智能儀器原理及應(yīng)用全書(shū)ppt課件匯總(完整版)

1、第1章 導(dǎo) 論 1.1 智能儀器概述1.2 智能儀器應(yīng)用實(shí)例簡(jiǎn)介1.3 本課程的內(nèi)容、 教學(xué)目標(biāo)及要求本章小結(jié)思考題與習(xí)題1.1 智能儀器概述 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展， 微處理器芯片的集成度越來(lái)越高， 使用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛， 這些都對(duì)傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器帶來(lái)了巨大的沖擊和影響。 尤其是單片微型計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱單片機(jī)）的出現(xiàn)， 引發(fā)了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。單片機(jī)自20世紀(jì)70年代初期問(wèn)世后不久， 就被引進(jìn)到電子測(cè)量和儀器儀表領(lǐng)域， 并作為核心控制部件很快取代了傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路。 借助單片機(jī)強(qiáng)大的軟件功能， 可以很容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起， 組成新一代的全新的微機(jī)

2、化產(chǎn)品， 即“智能儀器”， 從而開(kāi)創(chuàng)儀器儀表的一個(gè)嶄新時(shí)代。 智能儀器并不是傳統(tǒng)儀器與微處理器的簡(jiǎn)單結(jié)合。 傳統(tǒng)觀念上的儀器所指的是將大量的分立元件、 中小規(guī)模集成電路用硬接線的方式連接起來(lái)， 形成一定的功能。 由于采用的是硬接線， 因此一旦電路定型， 這部分器件就只能用于某一專(zhuān)門(mén)的用途， 如果需要增加功能， 就需另外增添器件， 修改電路或重新設(shè)計(jì)， 而且， 儀器要求的功能越多， 所需的器件數(shù)就越多， 設(shè)計(jì)和制造既費(fèi)時(shí)、 費(fèi)工， 又容易出錯(cuò)。智能儀器的出現(xiàn)， 可以很好地解決這一問(wèn)題。 智能儀器實(shí)質(zhì)上是一種硬件和軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)， 并且充分利用了軟件技術(shù)的強(qiáng)大功能。 它把儀器的主要功能集中存放在

3、程序存儲(chǔ)器ROM中， 因此， 當(dāng)需要增加功能時(shí)， 不需要全面改變硬件設(shè)計(jì)， 而只要修改存放在ROM中的軟件內(nèi)容就可以很方便地改變儀器的功能。 這種結(jié)構(gòu)與功能的靈活性使得智能儀器在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 由此可見(jiàn)， 微處理器的應(yīng)用使得儀器儀表的結(jié)構(gòu)、 性能以及應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變革。 1.1.1智能儀器的發(fā)展概況智能儀器是一類(lèi)新型的、 內(nèi)部裝有微處理器或單片機(jī)的微機(jī)化電子儀器， 它是由傳統(tǒng)的電子儀器發(fā)展而來(lái)的， 但在結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵上已經(jīng)發(fā)生了本質(zhì)的變化。 回顧電子儀器的發(fā)展歷程， 我們可以發(fā)現(xiàn)， 從儀器使用的器件來(lái)看它大致經(jīng)歷了三個(gè)階段， 即真空管時(shí)代、 晶體管時(shí)代和集成電路時(shí)代。 若從儀器的

4、工作原理來(lái)看， 它又可以分為以下幾個(gè)階段： 第一代模擬式電子儀器（又稱指針式儀器）。 這一代儀器應(yīng)用和處理的信號(hào)均為模擬量。 如指針式電壓表、 電流表、 功率表及一些通用的測(cè)試儀器， 均為典型的模擬式儀器。 這一代儀器的特點(diǎn)是： 體積大、 功能簡(jiǎn)單、 精度低、 響應(yīng)速度慢。 第二代數(shù)字式電子儀器， 如數(shù)字電壓表、 數(shù)字式測(cè)溫儀、 數(shù)字頻率計(jì)等。 它們的基本工作原理是將待測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行測(cè)量， 測(cè)量結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示。 數(shù)字式電子儀器與第一代模擬式電子儀器相比， 具有精度高， 速度快， 讀數(shù)清晰、 直觀的特點(diǎn)。 其結(jié)果既能以數(shù)字形式輸出顯示， 還可以通過(guò)打印機(jī)打印輸出。 此外

5、， 由于數(shù)字信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳輸， 因此數(shù)字式電子儀器適用于遙測(cè)遙控。 第三代智能型儀器。 這一代儀器是計(jì)算機(jī)科學(xué)、 通信技術(shù)、 微電子學(xué)、 數(shù)字信號(hào)處理、 人工智能、 VLSI等新興技術(shù)與傳統(tǒng)電子儀器相結(jié)合的產(chǎn)物。 智能型儀器的主要特征是儀器內(nèi)部含有微處理器（或單片機(jī)）， 它具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 運(yùn)算和邏輯判斷的能力， 能根據(jù)被測(cè)參數(shù)的變化自動(dòng)選擇量程， 可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正、 自動(dòng)補(bǔ)償、 自尋故障以及遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)、遙測(cè)遙控等功能， 可以做一些需要類(lèi)似人類(lèi)的智慧才能完成的工作。 也就是說(shuō)， 這種儀器具備了一定的智能， 故稱為智能儀器。 本書(shū)將要討論的智能儀器主要是采用單片機(jī)作為核心控制部件的智能化電子儀

6、器。 單片機(jī)被引入傳統(tǒng)的電子儀器以后， 大大加快了儀器儀表智能化的進(jìn)程。 此外， 與多芯片組成的微型計(jì)算機(jī)相比， 單片機(jī)具有體積更小、 功耗更低、 功能更強(qiáng)大、 價(jià)格也較便宜的優(yōu)點(diǎn)。 用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的各類(lèi)智能化產(chǎn)品， 其開(kāi)發(fā)周期短、 成本低， 在儀器儀表微機(jī)化設(shè)計(jì)中， 有著一般微型計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。 本書(shū)重點(diǎn)介紹由當(dāng)前流行的高檔8位單片機(jī)MCS-51組成的智能儀器的組成原理、 智能化處理功能、 故障診斷與抗干擾技術(shù)、 典型電路及其應(yīng)用等。 Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)功能強(qiáng)、 可靠性高， 用它作為智能儀器的核心部件， 具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 一般要求智能儀器中有大

7、量的I/O口， 并且需要有定時(shí)或計(jì)數(shù)功能， 有的還需要通信功能， 而MCSCD*251單片機(jī)片內(nèi)具有32根I/O口線、 兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器， 還有一個(gè)全雙工的串行口。 這樣， 在使用MCSCD*251單片機(jī)后可大大簡(jiǎn)化儀器的硬件結(jié)構(gòu)， 降低儀器的造價(jià)。 (2) 運(yùn)算速度高。 一般儀器儀表均要求在零點(diǎn)幾秒內(nèi)完成一個(gè)周期的測(cè)量、 計(jì)算和輸出操作， 如許多測(cè)量?jī)x器都是動(dòng)態(tài)顯示的， 即要求它們能對(duì)測(cè)量對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量顯示。 由于人的反應(yīng)時(shí)間一般小于0.5 s， 故要求在0.5 s內(nèi)完成一次測(cè)量顯示。 如果要求采用多次測(cè)量取平均值， 則對(duì)儀器的速度要求更高。 而不少儀器的計(jì)算比較復(fù)雜， 不僅有

8、浮點(diǎn)運(yùn)算， 還有函數(shù)(如正弦函數(shù)、 開(kāi)平方等)計(jì)算， 這就對(duì)智能儀器中的微處理器的運(yùn)算能力和運(yùn)算速度提出了較高的要求。 MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘可達(dá)12 MHz， 大多數(shù)運(yùn)算指令執(zhí)行時(shí)間僅為1 s， 并具有硬件乘法、 除法指令， 運(yùn)算速度很高。 （3) 控制功能強(qiáng)。 智能儀器的測(cè)量過(guò)程和各種測(cè)量電路均由單片機(jī)來(lái)控制， 一般情況下這些控制端都是一根I/O線。 由于MCS-51單片機(jī)具有布爾處理功能， 包括一整套位處理指令、 位控制轉(zhuǎn)移指令和位控制I/O功能， 因此它特別適用于儀器儀表的控制。 1.1.2智能儀器的基本組成智能儀器一般是指采用了微處理器（或單片機(jī)）的電子儀器。 由智能儀器的基本組成

