仪器电子技术中的软件与硬件.docx

仪器电子技术课程报告 学生姓名： # 学生学号： # 班 级： # 课程题目： 现代仪器中软件和硬件技术 学年学期： 2 0142 015 学年第 1学期 指导教师： # 2 0 15 年 1 月目录1引言21.1软件和硬件的定义21.2现代仪器的发展32软件和硬件在仪器中的作用33仪器性能与软件的关系53.1 仪器的性能53.2 典型例子（嵌入式门禁系统）64仪器性能与硬件的关系95 现代仪器中软件和硬件发展趋势125.1软件发展趋势125.2硬件发展趋势15光衰减器1引言1.1软件和硬件的定义软件是能够完成预定功能和性能的可执行的计算机程序，包括使程序正常执行所需要的数据，以及有关描述程序操作和使用的文档。软件是一种逻辑实体，是用户与硬件之间的接口界面。用户主要是通过软件与计算机进行交流。软件是计算机系统设计的重要依据。为了方便用户，为了使计算机系统具有较高的总体效用，在仪器设计过程中，必须全局考虑软件与硬件的结合，以及用户的要求和软件的要求。软件还可以拓宽计算机系统的应用领域，放大硬件的功能。硬件是客观存在的一种物质实体，比如一台仪器它的外观设计，它使用的芯片或者架构都属于硬件。它是为软件服务的，也是获取软件的途径。硬件是实在的，有模有样的。软件是程序性的。是一系列的指令。有了软件，硬件才会实现更丰富的功能。也好比人，肢体是硬件的。但思想，思维，你的学识是软件，是灵魂。1.2现代仪器的发展众所周知,数字化、智能化和网络化是当今仪器仪表与自动化测试系统的三大发展趋势,并将彻底改变传统仪器仪表与自动化测试系统的概念。在传统概念的测量中,所采用的仪器大多是实物,它们自成体系,具有刻度盘、旋钮、开关等固定的用户界面特征。传统的仪器设备缺乏相应计算机接口,因而配合数据采集与数据处理十分困难。而且传统仪器体积庞大,多种数据测量时常常感到捉襟见肘,手足无措。如常常见到硬件工程师的工作台上,推满了纷乱的仪器、交错的电缆和繁多的待测器件。显然,传统的仪器已经不能满足现代测试的要求。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用,新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现,在许多方面已经冲破了传统仪器的概念,电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在这种背景下,80年代末美国研制成功虚拟仪器。现在,在集成的虚拟测量环境中,见到的是整洁的桌面,有序的操作,不但使测量人员从繁杂的仪器堆里解放出来,而且还可实现数据的自动测量、自动记录、自动处理。 网络仪器的发展在现代仪器中也非常重要，网络就是仪器的概念确切地概括了仪器的网络化发展趋势以Internet为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不断完善使得计算机网络的规模更大，应用更广。在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域对大范围的网络化测控将提出更迫切的需求。网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用，网络化仪器会很快发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代仪器，即网络化仪器的进步。2软件和硬件在仪器中的作用软件相当于人机交互的一种方式，这种方式可以通过编程或算法设计表现出来，比如我们平时用到的C+，MATLAB等等，我们可以通过这些工具对所需要的设计要求进行合理化的编程，从而让计算机识别并实现对硬件设备的控制功能。而硬件可以根据设计要求划分为几个功能模块，通过电路设计来实现。在信息化建设时期，随着科学技术的高速发展，在现代仪器设计中，软件和硬件的结合尤为重要，关系到每一台仪器的性能。下边通过智能温度显示仪的设计为例说明软件和硬件在仪器中的作用。本设计要求智能温度显示仪能够将温度传感器输出的（05V）电压信号转换成对应温度范围（0100）的整数数值显示，显示器采用4位LED数码管实现，通过键盘实现报警上下限的设置，而且能够在温度变化过程中根据预设的报警值及时地发出报警信号。