图 编写程序 1 题目定义 是对软件设计任务书分析后作出软件的总体规划和详细说明 必须明确 输入 输出信息列表 信息的性质 来源或去向 数据信息 状态信息 控制信息 数据输入 输出端口地址 外设控制方式 中断源的类别及优先级安排 每个数据输入 输出与其它输入 输出的关系 人机对话良好 操作简便灵活 现实直观易读 有提示信息 有容错功能 哪类错误提示 哪类错误人工干预 出错信息表 34 2 题目细分 用结构化 模块化设计方法 对整个软件划分成不同的功能模块 明确各模块之间的因果关系 功能模块 执行模块 完成各种实质性功能 如输入 显示 运算 数据采集 输出控制 定时 通信 报警等 主控模块 监控 组织管理 协调各模块之间及与操作者间的关系 使仪表按要求完成指定的功能 模块间关系 规定各模块之间的接口关系 包括 接口参数的数据类型和结构 运行状态标志 存储单元分配表 每个模块输入 输出参数表 每个模块调用时的条件 模块间相互调用时对标志和参数的影响 堆栈应保存的内容 如数据处理的信息要显示 打印 比较超限否 再处理为输出控制信息等 35 3 确定算法 是软件非常重要的工作 不同功能块或同一功能块有多种算法 必须在达到功能要求的基础上 保证流程结构简单 可靠 4 画流程图 画出各功能模块的详细流程图 包括 数据采集 人机对话 数据存储 数据处理 输出控制 报警 自检自诊断 自补偿自适应 自校准自学习等 5 编写程序 再明确系统资源的分配 采用不同的语言书写程序 36 9 5智能仪表调试与性能测试 一 调试硬件和软件设计过程中及之后非常重要的工作 排除软硬件故障 使软硬件协调工作 1 硬件调试 硬件调试要非常细致排除明显的故障 通常许多错误在软件调试时才发现 分静态和动态调试 静态调试 目的是检查电路板 不插芯片 核对元器件的型规 检查电源线短路和极性 系统总线短路等 接通电源 测各引脚电压 特别是微处理器插座可能损坏仿真器 断电分批插上芯片 通电无异常情况 最后插微处理器和价高的芯片 37 动态调试 目的是检查连接错误和各部件内部故障 常用逻辑笔 示波器 仿真器 逻辑分析仪等 首先联机调试 调试对象不同对应编制专门的测试程序 运行后检查输出是否一致 如编制专门程序检查输入输出口线 A D和D A RAM单元等 不一致时用示波器观察其主要信号 片选信号 读写信号 查明原因 直到正常 其次脱机调试 插上CPU芯片 用示波器检查CPU的主要信号引脚是否正常 最后检查其它功能 如复位 掉电保护等功能 38 2 软件调试 排除程序中的错误 同时解决可能遗留的硬件问题和软硬件的兼容问题 必须按照自下而上的顺序和层次进行 调试的顺序 最初级子模块 上一级模块 主控模块 每个模块 语法错误 PC机上用用汇编软件对源程序进行汇编 直到无错 逻辑错误 联机仿真运行模块中的某段 使用设断点 暂停 单步等手段查找逻辑错误 中断模块 同 以外 还需检查中断信号出现过否 能否进入中断的入口 现场保护和恢复正确否 运行 仿真运行改错达到设计要求 则可脱机运行 39 二 测试智能仪表针对其性能测试应该进行相应的可测试性设计 可以使用户及时排除故障 定期测试仪表自身的状态 可工作 性能下降 不可工作 1 测试种类 分部测试与系统测试 静态测试与动态测试 联机测试与脱机测试 定性测试与定量测试 连续测试与定期测试等 2 测试方案 按照设计任务书要求 拟定总的测试方案 对那些部分或整体进行哪些种类的测试 在拟定分部分项的测试方案 40 测试方案组成 一般由下列项目组合而成 测试点 传感器 指示或显示 接口装置 诊断程序 报警装置 故障数据记录装置 测试设备 监视电路 对各项功能指标逐项测试 对不符合要求的项找出原因进行改进 直到达到设计要求为止 41 9 6智能电子计数器设计 电子计数器 完成频率测量 时间测量 技术等功能的电子测量仪器 一 通用计数器测量原理1 概述 分类通用计数器 具有测量频率 周期基本功能的电子计数器 还具有测时间间隔 频率比 累加计数 计时 配插件还可测相位 电压等 专用计数器 专门测量某一功能的电子计数器 如时间计数器 可逆计数器 差值计数器 微波计数器 42 2 通用计数器组成原理 频率测量被测信号由A端输入 放大整形后进入主闸门 晶振信号经分频后的各种时间标准 通过门控双稳控制主闸门的作用时间 在闸门时间T内通过主门的被测信号计数值为N 则被测信号的频率 fx N T 43 周期测量被测信号由B端输入 放大整形分频后经门控双稳作为主闸门开启的控制信号 即在被测周期TX开启 晶振信号 经分频后的时标T0经放大整形后送入主闸门 在被测信号周期内通过主闸门计数的时标数N 则TX NT0 分频 44 时间间隔测量被测信号由A B端输入 A端的脉冲信号经门控双稳作为主闸门开启的控制信号 B端的信号经门控双稳作为主闸门的关闭信号 即时间间隔为 TA B NT0 在开启时间内的计数与时标T0的乘积为时间间隔 45 典型通用计数器输入通道 由衰减 放大 整形电路组成 A端输入 计数 测频 B端输入 测周 A B端输入 测频率比 计数单元 由主闸门 计数 显示电路组成 时基电路 由产生时标 倍频 分频电路组成 控制电路 产生门控 计数器清零 显示信号 使仪表正常有序工作 功能选择 不同位置选择功能是测频 测周 频比 计数 校准 46 3 通用计数器测量误差不同功能误差不同 主要三种 最大计数误差 当计数时 主门开启时间与计数脉冲时间是不相关的 则在相同的开启时间内计数值可能不同 最大误差为 1 故测频选大的闸门时间 测周选小的时标 多周期测量减弱误差 标准频率误差 晶振的准确度决定了时标 闸门时间的准确度 对测频 测周 测间隔存在误差 根据显示位数 8 确定晶振的准确度 10 8 触发误差 B端输入 作为门控信号被干扰产生触发误差 对测周 测间隔存在误差 采取多周期测量减弱误差 47 二 多周期同步测量技术1 问题提出 误差太大 当测频率时 如被测信号为1HZ 闸门时间选1秒 测量误差高达100 不能直接得到 对低频信号采用测周期 再换算 对小周期采用测频率 再换算 可有效解决 1误差 中界频段精度低 在中界频率附近精度太低 采用多周期同步测量可解决上述问题 48 2 多周期同步测量原理 预置闸门时间 产生初步的主门开启时间 多周期 同步器 D触发器同步打开两个主门 计数器 事件计数器计了被测信号fx的周期数 时间计数器计了时钟f0的数 得