9、可知， 在物理結(jié)構(gòu)上， 微型計(jì)算機(jī)包含于電子儀器中， 微處理器及其支持部件是智能儀器的一個(gè)組成部分。 但是從計(jì)算機(jī)的角度來(lái)看， 測(cè)試電路與鍵盤(pán)、 通信接口及顯示器等部件一樣， 可看做計(jì)算機(jī)的一種外圍設(shè)備。 因此， 智能儀器實(shí)際上是一個(gè)專(zhuān)用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 它主要由硬件和軟件兩大部分組成。 硬件部分主要包括主機(jī)電路、 模擬量（或開(kāi)關(guān)量）輸入/輸出通道、 人機(jī)接口部件與接口電路、 串行或并行數(shù)據(jù)通信接口等， 其組成結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。 圖 1-1 智能儀器硬件組成框圖智能儀器的主體部分是由單片機(jī)及其擴(kuò)展電路（程序存儲(chǔ)器EPROM、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM及輸入/輸出接口等）組成的。 主機(jī)電路是智能儀器

10、區(qū)別于傳統(tǒng)儀器的核心部件， 用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)， 執(zhí)行程序并進(jìn)行各種運(yùn)算、 數(shù)據(jù)處理及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。 輸入電路和A/D 轉(zhuǎn)換接口構(gòu)成了輸入通道； D/A轉(zhuǎn)換接口及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成了輸出通道； 鍵盤(pán)輸入接口、 顯示器接口及打印機(jī)接口等用于溝通操作者與智能儀器之間的聯(lián)系， 屬于人機(jī)接口部件； 通信接口則用來(lái)實(shí)現(xiàn)智能儀器與其他儀器或設(shè)備交換數(shù)據(jù)和信息。 智能儀器的軟件包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。 其中， 監(jiān)控程序主要是面向儀器操作面板、 鍵盤(pán)和顯示器的管理程序。 其內(nèi)容包括： 通過(guò)鍵盤(pán)操作輸入并存儲(chǔ)所設(shè)置的功能、 操作方式與工作參數(shù)； 通過(guò)控制I/O接口電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集； 對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)定的設(shè)

11、置； 對(duì)所測(cè)試和記錄的數(shù)據(jù)與狀態(tài)進(jìn)行各種處理； 以數(shù)字、 字符、 圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果等。 接口管理程序主要面向通信接口， 其作用是接收并分析來(lái)自通信接口總線的有關(guān)信息、 操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼， 并通過(guò)通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果， 響應(yīng)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制命令。 智能儀器的工作過(guò)程是： 外部的輸入信號(hào)（被測(cè)量）先經(jīng)過(guò)輸入電路進(jìn)行變換、 放大、 整形和補(bǔ)償?shù)忍幚恚?然后經(jīng)模擬量通道的A/D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)， 送入單片機(jī)。 單片機(jī)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理、 分析、 計(jì)算等一系列工作， 并將運(yùn)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中； 同時(shí)， 可通

12、過(guò)顯示器接口將運(yùn)算結(jié)果送至顯示器顯示， 或通過(guò)打印機(jī)接口送至微型打印機(jī)打印輸出； 也可以將輸出的數(shù)字量經(jīng)模擬量通道的D/A轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出， 并經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行電路去控制被控對(duì)象； 還可以通過(guò)通信接口（例如RS-232、 GP-IB等）實(shí)現(xiàn)與其他智能儀器的數(shù)據(jù)通信， 完成更復(fù)雜的測(cè)量與控制任務(wù)。 以上只是智能儀器的基本組成和簡(jiǎn)單工作過(guò)程， 至于智能儀器各組成部分的軟、 硬件結(jié)構(gòu)及儀器的典型處理功能， 將在以后的各章節(jié)中詳細(xì)闡述。 1.1.3智能儀器的主要功能和特點(diǎn)單片機(jī)的出現(xiàn)與應(yīng)用， 對(duì)科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域都產(chǎn)生了極大的影響， 與此同時(shí)也導(dǎo)致了一場(chǎng)儀器儀表技術(shù)的巨大變革。 單片機(jī)在智能

13、儀器中的具體功能可歸結(jié)為兩大類(lèi)： 對(duì)測(cè)試過(guò)程的控制和對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)、 結(jié)果的處理。 單片機(jī)對(duì)測(cè)試過(guò)程的控制主要表現(xiàn)在單片機(jī)可以接收來(lái)自面板鍵盤(pán)和通信接口傳來(lái)的命令信息， 解釋并執(zhí)行這些命令。 例如， 發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)給測(cè)試電路， 以啟動(dòng)某種操作， 設(shè)置或改變量程、 工作方式等， 也可通過(guò)查詢方式或設(shè)置成中斷方式， 使單片機(jī)及時(shí)了解電路的工作情況， 以便正確地控制儀器的整個(gè)工作過(guò)程。 單片機(jī)對(duì)智能儀器測(cè)試數(shù)據(jù)、 結(jié)果的處理， 主要表現(xiàn)在采用了單片機(jī)以后， 大大提高了智能儀器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理能力。 在不增加硬件的情況下， 利用軟件可對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的加工、 處理， 如數(shù)據(jù)的組裝、 運(yùn)算、 舍入

14、， 確定小數(shù)點(diǎn)的位置和單位， 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成七段碼送顯示器顯示， 或按規(guī)定的格式從通信接口輸出等。 因此， 單片機(jī)的應(yīng)用使智能儀器具有以下主要特點(diǎn)。 (1)具有友好的人機(jī)對(duì)話功能。 智能儀器使用鍵盤(pán)代替了傳統(tǒng)儀器中的切換開(kāi)關(guān)， 操作人員只需通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令， 就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。 與此同時(shí)， 智能儀器還可以通過(guò)顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、 工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴操作人員， 使儀器的操作更加方便、 直觀。 (2) 自動(dòng)校正零點(diǎn)、 滿度和切換量程。 智能儀器的自校正功能大大降低了因儀器的零點(diǎn)漂移和特性變化所造成的誤差， 而量程的自動(dòng)切換又給使用帶來(lái)了很大的方便， 并可以提高測(cè)量精度和

15、讀數(shù)的分辨率。 (3) 多點(diǎn)快速檢測(cè)。 智能儀器能對(duì)多個(gè)參數(shù)（模擬量或開(kāi)關(guān)量信號(hào)）進(jìn)行快速、 實(shí)時(shí)檢測(cè)， 以便及時(shí)了解生產(chǎn)過(guò)程的各種工況。 (4) 自動(dòng)修正各類(lèi)測(cè)量誤差。 許多傳感器的固有特性是非線性的， 且受環(huán)境溫度、 壓力等參數(shù)的影響， 從而給智能儀器帶來(lái)了測(cè)量誤差。 在智能儀器中， 只要能掌握這些誤差的規(guī)律， 就可以依靠軟件進(jìn)行修正。 常見(jiàn)的有測(cè)溫元件的非線性校正、 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、 氣體流量的溫度壓力補(bǔ)償?shù)取?(5) 數(shù)字濾波。 通過(guò)對(duì)主要干擾信號(hào)特性的分析， 智能儀器采用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波算法， 可以有效地抑制各種干擾（例如低頻干擾、 脈沖干擾）的影響。 (6) 數(shù)據(jù)處理。 智能儀器

16、能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)算， 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和加工處理， 例如統(tǒng)計(jì)分析、 查找排序、 標(biāo)度變換、 函數(shù)逼近和頻譜分析等。 (7) 實(shí)現(xiàn)各種控制規(guī)律。 智能儀器能實(shí)現(xiàn)PID及各種復(fù)雜的控制規(guī)律， 例如， 可進(jìn)行串級(jí)、 前饋、 解耦、 非線性、 純滯后、 自適應(yīng)、 模糊等控制， 以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 (8) 具有多種輸出形式。 智能儀器的輸出形式有數(shù)字（或指針）顯示、 打印記錄和聲光報(bào)警， 也可以輸出多點(diǎn)模擬量（或開(kāi)關(guān)量）信號(hào)。 (9) 數(shù)據(jù)通信。 智能儀器配有GP-IB、 RS-232、RS-485等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口， 可以很方便地與其他儀器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， 以便構(gòu)成不同規(guī)模的計(jì)算機(jī)測(cè)量控

