第01-08讲第一二章

1、第01讲课程简介一.教材 智能仪器原理及应用曹建平主编 西安电子科大版2004.8第1版二.参考书 1.智能仪器设计基础赵新民主编 哈工大版1999.7第1版2.MCS-51单片机应用系统设计何立民编著 北航版1990.1第1版3.单片微型机原理、应用与实验张友德等编 复旦大学版2000.11第3版4.检测与转换技术常健生编 吉林工大版1989.6第1版5.集成电路原理及应用谭博学主编 电子工业版2003.9三.如何学好该课程1.培养兴趣。有兴趣主动付出不觉累收获多 无兴趣不愿付出累累累无收获 2.正确的学习方法 .自学（预习）找出问题思考参考书.课堂认真听讲课后复习讨论解决问题作业.重视理论

2、联系实际，认真对待课程设计。目的明确；准备充分；为毕业设计打好基础。五.该课程在学科中的地位地位：电子专业的专业主干课程前期：单片微型计算机、模拟电子技术、数字电子技术、电子测量后续：毕业设计第一章 导论本章重点：.智能仪器的发展过程、现状及未来的发展趋势； .智能仪器的组成原理、基本结构及主要性能特点；.本课程学习的主要目标、内容及要求，为课程的学习做好准备。1.1 智能仪器概述通过本节的学习，要求达到以下教学目的：.了解智能仪器的发展过程、现状及未来的发展趋势；.掌握智能仪器的组成及主要功能和特点。a.智能仪器：智能仪器是计算机技术与电子测量技术有机结合的新一代电子测量仪器。b.与传统仪器

3、的区别：传统仪器使将大量分立元件、中小规模集成电路用硬接线的方式构成，电路一旦定型，功能即确定。智能仪器是硬件和软件相结合的设计，很多功能是由软件实现的。所以，设计、制造、升级、扩充功能较容易，另外，由于其智能化、快速、准确、便于测控，故应用越来越广泛。1.1.1 电子仪器的发展概况一. 第一代，模拟式（指针式）电子仪器：被测和处理的信号均为模拟信号。如各种指针式电测仪表就是典型的模拟式仪器。特点：体积大、功能简单、精度低、响应速度慢。二. 第二代，数字式电子仪器：基本工作原理是将模拟信号转换成数字信号并进行测量。如数字电压表、数字频率计等。特点：精度高、速度快、读数清晰直观。其测量结果可数显

4、或打印，数字信号便于远传，故适用于遥测遥控。三.第三代，智能型仪器：是传统电子仪器与计算机、通信、微电子、数字信号处理、人工智能等新兴技术相结合的产物。主要特征是其内部含有微处理器。具有数据存储、运算和逻辑判断能力（具备一定的智能）。故称为智能仪器。 由于单片机具有体积小、功耗低、功能强、价格低等特点，故本课程重点介绍以应用广泛的MCS-51单片机为核心构成的智能仪器。1.1.2 智能仪器的基本组成（结合P3图1-1讲解）一.硬件部分：主要由单片机、模拟量（开关量）I/O通道、人-机联系部件及接口电路、数据通信接口等组成（简介各部件在系统中的作用）。三. 软件部分：主要由监控程序和接口管理程序

5、两部分组成。1. 监控程序包括：.对键盘、显示器的管理。.通过控制I/O接口对数据进行采集。.对所测试和记录的数据与状态进行的各种处理。.显示（或打印）各种状态信息以及测量数据的处理结果。2.接口管理程序：主要作用是通过通信接口接收并分析来自通信总线的各种信息、操作方式与工作参数的程控操作码，并输出仪器现行的工作状态及测量数据的处理结果。3.智能仪器的工作过程：（以电子称为例简介信号的传输过程和数据处理过程）第02讲1.1.3 智能仪器的主要功能和特点（与传统仪器相比） 由于单片机的使用，使仪器对测量过程的控制和对测试数据、结果的处理产生了根本性的改变。使智能仪器具备以下功能特点1.具有友好的

