智能仪器设计-14（数据采集1）

测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计11干扰传播路径：

静电、电磁感应，辐射电磁，漏电流，公共阻抗

抗干扰措施屏蔽技术：电磁屏蔽、电缆屏蔽层隔离技术：切断地环路电流干扰滤波技术：阻止电源干扰、抑制串模干扰

接地技术：作用、方式和原则内容回顾23抗干扰措施主要有以下几种：模拟信号通过各类隔离放大器进行隔离；数字信号用光电耦合器隔离；模拟地和数字地分开，避免公共地阻抗对模拟信号和数字信号产生耦合作用；用电流传输代替电压传输；采用双绞线、同轴电缆或屏蔽线进行传输；长线传输的阻抗匹配。抗干扰措施内容回顾4单点接地内容回顾5单点接地内容回顾6多点接地内容回顾(1)滤波器技术模拟滤波器数字滤波器(2)选择器件

双积分式A/D转换器

采用高抗干扰逻辑器件

附加电容器，吸收高频干扰信号(3)信号预处理

进行前置放大，以提高信号噪声比

在传感器中完成A/D转换，使信号变

传输数字信号后进行传输(4)电磁屏蔽

对测量元件或变送器进行电磁屏蔽

选用带有屏蔽层的电缆作信号线，

并保证接地良好串模干扰的抑制7利用双端输入的运算放大器作为输入通道的前置放大器，抑制共模干扰；采用变压器或光电耦合器，把各种模拟负载与数字信号源隔离开，被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，而共模干扰由于不能构成回路而得到有效抑制；当共模干扰电压很高或要求共模漏电流非常小时，常在信号源与仪表的输入通道之间插入一个隔离放大器。采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。共模干扰的抑制89.4智能仪器软件抗干扰技术

程序运行监视系统（WatchDogTimer）直译为“看门狗”，作用是当程序进入死循环后，自动使CPU复位，使系统恢复正常运行。通过软件、硬件结合对系统进行监控，完成系统运行监控功能的电路或软件称为“看门狗”电路或”看门狗”定时器。“看门狗”技术的特性本身能独立工作，基本上不依赖CPU;CPU在一个固定的时间间隔和该系统打一次交道，以表示系统目前工作正常；CPU陷入死循环，能及时发现并使系统复位。1.看门狗技术软件抗干扰技术9软件“看门狗”技术软件“看门狗”是利用单片机片内闲置的定时器/计数器作为“看门狗”，在单片机程序内适当地插入“喂狗”指令，当程序运行出现异常或进入死循环，利用软件将程序计数器赋予初值，强制使程序重新开始。软件“看门狗”的最大特点无须外加硬件电路，经济性好。但如果片内定时器/计数器被占用，就需要寻求其他设计方式。软件抗干扰技术10例如：用T0作“看门狗”，定时约为16ms，可以在初始化时用以下代码建立“看门狗”。MOVTMOD,#01H设置T0为16位定时器SETBET0允许T0中断SETBPT0设置T0为高优先级中断MOVTH0，#0E0H定时约为16msSETBTR0启动T0SETBEA开中断

“看门狗”启动后，系统工作程序必须定时访问它，且两次间隔不大于16ms,即执行“MOVTH0，#0E0H”。当程序陷入死循环，16ms内就可以引起一次T0溢出，产生高优先级中断，从而跳出死循环，T0中断可转向出错处理程序，由出错处理程序完成系统复位。软件抗干扰技术11硬件“看门狗”技术专门的硬件看门狗是一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路，它实际上是一种特殊的定时器。当定时时间到，发出溢出脉冲。采用专用芯片组成硬件系统监控电路，下面以MAX公司芯片说明。MAX705/706/813L具备“看门狗”定时器功能，其“看门狗”定时器时序如图所示。软件抗干扰技术12软件抗干扰技术13硬件“看门狗”电路的优缺点：优点：硬件电路简单，控制方便，最为常用。可有效地克服主程序或中断程序由于陷入“死循环”而带来的不良后果。缺点：如果程序进入了某死循环，而这个死循环又含有“喂狗”指令，单片机将无法复位。或当CPU受到干扰引起寄存器状态改变，导致中断关闭，单独看门狗将无法胜任。软件抗干扰技术142.掉电保护技术掉电保护也是一种软件、硬件结合的抗干扰措施。电网的瞬间断电或电压突然下降，将使微机系统陷入混乱状态。一方面实时的数据丢失；另一方面混乱的系统可能执行混乱的操作。因此，掉电保护的工作也从这两方面入手，即保护现场实时数据和及时关闭微机系统。掉电保护系统的硬件由电源电压监测系统、后备电池和低功耗RAM组成。软件抗干扰技术153.指令冗余技术软件抗干扰技术16（1）定义在仪器运行过程中，外界干扰的影响、堆栈溢出、中断出错等都会使程序跑飞，为了使“跑飞”的程序安定下来，可在程序中加入软件陷阱。软件陷阱是指令冗余的一种应用形式，用于捕捉“跑飞”的程序（2）实现办法用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有个专门的错误处理程序，尽管程序此时不该执行这里，但可使程序执行混乱现象得以抑制。4.软件陷阱技术软件抗干扰技术17软件陷阱程序程序执行混乱往往是由于错误的程序计数器指针落在了多字节指令的中间，进而执行了不可知指令。单字节指令相对安全，因此在某条指令前面插入两条NOP指令。软件陷阱为一条长跳转指令LJMPERROR，NOPNOPLJMPERROR软件陷阱一般安排在程序的以下4个位置。未使用的大量ROM；未使用的中断区；表格程序区软件抗干扰技术1819软件抗干扰技术