17、制系統(tǒng)。 (10) 自診斷和故障監(jiān)控。 在運(yùn)行過(guò)程中， 智能儀器可以自動(dòng)地對(duì)儀器本身各組成部分進(jìn)行一系列的測(cè)試， 一旦發(fā)現(xiàn)故障即能報(bào)警， 并顯示出故障部位， 以便及時(shí)處理。 有的智能儀器還可以在故障存在的情況下， 自行改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 繼續(xù)正常工作， 即在一定程度上具有容忍故障存在的能力。 (11) 掉電保護(hù)。 智能儀器內(nèi)部裝有后備電池和電源自動(dòng)切換電路。 當(dāng)?shù)綦姇r(shí)， 能自動(dòng)地將電池接至RAM， 使數(shù)據(jù)不致丟失。 也可以采用電可改寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器EEPROM（E2PROM）來(lái)代替RAM， 存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)， 以實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)的功能。 也許在一些常規(guī)儀器中， 通過(guò)增加器件或變換電路也能或多或少地實(shí)現(xiàn)以上功能

18、， 但往往要付出較大的代價(jià)。 如提高某些性能， 但會(huì)使儀器的成本大大增加。 而在智能儀器中， 性能的提高、 功能的擴(kuò)大是比較容易實(shí)現(xiàn)的， 往往不會(huì)使儀器成本大幅度增加。因此， 低廉的單片機(jī)芯片使得智能儀器具有較高的性能價(jià)格比。 1.1.4 智能儀器的發(fā)展趨勢(shì)近年來(lái)， 隨著微電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展， 智能儀器的發(fā)展出現(xiàn)了新的趨勢(shì)， 具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。.微型化智能儀器的微型化是指將微電子技術(shù)、 微機(jī)械技術(shù)、 信息技術(shù)等綜合應(yīng)用于智能儀器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中， 從而使儀器成為體積較小、 功能齊全的智能化儀器。 它能夠完成信號(hào)采集、 線性化處理、 數(shù)字信號(hào)處理、 控制信號(hào)的輸出和放

19、大、 與其他儀器接口以及與人交互等功能。 隨著微電子技術(shù)、 微機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展， 微型智能儀器的技術(shù)不斷成熟， 價(jià)格不斷降低， 因此其應(yīng)用領(lǐng)域也必將不斷擴(kuò)大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能， 而且能在自動(dòng)化技術(shù)、 航天、 軍事、 生物技術(shù)、 醫(yī)療等領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。 例如， 目前要對(duì)一個(gè)病人的幾個(gè)不同的參量同時(shí)測(cè)量， 并進(jìn)行某些參量的控制， 通常病人的體內(nèi)要插進(jìn)多個(gè)管子，這就增加了病人感染的機(jī)會(huì)。 若采用微型智能儀器， 則能同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)， 而且體積小， 可植入人體， 使得這些問(wèn)題得到了解決。 2. 多功能化多功能本身就是智能儀器的一個(gè)特點(diǎn)。 例如， 為了設(shè)計(jì)速度較快和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，

20、儀器生產(chǎn)廠家制造了脈沖發(fā)生器、 頻率合成器和任意波形發(fā)生器等多種功能合一的函數(shù)發(fā)生器。 這種多功能的綜合型產(chǎn)品不但在性能（如準(zhǔn)確度）上比專(zhuān)用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高， 而且為各種測(cè)試功能提供了較好的解決方案。 3. 人工智能化人工智能是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域， 它利用計(jì)算機(jī)模擬人的智能， 用于機(jī)器人、醫(yī)療診斷、 專(zhuān)家系統(tǒng)、 推理證明等各個(gè)方面。 智能儀器的進(jìn)一步發(fā)展將使其具有一定的人工智能， 即代替人的一部分腦力勞動(dòng)， 并具有一定的視覺(jué)（圖形及色彩辨讀）、 聽(tīng)覺(jué)（語(yǔ)音識(shí)別及語(yǔ)言領(lǐng)悟）、 思維（推理、 判斷、 學(xué)習(xí)與聯(lián)想）等能力。這樣， 智能儀器可以無(wú)需人的干預(yù)而自主地完成檢測(cè)或控制功能。 顯

21、然， 人工智能在現(xiàn)代儀器中的應(yīng)用， 將使我們不僅可以解決用傳統(tǒng)方法很難解決的一類(lèi)問(wèn)題， 而且還可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的一些問(wèn)題。 4. 部分結(jié)構(gòu)虛擬化測(cè)試儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展， 人們利用PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能， 建立了圖形化的虛擬儀器面板， 完成了對(duì)儀器的控制、 數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等功能。 因此， 只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件， 就可以與PC組成測(cè)量?jī)x器。 這種基于PC的測(cè)量?jī)x器就稱為虛擬儀器。 在虛擬儀器中， 使用同一個(gè)硬件系統(tǒng)， 只要使用不同的軟件編程， 就可以得到功

22、能完全不同的測(cè)量?jī)x器?？梢?jiàn)， 軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心， 因此， 也有人說(shuō)“軟件就是儀器”。 傳統(tǒng)的智能儀器主要在儀器技術(shù)中采用了某種計(jì)算機(jī)技術(shù)， 而虛擬儀器則強(qiáng)調(diào)在通用的計(jì)算機(jī)技術(shù)中吸收儀器技術(shù)。 作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、 可視性、 可擴(kuò)展性和可升級(jí)性， 能為用戶帶來(lái)極大的利益。 因此， 虛擬儀器具有傳統(tǒng)的智能儀器所無(wú)法比擬的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。 5. 通信與控制網(wǎng)絡(luò)化隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展， Internet技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表設(shè)計(jì)領(lǐng)域滲透， 可實(shí)現(xiàn)智能儀器系統(tǒng)基于Internet的通信能力， 以及對(duì)設(shè)計(jì)好的智能儀器系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)、 功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。 在系統(tǒng)

23、可編程技術(shù)ISP（InSystem Programming）是對(duì)軟件進(jìn)行修改、 組態(tài)或重組的一種新技術(shù)。 ISP技術(shù)消除了傳統(tǒng)技術(shù)的某些限制和連接弊病， 有利于在板設(shè)計(jì)、 制造與編程。 ISP硬件靈活且易于軟件修改， 便于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。 由于ISP器件可以像任何其他器件一樣在印制電路板（PCB）上處理， 因此編程ISP器件不需要專(zhuān)門(mén)的編程器和較復(fù)雜的流程， 只要通過(guò)PC、 嵌入式系統(tǒng)處理器， 甚至Internet遠(yuǎn)程網(wǎng)就可進(jìn)行編程。 另外， 嵌入式微型因特網(wǎng)互連技術(shù)EMIT（Embedded MicroInternetworking Technology)也是一種將單片機(jī)等嵌入式設(shè)備接入Inter

24、net的新技術(shù)。 利用該技術(shù)， 能夠?qū)?位和16位單片機(jī)系統(tǒng)接入Internet， 實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、 智能控制、 上傳/下載數(shù)據(jù)文件等功能。 由上節(jié)內(nèi)容可見(jiàn)， 智能儀器由于采用了單片機(jī)， 其功能得到了充分的擴(kuò)展， 性能得到了極大的提高， 因此， 儀器的智能化已成為必然趨勢(shì)。 下面通過(guò)一個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例介紹儀器智能化的過(guò)程。 1.2智能儀器應(yīng)用實(shí)例簡(jiǎn)介隨著電話網(wǎng)絡(luò)的飛速擴(kuò)大和家用電器的不斷增加， 現(xiàn)代家庭自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用已越來(lái)越為人們所關(guān)注。 利用電話遠(yuǎn)距離遙控家用電器這一研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展， 遙控裝置的中心控制部件已從早期的分立元件、 集成電路逐步發(fā)展到現(xiàn)在的單片