6、人-机对话功能。2.自动校正零点、满度和切换量程。3.多点快速检测。4.自动修正各类测量误差。5.数字滤波（抗干扰）。6.数据处理（统计分析、查找排序、标度变换、函数逼近和频谱分析等）。7.各种控制规律（可实现PID及各种复杂的控制规律）。8.自诊断和故障监控。9.掉电保护。10.数据通信与多种输出形式。1.1.4 智能仪器的发展趋势1.微型化（如巡航导弹控制部、植入病人体内的多参量测量仪等）2.多功能化（如数字任意波形发生器、人体生命特征测量仪等）3.人工智能化（视觉、听觉、思维等）4.部分结构虚拟化（如由PC机的软件生成虚拟仪器的面板等-软件就是仪器）5.通信与控制网络化作业:P10 1、

7、2、3、5第03讲1.2 智能仪器应用实例简介通过本节的学习，要求学生进一步明确智能仪器的发展经历、组成结构和工作原理，以及与传统仪器的主要区别。1.2.1 传统电话遥控的基本原理（结合P7图1-2讲解）一.组成：电话遥控接收控制器的基本结构如图1-2所示。（结合图做简介）二.工作原理：（拨号）振铃次数计数达到设定次数接通译码电路（输入开、关家电的密码）密码正确？正确时开、关相应家电，错误时挂机。三.存在的问题：人们已不满足于简单的开、关家电，希望还能了解家电的工作状况，如空调的温度；防火、防盗的自动监控、异常情况的自动转移报警等。即希望电话遥控器智能化、多功能化。此时用分立元件和集成电路已经

8、很难实现。（随着功能的增加，密码增加，译码电路非常复杂、庞大）1.2.2 智能型电话遥控器一.电路结构：见P8图1-3所示（对硬件组成做简要介绍）。二.工作原理：1.遥控：检测振铃信号并计数、检测提机信号达设定次数后模拟摘机并发出输入密码提示音（输入密码）接收密码并由软件分析处理密码正确执行相应操作，密码错误立即挂机。2.报警：当检测到出现异常情况（火灾、非法侵入、电器故障等）产生中断请求发送相应信息到指定电话（或同时发送到110、119），并可执行相应的现场处理（如喷水、声光报警、切断电源等）。3.防盗打：（删） 本系统只要稍加改动（往往是只需改动软件或同时对硬件做少量变动），即可用于其他领

9、域（如配电无人值班系统、安保与消防监控系统等）1.3 本课程的内容、教学目标及要求（自学、很重要）第二章 智能仪器典型处理功能及实现方法本章重点：.智能仪器常见故障的自检原理及其实现方法； .智能仪器的各种自动测量功能及其实现方法；.智能仪器中典型的误差类型、引起误差的原因及其处理方法；.智能仪器典型的数字滤波技术及其实现方法。2.1 智能仪器故障的自检通过本节的学习，要求达到以下教学目的： 了解自检原理、自检方式的种类及特点； 掌握常见的检测项目和常用的检测方法。概述1.自检的必要性和目的：.仪器的故障会影响整个系统的正常工作，甚至危及人身安全及设备安全；.任何仪器设备长期运行不发生任何故障

10、几乎是不可能的；.系统构成越来越复杂，人工检查费时耗力甚至是不可能的（如卫星、有毒有害等人们无法到达的环境）。.自检是为了及时、自动地对仪器的故障进行监测和诊断。2.自检的内容：通常包括：面板键盘、显示器、存储器（ROM、RAM）、I/O通道、接插件和总线等。3.自检的基本原理与方法：自检实质上是配合硬件运行一段指专门编制并存放在程序存储器中的自检程序，对仪器的主要部件（或测试点）进行自动检测。自检程序将这些测试点的当前测试值与存放在ROM中的正常值进行比较，若两者相等或在允许误差范围之内，则显示OK；否则，给出故障信息（声、光）并显示故障代码（如Error X），便于维护人员及时发现并确定故

11、障部位。自检主要由软件完成。第04讲2.1.1 自检方式的种类及特点一.开机自检：在仪器开机或复位之后进行的自检。主要检查显示器、接差件、ROM、RAM等。正常则进入正常测量程序；发现故障则报警并显示故障代码，以提醒用户。开机自检是仪器正式运行前的全面检查，检查项目要尽可能全面。二.周期性自检：为确保仪器始终处于正常工作状态，应使用周期性自检。周期性自检是将自检分成若干项，程序设计时安插在每次测量的间隙进行一项自检，经若干次测量后便可完成全部自检，周而复始。由于每个自检项目耗时极短，且安插在每次测量的间隙，不影响仪器的正常工作，也不为操作人员所觉察。三.键控自检：面板上设置“自检”键，需要时按

