现代仪器系统设计考纲

现代仪器系统设计考纲

第一讲现代仪器概述

1.仪器的定义

信息获得、处理、利用的工具,是信息化的重要设备，也是现代工业的核

心技术之一。

2.智能仪器的组成，硬件与软件部分

硬件部分：处理器电路、输入通道电路、输出通道电路、人机接口电路、

通信接口电路

软件部分：监控程序、接口管理程序、数据处理程序

3.智能仪器的特点

1）功能多样化

2）系统集成化、模块化

3）构成的柔性化：专用与通用

4）网络化、可视化

其次讲智能仪器设计方法

L理解智能仪器设计的原则：

从整体到局部、经济性（成本取决于研制成本和生产成本）、易操作性、

通用性（指标留有肯定余量）、软硬件合理协作、牢靠性

2.理解智能仪器设计的一般步骤

1、确定任务、明确目标，拟定总体设计方案

1）确定仪器的功能、技术指标与设计任务（要考虑被测信号的特点、被

测量的数量、输入信号的通道数、被测量的类型、改变范围以与测量速度、

精度、辨别率和误差等；还要确定测量结果的输出方式、显示器的类型、

输出接口的配置。）

2）建模和测控算法的确定

3）智能仪器的总体方案设计

2、硬件和软件设计

1）硬件电路设计和功能模板的研制

2）软件框图的设计和程序的编制

3、系统调试与性能测试

1）硬件电路和软件的调试与性能测试。

2）智能仪器的调试包括硬件电路调试、软件调试和样机调试三部分。

3）智能仪器硬件电路和软件的研制一般独立地平行进行。

4）样机调试是指在硬件电路和软件分别调试完成后，在样机上进行的硬

件电路和软件的联调。

3.理解硬件设计的基本要求

1）达到或超过技术指标:定性的功能与定量的技术指标。

2）尽可能提高性价比。

3）适应环境，平安牢靠：合理地选择元器件和采纳极限状况下试验的方

法。

4）便于操作和维护。

4.理解电路设计的一般原则

1）硬件电路结构要结合软件方案一并考虑。（软件能实现的功能尽可能由

软件来实现，以简化硬件电路。但必需留意，由软件实现的硬件功能，其

响应时间要比干脆用硬件实现来得长，而且占用CPU时间。因此，考虑到

硬件软化方案时，要考虑到这些因素。）

2）尽可能选用典型电路和集成电路，为硬件系统的标准化、模块化打下

基础。

3）微机系统的扩展与外围配置的水平应充分考虑测控系统的功能要求，

并留有适当的余地，以便进行二次开发。

4）把设计好的单元电路相连时要考虑是否能干脆连接，模拟电路时要不

要加电压跟随器进行阻抗隔离，数字电路连接和微机接口电路要不要逻辑

电平转换，要不要加驱动器、锁存器和缓冲器等。

5）在模拟信号传送距离较远时要考虑以电流或频率信号传输代替以电压

信号传输,如共模干扰大应采纳差动信号传送。在数字信号传送距离较远

时，要考虑采纳“线驱动器”。

6）牢靠性设计和抗干扰设计，包括去耦滤波、印制电路板布线、通道隔

离等。

5.理解软件设计的一般步骤

1）进行系统定义

2）程序设计

3）编写程序

4）查错和调试

5）文件编制

6）维护和再设计

6.理解软件设计的一般方法：模块化方法

备

2）开发系统的组成

主处理机：一般是一个带有监控程序的单板机或一个带操作系统的微处

理机

限制台：键盘和显示终端

外存储器

打印机

在线仿真器（TCE）：为用户程序的调试供应运行环境，把目标硬件（用

户样机）与开发系统联系起来，运用户可以在开发的实际目标硬件环境下,

全面调试用户程序。

编程器（EPROM或FLASH）

开发系统软件：编辑程序、汇编（或编译）程序与动态调试程序

第三讲输入/输出模块设计技术

1.理解输入通道的组成

将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续改变的模拟信

号进行放大、滤波、调理等处理，将其转换成计算机能接收的逻辑信号的

电路称为模拟量输入通道。

单通道结构、多通道结构（多通道共行结构、多通道共享结构）

2.理解传感器的性能指标

1）线性范围:输出与输入成正比的范围。

2）精度：

3）灵敏度:要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量削减从外界引入

干扰信号。

4）稳定性：传感器的性能不随运用时间而改变的实力称为稳定性。

5）频率响应特性：传感器的频率响应特性好，则可测量的信号频率范围

宽。

3.理解多路开关（MUX）的基本概念

模拟多路开关也称为多路转换器，主要用于信号的切换，是输入通道的重

要元件之一。当系统中有多个改变较为缓慢的模拟量输入时，常利用模拟

多路开关将各路模拟量分时与放大器、A/D转换器等接通。这种利用一片

A/D转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件电路的利用率,

节约成本。

4.理解A/D的分类、性能指标与选择原则（怎么选）

1、A/D转换器的类型

1）并联比较型：适用于速度快、辨别率低的场合。

2）逐次靠近型：抗干扰实力较差，在A/D转换器前一般要加采样/保持

器锁定电压。

3）双积分型：抗干扰实力强，转换速率慢c

4）2-八调制型：用速度换取辨别率…

2、A/D转换器的主耍性能指标