25、微型計(jì)算機(jī)， 使電話遙控器從簡(jiǎn)單的開(kāi)、 關(guān)遙控操作發(fā)展到遙測(cè)、 遙視、 遙控等多功能系統(tǒng)， 智能化程度大大提高。 本節(jié)主要介紹一種采用MCS-51系列單片機(jī)作為核心控制部件的智能型電話遙控器。 1.2.1電話遙控的基本原理電話遙控的最初目的是想利用電話線路， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱家用電器電源的接通或斷開(kāi)。 其遙控接收控制器（即電話遙控器）的基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。 圖 1-2電話遙控器的組成電話遙控器的基本工作原理是， 當(dāng)遠(yuǎn)處的遙控者通過(guò)電話線路撥通本機(jī)電話時(shí)， 遙控器的檢測(cè)與控制電路根據(jù)設(shè)定的振鈴次數(shù)自動(dòng)地將電話線路與譯碼電路接通， 遙控者即可通過(guò)遠(yuǎn)處的電話機(jī)的按鍵向電話遙控器輸入開(kāi)、 關(guān)家用電器

26、的密碼信號(hào)。 當(dāng)譯碼電路收到按鍵信號(hào)并確認(rèn)為正確的命令后， 直接控制開(kāi)、 關(guān)電路動(dòng)作， 以打開(kāi)或關(guān)閉家用電器的電源開(kāi)關(guān)， 從而實(shí)現(xiàn)了家用電器遠(yuǎn)距離遙控的功能； 如果接收的是非法命令， 則立即掛機(jī)。 然而， 隨著人們生活質(zhì)量的提高以及需求的不斷增加， 人們已經(jīng)不能滿足于只是簡(jiǎn)單地打開(kāi)或關(guān)閉家用電器的開(kāi)關(guān)， 而是要求隨時(shí)能了解家用電器的工作狀態(tài)， 遙控空調(diào)的溫度， 監(jiān)聽(tīng)住宅的情況以及家中出現(xiàn)異常情況的自動(dòng)轉(zhuǎn)移報(bào)警等， 即希望實(shí)現(xiàn)電話遙控的智能化、 多功能化。 面對(duì)如此多的實(shí)際需求， 若再采用常規(guī)的分立元件和集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)已非常困難。 而采用單片計(jì)算機(jī)作為遙控器的核心控制部件， 并利用其軟件的強(qiáng)大功

27、能來(lái)設(shè)計(jì)電話遙控器， 則能滿足其智能化和多功能化的需求。 1.2.2智能型電話遙控器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理根據(jù)上述電話遙控的基本原理， 遙控的命令是通過(guò)電話線路傳遞給遙控接收器的。 當(dāng)命令的內(nèi)容改變且密碼的位數(shù)較多時(shí)， 采用常規(guī)元器件組成的電話遙控器的譯碼電路將隨密碼位數(shù)的增加而成倍增加， 電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 體積增大， 實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難且成本提高了很多， 同時(shí)可靠性也會(huì)降低。而采用單片計(jì)算機(jī)作為中心控制部件后， 則可以利用軟件的分析、計(jì)算及存儲(chǔ)等靈活的功能， 在基本不增加硬件的情況下， 實(shí)現(xiàn)遙控過(guò)程的智能化和多功能化。 根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的智能型電話遙控器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-3所示。圖中單片機(jī)的主要功能是

28、接收由電話線路傳輸?shù)目刂泼罨蛲獠侩娐份斎氲钠渌盘?hào)， 對(duì)這些命令或信號(hào)進(jìn)行分析、 識(shí)別、 計(jì)算， 并將結(jié)果做相應(yīng)的處理（包括存儲(chǔ)、 顯示或輸出相應(yīng)的控制信號(hào)等）。 圖 1-3智能型電話遙控器的結(jié)構(gòu)框圖上述電路采用MCS-51系列單片機(jī)AT89C51作為遙控器的核心控制部件。 電路的主要功能有： 遠(yuǎn)距離遙控家用電器的開(kāi)、 關(guān)機(jī)動(dòng)作， 查詢被控家用電器當(dāng)前的工作狀態(tài)， 遠(yuǎn)距離設(shè)定家用電器的開(kāi)、 關(guān)機(jī)時(shí)間和工作時(shí)間， 電話機(jī)防盜打， 電話密碼鎖以及緊急報(bào)警自動(dòng)尋呼等功能。 遙控器的工作原理是： 在正常情況下， 單片機(jī)不斷地查詢電話振鈴信號(hào)、 提機(jī)信號(hào)及線路監(jiān)測(cè)信號(hào)， 當(dāng)有電話打入時(shí)， 單片機(jī)自動(dòng)檢

29、測(cè)振鈴信號(hào)并計(jì)數(shù)。 當(dāng)振鈴達(dá)到設(shè)定次數(shù)后單片機(jī)自動(dòng)模擬摘機(jī)， 并通過(guò)訊響電路發(fā)出輸入密碼提示音， 然后等待并接收密碼。 此時(shí)， 操作者即可利用音頻電話的按鍵輸入開(kāi)機(jī)、 關(guān)機(jī)或其他遙控密碼。單片機(jī)通過(guò)電話線路及音頻接收電路接收到密碼信號(hào)后， 經(jīng)過(guò)與預(yù)先設(shè)定的命令密碼進(jìn)行比較、 分析和處理， 確定此密碼是否有效。 若有效， 則執(zhí)行相應(yīng)的操作并發(fā)出提示音。 操作者可根據(jù)話筒傳來(lái)的提示音來(lái)了解所操作的結(jié)果是否正確。 若單片機(jī)確認(rèn)輸入密碼無(wú)效， 遙控器會(huì)立即掛機(jī)， 不予響應(yīng)。 當(dāng)本機(jī)產(chǎn)生提機(jī)信號(hào)（即有人由內(nèi)向外打電話）時(shí)， 單片機(jī)立即處于接收密碼狀態(tài)。 如果首先輸入的不是密碼或密碼不正確， 遙控器將通過(guò)

30、輸出一定的控制信號(hào)禁止使用者撥打長(zhǎng)途或其他限打電話， 起到了電話鎖的作用。 當(dāng)電話線路出現(xiàn)被人盜用的情況時(shí)， 提機(jī)與監(jiān)測(cè)電路向單片機(jī)提供一個(gè)脈沖信號(hào)， 單片機(jī)立即通過(guò)訊響電路發(fā)出干擾和報(bào)警信號(hào)（也可以切斷通話線路）， 可以有效地阻止電話線路被盜用。 當(dāng)受控現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常情況（如非法侵入、 電器故障或火災(zāi)等）時(shí)， 報(bào)警信號(hào)電路自動(dòng)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)， 單片機(jī)立即響應(yīng)并通過(guò)音頻發(fā)送電路將預(yù)先存入單片機(jī)中的主人尋呼號(hào)碼或電話號(hào)碼通過(guò)電話線路發(fā)送出去， 以便得到及時(shí)處理。 圖1-3中的訊響電路主要用于向操作者發(fā)出提示蜂鳴信號(hào)， 以便操作者及時(shí)知道其操作是否正確并了解受控電器的工作狀態(tài)。 顯示電路用于指示受

31、控電器當(dāng)前所處的是開(kāi)機(jī)還是關(guān)機(jī)狀態(tài)。 在該電路的設(shè)計(jì)中采用了光電耦合器進(jìn)行隔離， 將功率器件所在的強(qiáng)電回路與控制回路的弱電系統(tǒng)完全隔開(kāi)， 以防止儀器出現(xiàn)故障時(shí)將市電電壓引入控制回路， 使電話線路帶上高電壓而造成觸電傷亡事故。 此外， 該智能型遙控裝置只要稍加改動(dòng)， 就可以應(yīng)用到工業(yè)或其他領(lǐng)域的遠(yuǎn)程控制中， 例如配電房的無(wú)人值班系統(tǒng)、 城市亮化照明系統(tǒng)、 安保與消防監(jiān)控系統(tǒng)等。 智能儀器的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是， 在儀器需要改變或擴(kuò)充功能時(shí)， 只需更改系統(tǒng)軟件， 而硬件通常只作少量變動(dòng)即可， 其方便性和靈活性是顯而易見(jiàn)的。 智能儀器儀表是應(yīng)用電子、 電氣自動(dòng)化以及機(jī)電一體化等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)十分重要的專(zhuān)業(yè)課