12、下该键，进入相应自检程序进行自检。是一种人工干预的自检方式。（注意：不应破坏有用的正常数据与状态）2.1.2 自检的方法 实际的智能仪器种类很多，需要自检的项目也各不相同，在此仅介绍一些常见的检测项目和常用的检测方法一.ROM的检测ROM使用来存放仪器的控制程序的，不允许出任何故障，故ROM对的检测至关重要。一般采用“校验和”的方法，具体做法是：在将仪器程序机器码写入ROM时，保留一个单元并将其写入“校验字”，校验字应能满足ROM中所有单元的每一列都具有奇数个“1”。自检程序对每一列进行异或运算，若ROM无故障，各列的运算结果应都是“1”，即校验和等于FFH。校验和算法示意见表2-1。 理论上

13、，此方法不能发现同一列上的偶数个错误，但此种错误出现的概率极小，可不予考虑。若要考虑，则需采用更复杂的校验算法。二.RAM的检测RAM是用来暂存各种数据的。其正常与否，可通过检验其“读写功能”的有效性来体现。通常可用特征字55H和AAH对每一个RAM单元进行“先写后读”的操作，读出的特征字应与写入的特征字相等，否则RAM有错。流程见图2-1。注意：上述检测方法将破坏RAM中的数据，故只能用于开机自检。（若RAM中已有数据且需要检测，常用“异或法”检测，即先把被检测单元m的内容保护暂存于另一无用单元n，然后对m内容取反后存入m，再读出并与n的数据进行异或运算，结果为FFH时，表明被检测单元读写功

14、能正常。否则表明该单元有故障。最后别忘了恢复m中的数据）三.总线的自检（自学，了解。随着单片机功能的增强，总线扩展应用会越来越少）四.显示器与键盘自检 智能仪器的显示器与键盘等设备的检测一般采用与操作者合作的方式进行。1.显示器：智能仪器大多使用LED或LCD显示器，自检方式一般有两种：.让显示器显示“888”和全部熄灭交替显示，几秒钟后自动进入其他操作。.让显示器显示“888”，操作人员只要按任意键，显示器全部熄灭片刻，然后自动进入其他操作。2.键盘：单片机每取的一个按键闭合信号就反馈一个信息（声音或数码显示），当按下某键无反馈信息，表明该键有故障。五.输入输出通道的自诊断1.数据采集通道的

15、自诊断：智能仪器的数据采集通道一般由多路模拟开关、放大器、采样保持器、A/D转换器等构成，见P15图2-3。自诊断时，在模拟开关的一个通道接一个已知的标准电压，使系统对该电压进行A/D转换。若转换结果与预定值相符，则通道正常；若有少许偏差，表明通道发生漂移；若偏差过大，则判断为故障。2.模拟量输出通道的自诊断：模拟量输出通道自诊断的目的是为了确保模拟量输出（D/A输出）的准确性。判断模拟量是否准确，必须将其转换为数字量后计算机才能进行判断，故离不开数据采集环节。可采用图2-3的方案，调整RW使A/D、D/A环路的增益为1，则计算机送给D/A的数据与经过D/A和A/D通道转换得到的数据应相等。此

16、自诊断必须在数据采集通道工作正常的情况下才能进行。六.接插件的自检 智能仪器一般都具有可组合性和功能扩展能力，这就需要各种通用或专用功能模板，又由于结构设计的需要，往往一个系统要由多块电路板组成，其间的连线常采用插件形式，且接插脚很多，故对插件板进行检测非常重要。1. 检查插件板是否插入可利用检测系统内单片机与插件之间的应答信号是否出现来判断插件是否已经插入（例如，将插座n脚接上拉电阻，插件板n号引脚接地，板未插入时，n脚为高电平，插入时，n脚为低电平，自检程序中只需安排一条检测n脚电平的指令，即可确定插件板是否插入）。发现未插入，停机报警，等待操作者处理。2.检查插件板工作状态是否正常 此项

