智能仪器设计基础第6章方案课件.ppt

概述概述 6.1仪器的自动校准仪器的自动校准 6.2仪器的自动测量仪器的自动测量6.3硬件故障自检硬件故障自检 6.4首首 页页本章内容本章内容第第6 6章章 智能仪器的自动测量智能仪器的自动测量 和自检技术和自检技术 l 重点重点：返 回1. 1. 仪器的自动校准仪器的自动校准3. 3. 硬件故障自检硬件故障自检2. 2. 仪器的自动测量仪器的自动测量6.1 6.1 概述概述 仪器仪表的优劣主要体现在精度和可靠仪器仪表的优劣主要体现在精度和可靠性两个方面。性两个方面。 一方面，传统仪器大多是实时地完成一一方面，传统仪器大多是实时地完成一次性测量，就将测量结果显示或指示出来，次性测量，就将测量结果显示或指示出来，因此测量结果的精度只能取决于仪表硬件部因此测量结果的精度只能取决于仪表硬件部分的精密性和稳定性水平。当该水平低时，分的精密性和稳定性水平。当该水平低时，测量结果将包含较大的误差。测量结果将包含较大的误差。下 页上 页返 回 另一方面，传统仪器不能保证测量的可另一方面，传统仪器不能保证测量的可靠性。所谓测量的可靠性是指仪器的测量工靠性。所谓测量的可靠性是指仪器的测量工作必须在仪器本身完全无故障的情况下进行。作必须在仪器本身完全无故障的情况下进行。传统仪器在其部件有故障时往往也给出测量传统仪器在其部件有故障时往往也给出测量结果的显示值或执行控制动作，并不通知使结果的显示值或执行控制动作，并不通知使用者输出是个错误的结果。用者输出是个错误的结果。6.1 6.1 概述概述 针对以上两个方面的问题，在智能仪器针对以上两个方面的问题，在智能仪器产生之前，人们在提高仪器仪表元器件的稳产生之前，人们在提高仪器仪表元器件的稳定性和可靠性方面付出了巨大的努力，但是定性和可靠性方面付出了巨大的努力，但是并未达到十分理想的期望值，智能仪器的出并未达到十分理想的期望值，智能仪器的出现，使这两个根本性的问题得到了突破性的现，使这两个根本性的问题得到了突破性的解决。智能仪器由于引入了微型计算机，具解决。智能仪器由于引入了微型计算机，具有自动检测及自检功能，极大地提高了仪器有自动检测及自检功能，极大地提高了仪器的准确性，保证了仪器测量的可靠性，因此的准确性，保证了仪器测量的可靠性，因此他比传统的模拟式或数字式仪器仪表具有了他比传统的模拟式或数字式仪器仪表具有了无可比拟的功能优势。无可比拟的功能优势。6.1 6.1 概述概述 仪器仪表测量参数的准确性受到各种因素的影响，仪器仪表测量参数的准确性受到各种因素的影响，使用寿命、温度、湿度和暴露在外部环境的情况及误使用寿命、温度、湿度和暴露在外部环境的情况及误用都会影响测量的准确性。为了保证仪器在预定精度用都会影响测量的准确性。为了保证仪器在预定精度下正常工作，仪器必须定期进行校准。传统仪器校准下正常工作，仪器必须定期进行校准。传统仪器校准是通过对已知标准校准源直接测量，或通过与更高精是通过对已知标准校准源直接测量，或通过与更高精度的同类仪器进行比较测量来实现。度的同类仪器进行比较测量来实现。6.2 6.2 仪器的自动校准仪器的自动校准 通过对已知标准校准源直接测量一般是采用步通过对已知标准校准源直接测量一般是采用步进调节的标准信号源，校准时，信号源的示值作为进调节的标准信号源，校准时，信号源的示值作为真值，与被校准仪器示值的差值即为一仪器的测量真值，与被校准仪器示值的差值即为一仪器的测量误差，由小到大改变标准信号源的输出，可以获得误差，由小到大改变标准信号源的输出，可以获得该仪器在所有测量点上的校准值。该仪器在所有测量点上的校准值。 通过与更高精度的同类仪器进行比较测量一般通过与更高精度的同类仪器进行比较测量一般是采用精度比被校准仪器的精度高一个量级的标准是采用精度比被校准仪器的精度高一个量级的标准仪器，校准时，标准仪器与被校准仪器同时测量信仪器，校准时，标准仪器与被校准仪器同时测量信号源输出的信号，标准仪器的显示值作为被测信号号源输出的信号，标准仪器的显示值作为被测信号的真值，与被校准的仪器显示值得差值为该仪器的的真值，与被校准的仪器显示值得差值为该仪器的测量误差（即校准值），由小到大改变信号源的输测量误差（即校准值），由小到大改变信号源的输出，可以获得该仪器在所有测量点上的校准值。