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第八章智能仪器设计方法 一 智能仪器设计的基本要求 1 功能及技术指标应满足要求主要技术指标 精度 测量范围 工作环境条件 稳定性 应具备的功能 输出 人机对话 通信 报警提示 仪器状态的自动调整等功能 2 可靠性要求 硬件仪器所用器件的质量和仪器结构工艺是影响可靠性的重要因素 故应合理选择元器件和采用在极限情况下进行试验的方法 合理选择元器件是指在设计时对元器件的负载 速度 功耗 工作环境等技术参数应留有一定的余量 并对元器件进行老化和筛选 老化试验 完工的电子产品 出货前故意放在高温中 置放一段时问 如7天 并不断进行仿真工作以测试其功能的变化情形 是一种加速老化试验 AgingTest 也称为寿命试验 是具可靠度耐用型电子产品出货前必须要进行的工作 极限情况下的试验是指在研制过程中 一台样机要承受低温 高温 冲击 振动 干扰 烟雾等试验 以保证其对环境的适应性 软件采用模块化设计方法 不仅易于编程和调试 也可减小软件故障率和提高软件的可靠性 同时 对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段 在仪器设计过程中 应考虑操作方便 尽量降低对操作人员的专业知识的要求 以便产品的推广应用 智能仪器还应有很好的可维护性 为此 仪器结构要规范化 模块化 并配有现场故障诊断程序 3 便于操作和维护 4 仪器工艺结构与造型设计要求 首先要依据仪器工作环境条件 是否需要防水 防尘 防爆密封 是否需要抗冲击 抗振动 抗腐蚀等要求 设计工艺结构 仪器的造型设计亦极为重要 总体结构的安排 部件间的连接关系 面板的美化等都必须认真考虑 二 智能仪器的设计原则 1 从整体到局部 自顶向下 的设计原则提出仪器设计的总任务 并绘制硬件和软件总框图 总体设计 将任务分解成一批可独立表征的子任务这些低级子任务可采用某些通用模块 并可作为单独的实体进行设计和调试 从而能够以最低的难度和最高的可靠性组成高一级的模块 2 较高的性能价格比原则 智能仪器的造价 取决于研制成本 生产成本 使用成本 样机开发主要的花费在于系统设计 调试和软件开发 样机投入生产时 生产数量越大 每台产品的平均研制费就越低 生产成本就成为仪器造价的主要因素 显然 仪器硬件成本对产品的生产成本有很大影响 使用成本 即仪器使用期间的维护费 备件费 运转费 管理费 培训费等 设计时不应盲目追求复杂 高级的方案 在满足性能指标的前提下 应尽可能采用简单成熟的方案 意味着元器件少 开发 调试 生产方便 可靠性高 3 组合化与开放式设计原则 在科学技术飞速发展的今天 设计智能仪器系统面临三个突出的问题 1 产品更新换代太快 2 市场竞争日趋激烈 3 如何满足用户不同层次和不断变化的要求 在电子工业和计算机工业中推行一种不同于传统设计思想的所谓 开放系统 的设计思想 开放系统 的设计思想 在技术上兼顾今天和明天 既从当前实际可能出发 又留下容纳未来新技术机会的余地 向系统的不同配套档次开放 在经营上兼顾设计周期和产品设计 并着眼于社会的公共参与 为发挥各方面厂商的积极性创造条件 向用户不断变化的特殊要求开放 在服务上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等等 三 智能仪器的研制步骤 确定设计任务并拟定设计方案 硬件和软件研制 软硬件综合调试整机性能测试和评估 三个阶段 1 确定设计任务 拟定设计方案 仪器设计任务书 主要内容 a 仪器名称 用途 特点b 主要技术指标 c 仪器应具备的功能 d 仪器的成本预算 e 完成期限等 如果是自主开发产品 应附有市场调研和可行性论证 如果是委托开发 则应与委托方讨论拟制的需求任务书是否满足对方需求 拟定设计方案 主要内容 1 技术路线或设计途径 2 系统体系结构或系统的构成 3 核心器件选型和加工技术4 软件平台和开发语言5 测试条件和测试方法6 验收标准等 2 硬件 软件研制阶段 硬件研制 采用功能强的芯片以简化电路 选型设计 修改和扩展 硬件资源需留有足够的余地自诊断功能 需附加设计有关的监测报警电路硬件抗于扰措施线路板注意与机箱 面板的配合 接插件安排等问题 必须考虑到安装 调试和维修的方便 如单片机选型 1 