17、自检较复杂，常采用模拟方法进行，实际系统中要运用故障诊断学理论，并配备专用的设备和诊断程序。作业：P38 1、2、3第05讲2.1.3 自检软件的结构及特点一.自检种类的选择：智能仪器一般都设置开机自检和键控自检功能，对主要部件都要自检。需要时还可设置周期性自检，显示器、键盘、ROM、RAM不易安排在周期性自检中。二.子程序化：智能仪器的自检都是通过执行相应的软件实现的，上述各种自检项目一般应编成相应的子程序，以便需要时调用。三.自检操作流程图：结合P16图2-4简要介绍自检操作的流程。注意：图中有错！（“调STEST自检子程序”应返回到“仪器正常测试”之前）四.周期性自检操作流程：结合P17

18、图2-5简要介绍周期性自检操作的流程。图中：1.TSTPT：各项自检子程序地址表格首地址；2.TNUM：自检项目顺序编号（故障代码）；3.TSTi：各项自检子程序入口地址；4.Tfi：故障标志位。2.2 自动测量功能通过本节的学习，要求达到以下教学目的： 掌握自动零点调整和自动量程转换的原理及实现方法； 了解自动校准的原理及实现方法。 智能仪器通常都含有自动零点调整、自动量程转换和自动校准等功能，省去了大量繁琐的人工调节，提高了测量精度。由于不同仪器的功能和性能差异很大，设计时应结合具体仪器来考虑，在此仅讨论带有共性的问题。2.2.1 自动零点调整一.零漂及危害：零点漂移是指仪器的输入信号为零

19、时，输出不为零，而且会随时间和温度而变化。仪器的零点漂移是由于传感器、测量电路、衰减器、放大器、滤波器、A/D转换器的基准电压源等的温度漂移和时间漂移造成的。是造成测量误差的主要原因之一。属于系统误差。二.传统解决方案：选择优质的元件、放大器和A/D转换器。但代价高、效果有限，用硬件确保零位稳定很困难，当环境温度变化较大时稳零的难度更大。三.自动零点调整的原理：电路原理框图如P18图2-6所示。调零过程如下：1.单片机令继电器K吸合，使仪器输入端接地（Ui=0），启动一次测量并将测量值UOS存入RAM，UOS即为输入通道的零点漂移值。2.单片机令继电器K释放，使仪器输入端接被测电压Ui，再启动

20、一次测量并将测量值UO存入RAM，UO实际上是输入通道的零点漂移值UOS和被测值Ui之和。因此，精确测量值应根据下式得到： Ui=UO-UOS (2-1)智能仪器中的计算机在每次测量后，完成上述运算是很容易的。所以，即使用普通元器件设计的电路，只要UOS不是很大，都可以用软件的方法消除其对测量结果的影响。第06讲2.2.2 自动量程转换一.为什么要进行量程转换：当仪器的测量范围很宽，而传感器、A/D转换器、显示器等的分辨率有限时，为了获得较高的测量精度，仪器应具有量程转换功能。二.自动量程转换的主要方法：1.切换不同量程的传感器：根据被测量的大小，仪器自动切换到不同量程的传感器上运行。（结合P

21、19图2-7介绍其电路组成；结合图2-8介绍不同量程传感器自动切换的程序流程图。图中1#传感器为大量程传感器）2.改变放大器的增益：在传感器和单片机之间引入可编程增益放大器，通过改变增益达到改变量程的目的。（结合P19图2-9介绍其电路组成；重点结合表2-3介绍数字代码与增益的关系，代码位数与量程数量的关系）三.量程自动转换电路的保护（了解）1.输入过压保护：具备自动量程转换的仪表过载是不可避免的，其最大过载可达仪器的最低量程和最高量程满度值之比。如电压表在200mV量程输入1000V，过载5000倍。在这样高的过载情况下，如果没有输入过压保护，器件（如运放）将很快损坏。具体保护措施详见模电中

22、关于运放保护的相关内容。2.过载电压的快速切除：当过载超过仪器的最高量程时，应将电路强制切换到最高量程并报警。当过载超过过载保护电路所能承受范围时，将是灾难性的。故过载保护电路所能承受的范围应远大于最高量程。2.2.3 自动校准（了解，2.3.3将详细介绍各种校准方法）智能仪器中的传感器、防大电路的增益、A/D转换器的基准电压等部件，都会随着温度和时间发生变化，从而影响测量结果的准确度。为保证仪器测量精度的可靠性和合法性，必须对仪器进行定期校准。前面讲的自动零点调整实际上也属于自动校准的范畴。一.传统仪器的校准方法：1.对已知标准校准源直接测量。（以电子称和标准砝码为例）2.与更高精度的同类仪