出，可以获得该仪器在所有测量点上的校准值。6.2 6.2 仪器的自动校准仪器的自动校准 两种校准过程在进行校准时，信号源输出的改两种校准过程在进行校准时，信号源输出的改变和被校准仪器功能、量程的设定要靠手工操作，变和被校准仪器功能、量程的设定要靠手工操作，当被校准仪器的测量存在误差时，需要手动调节仪当被校准仪器的测量存在误差时，需要手动调节仪器内部的可调器件（可调电阻、可调电容、可调电器内部的可调器件（可调电阻、可调电容、可调电感等）的参数，使其示值接近标准值。感等）的参数，使其示值接近标准值。 必要时，还需要记录多个测量点上的校准值必要时，还需要记录多个测量点上的校准值并建立误差修正表，测量时再根据修正表对测量结并建立误差修正表，测量时再根据修正表对测量结果进行人工修正。仪器校准后，有时还需要根据检果进行人工修正。仪器校准后，有时还需要根据检定部门给出的误差修正表对测量结果进行修正，如定部门给出的误差修正表对测量结果进行修正，如果仪器的测量值超过了所公布的不确定性，就要调果仪器的测量值超过了所公布的不确定性，就要调整仪器使之符合已公布的规范，使用极为不便。整仪器使之符合已公布的规范，使用极为不便。6.2 6.2 仪器的自动校准仪器的自动校准 智能仪器内含微处理器，可以自动对所得测智能仪器内含微处理器，可以自动对所得测试结果与己知标准值进行比较，将测量的不确定试结果与己知标准值进行比较，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性进行量化，验证测量仪器是否工作在规定的指标范围内。如自动校准时，仪器先对标准电压进标范围内。如自动校准时，仪器先对标准电压进行测量，并将标准量（标准系数）存入行测量，并将标准量（标准系数）存入“标准存标准存储器储器”中，重复测量、存储过程，完成对预定的中，重复测量、存储过程，完成对预定的校正值测量。之后，校正程序可根据需要自动计校正值测量。之后，校正程序可根据需要自动计算每两个标准点之间的插值公式的系数，将这些算每两个标准点之间的插值公式的系数，将这些系数也存入系数也存入“校准存储器校准存储器”，在仪器内部就存储，在仪器内部就存储了一张校正表和内插公式系数表。了一张校正表和内插公式系数表。 6.2 6.2 仪器的自动校准仪器的自动校准本节介绍智能仪器的校准方法：本节介绍智能仪器的校准方法：内部自动校准内部自动校准(interior automatic calibration)外部自动校准外部自动校准(exterior automatic calibration)6.2 6.2 仪器的自动校准仪器的自动校准下 页上 页返 回6.2.16.2.1内部自动校准内部自动校准 内部自动校准技术利用仪器内部的校准源将各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。功能、各量程按工作条件调整到最佳状态。在环境差别较大情况下工作时，内部自动校准实际在环境差别较大情况下工作时，内部自动校准实际上消除了环境因素对测量准确度的影响，补偿工作上消除了环境因素对测量准确度的影响，补偿工作环境的变化、内部校准温度的变化和可能影响测量环境的变化、内部校准温度的变化和可能影响测量的其他因素的变化。内部自动校准不需任何外部设的其他因素的变化。内部自动校准不需任何外部设备和连线，只需按要求启动内部自动校准程序。不备和连线，只需按要求启动内部自动校准程序。不用打开仪器盖就可以改变存储的校准数据。用打开仪器盖就可以改变存储的校准数据。 智能仪器采用内部自动校正技术，可去掉普通智能仪器采用内部自动校正技术，可去掉普通的微调电位器和微调电容，所有的内部调节工作通的微调电位器和微调电容，所有的内部调节工作通过存储的校准数据、可调增益放大器、可变电流源、过存储的校准数据、可调增益放大器、可变电流源、比较器及数模变换器实现。即校准工作可以在控制比较器及数模变换器实现。即校准工作可以在控制器的控制下快速完成，降低费用。器的控制下快速完成，降低费用。 