“软件陷阱”一般安排在下列四种地方。

a.未使用的中断向量区

MCS-51单片机的中断向量区为0003H~002FH,如果系统程序未使用完全部中断向量区,则可在剩余的中断向量区安排“软件陷阱”,以便能捕捉到错误的中断。如某系统使用了两个外部中断INT0、INT1和一个定时器溢出中断T0,它们的中断服务子程序入口地址分别为FUINT0、FUINT1和FUT0,。软件抗干扰技术20b.未使用的大片EPROM空间程序一般都不会占用EPROM芯片的全部空间,对于剩余未编程的EPROM空间,一般都维持原状,即其内容为0FFH。0FFH对于MCS-51单片机的指令系统来说是一条单字节的指令:MOVR7,A。如果程序“跑飞”到这一区域,则将顺利向后执行,不再跳跃（除非又受到新的干扰）。因此在这段区域内每隔一段地址设一个陷阱,就一定能捕捉到“跑飞”的程序。软件抗干扰技术21c.表格有两种表格:一类是数据表格,供MOVCA,@A+PC指令或MOVCA,@A+DPTR指令使用,其内容完全不是指令。另一类是散转表格,供JMP@A+DPTR指令使用,其内容为一系列的3字节指令LJMP或2字节指令AJMP。由于表格的内容与检索值有一一对应的关系,在表格中间安排陷阱会破坏其连续性和对应关系,因此只能在表格的最后安排陷阱。如果表格区较长,则安排在最后的陷阱不能保证一定能捕捉“跑飞”来的程序,有可能在中途再次“跑飞”,这时只好指望别处的陷阱或冗余指令来捕捉。软件抗干扰技术22d.程序区程序区是由一系列的指令构成的,不能在这些指令中间任意安排陷阱,否则会破坏正常的程序流程。但是,在这些指令中间常常有一些断点,正常的程序执行到断点处就不再往下执行了,这类指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI,这时PC的值应发生正常跳变。如果在这些地方设置陷阱就有可能捕捉到“跑飞”的程序。软件抗干扰技术23开关量信号采样流程5.输入输出的软件抗干扰技术软件抗干扰技术24数据三中取二表决流程6.系统的恢复技术软件抗干扰技术2526看门狗指令冗余软件陷阱对付程序跑飞的措施用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有个专门的错误处理程序，尽管程序此时不该执行这里，但可使程序执行混乱现象得以抑制。软件陷阱一般安排在程序的以下4个位置。未使用的大量ROM；未使用的中断区；表格程序区内容小结思考题与习题智能仪器中有几种类型的干扰？它们是通过什么途径进入仪表内部的？对于输入／输出的数字量如何实现软件抗干扰？软件抗干扰中有哪几种对付程序“跑飞”的措施？它们各有何特点？什么事软件陷阱？软件陷阱一般应设在程序的什么地方？内容小结27智能仪器：带有微处理器兼有检测和信息处理功能的仪器28智能仪器概念及基本组成结构内容回顾●内嵌式

●扩展式第3章数据采集技术3.1数据采集系统的基本组成结构3.2模拟信号调理3.3模拟多路转换器（MUX）3.4采样保持电路29数据采集技术30数据采集技术传感器传感器测量电路S/HA/D多线路开关输入输出接口测量电路S/H存储器CPU总线(2)模/数转换单元(1)传感器及其信号调理电路(3)微处理器及其接口……数据采集系统的基本组成3.1数据采集系统的组成结构