1）转换精度：

辨别率：衡量ADC能够辨别的输入模拟量的最小改变量的技术指标，是

数字量改变一个最小量时对应的模拟信号的改变量。

量化误差：凡不足以引起一个最小数字量改变的模拟量形成的误差称为

量化误差。

辨别率常以二进制或卜进制的位数表示。BCD码：辨别率为3.5位，辨

别率为1/1999

2）转换时间与转换速度:完成一次转换所需的时间，转换速度是转换时

间的倒数。

5.A/D转换器的选择原则

1）依据测试系统的总误差要求，确定A/D转换器的精度与辨别率。

2）依据系统应用范围、被测信号的改变率以与转换精度，确定A/D转换

器的转换时间。（采样定律）

3）依据计算机接口电路的特征，选择A/D转换器输出状态：并行式、串

行式、一体式。

4）依据A/D转换器的工作条件来选择芯片的一些环境参数。

5）要综合考虑成本、资源与芯片的来源等因素。

6.理解开关量的基本概念

开关量信号是指只有开和关、通和断、高和低两种状态的信号，可以用二

进制数0和1表示。

当外界开关量信号的电平幅度与单片机I/O端口电平幅度相符时，可干脆

检测和接收开关量输入信号。但如电平不符，则必需经过电平转换才能输

入到单片机的I/O端口。

7.理解D/A的性能指标与应用

1、D/A的主要技术指标

1）转换精度：辨别率，转换误差

2）转换速度

2、D/A的应用

1）阶梯波发生器

2）锯齿波发生器

3）三角波发生器

4）正弦波发生器

8.理解驱动电路的一般概念

1、小功率驱动接口电路

1）常用于小功率负载，如发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件

或装置.，一般要求系统具有10-40mA的驱动实力，通常采纳小功率三极

管（如9012、9013、8050、8550等）和集成电路（如75451,74LS245等）

作为驱动电路。

2、中功率驱动接口电路

1）常用于驱动功率较大的继电器和电磁开关等限制对象，一般要求具有

50s500mA的驱动实力。可采纳达林顿管（如MC1412,MC1413,MC1416

等）或中功率三极管来驱动。

3、固态继电器输出接口电路，适合限制大功率设备的场合。

固态继电器（SSR）是一种新型无触点功率型电子开关。SSR利用光电隔离

技术实现了限制端（输入端）与负载回路（输出端）之间的电气隔离，同

时又能限制电子开关的动作。SSR具有开关速度快、体积小、质量轻、寿

命长、工作牢靠等优点

9.理解数据处理技术、误差来源、误差分类、误差特性与相应的处理方法

数字滤波、标度变换、数值计算、逻辑推断、非线性补偿、压缩、识别等。

10.理解软测量技术的一般概念与主要内容

建立软测量模型以实现协助变量对主导变量的最佳估计,这类数学模型与

相应的计算机软件也被称为软测量器或“软仪表”。

协助变量的选择、数据处理、软测量模型的建立、软测量模型的在线校正

第四讲人机交互接口设计技术

1.理解键盘接口的处理方式（去抖动）

硬件处理:利用RS触发器的互锁功能去抖动,可以得到志向的按键输出

波形，一般只用于按键数目较少的场合。

软件处理:当CPU首次检测到按键按下或松开信息时，延时一段时间后,

再次推断按键的状态，读取这一次的信息，确定是否按下。

2.简要理解各种LCD显示方式的异同点（课件红字部分）

1）段码式LCD

静态驱动、动态驱动

2）点阵式LCD

专用的接口限制芯片

LCD模块：将LCD点阵、限制芯片和接口电路集成

字模软件

3）图形式LCD

TFT模块

GUI软件;GUI是GraphicalUserInterface的简称，即图形用户接口

第五讲通信接口设计技术

1.理解并行接口的一般概念

并行接口，指采纳并行传输方式来传输数据的接口标准。接口特性可以从

两个方面加以描述：1.数据通道的宽度，也称接口传输的位数；2.用于

协调并行数据传输的额外接口限制线或称交互信号的特性。

2.理解RS232与RS485的异同点（3线制通讯参数）

通讯协议的重要参数：数据的传输速率、数据位、起始位与停止位、校验

位的检查。

RS-232-C接口标准：全双工。传输速率较低。通信距离短。运用一根信号

线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输简洁产生共模

干扰，所以抗噪声干扰性弱。点对点通信方式。

RS485接口标准：半双工，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发

送电路须由使能信号加以限制。多点通信。传输速度快。通信距离为几十

米到上千米，采纳平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的实力。

主从通信方式。

RS232数据通讯不正常（包括多数据与出错的状况）缘由：传输速率不匹

配，校验位、起始位或停止位、发送单位不匹配，传输距离限制,强电磁

干扰,端口已被其他程序占用,串口线问题（断了或者运用型号不同的线）、

系统BIOS中串口被Disable了、延长线与交叉线运用错误、发送和接受

方的时钟不匹配。

三线接法:

引脚序号信号名称符号功能

2接收数据RXDDTE接收串行数据

3发送数据TXDDTE发送串行数据

5信号地GND信号地

3.理解USB接口的一般特点与供电模式

USB的硬件结构：主机、集线器、功能设备

运用便利、速度快、连接敏捷、独立供电、支持多媒体

USB的供电模式有两种：总线供电与自供电。USBVI100是采纳总线供电模

式。

4.简要理解现场总线的概念

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支

结构的通信网络。

第六讲自动校准和抗干扰技术

1.智能仪器自动校准的概念

智能仪器可以自动对所得测试结果与已知标准进行比较，将测量的不确定

性进行量化，验证测量仪器是否工作在规定的指标范围内。分为内部自动

校准和外部自动校准。为了保证仪器在预定精度下正常工作，仪器必需定

期进行校准。

内部自动校准技术利用仪器内部的校准源将各功能、各量程按工作条件调

整到最佳状态。当在环境差别较大的状况下工作时，内部自动校准事实上

消退了环境因素对测量精确度的影响，补偿工作环境的改变、内部校准温

度的改变和可能影响测量的其他因素的改变。输入偏置电流、零点漂移、

增益自动校准。

外部白动校准技术要采纳高精度的外部标准。在进行外部校准期间，校准

常数耍参照外部标准来调整。

校准存储器可以采纳EEPROM或FLASH,以确保断电后数据不丢失。

2.智能仪器自检的一般概念

包括开机自检、周期性自检、键控自检，内容针对：RAM、ROM、键盘显示

器、输入输出通道、总线。

3.智能仪器故障检测与故障诊断的异同点

故障检测的作用是回答系统是否发生故障；故障诊断的作用是回答系统中

哪里发生了故障。

4.牢靠性的基本指标

牢靠度是指产品或系统在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的概

率。

失效率又称为故障率，是指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后

单位时间内发生失效的概率。

平均无故障工作时间又称为平均寿命，是产品寿命的平均值。

5.理解硬件牢靠性设计方法

1）元器件级的牢靠性措施

严格管理元器件的购置和储运

老化、筛选、测试

降额运用

选用集成度高的元器件

2）部件与系统级的左靠性措施

冗余技术、电磁兼容设计、信息冗余技术、故障自动检测与诊断技术、

失效保险

6.理解软件牢靠性设计方法

时间冗余技术、指令冗余技术、软件陷阱技术

看门狗技术：看门狗技术是一种计算机程序监视技术，防止程序由于干扰

等缘由而进入死循环，一般用于计算机限制系统。

原理：是不断监测程序循环运行的时间，一旦发觉程序运行时间超过

循环设定的时间，就认为系统已陷入死循环，然后强迫程序返回到已支配

了出错处理程序的入口地处，使系统回到正常运行。

它可用软件或硬件方法实现。

第七讲虚拟仪器技术

1.理解虚拟仪器的定义

所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户

操作计算机的同时就是在运用一台特地的电子仪器。虚拟仪器以计算机为

核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理实力，供应对测量数据

的分析和显示功能。

2.理解虚拟仪器的层次结构

硬件系统：虚拟仪器采集与限制硬件、接口硬件与计算机硬件平台三部分。

软件系统：I/O接口软件、仪器驱动程序、应用软件

3.理解虚拟仪器的硬件设计方法

自顶向下，技术评审，设计打算工作，电路设计与计算，试验板制作，试

验板调试，编写调试程序，利用开发系统调试电路板，制作印制电路板，

调试印制电路板，硬件软件联调。

4.理解虚拟仪器的固件设计方法

模块化设计一般原则：1、模块不宜过大或过小；2、模块必需保证独立性;