整体设计结构图如下：图1 功能结构图根据工作原理可通过图1所示的结构实现功能。由工作原理可知，传感器的输入信号是05V的电压信号，所以不用放大就可以直接接入单片机电路。电压的变化要经过A/D转换才能由数字信号电路处理，采样后要经过一定的数据处理才可以向显示电路输出。另外，由于可实现报警功能，这就需要设计报警值的输入和报警动作的输出电路。最方便的做法是242使用键盘输入报警值，用发光二极管来实现光报警。此外，要求报警值能够一直保存，掉电不会丢失，因此就必须通过非易失性存储器来保存。要设计上述的电路首先要选择一款单片机，本文选择PIC16F877型号单片机作为控制核心。由于该单片机内部集成了8路EEPROM空间和ADC，所以图1中的存储器和ADC部分就不用再另外选择器件了；键盘电路由4个独立按键组成，分别完成置数位的调整，即减1和加1操作；显示电路选用MAX7219控制数码管的工作，这些都是硬件，没有这些硬件作为载体，仪器就不可能存在。软件设计要根据设计对象的功能而定，本文设计的智能温度显示仪主要实现以下功能：1）采样RA0端口的模拟信号，转换成数字信号；2）将数字信号经标度变换成温度值显示在数码管上；3）通过按键设定报警的上下限，一个键负责报警位的选择，另外两个键负责实现选中位的加减1；4）设定的上下限存在于EEFROM中；5）5秒钟没有按键按下，自动返回采样刷新状态。通过程序的编写达到设计要求，来控制单片机等硬件的运行和操作，从而实现仪器的设计。从该例子中可以看出在仪器设计中软件和硬件相辅相成，缺一不可。3仪器性能与软件的关系3.1 仪器的性能衡量仪器性能的主要技术指标有精确度、灵敏度、响应时间等。精确度表示仪器测量结果与被测量真值的一致程度。仪器的精确度常用精确度等级来表示，例如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级等。0.1级表仪表总的误差不超过1.0%范围。精确度等级数小，说明仪器的系统误差和随机误差都小，也就是这种仪器精密。灵敏度表示当被测的量有一个很小的增量时与此增量引起仪表示值增量之比，它反映仪表能够测量的最小被测量。响应时间是指仪表输入一个阶跃量时，其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，一般规定以到达稳定值的95%时的时间为准。此外，还有重复性、线性度、滞环、死区、漂移等性能技术指标。而对于仪器而言，其性能指标又会对应各个不同的协议，因此软件是影响仪器性能的一个关键因素。3.2 典型例子（嵌入式门禁系统）随着计算机和微电子技术的飞速发展,嵌入式系统作为计算机应用的一个重要领域,已深入到社会的方方面面。近年来,嵌入式系统在工业控制领域的应用也越来越广泛。嵌入式软件开发主要分如下步骤：在PC机开发程序、建立交叉编译环境、交叉编译和链接，应用程序的移植。其在嵌入式门禁系统中的应用如下： 网络通信程序是由两个部分组成的：客户端和服务器端。它们的建立步骤一般是： 服务器端 ：socket-bind-listen-accept 客户端 ：socket-connect 服务器端与客户端通过以上过程建立通信连接之后就可以进行数据的发送和接收了。图3.1门禁控制器的主控流程图嵌入式门禁控制器是门禁系统的核心控制部分。它完成所有的门禁管制逻辑业务。门禁系统的稳定性、可靠性、高效性取决于门禁控制器的合理设计。控制器的主流程图如图3.1所示。 系统加电启动之后，从本机数据库读取各个端口的属性数据并配置，初始化各个端口设备，完成系统的初始化设置。之后启动后台通信线程，负责通信模块处理，主控流程则开始对门禁管制区域进行监控。系统正常启动后，首先检测各个端口状态，如有异常则报警并记录事件，并执行相应的I/O处理。同时检测是否有定时开关门事件，是否有用户刷卡动作，是否满足自动报警条件，并进行相关模块的处理。系统启动之后，首先必须初始化输入输出端口设备，并进行网络的设置和读卡器的配置。 设备端口的初始化模块InitIo( )：即打开各个驱动设备文件句柄，主要包括输入和输出设备句柄，输入设备包括门磁、防拆除、开关按钮。