比如在使用示波器时，自动校准通过对环境温比如在使用示波器时，自动校准通过对环境温度和仪器温度的变化进行补偿来实现最佳的示波器度和仪器温度的变化进行补偿来实现最佳的示波器性能，校准数据存储在非易失性存储器中，使用这性能，校准数据存储在非易失性存储器中，使用这些校准数据以及示波器的内部电压和时间校准功能，些校准数据以及示波器的内部电压和时间校准功能，保证示波器总是在其最佳性能下工作。保证示波器总是在其最佳性能下工作。 6.2.16.2.1内部自动校准内部自动校准下 页上 页返 回1输入偏置电流的自动校准输入偏置电流的自动校准 输入放大器是高精度智能仪器仪表的常用部件输入放大器是高精度智能仪器仪表的常用部件之一，应保证仪器的高输入阻抗、低输入偏置电流之一，应保证仪器的高输入阻抗、低输入偏置电流和低漂移性能，否则会给测量带来误差。如图和低漂移性能，否则会给测量带来误差。如图6.1所所示，在仪器输入高端和低端连接一个带有屏蔽的示，在仪器输入高端和低端连接一个带有屏蔽的10M电阻盒，输入偏置电流电阻盒，输入偏置电流Ib在该电阻上产生电压在该电阻上产生电压降，经降，经A/D转换后储存于非易失性校准存储器内，转换后储存于非易失性校准存储器内，作为输入偏置电流的修正值。作为输入偏置电流的修正值。 在正常测量时，微处理器根在正常测量时，微处理器根据修正值选出适当的数字量到据修正值选出适当的数字量到D/A转换器，经输入偏置电流转换器，经输入偏置电流补偿电路产生补偿电流补偿电路产生补偿电流Ib，抵，抵消消Ib，从而消除仪器输入偏置，从而消除仪器输入偏置电流带来的测量误差。电流带来的测量误差。6.2.16.2.1内部自动校准内部自动校准2.2. 零点漂移自动校准零点漂移自动校准 仪器仪表零点漂移是造成零点误差的主要原因仪器仪表零点漂移是造成零点误差的主要原因之一。可以通过选用稳定性高的输入放大器和之一。可以通过选用稳定性高的输入放大器和A/D转换器，从硬件上以消除这种影响，但成本较高，转换器，从硬件上以消除这种影响，但成本较高，且在温度变化较大的场所，该方法不能确保零点的且在温度变化较大的场所，该方法不能确保零点的稳定性。为此利用零点自动校准技术，。进入零点稳定性。为此利用零点自动校准技术，。进入零点校准模式校准时，将智能仪器的输入端接校准源零校准模式校准时，将智能仪器的输入端接校准源零输出（或接地），启动一次测量，并将测量值存入输出（或接地），启动一次测量，并将测量值存入校准存储器，该测量值包含选定功能的某一量程上校准存储器，该测量值包含选定功能的某一量程上前置通道前置通道A和和A/D转换器等模拟部件所产生的零点漂转换器等模拟部件所产生的零点漂移值，接着对被测信号进行正常测量，正常测量值移值，接着对被测信号进行正常测量，正常测量值是实际值与零点漂移值的代数和，只要简单的代数是实际值与零点漂移值的代数和，只要简单的代数运算，就得到了修正后的实际值。运算，就得到了修正后的实际值。 下 页上 页返 回6.2.16.2.1内部自动校准内部自动校准图6.2 零点漂移自动校准原理图6.2.16.2.1内部自动校准内部自动校准3 增益自动校准增益自动校准 在仪器仪表的输入通道中，除了存在零点漂移外，在仪器仪表的输入通道中，除了存在零点漂移外，放大电路的增益误差及器件的不稳定也会影响测放大电路的增益误差及器件的不稳定也会影响测量数据的准确性，因此必须对这些误差进行校准。量数据的准确性，因此必须对这些误差进行校准。增益自动校准的基本思想是在不同功能的不同量增益自动校准的基本思想是在不同功能的不同量程上分别进行增益校准，使之在满刻度范围内都程上分别进行增益校准，使之在满刻度范围内都达到规定的指标。达到规定的指标。下 页上 页返 回6.2.16.2.1内部自动校准内部自动校准 微处理器通过输出口控制使仪器输入端接地，启动一次测量微处理器通过输出口控制使仪器输入端接地，启动一次测量得到测量值得到测量值N N0 0，此值便是仪器衰减器、放大器、，此值便是仪器衰减器、放大器、A AD D转换器等转换器等模拟部件所产生的零位输出值模拟部件所产生的零位输出值N N0 0。 微处理器通过输出口又控制输入接基准电压微处理器通过输出口又控制输入接基准电压V VR R，测得输出数，测得输出数据为据为N NR R，将，将N N0 0、N NR R存入存入RAMRAM的确定单元中；的确定单元中； 使仪器输入端接被测信号使仪器输入端接被测信号V Vx x，此时的测量值为，此时的测量值为N Nx x，则测量结，则测量结果为果为)(00NNNNVVxRRx下 页上 页返 回6.2.16.2.1内部自动校准内部自动校准 外部校准要采用高精度的外部标准。