3、对每一个模块作出详细定义；4、对于一些简洁的任务，不必企求模块

化；5、当系统须要多种判定时，最好在一个模块中集中这些判定。

一般固件程序要涉与的内容：1、总流程图2、程序的功能说明3、全部参

量的定义清单4、存储器的安排图5、完整的程序清单和注释6、测试支配

和测试结果说明。

软件测试的目的：为了发觉软件中存在的问题，而不去解决。软件测试的

人员：编程者以外的人。

两种软件测试方法：1、功能测试法，也称“黑盒测试”，完全依据软件的

功能来设计的。2、程序逻辑结构测试法，也称“白盒测试”，是依据程序

的内部结构来设计测试用例。

固件设计开发环境：KeiluVision集成开发环境IDE是一个基于Windows

的软件开发平台，有功能强大的编辑器、项目管理器和制作工具。

5.理解虚拟仪器的驱动程序设计方法

1）虚拟仪器驱动程序设计原则：

全部仪器函数必需包含一个返回状态值。

全部仪器函数名不能超过31个字符。

尽量避开引出全局变量，避开声明大型数组结构，避开声明困难的数据

类型(如类、结构、联合等)，不采纳键盘/屏幕标准输入/输出方式。

仪器函数应避开包括高级的、困难的数学分析与运算函数，而将困难的

运算与分析工作交与上层应用程序来完成。

仪器函数应具有较强的内聚力，尽量做到一个仪器函数完成一个独立的

仪器功能，实现有效的功能安排。

仪器驱动程序中各函数之间尽量提高各自的独立性，削减彼此的耦合度。

函数之间必要的耦合采纳数据耦合方式，而尽量避开采纳功能耦合方式，

从而有效地限制仪器函数个数与规模。

在USB设备驱动程序中，URB(USBRequestBlock)是USB恳求块的缩写。

IRP(10RequestPackage)是TO恳求包的缩写。

驱动程序是一个函数库，不能独立运行。

理解USB设备驱动程序、EASYUSB.DLL、USBV1lOODrivcr.DLL各自的层次

与作用。

Win32API,在Win32系统中，把每一个设备都抽象为文件，此时的应用程

序只需通过几条简洁的文件操作API函数，就可以实现与驱动程序中某个

设备通信。EasyUSB动态库，运用户可以不了解困难的USB协议也可快速

完成USB驱动程序的应用。

USBVTIOODriver.dll就是基于EasyUSB动态库之上的仪器驱动程序。全部

的操作是基于采样通道、采集频率等概念，无论是采纳USB接口还是采纳

串行接口。并不须要理解USB的端点与管道等概念。针对特定的虚拟仪器

的设计，进一步简化仪器用户的运用，是更上一层的仪器驱动程序。

6.理解虚拟仪器的应用程序的开发环境

理解可视化编程环境与图形化编程软件平台的异同点：

所谓可视化编程，就是指在软件开发过程中，用直观的具有肯定含义的图

标按钮、图形化的对象取代原来手工的抽象的编辑、运行、阅读操作，软

件开发过程表现为鼠标单击按钮和拖放图形化的对象以与指定对象的属

性、行为的过程。（VisualBasic、PowerBuilder、C++Bui1der/De1phi>

VisualC++、Java编程工具）

图形化编程软件平台的编程方法是一种面对对象的编程思想，用户只需描

述任务，然后类似作语法分析•，把主语、谓语（动作）、宾语（目标）、定语

（条件）、状语（条件）区分开，分别对应于详组的图形化控件，把它们用数

据线或依次线按流程连接即可。（NI公司的LabVTEW和HP公司的VEE）

组态软件:组态软件是指一些数据采集与过程限制的专用软件，它们是在

自动限制系统监控层一级的软件平台和开发以境，运用敏捷的组态方式，

为用户供应快速构建工业自动限制系统监控功能的、通用层次的软件工

具。

图形化平台的语法基础：数据流语言。节点与边：程序以有向图表示，节

点代表数据处理函数。数据通过节点间相互连接的边传入传出函数。

7.理解虚拟仪器的应用程序软面板的设计方法

虚拟仪器软面板是一个仪器级的测试应用程序，它为虚拟仪器模块供应一

个替代前面板的限制接口。该限制接口在计算机显示器上，可用交互方法

限制虚拟仪器模块。

虚拟仪器软面板与仪器驱动程序一样，是一个独立的软件模块，它作为一

个独立运行的可执行文件运行，开发环境可以选择具有良好可视化用户界

面的VB、VC、Delphi语言开发平台等，也可以选择LabVIEW等图形化平

台。

在系统集成中，虚拟仪器软面板用于检验仪器的通讯，并测试仪器的各类

操作。当对用户仪器进行编程时，可以通过视察面板上的指示器和显示器

来检验仪器设置是否正确。当系统集成完成之后，软面板可通过面板上的

限制器来执行仪器功能，以便运用户熟识仪器的功能和特性。软面板采纳

图形用户接口（GUT）技术显示等效的旋钮、按键与限制器。用户通过鼠

标或计算机键盘操作这些限制器。图形显示具有同传统的前面板方式相像

的测量结果和仪器状态，从而让用户以熟识的方法限制仪器。

虚拟仪器软面板实例功能：

系统功能：仪器