32、程。 智能儀器作為一種典型的微機(jī)（大多數(shù)為單片計(jì)算機(jī)）應(yīng)用系統(tǒng)， 是計(jì)算機(jī)技術(shù)、 現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)、 微電子技術(shù)、 通信技術(shù)等多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 無(wú)論是在測(cè)量速度、 精確度、 靈敏度還是自動(dòng)化程度和性能價(jià)格比等方面， 智能儀器都是傳統(tǒng)的測(cè)控儀器所無(wú)法比擬的。1.3本課程的內(nèi)容、 教學(xué)目標(biāo)及要求目前， 我國(guó)在智能儀器和單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)的研究等方面已經(jīng)取得了不少可喜的成果，并積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。 對(duì)電子、 電氣工程技術(shù)人員以及其他工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)， 了解和熟悉智能儀器的基本工作原理、 典型的處理方法， 以及具備智能儀器的實(shí)際應(yīng)用與維護(hù)的能力是非常必要的。 1.3.1課程內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)本課程的主

33、要內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)包括三個(gè)方面。 一是通過(guò)介紹智能儀器的基本組成結(jié)構(gòu)、 工作原理、 智能儀器的典型處理功能以及智能儀器的數(shù)據(jù)通信方式（第1章第3章）， 使學(xué)生初步了解智能儀器的結(jié)構(gòu)主要包括哪幾部分， 它是如何工作的； 智能儀器與傳統(tǒng)的儀器儀表有何區(qū)別， 它們的主要特點(diǎn)是什么； 智能儀器的智能化主要表現(xiàn)在哪些方。二是通過(guò)三種不同類(lèi)型且具有代表性的智能儀器的組成原理及應(yīng)用實(shí)例， 進(jìn)一步闡述智能儀器各主要部件的電路結(jié)構(gòu)、 工作原理，智能儀器的特點(diǎn)以及不同類(lèi)型儀器的軟、 硬件設(shè)計(jì)思路（第4章第6章）， 并對(duì)智能儀器使用中的常見(jiàn)故障、 故障產(chǎn)生的原因及其處理方法， 智能儀器的抗干擾措施等作了詳細(xì)的介紹（第

34、7章）， 使學(xué)生進(jìn)一步熟悉實(shí)際的智能儀器的主要部件及儀器的基本結(jié)構(gòu)， 深入了解其工作原理、 調(diào)試及使用方法等， 為今后的應(yīng)用做好準(zhǔn)備。三是對(duì)智能儀器的最新發(fā)展成果進(jìn)行了論述， 并對(duì)個(gè)人儀器、 虛擬儀器以及現(xiàn)場(chǎng)總線儀器等新一代智能儀器作了重點(diǎn)介紹（第8章）， 使學(xué)生了解智能儀器的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)， 并初步掌握上述三類(lèi)新型智能儀器的基本結(jié)構(gòu)、 性能及特點(diǎn)， 為今后的專(zhuān)業(yè)拓展打下良好的基礎(chǔ)。 考慮到高等職業(yè)教育對(duì)高技能應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求， 本書(shū)選擇了具有代表性和可操作性的內(nèi)容， 以實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的形式提供給讀者。 具體實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目包括： 電壓波形的測(cè)量與分析、 溫室無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 智能溫控系統(tǒng)調(diào)測(cè)、

35、DT9205數(shù)字萬(wàn)用表的調(diào)測(cè)、 采用測(cè)頻法和測(cè)周法測(cè)量頻率的誤差分析。 這些項(xiàng)目可以作為理論教學(xué)的補(bǔ)充， 讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解， 增加感性認(rèn)識(shí)， 而且能夠提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。1.3.2課程學(xué)習(xí)要求本課程在學(xué)習(xí)的過(guò)程中， 要求學(xué)生能緊密結(jié)合先修的“單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”、 “電子技術(shù)基礎(chǔ)”等課程內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。 智能儀器是以智能芯片（通常是單片計(jì)算機(jī)）為核心部件， 以檢測(cè)、 輸入通道、 輸出控制、 顯示等電子電路為外圍部件組成的。 因此， 學(xué)生應(yīng)在較好地掌握上述幾門(mén)課程的基礎(chǔ)上， 著重學(xué)習(xí)智能儀器的基本組成， 了解智能儀器的典型處理方法并初步掌握智能儀器的故障診斷與調(diào)試技術(shù)， 學(xué)會(huì)智能儀器的使

36、用與維護(hù)方法， 以達(dá)到初步掌握并能較好地應(yīng)用智能儀器的目的。 此外， 在學(xué)習(xí)的過(guò)程中， 還應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)、 實(shí)訓(xùn)課程（或課程設(shè)計(jì)）的訓(xùn)練， 關(guān)鍵把握好學(xué)習(xí)的四個(gè)環(huán)節(jié)： 課前預(yù)習(xí)， 著重了解將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容， 并對(duì)不易理解的地方做好記號(hào)， 上課時(shí)注意聽(tīng)講； 課內(nèi)認(rèn)真聽(tīng)講、 積極思考并參與討論； 實(shí)驗(yàn)、 實(shí)訓(xùn)時(shí)一定要自己動(dòng)手做， 學(xué)會(huì)分析、 解決問(wèn)題的基本方法， 增強(qiáng)自己的實(shí)踐動(dòng)手能力； 課后抓緊復(fù)習(xí)， 及時(shí)鞏固課堂所學(xué)的內(nèi)容。 除此之外， 還應(yīng)注重知識(shí)的積累與擴(kuò)充， 注意了解智能儀器的發(fā)展動(dòng)態(tài)和應(yīng)用現(xiàn)狀， 為今后的繼續(xù)學(xué)習(xí)或工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 智能儀器是一類(lèi)新型的微機(jī)化電子儀器， 它是由傳統(tǒng)的儀器發(fā)

37、展而來(lái)的。 智能儀器并不是傳統(tǒng)儀器與微處理器的簡(jiǎn)單結(jié)合， 而是一種硬件和軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)， 并且充分利用了軟件技術(shù)的強(qiáng)大功能。 它把儀器的主要功能集中存放在存儲(chǔ)器ROM中， 因此， 當(dāng)需要增加功能時(shí)， 并不需要全面改變硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 而只要修改存放在ROM中的軟件的內(nèi)容即可。 這種靈活性使得智能儀器在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用， 本章所介紹的智能型電話遙控器即為一例。 本章小結(jié)從儀器的工作原理來(lái)看， 其發(fā)展大致可分為三個(gè)階段： 模擬式電子儀器、 數(shù)字式電子器和智能型儀器。 尤其是隨著微電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、 通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展， 智能儀器已朝著微型化、 多功能化、 人工智能化和網(wǎng)絡(luò)

38、化等方向發(fā)展。 此外， 智能儀器的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為， 儀器具有方便的人機(jī)對(duì)話功能、 自動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)校正功能、 數(shù)據(jù)處理與通信功能以及儀器的自保護(hù)功能等。 1. 什么是智能儀器？2. 智能儀器的硬件主要包括哪幾部分？3. 智能儀器與傳統(tǒng)儀器相比有何特點(diǎn)？4. 你了解智能儀器嗎？請(qǐng)列舉一個(gè)智能儀器的實(shí)例， 并說(shuō)出它的特點(diǎn)。 5. 智能儀器的發(fā)展方向是什么？思考題與習(xí)題第2章智能儀器典型處理功能及實(shí)現(xiàn)方法 2.1智能儀器故障的自檢2.2自動(dòng)測(cè)量功能2.3測(cè)量誤差及典型的誤差處理方法2.4數(shù)字濾波2.5實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目一電壓波形的測(cè)量與分析本章小結(jié)思考題與習(xí)題雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展， 智能儀器在設(shè)計(jì)技術(shù)與生產(chǎn)工藝方