输出设备主要是继电器设备（控制门锁和报警输出信号），设备的句柄打开之后，即可如对文件操作一样，对各个设备文件进行控制。 网络配置模块InitIP( )：需从控制器基本参数数据库tbl_controller读取网络参数，并进行网络配置。例如，读取网络参数后，要激活的网络 IP地址为“ 192.168.0.100 ” ，则 需 执 行 一 个 系 统 调 用 函 数 system(“ifconfig eth0 192.168.0.100”)。读卡器的配置模块InitCom( )：本次系统设计使用的读卡器有韦根读卡器和485RFID读卡器，每个门可配置其中某一型号的读卡设备。系统读卡器的配置过程如下：首先从读卡器数据库tbl_reader读取相应的数据，根据相应的配置参数进行读卡方式的设置，并打开相应的读卡设备句柄。用户刷卡处理是门禁系统的主要功能模块，用户刷卡处理流程为：用户刷卡，系统判断是否为多卡开门，如为多卡开门进行多开开门处理。如为单卡开门。系统进行权限验证，如为有效卡，则置相应标志位，并发出开门信号，如为非法卡则报警，刷卡处理流程如图3.2所示。图3.2 用户刷卡处理流程权限验证子模块流程为用户刷卡，应用程序读取系统时间，检查卡是否过期，是否是挂 失卡或者暂停卡。卡片合法，如为巡更卡，则记录巡更事件。如为普通卡则进行节假日管制、时段管制判读，并将处理结果作为开关门信号的依据。对门禁系统进行软件测试，测试中发现的问题：（1）读卡故障，读卡器不能正常读卡：检测读卡器与控制器的连线是否正确，如果是 485RFID 读卡，必须保证读卡器的地址拨码与控制器的软件配置相符。用上位机门禁管理软件查看读卡器的配置是否正确，如有错误，重新配置读卡器。（2）不能正常开关门，用户刷卡或者按下按钮，门锁无反应：检测电源是否连接正常；用上位机门禁管理软件查看门对应的输入输出端口配置是否正确，或者直接查看门属性数据库tbl_door，查看门所对应的开关按钮输入端口号是否与硬件连接的端口号匹配，输出端口号是否与硬件连接的端口匹配，该门是否设置了互锁条件等。从测试结果及设计过程可以看出软件编写的是否严谨会影响系统或者仪器设备的正常工作。4仪器性能与硬件的关系科学技术的进步不断对仪器仪表提出更高更新的要求。仪器仪表的发展趋势是不断利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件，例如利用超声波、微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理和采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件。其目的是实现仪器仪表的小型化，减轻重量、降低生产成本和更便于使用与维修等。另一重要的趋势是通过微型计算机的使用来提高仪器仪表的性能，担高仪器仪表本身自动化、智能化程度和数据处理能力。仪器仪表不仅供单项使用，而且可能过标准接口和数据通道与电子计算机结合起来，组成各种测试控制管理综合系统，满足更高的要求。仪器的可靠性是指仪器在规定的使用条件下和规定的时间内完成所规定功能的能力,它是衡量仪器质量优劣的重要技术指标,仪器的可靠性是由硬件可靠性和软件可靠性两个方面决定的,一般来说,仪器的软件可靠性比较高,所以仪器的可靠性主要由硬件可靠性所决定。构成仪器的硬件包括构成仪器的各种芯片、元器件及各种部件,主要有微处理器及周边电路、IC电路芯片、电阻、电容、电感、晶体管、继电器、插头、插座、印刷电路板、按键、引线、焊点等。下边以基于DSP平台的机器视觉系统为例说明硬件对仪器性能的影响。首先说一下硬件优化的意义：DSP在实时系统中应用非常普遍，在这种应用环境中，计算的及时性、准确性和工作中的抗干扰性相当重要。在基于DSP的机器视觉图像处理系统中，需要对采集到的图像进行实时处理。由于需要对物体的形状，状态，及背景进行准确的识别，算法复杂度高，运算量相当大。由此可见，从系统设计的一开始到结尾都必须贯穿优化思想，提高系统工作效率，以达到预定目标。其系统结构框图如图4.1所示：图4.1系统结构框图在高速电路板中，由于电路的高频特性，开关的电磁辐射和线路噪音都会干扰到电路器件电压，即器件的实际工作电压。