构成数据采集系统的常用方法为：采用多片单一功能器件和分立元件，构成信号

调理、采样保持、A/D转换，与微处理器连接后

形成数据采集系统；采用单片数据采集芯片；

采用集成式微控制器芯片（内部集成ADC）；采用数据采集卡及其驱动软件。

数据采集技术31(a)单通道数据采集系统数据采集技术数据采集系统的结构：（5种结构）3233单通道数据采集系统实例模拟量输入输出虚拟仪器控制实验数据采集技术(b)多通道一般型数据采集系统(c)多通道同步型数据采集系统数据采集技术3435多通道一般型数据采集系统实例*可燃气体数据采集报警控制系统数据采集技术36多通道同步型数据采集系统实例基于USB总线的便携式数据采集系统数据采集技术(d)多通道独立型数据采集系统数据采集技术3738传感器接口排气阀截止阀压力调节阀压力操作调整区测量显示区按钮开关操作区测试端子区附件箱气压泵手柄多通道独立型数据采集系统实例——直升机发动机扭矩测量系统数据采集技术网络接口服务器数据采集站1数据采集站2数据采集站3数据采集站N…………………………模拟信号和数字信号(e)网络式数据采集结构数据采集技术39请总结每种数据采集系统结构的主要特点！40多通道一般型优点：多路信号共用一个S/H和ADC，电路结构简单、成本低缺点：由于多路信号是分时进行采集和A/D转换的，因此采集速度低；由于是分时采集，不能获得多路信号同一时刻的数据，对于要求多路信号严格同步采集的系统是不适用的数据采集技术41多通道同步型优点：由于各通道有独立的S/H电路，可以实现同步采集和分时A/D转换缺点：由于多路信号的A/D转换仍然是分时进行的，工作速度仍然较低多通道独立型优点：每一通道有独立的S/H、ADC电路，可以实现同步采集和高速采集缺点：成本较高，如何保证同步？数据采集技术

模拟量输入通道的放大器、滤波器、多路模拟开关、S/H、ADC，在实际系统中并非都需要。例如，如果输入信号电平较高，就可以省去放大器；如果输入信号的变化速率比ADC转换速率低得多，就不必使用S/H。注意：42网络式优点：采集通道数多，采集数据量大，便于横向扩展，数据易于存储、集中管理缺点：设计复杂、成本高、重点要考虑站点间数据同步的准确性和效率数据采集技术

传感器是指能把非电量转变成便于利用和输出的电信号，用于获取被测信息，完成信号的检测和转换的器件。其性能直接影响整个仪器的性能。按转换原理分类物理传感器和化学传感器物理传感器应用压电、热电、光电、磁电等物理效应将被测信号的微小变化转换成电信号（视频1-3*）特点可靠性好、应用广泛3.2模拟信号调理（1）传感器的分类43数据采集技术3.2.1传感器化学传感器应用化学吸附、电化学反应等现象将被测信号转换成电信号特点可靠性、规模生产的可能性、价格等因素的影响按输出信号分类模拟传感器、数字传感器*和开关传感器

44数据采集技术模拟集成传感器：集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。45模拟集成传感器实例MEMS集成气体传感器阵列芯片（视频4-6*）温敏单元湿敏单元气敏单元数据采集技术模拟式传感器

:为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。

大信号输出传感器的使用数据采集技术传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微处理器微处理器I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流46数字式传感器：数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，或模拟电压输入经

V/F转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强*、便于远距离传送等优点。

数据采集技术传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出频率量及开关量输出传感器的使用4748瓦斯报警器红外气体传感器数字式传感器实例数据采集技术49数字式传感器实例数据采集技术智能办公桌（数字式感应压力传感器）

由于同一物理量可能有多种原理的传感器可供选用，可根据被测量的特点、传感器的使用条件如传感器的量程、体积、测量方式（接触式还是非接触式）、信号的输出方式、传感器的来源（国产还是进口）、价格等首先考虑选用性价比高的传感器。（2）传感器的选用原则50(a)传感器的类型数据采集技术例如：测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑以上因素进行取舍。51(b)传感器的性能指标线性范围输出与输入成正比的范围线性范围越宽，量程越大精度定性分析，选用重复精度高的传感器定量分析，选用绝对精度高的传感器灵敏度灵敏度提高，混入被测量中的干扰信号也会被放大本身应具有较高的信噪比稳定性传感器的性能不随使用时间而变化的能力称为稳定性传感器结构和使用环境是影响传感器稳定性主要因素频率响应特性决定被测量的频率范围频率响应特性好，可测的信号频率范围宽数据采集技术对传感器主要性能指标的要求转换精度符合整个测试系统（根据总精度要求而分配

传感器的精度指标）转换速度应符合整机要求能满足用户对可靠性和可维护性的要求能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、

耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、

质量轻和不耗电或耗电少等转换范围与被测量实际变化范围相一致数据采集技术52

在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理，相应的执行电路统称为信号调理电路。

3.2.2信号调理电路数据采集技术53传感器前置放大低通陷波高通至采集电路典型调理电路的组成框图数据采集技术54（1）信号调理电路的组成

多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据又是什么？放大器为什么要“前置”，即设置在调理电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？数据采集技术55（2）运用前置放大器的依据数据采集技术

在测量时，来自传感器的信号一般都是比较弱的低电平信号，不适合直接进入A/D转换器。放大器的作用是将微弱信号进行放大，以便能充分地利用ADC的满刻度分辨率*。此外，还要求放大器能抑制干扰和降低噪声，并满足响应时间的要求。在数据采集系统中应选用何种放大器应依情况不同而异，总的要求如下：a．高输入阻抗，反应时间快；b．频率响应范围宽；c．高抗共模干扰能力；d．低漂移、低噪声及低输出阻抗。

56I数据采集技术

在传感器的两个输出端（信号线和地线）经常产生较大的干扰信号（脉冲、噪声），有时是完全相同的干扰信号（同幅度/同相位），让两线电压同时上升或下降，称为共模干扰*。

只让信号线变化，是差模干扰（串模干扰）*。共模抑制比（差放电路抑制共模信号及放大差模信号