《智能仪器技术及应用》A卷答案

智能仪器技术及应用 A 卷答案 一 简答题 每题 4 分 共 20 分 1 叙述智能仪器的基本组成 工作原理及发展趋势 答 智能仪器由硬件和软件两大部分组成 硬件部分主要包括主机电路 模拟量输入 输出 通道 人机接口电路 通信接口电路 软件分为监控程序和接口管理程序两部分 如图为典型智能仪表结构 由三个层次构成 1 智能仪器的工作原理 传感器获取被测量的信息并转换成电信号 经滤波去除干扰后送 入多路模拟开关 由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器 放大后的信号经 a d 转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中 单片机根据仪器所设 定的初值进行相应的数据运算和处理 如非线性校正等 运算的结果被转换为相应的数据 进行显示和打印 同时单片机把运算结果与存储于片内 flashrom 闪速存储器 或 e2prom 电可擦除存贮器 内的设定参数进行运算比较后 根据运算结果和控制要求 输出 相应的控制信号 如报警装置触发 继电器触点等 此外 智能仪器还可以与 pc 机组成分 布式测控系统 由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据 通过串行通信将信息传输给 上位机 pc 机 由 pc 机进行全局管理 2 智能仪器是计算机科学 电子学 数字信号处理 人工智能等新兴技术与传统的仪器仪 表技术的结合 逐步实现微型化 多功能化 人工智能化 随着专用集成电路 个人仪器等 相关技术的发展 智能仪器将会得到更加广泛的应用 可以预料 各种功能的智能仪器在不 远的将来会广泛地使用在社会的各个领域 1 2 影响测试精度的因素有哪些 答 1 算法的精度 2 2 程序本身的精度 2 3 提高智能仪器可靠性的方法有哪些 答 提高硬件可靠性 设计可靠的系统方案 元器件的合理选择 筛选 降额使用 可靠电 路的设计 冗余设计 环境设计 人为因素设计 仪器可靠性实验 2 提高软件可靠性 认真地进行规范设计 可靠的程序设计方法 程序验证技术 提高软 件设计人员的素质 消除干扰 增加试运行时间 2 4 常用的数字滤波算法有哪几种 各有什么特点和应用场合 1 算术平均滤波 算术平均值法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波 这种信 号的特点是有一个平均值 信号在某一数值范围附近作上下波动 此时仅取一个采样值作依 据显然是不准确的 如压力 流量 液平面等信号的测量 1 2 中值滤波 中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所 引起的脉冲干扰比较有效 1 3 加权平均滤波 加权平均值法适用于系统纯滞后时间常数 较大 采样周期较短 的过程 他给不同的相对采样时间得到的采样值以不同的权系数 以便能迅速反应系统当前 所受干扰的严重程度 1 4 程序判断滤波 当采样信号由于随机干扰 如大功率用电设备的启动或停止 造成 电流的尖峰干扰或误检测 以及变送器不稳定而引起的严重失真等 可采用程序判断法进行 滤波 1 5 什么是专家系统 它有哪些类型 具有什么样的结构 答 专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统 它应用人工智能技术和计算机 技术 根据某一个或多个专家提供的知识和经验 进行推理和判断 模拟人类专家的决策过 程 以便解决需要人类专家处理的复杂问题 简而言之 专家系统是一种模拟人类专家解决 领域问题的计算机程序系统 根据专家系统所面对的不同任务 领域 可将其划分为下面几大类 1 解释类 2 诊断类 3 监控类 4 预测类 5 规划类 6 设计类 3 第二代专家系统结构 1 二 论述题 每题 10 分 共 20 分 1 试述多单片机系统 计算机网络系统 现场总线系统以及它们之间的区别 答 多单片机系统指单板 或多板 情况下 多单片机互联通信 交换数据 分工协作完成 总体任务的系统 多单片机互连形式多种多样 通信协议不对外开放 通信形式与互联形式 又是密切关联的 3 计算机网络系统是计算机技术与通信技术相结合的产物 就是利用通信设备和线路将地 理位置不同 功能独立的多个计算机系统互联起来 