39、面有了較大的改進(jìn)， 使得組成智能儀器系統(tǒng)的各個(gè)功能部件都具有較高的可靠性和穩(wěn)定性， 但由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境的多樣性和多變性， 要做到儀器長(zhǎng)期運(yùn)行不發(fā)生任何故障幾乎是不可能的。2.1智能儀器故障的自檢在一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中， 往往一臺(tái)儀器的故障或損壞有可能影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行， 甚至?xí)＜坝嘘P(guān)的生產(chǎn)設(shè)備和人身安全， 因此事關(guān)重大。 有必要采取一定的方法或措施來(lái)防止這樣或那樣的意外發(fā)生， 使儀器能自動(dòng)地進(jìn)行故障的檢測(cè)和診斷， 將不良影響降低到最低限度， 以保證儀器和整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠運(yùn)行。 智能儀器的一個(gè)重要功能是可以對(duì)儀器內(nèi)部進(jìn)行自檢（又稱自診斷）和自測(cè)試， 即自檢操作。 智能儀器自檢的內(nèi)容可以

40、根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置， 通常包括對(duì)面板鍵盤(pán)、 顯示器、 ROM、 RAM、 總線、 接插件等的檢查。 儀器故障的自檢實(shí)質(zhì)上是指利用事先編制好的并已存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器中的檢測(cè)程序， 對(duì)儀器的各個(gè)主要部件（或電路中的一些測(cè)試點(diǎn)）進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。 這些測(cè)試點(diǎn)在儀器正常時(shí)的測(cè)試值被預(yù)先存入ROM中， 在自檢過(guò)程中單片機(jī)把當(dāng)前的測(cè)試值與正常（預(yù)先存儲(chǔ)的）值進(jìn)行比較， 如果兩者相等或在儀器的允許誤差范圍之內(nèi)， 則顯示OK（正常）； 當(dāng)檢測(cè)出故障（即不相等）時(shí)， 則及時(shí)給出故障信息（如聲、 光報(bào)警）并顯示其故障代碼， 便于生產(chǎn)、 調(diào)試及維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。 自檢主要由軟件來(lái)完成， 儀器的自檢功能給智能儀器的調(diào)試、

41、使用與維護(hù)都帶來(lái)了極大的方便。2.1.1自檢方式的種類(lèi)及特點(diǎn)智能儀器的自檢方式通常有三種類(lèi)型。 1) 開(kāi)機(jī)自檢開(kāi)機(jī)自檢是在儀器電源接通或復(fù)位之后進(jìn)行的， 主要檢查顯示器、 儀器的接插件、 ROM、 RAM等。 自檢中如果沒(méi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題， 就顯示儀器一切正常的特征字符或直接進(jìn)入測(cè)量程序； 如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題， 則及時(shí)報(bào)警并顯示故障代碼， 以提醒用戶， 避免儀器帶“病”工作； 當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)， 也可以停機(jī)待修。 開(kāi)機(jī)自檢是對(duì)儀器正式投入運(yùn)行之前所進(jìn)行的全面檢查， 完成開(kāi)機(jī)自檢后，系統(tǒng)在以后的運(yùn)行中不再進(jìn)行這一過(guò)程。 2) 周期性自檢系統(tǒng)僅在開(kāi)機(jī)時(shí)進(jìn)行一次性的自檢， 并不能保證在以后的工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)故障。

42、為了使儀器一直處于良好的工作狀態(tài)， 可以采用周期性自檢的方式。 周期性自檢是將儀器的自檢分成若干項(xiàng)， 在儀器的每次（或幾次）測(cè)量間隙插入一項(xiàng)自檢操作。 這樣， 經(jīng)過(guò)多次測(cè)量之后便可完成儀器的全部自檢項(xiàng)目， 周而復(fù)始。 由于這種自檢是自動(dòng)進(jìn)行的， 且不影響儀器的正常工作， 因此通常不為操作人員所覺(jué)察（除非發(fā)生故障而告警）。 3) 鍵控自檢除了上述兩種自檢外， 還可以在儀器的面板上設(shè)置“自檢”按鍵， 即當(dāng)用戶對(duì)儀器的可信度產(chǎn)生懷疑時(shí)， 可通過(guò)按下該鍵來(lái)啟動(dòng)一次自檢程序， 微處理器根據(jù)按鍵譯碼后轉(zhuǎn)到相應(yīng)的自檢程序執(zhí)行自檢操作， 這就是鍵控自檢。 鍵控自檢是一種人工干預(yù)的檢測(cè)方式。 在上述幾種不同方式

43、的自檢過(guò)程中， 如果發(fā)現(xiàn)儀器出現(xiàn)某種故障， 儀器自身通常會(huì)以適當(dāng)?shù)男问桨l(fā)出指示。 智能儀器一般都通過(guò)其面板上的顯示器， 以文字或數(shù)字的形式顯示出錯(cuò)代碼。 出錯(cuò)代碼通常以“Error X”字樣表示， 并常常用發(fā)光二極管伴以閃爍信號(hào)， 以引起注意。 其中“X”為故障代號(hào)， 操作人員根據(jù)出錯(cuò)代碼， 通過(guò)查閱儀器使用手冊(cè)便可確定故障內(nèi)容以及故障處理的方法。 智能儀器的自檢內(nèi)容與儀器的功能、 特性等因素有關(guān)。 一般來(lái)說(shuō)， 儀器能夠進(jìn)行自檢的項(xiàng)目越多， 使用和維護(hù)就越方便， 但相應(yīng)的硬件和軟件也就越復(fù)雜。 下面介紹ROM、 RAM、 總線、 顯示器及鍵盤(pán)等的自檢方法。 2.1.2自檢的方法智能儀器的自檢方

44、法多種多樣， 這里介紹幾種常見(jiàn)的方法。1. ROM或EPROM的檢測(cè)由于智能儀器中的ROM或EPROM是用來(lái)存放儀器的控制程序的， 是不允許出故障的， 因而對(duì)ROM或EPROM的檢測(cè)是至關(guān)重要的。 ROM或EPROM故障的檢測(cè)一般采用“校驗(yàn)和”的方法， 其具體的做法是： 在將儀器程序機(jī)器碼寫(xiě)入ROM或EPROM的時(shí)候， 保留一個(gè)單元（一般是最后一個(gè)單元）， 此單元不是用于寫(xiě)程序代碼， 而是用于寫(xiě)入“校驗(yàn)字”的?！靶ｒ?yàn)字”應(yīng)能使ROM或EPROM中所有單元的每一列都具有奇數(shù)個(gè)“1”。 自檢程序的內(nèi)容是： 對(duì)每一列數(shù)進(jìn)行異或運(yùn)算， 如果ROM或EPROM無(wú)故障， 各列的運(yùn)算結(jié)果應(yīng)都為“1”， 即校

45、驗(yàn)和等于FFH。 這種算法如表21所示。 表中ROM地址的前7個(gè)（06）單元是程序代碼， 最后一個(gè)單元內(nèi)容為對(duì)應(yīng)于上面程序的奇數(shù)校驗(yàn)字01001110（使ROM中的每一列的“1”為奇數(shù)個(gè)）。 這樣， ROM的校驗(yàn)和為11111111， 即FFH。 表2-1校驗(yàn)和算法示意 理論上， 這種方法不能夠發(fā)現(xiàn)同一列上的偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤， 但是， 這種錯(cuò)誤出現(xiàn)的概率非常小， 一般可以不予考慮。 若要考慮， 則須采用更復(fù)雜的校驗(yàn)方法， 這里不作敘述。 2. RAM的檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM是否正常是通過(guò)檢驗(yàn)其“讀寫(xiě)功能”的有效性來(lái)體現(xiàn)的。 通?？蛇x用特征字55H（01010101B）和AAH（10101010B），