而现今的低电压、低功耗、高性能的芯片，如 DSP 芯片等对工作电压的要求非常高，一般都要求电压偏差不超过5%，我们的芯片的供电电压为 3.3V，即电压偏差不能超过 0.165V。否则，一旦工作电压超出这个范围，长时间工作容易缩短寿命甚至于烧毁。因此，在电路中需要通过电压监控电路来实现对电压的实时监控，以期电源能够为芯片提供合格而稳定的电压。DSP 电路设计中，其时钟设计非常重要。许多器件需要时钟，如 CPU 时钟，EMIF 时钟，串行通讯器件 UART，USB 等，还有音频/视频器件 Audio Codec,Video Decoder 和 Encoder 器件。C6000 DSP 的内部 CPU 时钟由一个来自 CLKIN 引脚的时钟源产生。该时钟源是一个外部信号，根据时钟模式，或者驱动片内锁相环（PLL）电路，或者饶过 PLL（旁路）成为内部时钟。源时钟我们选择来源于一个震荡器芯片，并且为3.3V电压。在电路布局中确保所有时钟导线尽可能短，以尽量减小时钟信号的失真。在我们这个 DSP 系统中使用外部时钟输入，因为使用外部时钟时，时钟的精度高、稳定性好、使用方便。由于 DSP 工作是以时钟为基准，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。在系统中如果要求多个不同频率的时钟信号时，首选可编程时钟芯片。单一时钟信号时，选择晶体时钟电路。对于多个同频时钟信号，应选择晶振。要尽量使用 DSP片内的PLL，降低片外时钟频率，提高系统的稳定性，由此可见硬件对仪器性能的影响。图4.2 时钟电路在工业运用中，外界的环境是十分复杂的，温差大，强干扰的情况很普遍。印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件它提供电路元件和器件之 间的电气连接。要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是非常重要的。对噪声和干扰非常敏感的精密控制电路和高频噪声特别严重电压逆变电路使用金属罩封装屏蔽起来。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等安排远离逻辑电路。在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，好的高频去耦电容可以去除高到 1GHZ 的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。在设计印刷线路板时，每个集成电路的电源，地之间都要加一个去耦电容。大量实践经验表明，采用合理的器件排列方式，有效地降低印制电路的温升，从而使器件及设备的故障率明显下降。因此，硬件对仪器性能有着重要的影响。图4.3 PCB 布局5 现代仪器中软件和硬件发展趋势 5.1软件发展趋势软件技术的高速发展及虚拟仪器在新一代的仪器系统中，计算机处于核心地位。为了使仪器系统的硬件设备尽量少，传统仪器的许多硬件乃至整个仪器都可以被计算机软件所代替，计算机软件和测试仪器将更加紧密地结合在一起。 随着仪器系统的不断完善及仪器设计思想的发展，软件的重要性及进一步发展的迫切性越来越突出。 可以预测，测试界今后的巨大变化将主要发生在软件方面。 软件技术的高速发展第一代采用编程语言: 例如:C，BASIC汇编语言，第二代采用面向对象可视化编程语言: 例如:C+，VB，Delphi语言，第三代采用专业测试软件: 例如: LABVIEW, HPVEE。软件技术的高速发展在新一代的仪器系统中，为了缩短仪器系统开发时间，使用者希望对仪器本身的技术问题关注尽量少，而将更多的精力转向测试对象。用传统的高级语言编制、调试测试程序已不能适应现代仪器系统对缩短仪器系统开发时间的要求，因而需要寻求新的编程方法。目前的软件构件技术，尚不能使软件的生产达到目前成熟产业的工业化水平。软件构件技术的下一代技术业务构件技术(business component)，将为软件的工业化生产提供理论与技术基础。 业务构件技术将以软件构件技术为基础。与软件构件不同的是，业务构件不仅是在开发时和运行时的一个构件，而且是整个软件生命周期中的构件，业务构件同时也是一个具体业务概念的软件实现。业务构件不仅是在设计时所标识的、在构造时所实现的，以及在单元测试及集成测试时所测试的软件产品，而且也是配置时所看到的产品。