以功能完善的网络软件实现网络中资源 共享和信息传递的系统 在计算机网络环境下 计算机是互联起来的 能相互传递信息 在 一个区域乃至全球实现资源共享 同时 各计算机又是相互独立自治的 可以独立自主的进 行自己的工作 计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享 互连的计算机是分布 在不同的地理位置的多台独立的 自治计算机 连网的计算机既可以为本地用户提供服务 也可以为远程用户提供网络服务 连网计算机之间遵循共同的网络协议 4 现场总线系统是现场通信网络与控制系统的集成 现场总线用于构成现场仪表 控制室 控制系统之间的全分散 全数字化 智能双向 多变量 多点 互联的通信系统 主要解决 工业现场的智能化仪器仪表 控制器 执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制 设备和高级控制系统之间的信息传递问题 现场控制设备具有通信功能 便于构成工厂底层 控制网络 通信标准的公开 一致 使系统具备开放性 设备间具有互可操作性 功能块与 结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性 控制功能下放到现场 使控制系统结构具备 高度的分散性 3 2 试述相关流量测量的原理 答 Q L a a b b VcpVcp 上图为理想流体截面上各处的流体是以同一速度 即以流体的的流动示意图 如果暂不 考虑流体内部存在的粘性阻力及管道内壁对流体的摩擦作用 则可以简单地认为 体积平均 流速从截面aa 流动到截面bb 体积平均流速为 显然 随着流速的大小不同 流体从截面aa 流动到截面bb 所需要的时间间隔 T 的 长短也就不一样 由于截面aa 和bb 纸浆的距离 L 是已知的 因此 只要能确定时间间隔T 就可以 计算出流体的体积平均流速 于是 流速测量问题就转化为时间间隔的测量问题了 5 相关流量计的工作原理可以用下图予以说明 上图用虚线所包围的 由上 下游传感器 测量管道及被测流体所组成的系统视为一个 信号系统 且将上游传感器产生的随机信号x t 作为该系统的的输入 下游传感器产生的 随机信号y t 作为该系统的输出 那么 确定流体从截面aa 运动到截面bb 所需的时间 长短的问题 就可归结为一随机信号通过给定系统所需时间的问题 由相关理论可知 将y t 与x t 作互相关运算 得到互相关函数的图形 该图形峰值 位置所对应的时间位移就是随机信号x t 在该系统中的传递时间 因此 信号x t 在该系 CP VQ A CP VL T 0 c vL 统中的传播速度 通常成为相关速度 可以按下式计算 在理想流动状态下 也就是管道横截面上各点处流体的速度都相等时 被测流体的体积 平均流速可以用相关速度来表示 即 因而 被测流体的体积流率Q可表示为 5 三 分析题 每题 12 分 共 24 分 1 在一个时钟频率为 12MHz 的 8031 系统中接有一片 ADC0809A D 转换器 地址自定 以构成一个简单 8 通道自动巡回检测系统 要求该系统每隔 100ms 时间就对 8 个直流电压 源 0 5V 自动巡回检测一次 测量结果对应存于 60H 67H 的 8 个存储单元中 定时采 样可以采用单片机内定时器的定时中断方法 试画出该系统的电路原理图 并编写相应的 控制程序 答 电路图如下 ADC0809 与 80C51 的接口电路 6 由电路图可以知道 1 ADC0809 的地址是 70FFh 2 ADC0809 的 8 个模拟通道所对应的口地址是 78FFh 7FFFh 3 采样的开始 只要对模拟通道对应的地址写入一个数即启动转换 4 由 P1 0 查询 ADC0809 的 EOC 信号 即可确定转换是否完成 5 8 个通道的转换结果依次放入 60H 67H 存储单元中 org 0000h mov r1 20h 0 cpc vvL c QvA mov r2 8h channel number mov tl0 0h mov th0 0b8h mov tmod 1h clr et0 setb tr0 mov scon 40h mov dptr 78ffh loop mov a r2 subb a r1 jnz loop2 mov r1 0h mov dptr 78ffh mov r1 0h mov dptr 78ffh