23、器进行比较测量。（高精度电子称与普通商用电子称）校准过程由专业人员操作，仪器校准后，检定部门出具误差修正表，使用仪器时，应使用此表对测量结果进行修正，非常繁琐。二.智能仪器的常用自动校准方法1.内部自动校准：在仪器内部设置标准电压源Uref（如美产LM199A基准电压源，在-5585范围内，温度系数为0.2ppm/；长期稳定性20ppm/1000Hr），由内部微机使用一定的测量方法或计算方法自动扣除误差。（在2.3.3中将详述）2.外部自动校准：仪器的外部自动校准可采用自动校准系统采用上述第一种方法来完成。它由多功能校准源、控制器、打印机和被校准仪器通过IEEE-488总线连接构成，较复杂。(

24、详情参阅参考书P144)作业：P38 4、5第07讲2.3 测量误差及典型的误差处理方法通过本节的学习，要求达到以下教学目的： 掌握测量误差的表示及误差的分类； 掌握产生随机误差、系统误差、粗大误差的原因及其处理方法。*真值：被测量的实际值称为真值（A0）。（仪器测量的目的就是为了获得真值）*实际值：真值是一个理想概念，是无法精确得到的。应用中通常根据测量误差的要求，使用高一级或几级的标准仪器测量所得之值称为实际值A。来代替真值。*测量误差：测量结果与被测量的真值之间的差异成为测量误差。测量误差的大小直接影响测量结果的精确度、可信度和使用价值。故需加以研究，以寻找减小误差的处理方法，使测量结果

25、精确、可靠。2.3.1 测量误差的表示及误差的分类（复习）一.测量误差的表示方法（有绝对误差和相对误差两种表示方法）1.绝对误差：被测量的测量结果x（测量值）与其真值A0之差称为绝对误差，用x表示。即 x=x-A0 (2-2)或用实际值A表示为： x=x-A (2-3)x的大小和符号分别表示测量结果偏离真值的程度和方向。修正值C： C=-x=A-x (2-4)定期检定（校准）仪器时，用标准仪器与受检仪器相比对，获得C，则实际值 A=x+C (2-5)例1-1通过本例，使学生进一步理解测量值、实际值、修正值及其关系。2.相对误差：绝对误差与被测量真值的比值用百分数表示，称为相对误差。用表示，即

26、=(x/A0)*100% (理论上定义) (2-6)实际相对误差： A=(x/A)*100% （可实际操作） (2-7) 由于真值无法得到，实际值得到也很麻烦，在误差较小，要求不高时，可用测量值x代替实际值A，由此得出示值相对误差，用x表示，示值相对误差： x=(x/x)*100% （计算方便） (2-8)引用相对误差： n=(x/xm)*100% （xm为满度值） (2-9)最大引用误差： nm=(xm/xm)*100%（xm为最大绝对误差） (2-10)最大引用误差（或引用相对误差）常用来表示仪器的相对误差，以便于确定测量的绝对误差。例如某量程Um=100V的电压表，nm=0.1%，测量值

27、U=50V,则其绝对误差最大为：Um=nm*Um=(0.1/100)*100V=0.1V，其真值范围为： A0=x-xm=50-(0.1V)=49.9V50.1V。二.误差的分类根据测量误差的性质和特性，一般将其分为三类：即随机误差、系统误差和粗大误差。1.随机误差：在相同条件下进行多次测量，而每次测量结果都会出现无规律的随机变化的误差称为随机误差。当测量次数足够多时，随机误差服从一定的统计规律，且具有单峰性、有界性、对称性和相消性等特点。随机误差是由窜入仪表的随机干扰引起的（如外界电磁场的变化等）。随机误差的大小反映了测量结果的精确度（多次重复测量结果的一致程度）。2.系统误差：在一定条件下，测量误差的数值保持恒定或按一定的规律变化的误差称为系统误差。系统误差是