可靠性和抗干扰能力强 Motorola的MC68XX MC68XXX系列2 功耗或工作电源有要求 microchip的PIC系列3 技术支持较好的 MCS 51 PCI系列和MSP430 atmel公司的AT89系列4 基于性价比选择 ADI公司的ADuc8xx等CYGNAL公司的C8051系列 TI公司的MSC121X系列 外扩存储器选型设计 一般不考虑外扩 采用集成了存储器的单片机 如果一定要选用 坚持宁大勿小的原则 一般程序存储器选择28C256 29C256 29C512等FLASHROM数据SRAM一般选62256 数据E2PROM选24C01 02 04 256系列 外扩ADC选型设计 一般选用带SPI I2C总线的ADC芯片 如TI公司的TLC2543 TLV2543 4 8 ADI公司的AD770X 771X系列 MAXIM公司的MAX1245 6 7 MAX1270 1等 输入 输出线的扩展使用74LS244 245扩展输入接口 74LS377 373扩展输出接口 还可以用8155 8255等 较流行的是CPLD器件实现 最小系统设计 1 基于8031的最小系统 基于89C51的最小系统 基于ADuC812的最小系统内部集成了RAM ROM 片上SRAM ADC DAC等 再通过扩展基本的人机接口 可以作为数据采集系统 多路数据巡检仪 温度控制器 工业顺序控制器 电脑时钟 家电控制器等 典型单元电路1 译码电路译码器主要有74LS138 74LS139 74LS154 CD4028等 译码器输出一般用作IO接口芯片的片选信号 图中Y0 Y7对应的地址空间是 Y0 B800 B8FFH Y1 B900 B9FFH Y2 BA00 BAFFH Y3 BB00 BBFFH Y4 BC00 BCFFH Y5 BD00 BDFFH Y6 BE00 BEFFH Y7 BF00 BFFFH 典型单元电路2 简单输入接口扩展电路常采用74LS244 74LS245 74LS645等进行扩展 3 简单输出接口扩展电路常采用74LS273 74LS373 74LS573等进行扩展 4 模拟输入滤波电路a 单级RC滤波电路 适于单端输入方式 R2适于电流 电压转换b 两级RC滤波电路 适于差动输入方式 5 继电器接口电路 7 SSR接口电路 8 RS232接口驱动电路常用芯片有ADM02 MAX232等 10 RS485接口驱动电路半双工通信 可以在一条串行总线上构成多点通信网络 常用芯片有MAX485 ADM485 当P20为 1 发送数据 当P20为 0 接收数据 软件设计研制 软件设计作一个总体规划程序功能块划分确定算法分配系统资源和设计流程图编写程序程序调试和纠错以及各部分程序连接及系统总调 程序功能块划分 1 硬件接口程序 所有与硬件有关的子程序 2 数据采集程序 直接调用硬件接口子程序对模拟输入 开关量输入 脉冲量 输入等信号进行采集 将结果存储在公共变量 供其他程序存取 3 数字滤波程序 4 数据处理程序 标度变换 传感器信号的线性化处理 测量信号的越线报警 5 实时控制程序 实现PID或其他控制算法 死区控制 输出限幅 控制方式的自动切换 6 数据输出程序 将算法输出结果送给输出通道 将调用相应硬件接口程序 7 键值处理程序8 数据通信程序 3 仪器调试及整机性能测试 系统调试 以排除硬件故障和纠正软件错误 并解决硬件和软件之间的协调问题 1 功能子函数的调试通过KEILC51等模拟调试器 设置相应的入口参数 观测输出参数来进行调试 已有的子函数或直接引用的子程序不需调试 但需要测试 2 中断服务程序类似子函数的调试 不同的是要检查中断的产生 将断点设在中断入口 全速运行程序观察是否产生中断 按键和显示一般由定时器中断服务子程序完成 如果先调试好按键和显示 可以辅助其他程序的调试 特别是接口的调试 借此可以显示其他程序或接口存在的问题 3 主程序的调试主程序一般完成单片机的初始化以及循环执行的任务 循环执行的部分任务一般无实时性要求 如键盘键值分析 显示缓存区刷新等 一般通过调用子程序来实现 性能测试整机性能测试 需按照设计任务书规定的设计要求拟定一个测试方案 对各项功能和指标进行逐项测试 如果某项指标不符合要求 还得查明原因 作相应调整 直至完全达到设计要求为止 基于单片机与PC机之间的通信调试要注意在主从多机系统