46、分別對(duì)RAM的每一個(gè)單元進(jìn)行“先寫(xiě)后讀”的操作， 其自檢流程圖如圖2-1所示。 圖2-1RAM自檢流程圖RAM檢測(cè)的基本方法是： 先將55H（或AAH）寫(xiě)入RAM的一個(gè)單元， 然后從該單元中讀取數(shù)據(jù)， 并與55H（或AAH）相比較。 若不相符， 則顯示出錯(cuò)并給出出錯(cuò)單元地址； 若相符， 則再寫(xiě)入AAH（或55H）， 然后從該單元中讀取數(shù)據(jù)， 并與AAH(或55H) 相比較。 若不相符， 則顯示出錯(cuò)并給出出錯(cuò)單元地址； 若相符， 則修改地址指針， 用同樣的方式對(duì)下一個(gè)單元進(jìn)行“讀寫(xiě)”檢測(cè)。 依此類(lèi)推， 直到最后一個(gè)單元檢測(cè)完畢即可結(jié)束。 上述檢驗(yàn)屬于破壞性檢驗(yàn)， 即檢驗(yàn)時(shí)RAM中的數(shù)據(jù)將被破壞掉

47、， 因此該方法只能用于開(kāi)機(jī)自檢。 若RAM中已存有數(shù)據(jù)， 在不破壞RAM中內(nèi)容的前提下進(jìn)行檢驗(yàn)就相對(duì)麻煩一些。 常用的方法是“異或法”， 即把RAM單元的內(nèi)容求反并與原碼進(jìn)行異或運(yùn)算。 如果結(jié)果為FFH，則表明該RAM單元讀寫(xiě)功能正常； 否則， 表明該單元有故障。 最后再恢復(fù)原單元的內(nèi)容， 這一點(diǎn)切不可忘記。 3. 總線的自檢大多數(shù)智能儀器中的微處理器總線都是經(jīng)過(guò)緩沖器再與各I/O器件和插件等相連接的， 這樣即使緩沖器以外的總線出了故障， 也能維持微處理器的正常工作。 這里所謂的總線自檢，是指對(duì)經(jīng)過(guò)緩沖器的總線進(jìn)行檢測(cè)。 由于總線沒(méi)有記憶能力， 因此總線自檢中設(shè)置了兩組鎖存觸發(fā)器， 用于分別記

48、憶地址總線和數(shù)據(jù)總線上的信息。這樣， 只要執(zhí)行一條對(duì)存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備的寫(xiě)操作指令， 地址線和數(shù)據(jù)線上的信息便能分別鎖存到這兩組觸發(fā)器（地址鎖存觸發(fā)器和數(shù)據(jù)鎖存觸發(fā)器）中。 我們通過(guò)對(duì)這兩組鎖存觸發(fā)器分別進(jìn)行讀操作， 將地址總線和數(shù)據(jù)總線上的信息與原有的輸出信息進(jìn)行比較， 便可判知總線是否存在故障。 具體實(shí)現(xiàn)的電路原理圖見(jiàn)圖2-2。圖 2-2總線檢測(cè)電路原理圖總線的自檢程序應(yīng)能對(duì)每一根總線分別進(jìn)行檢測(cè)。 其具體做法一般是使被檢測(cè)的那根總線置為“1”態(tài)， 其余總線均為“0”態(tài)， 從而進(jìn)行檢測(cè)。 如果檢測(cè)時(shí)某根總線一直停留在“0”態(tài)或“1”態(tài)， 則說(shuō)明有故障存在。 總線故障一般是由于印制線路板的制

49、作工藝不佳造成兩線相碰而引起的。 需要特別提醒的是， 存有自檢程序的ROM芯片與CPU的連線應(yīng)不通過(guò)緩沖器； 否則， 若總線出現(xiàn)故障便不能進(jìn)行自檢。 4. 顯示器與鍵盤(pán)的檢測(cè)智能儀器的顯示器、 鍵盤(pán)等I/O設(shè)備的檢測(cè)往往采用與操作者合作的方式進(jìn)行。 檢測(cè)程序的內(nèi)容為： 先進(jìn)行一系列預(yù)定的I/O操作， 然后操作者對(duì)這些I/O操作的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。 如果檢驗(yàn)的結(jié)果與預(yù)先的設(shè)定（或設(shè)想）一致， 就認(rèn)為功能正常； 否則， 應(yīng)對(duì)有關(guān)的I/O通道進(jìn)行檢修。 鍵盤(pán)檢測(cè)的方法是， CPU每取得一個(gè)按鍵閉合的信號(hào)就反饋一個(gè)信息。 如果按下某單個(gè)按鍵無(wú)反饋信息， 往往是該鍵接觸不良； 如果按下某一排鍵均無(wú)反饋信號(hào)，

50、 則有可能與對(duì)應(yīng)的電路或掃描信號(hào)有關(guān)。顯示器的檢測(cè)一般有兩種方式： 一種是讓各個(gè)顯示器的所有發(fā)光段全部發(fā)亮， 即顯示出“888”。 當(dāng)顯示的內(nèi)容表明顯示器各發(fā)光段均能正常發(fā)光時(shí)， 操作人員只要按任意鍵， 顯示器應(yīng)全部熄滅片刻， 然后脫離自檢方式進(jìn)入其他操作。 第二種方式是讓顯示器顯示某些特征字， 若正常， 則幾秒后自動(dòng)進(jìn)入其他操作。 5. 輸入/輸出通道的自診斷1） 數(shù)據(jù)采集通道的自診斷智能儀器的數(shù)據(jù)采集通道一般是由A/D轉(zhuǎn)換器和多路開(kāi)關(guān)構(gòu)成的。 自診斷時(shí)， 系統(tǒng)占用多路模擬開(kāi)關(guān)的一個(gè)通道， 接一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)電壓， 使系統(tǒng)對(duì)該已知電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 若轉(zhuǎn)換結(jié)果與預(yù)定值相符， 則認(rèn)為數(shù)據(jù)采集通

51、道正常； 若有少許偏差， 則說(shuō)明數(shù)據(jù)采集通道發(fā)生漂移； 若偏差過(guò)大， 則判斷為故障。 其自診斷原理電路如圖2-3所示。 圖 2-3輸入/輸出通道自診斷原理電路圖2） 模擬量輸出通道的自診斷智能儀器的模擬量輸出通道的自診斷一般由D/A完成。 模擬量輸出通道自診斷的目的是確保模擬輸出量的準(zhǔn)確性， 而要判斷模擬量是否準(zhǔn)確又必須將該輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字量， 這樣CPU才能進(jìn)行判斷。 因此， 模擬量輸出通道的自診斷離不開(kāi)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)。 圖2-3是一種借助于多路數(shù)據(jù)采集通道對(duì)D/A進(jìn)行自診斷的方案。 適當(dāng)調(diào)整電位器RW分壓比， 使D/A、 A/D的環(huán)節(jié)增益為1， 即可達(dá)到滿意的診斷效果。 D/A自診斷的前提是數(shù)

52、據(jù)采集通道工作正常。 6. 插件的自檢智能儀器一般都具有可組合性和功能擴(kuò)展能力， 而這些特性離不開(kāi)各種各樣的通用或?qū)Ｓ媚０宓氖褂谩?這些模板常常采用插件形式， 而且接插腳往往很多， 所以對(duì)插件進(jìn)行檢測(cè)是非常重要的。 通常插件的自檢有兩個(gè)方面。1） 檢查插件是否插入利用系統(tǒng)內(nèi)單片機(jī)與插件之間的應(yīng)答信號(hào)出現(xiàn)與否來(lái)判斷插件是否已經(jīng)插入， 這項(xiàng)自檢比較簡(jiǎn)單， 可以在主程序或子程序里加入相應(yīng)的插件檢查語(yǔ)句。 一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出停機(jī)指令， 等待操作者處理。 2） 檢查插件工作狀態(tài)是否正常這項(xiàng)自檢較為復(fù)雜， 常常采取模擬方法進(jìn)行。 實(shí)際系統(tǒng)中要運(yùn)用故障診斷學(xué)理論， 并配備專(zhuān)用的設(shè)備和診斷程序。