进行外部外部校准要采用高精度的外部标准。进行外部校准期间，板上校准常数要参照外部标准来调整。校准期间，板上校准常数要参照外部标准来调整。 如：一些智能仪器只需操作者按下自动校准的按键，仪如：一些智能仪器只需操作者按下自动校准的按键，仪器显示屏便提示操作者应输入的标准电压，操作者按提示要器显示屏便提示操作者应输入的标准电压，操作者按提示要求将相应标准电压加到输入端之后，再按一次键，仪器就进求将相应标准电压加到输入端之后，再按一次键，仪器就进行一次测量，并将标准量（或标准系数）存入到行一次测量，并将标准量（或标准系数）存入到“校准存储校准存储器器”，然后显示器提示下一个要求输入的标准电压值，再重，然后显示器提示下一个要求输入的标准电压值，再重复上述测量存储过程。当对预定的校正测量完成之后，校准复上述测量存储过程。当对预定的校正测量完成之后，校准程序还能自动计算每两个校准点之间的插值公式的系数，并程序还能自动计算每两个校准点之间的插值公式的系数，并把这些系数也存入把这些系数也存入“校准存储器校准存储器”，这样就在仪器内部固定，这样就在仪器内部固定存储存储 了一张校准表和一张内插公式系数表。在正式测量时，了一张校准表和一张内插公式系数表。在正式测量时，它们将同测量结果一起形成经过修正的准确测量值。它们将同测量结果一起形成经过修正的准确测量值。 下 页上 页返 回6.2.26.2.2外部自动校准外部自动校准6.2.26.2.2外部自动校准外部自动校准 外部校准一旦完成，新的校准常数就被保外部校准一旦完成，新的校准常数就被保存在测量仪器存储器的被保护区域内且用户存在测量仪器存储器的被保护区域内且用户无法取得，这样就保护了由于偶然的调整对无法取得，这样就保护了由于偶然的调整对校准完整性的影响。制造商都应提供相应的校准完整性的影响。制造商都应提供相应的校准流程和在基于计算机的测量仪器装置上校准流程和在基于计算机的测量仪器装置上进行外部校准所必需的校准软件。进行外部校准所必需的校准软件。6.2.26.2.2外部自动校准外部自动校准 目前有提供专门的校准和计量管理软件的公司。目前有提供专门的校准和计量管理软件的公司。 如如FLUKE公司的公司的MET/CAL Plus，可用来实，可用来实现校准设施操作和管理的自动化。能够进行自动现校准设施操作和管理的自动化。能够进行自动化的校准工作，包括对所有各种测试和测量设备化的校准工作，包括对所有各种测试和测量设备进行计算机辅助校准、不开盖校准和闭环校准，进行计算机辅助校准、不开盖校准和闭环校准，其中也包括对射频和微波仪器的校准；生成、编其中也包括对射频和微波仪器的校准；生成、编辑、测试几千种校准程序，并形成相应的文件保辑、测试几千种校准程序，并形成相应的文件保存；计算和报告与国际标准一致的测量不确定度，存；计算和报告与国际标准一致的测量不确定度，从而减少外部校准所需要的时间，极大地方便了从而减少外部校准所需要的时间，极大地方便了各种仪器的校准及管理工作。各种仪器的校准及管理工作。6.2.26.2.2外部自动校准外部自动校准下 页上 页返 回6.3 6.3 仪器的自动测量仪器的自动测量6.3.16.3.1量程自动转换量程自动转换6.6.3.3.1 1量量程程自自动动转转换换1. 采用程控放大器采用程控放大器 程控放大器量程转换原理图程控放大器量程转换原理图 对幅值小的信号采用大增益，对幅值大的采对幅值小的信号采用大增益，对幅值大的采用小增益，使用小增益，使A/D转换器信号满量程达到均一化。转换器信号满量程达到均一化。 下 页上 页返 回当被测信号的幅值变化范围很大时，为了保证测量精度的一致性，可以采用程控放大器。 下面以电压表的自动量程转换为例进行说明。 6.6.3.3.1 1量量程程自自动动转转换换下 页上 页返 回例：某电压表共有例：某电压表共有1V，10V，100V，1000V四个量程，每个量程四个量程，每个量程相差相差10倍，为了能自倍，为了能自动选择合适的量程，动选择合适的量程，在每个量程设置上限在每个量程设置上限（超量程限）和下限（超量程限）和下限（欠量程限）。