每个业务构件相应于一组运行时可独立进行配置的产品，它们可独立于其它业务构件而存在，可被另一构件所代替而不必重新编译系统，从而实现真正意义上的即插即用。 预计在未来十年内，业务构件技术会成熟并得到普及，那时，整个软件的形态将彻底地发生变化，将引发出现软件经济的新模式、新生产方式与新商业规则。业务构件技术将孕育软件生产工业化的时代，伴随着许多发展的机遇 洞悉软件技术和软件产业的发展趋势，发现并开拓具有高成长潜力的相关领域，对于促进我国软件产业的快速平稳发展，带动国民经济的持续增长都有着至关重要的意义。软件技术和软件产业未来将主要有以下七大发展趋势： （1）软件产业的国际化趋势 软件复用和软件构件技术作为未来软件开发的发展方向，将引起软件产业的深刻变革，软件设计生产工厂化和软件工程项目外包将成为软件产业发展的必然趋势，尤其是近年来，互联网的兴起为大型软件的分布式开发带来了得天独厚的便利条件，软件产品的国际化水平将会不断提高。 （2）软件产业的网络化趋势 互联网作为本世纪最重要的科技成果之一，给人类生活和经济发展都带来了深远的影响。它所展现出的勃勃商机，吸引了众多厂商围绕互联网开发软件，与分布计算、网络和互联网相关的软件技术成为软件领域的主要技术热点。基于互联网的信息服务业则被视为未来最有商业价值的领域。 （3）软件产业的服务化趋势 软件与服务是软件产业中不可分割的两个部分，随着技术的不断进步，企业级软件系统的日趋复杂以及围绕互联网的各种网上服务的不断推出，软件服务市场正日益成为IT行业发展最快的一个部分，并在软件及其相关服务市场中的比例呈现不断上升趋势。软件厂商间在产品层次上的竞争也将让位于服务与解决方案层次上的竞争。 （4）软件产业向其它产业加速渗透的趋势 软件技术的高速发展，促进了人工智能技术的发展，目前智能化已成为电子信息产品、机电产品以及自动控制设备的主要发展方向。软件作为这一技术和过程的核心，已不局限于计算机行业之中，而是正在加速向各种产品渗透，促进传统产品的升级换代，孕育出新的产品。软件的产品形态日趋多样化，从而使软件产业的发展空间大大拓展。 （5）软件开发、应用环境的简约化趋势 随着IT技术的不断进步，IT厂商出于商业和技术利益的考虑，各自产品之间形成了差异，技术在不断进步，但差异却并没有因此减少。计算机用户出于历史原因和降低风险的考虑，必然也无法避免多厂商产品并存的局面。于是，如何屏蔽不同厂商产品之间的差异，减少应用软件开发与操作的复杂性，降低开发成本，简化应用集成，保证技术进步的连续性，增强应用的生命力，就成为人们不能不面对的现实问题。试图通过屏蔽各种复杂的技术细节而使技术问题简单化的需求也就应运而生。 （6）Linux及自由软件的潮流 Linux是一种将源代码完全开放的UNIX类操作系统，由于它的开放性和技术的先进性，并宣布遵循CNU（自由软件联盟）的GPL协议，赢得了一批富有市场经验的软件开发厂商的支持，从而使Linu x能快速传播和发展。以Linu x为代表的源程序公开软件，必然将给现有的软件体系带来巨大冲击，影响软件产业的发展。 （7）无线互联技术趋于实用 无线互联技术已经成熟，并且形成了WAP（无线接入协议）标准，开始进入大规模商业应用，从而使移动设备、移动计算设备接入互联网成为可能，这将大大推动PDA、笔记本电脑、手机、车载信息设备的发展，使网络的接入终端设备更加多样化。 这些趋势将极大地拓展软件产业的发展空间，派生出许多具有成长潜力的新兴领域。传统软件领域的成长性、经营理念、市场走向、销售方式等也将因此产生一系列重大变化。从世界软件技术发展趋势来看，软件技术是信息技术的核心，操作系统则是软件产业。预计在未来十年内，业务构件技术会成熟并得到普及，那时，整个软件的形态将彻底地发生变化，将引发出现软件经济的新模式、新生产方式与新商业规则。业务构件技术将孕育软件生产工业化的时代，伴随着许多发展的机遇。5.2硬件发展趋势在2014年之前，智能硬件产业链并不成熟，没有专门的芯片、传感器、通信技术、云平台、大数据等的有效支持。整个产业链更多的是借势进行概念性的关注，而并未采取实际行动，这显然是难以支撑智能硬件产业的商业化。而进入2014年，随着各大巨头的挺进，其价值并不在于指引了