loop1 jnb tf0 loop1 clr tf0 mov tl0 0h mov th0 0b8h loop2 movx dptr a start A D loop3 jb p1 0 loop3 loop4 jnb p1 0 loop4 check flag movx a dptr read result mov r1 a save result inc dph next channel inc r1 ljmp loop end 6 2 参考下图所示的微处理机控制的双积分式 A D 转换器系统 试分析 在软件控制双积分 式 A D 转换的过程中 1 仪器软件如何判断输入电压 Ui 的极性 如何根据 Ui 的极性选择 UR 的极性 答 在第一次积分结束时 可以通过读取比较器的输出状态来判定输入电压 Ui的极性 如 当比较器输出为高电平 说明输入的电压为正极性 因此积分器应在第 T2时期加入负基准 电压 即接通 S3 反之 应接通 S2 4 2 仪器软件如何判断积分器输出的过零点 答 每当微处理器的计数器加 1 就检测一次积分器输出是否过零 2 3 如何体会软件程序代替硬件逻辑 以软件代硬件的优点是什么 局限性是什么 答 软件程序是利用 CPU 内部定时机构 运行软件编程 循环执行一段程序而产生的等待延 时 主要用于短时延时 这种方法的优点是不需增加硬件设备 只需编制相应的延时程序以 备调用 缺点是 CPU 执行延时等待时间增加了 CPU 的时间开销 延时时间越长 这种等待开 销越大 降低了 CPU 的效率 浪费 CPU 的资源 并且 软件延时的时间随主机频率不同而发 生变化 即定时程序的通用性差 硬件逻辑不占用 CPU 的时间 定时时间长 使用灵活 尤其是定时准确 定时时间不受 主机频率的影响 定时程序具有通用性 6 四 设计题 每题 18 分 共 36 分 1 以 MCS 51 AT89C52 系列单片机为核心部件 设计基于单片机控制的多功能温湿度显 示系统 该系统具有日历时钟 温湿度显示 切换 复位 校对 调整 报警等功能 答 系统构成 本系统基于 AT89C52 单片机为核心 用 DS18B20 温度传感器和 HS1101 电容 式湿度传感器分别测量环境温湿度 使用 12MHz 的晶振构成的震荡电路作为单片机的外部时 钟电路 进行时间的计时 6 个七段 LED 显示器进行时间 温度 湿度的显示 用按键进行 温湿度 时间的切换 以及时间的复位 校对 调整 采用蜂鸣器进行报警 3 硬件电路 1 DS18B20 温度传感器电路 该型号的温度传感器可以将测量的温度转换为数字信号并直接与单片机通信 电路图如 下 3 2 HS1101 湿度传感器电路 湿度的变化可以转化为频率的变化 湿度越高 频率越小 外加一个 555 定时器便可以将电 容的变化转变为频率的变化 产生一定频率的方波 直接与单片机的定时器 1 相连 便可以 测出方波的频率 进而便可以得到湿度值 电路图如下 3 3 单片机复位系统及外部时钟电路 3 4 单片机复位系统及外部时钟电路 3 5 蜂鸣器报警电路 3 2 针对校园存在严重的自行车 电动车等车辆的被盗现象 试设计一套校园车辆防盗系统 要求成本低 可靠性高 易实现 答 本系统由 ID 卡和刷卡器两部分组成 有自行车的同学可到相关部门现场采集个人 照片和自行车照片 有管理人员将其添加到 ID 卡对应的个人数据库中 每当有人骑自行车 出 入校门时必须到终端刷卡器上刷一次卡 显示屏幕将显示完整的个人信息 这时可由保 安人员来查看显示信息与实际情况是否相符 如果信息不相符则由保卫人员进行质询 如果 信息相符则可顺利通过 不论哪种情况保卫人员都要在计算机上做好记录 刷卡器中单片机 和读卡模块可由 AC DC 模块来供电 由于 ID 卡只有一个卡号 并不在上存储信息 故办理 费用低 6 当有校外人员骑自行车进入 出校园时 必须现场采集个人和自行车照片 并发给一张 ID 卡 有管理人员及时将此 ID 卡号与个人信息存储在数据库中 当此人员再次出 入校园 时同样要刷卡验证 有保安人员确认个人信息与实际情况相符与否 下图为自行车防盗系统结构框图 数据信息中心 刷卡终器 刷卡终端安装到每个学校的出口 刷卡器由单片机 ID 读卡模块 计算机组成 当进 行一次刷卡操作时 ID 读卡模块读取 ID 卡号 读取的卡号由单片机通过串口传到计算机上 本地计算机再通过局域网将读取的 ID 卡