53、實(shí)際的智能儀器系統(tǒng)種類(lèi)很多， 需要解決的自檢項(xiàng)目也各不相同， 在此不可能一一列舉。讀者可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇， 也可以參考有關(guān)的書(shū)籍。 2.1.3自檢軟件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)智能儀器的自檢都是通過(guò)執(zhí)行相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)的， 上面介紹的各種自檢項(xiàng)目一般應(yīng)分別編制成相應(yīng)的子程序， 以便需要時(shí)調(diào)用。 設(shè)各段子程序的入口地址為T(mén)STi（i=0， 1， 2, , n）， 序號(hào)（即故障代碼）為T(mén)NUM（0， 1， 2, ）。 編程時(shí)， 由序號(hào)通過(guò)表2-2所示的測(cè)試項(xiàng)目表（TSTPT）來(lái)尋找某一項(xiàng)自檢子程序入口， 若檢測(cè)有故障發(fā)生， 便顯示其故障代碼TNUM。 周期性自檢是在測(cè)量間隙進(jìn)行的， 為了不影響儀器的正常工作，

54、 有些自檢項(xiàng)目不宜安排在周期性自檢項(xiàng)目中， 例如顯示器周期性自檢、 鍵盤(pán)周期性自檢、 破壞性RAM周期性自檢等。 而開(kāi)機(jī)自檢和鍵盤(pán)自檢則不存在這個(gè) 問(wèn)題。 表2-2測(cè) 試 項(xiàng) 目 表圖2-4含自檢的智能儀器操作流程圖一個(gè)典型的含有自檢在內(nèi)的智能儀器的操作流程圖如圖2-4所示。 其中， 開(kāi)機(jī)自檢被安排在儀器初始化之前進(jìn)行， 檢測(cè)項(xiàng)目應(yīng)盡量多選。 周期性自檢STEST被安排在兩次測(cè)量循環(huán)之間進(jìn)行， 由于兩次測(cè)量循環(huán)之間的時(shí)間間隙有限， 因此一般每次只插入一項(xiàng)自檢內(nèi)容，多次測(cè)量之后才能完成儀器的全部自檢項(xiàng)目。 可以完成周期性自檢子程序的操作流程圖如圖2-5所示。當(dāng)進(jìn)入STEST自檢程序后， 根據(jù)偏移

55、量（自檢序列號(hào)）TNUM和測(cè)試表格首地址TSTPT找到自檢子程序TSTi， 并進(jìn)入該項(xiàng)自檢操作。 程序中設(shè)置故障標(biāo)志Tfi， 當(dāng)檢測(cè)出有故障時(shí)， 將其置“1”， 并同時(shí)顯示故障代碼； 否則置“0”。 無(wú)論故障發(fā)生與否， 每進(jìn)行一項(xiàng)自檢， 就使TNUM加1， 以便在下一次測(cè)量間隙中進(jìn)行下一項(xiàng)自檢， 直到所有項(xiàng)目檢測(cè)完畢， 將TNUM清零。 圖 2-5周期性自檢子程序操作流程圖 智能儀器的另一個(gè)特點(diǎn)是測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化。 由于智能儀器采用微處理器作為核心控制部件， 因此在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集、 測(cè)量通道的切換、 控制方法的選擇等都能按預(yù)先存儲(chǔ)的程序自動(dòng)地進(jìn)行， 從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量的功能。 2.2

56、自動(dòng)測(cè)量功能 智能儀器通常都含有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、 自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整、 自動(dòng)校準(zhǔn)等功能， 有的儀器還能進(jìn)行自動(dòng)觸發(fā)電平調(diào)節(jié)。 這樣就省去了大量繁瑣的人工調(diào)節(jié)， 同時(shí)也提高了測(cè)試精度。 由于不同儀器的功能及性能差別非常大， 因而測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)化的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合具體儀器來(lái)考慮， 這里僅討論幾種帶有共性的問(wèn)題。2.2.1自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整測(cè)試儀器零點(diǎn)漂移的大小以及零點(diǎn)是否穩(wěn)定是造成測(cè)量誤差的主要原因之一。 智能儀器與常規(guī)儀器一樣， 由于傳感器、 測(cè)量電路、 信號(hào)放大器等輸入通道不可避免地存在著溫度漂移、 時(shí)間漂移等情況， 因而給儀器引入了零位誤差， 這類(lèi)誤差通常屬于系統(tǒng)誤差。消除這種誤差最常用的方法是選擇優(yōu)質(zhì)的輸入放

57、大器和A/D轉(zhuǎn)換器， 但是這種方法的代價(jià)高， 而且效果也是有限的。 因此， 要想通過(guò)硬件來(lái)確保零點(diǎn)穩(wěn)定是非常困難的， 尤其是在環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)合就更不容易做到了。 然而， 智能儀器的自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整功能卻可以較好地解決這一問(wèn)題。 由于廣泛采用了單片機(jī)等智能芯片， 因此智能儀器具有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算能力。 它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)放大器的零點(diǎn)漂移進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整和補(bǔ)償， 這樣， 即使采用由普通的電子器件設(shè)計(jì)的輸入電路， 也可以通過(guò)軟、 硬件結(jié)合的方法達(dá)到很小的零點(diǎn)漂移， 既保證了儀器的測(cè)試精度， 又降低了硬件成本。 圖2-6是一種采用單片機(jī)控制的自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整的電路原理框圖。 首先， 單片機(jī)依據(jù)系統(tǒng)軟件， 通

58、過(guò)輸出端口控制繼電器吸合， 使儀器的輸入端K接地， 啟動(dòng)一次測(cè)量并將測(cè)量值Uos存入智能儀器RAM中的某一指定單元內(nèi)。 這個(gè)Uos值即為儀器的傳感器、 放大器、 A/D轉(zhuǎn)換器等輸入通道所產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移值。接著， 單片機(jī)控制繼電器釋放， 使輸入端K接至被測(cè)電壓Ui， 此時(shí)單片機(jī)從A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端測(cè)得的Uo值實(shí)際上是被測(cè)值Ui與輸入通道零點(diǎn)漂移值Uos之和。 因此， 精確的被測(cè)值Ui應(yīng)根據(jù)下式得到： 所以， 智能儀器在每一次測(cè)量后， 都要用測(cè)量值Uo減去原先存入RAM中的零點(diǎn)漂移值Uos， 從而獲得真正的輸入值Ui。 最后， 將此值作為測(cè)量結(jié)果顯示、 存儲(chǔ)或傳輸， 這樣可以有效地消除儀器輸入通

59、道零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響， 實(shí)現(xiàn)了智能儀器的自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整功能。 圖 2-6自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整的電路原理框圖2.2.2自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換通常， 當(dāng)測(cè)試儀器的測(cè)量范圍很寬， 而傳感器、 顯示器或其他數(shù)字部件的分辨率有限時(shí)， 為了獲得較高的測(cè)量精度， 要求儀器具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換的功能。 智能儀器中自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換的方法主要有以下兩種： （1） 根據(jù)被測(cè)量的大小， 儀器自動(dòng)切換到不同量程的傳感器上運(yùn)行； （2） 在傳感器與單片機(jī)的接口電路中引入可編程增益放大器， 通過(guò)自動(dòng)改變放大器的增益達(dá)到量程切換的目的。 圖2-7是不同量程傳感器切換的原理框圖。 圖中僅以兩個(gè)（也可以是多個(gè)）不同量程的傳感器為例， 說(shuō)明其工作原理。

60、 圖 2-7不同量程傳感器切換的原理框圖假設(shè)1傳感器的最大測(cè)量范圍為M1，2傳感器的最大測(cè)量范圍為M2，且M1M2。 兩個(gè)傳感器的工作均由單片機(jī)控制， 程序設(shè)計(jì)為： 儀器啟動(dòng)后總是1傳感器先接入工作， 2傳感器處于過(guò)載保護(hù)狀態(tài)， 以免因過(guò)載而損壞2傳感器； 然后根據(jù)被測(cè)量的大小， 確定由哪一個(gè)傳感器工作。 圖2-8為不同量程傳感器自動(dòng)切換的程序流程圖。由流程圖可見(jiàn)， 哪一個(gè)傳感器處于正常工作狀態(tài)是根據(jù)標(biāo)志位F0的狀態(tài)來(lái)判別的。 若F0=0， 則1傳感器正常工作， 單片機(jī)調(diào)用相應(yīng)的1傳感器的處理和顯示程序； 若F0=1， 則2傳感器正常工作， 單片機(jī)調(diào)用2傳感器的處理和顯示程序。 圖 2-8不同