上限（欠量程限）。上限通常在满刻度值附近通常在满刻度值附近取值，下限一般取上取值，下限一般取上限的限的1/10。 自动量程转换由最大自动量程转换由最大量程开始，逐级比较，量程开始，逐级比较，直至选出最合适的量直至选出最合适的量程为止。这些量程的程为止。这些量程的设定是由设定是由CPU通过特通过特定的输出端口送出量定的输出端口送出量程控制代码至程控放程控制代码至程控放大器的增益控制端来大器的增益控制端来实现的，送出不同的实现的，送出不同的控制代码就可以决定控制代码就可以决定不同的程控放大器增不同的程控放大器增益，使数字电压表处益，使数字电压表处于某一量程上。于某一量程上。6.6.3.3.1 1量量程程自自动动转转换换 程控放大器增益的改变本质上是开关的切换程控放大器增益的改变本质上是开关的切换过程，由于开关从闭合转变为断开，或从断开转过程，由于开关从闭合转变为断开，或从断开转变为闭合有一个短暂的过程，所以在每次改变量变为闭合有一个短暂的过程，所以在每次改变量程之后要安排一定的延迟时间，然后再进行正式程之后要安排一定的延迟时间，然后再进行正式的测量和判断。的测量和判断。 由于量程之间是十进制的关系，为了得到最大由于量程之间是十进制的关系，为了得到最大的测量精度，最佳的测量值的测量精度，最佳的测量值Ux应落在应落在UmUxUm/10之间之间(Um为该量程的满度值为该量程的满度值)，若，若测量值测量值UxMM2 2，设它们的满量程输出是相同的。测量时，总是，设它们的满量程输出是相同的。测量时，总是1 1# #传感器先投入工作，传感器先投入工作，2 2# #处于过载保护状态，待软件判别确认量处于过载保护状态，待软件判别确认量程后，再置标志位，选取量程程后，再置标志位，选取量程M M1 1或或M M2 2。此方案适合传感器价格。此方案适合传感器价格便宜的测量仪器。便宜的测量仪器。下 页上 页返 回6.6.3.3.1 1量量程程自自动动转转换换6.3.2 6.3.2 触发电平自动调节触发电平自动调节 示波器、通用计数器等仪器触发参数的设定是很示波器、通用计数器等仪器触发参数的设定是很重要的，触发参数的调整是使信号在屏幕上能稳定显重要的，触发参数的调整是使信号在屏幕上能稳定显示的前提，其中触发电平用于调节波形的起始显示电示的前提，其中触发电平用于调节波形的起始显示电压值，也即设定显示屏上显示的信号以大于（或小于）压值，也即设定显示屏上显示的信号以大于（或小于）设定的触发电压为起始显示点。一般情况下，触发电设定的触发电压为起始显示点。一般情况下，触发电平应设定在波形的中点。有时为了满足其他测量的要平应设定在波形的中点。有时为了满足其他测量的要求，例如测定波形上升时间（或下降时间）时，需要求，例如测定波形上升时间（或下降时间）时，需要将触发点设定在波形的将触发点设定在波形的10（或（或90）处。过去，要）处。过去，要迅速而准确地自动找到理想的触发点是困难的，然而迅速而准确地自动找到理想的触发点是困难的，然而借助微处理器，并辅以一定硬件支持，就可以很好地借助微处理器，并辅以一定硬件支持，就可以很好地实现这项功能实现这项功能 。 触发电平自动调节的原理如图所示。输入电压信触发电平自动调节的原理如图所示。输入电压信号经过可程控衰减器传输到比较器的反向端，触发电号经过可程控衰减器传输到比较器的反向端，触发电平由微处理器输出与触发电平对应的数字信号设定，平由微处理器输出与触发电平对应的数字信号设定，该信号经该信号经DA转换器转换为模拟量，输入比较器的同转换器转换为模拟量，输入比较器的同相端。当经过衰减器的输入信号的幅度达到该触发电相端。当经过衰减器的输入信号的幅度达到该触发电平时，比较器的输出将改变状态。触发检测器将检测平时，比较器的输出将改变状态。触发检测器将检测到比较器输出状态的变化送到微处理器，触发电平即到比较器输出状态的变化送到微处理器，触发电平即可被测出。可被测出。设某智能仪器的输入电路有设某智能仪器的输入电路有100V、10V、1V三三挡量程。为了实现对触发电平的自动调节，可分挡量程。为了实现对触发电平的自动调节，可分为为“粗调粗调”过程和过程和“微调微调”过程。过程。 “粗调粗调”过程可确定输入波形所在量程。首先编过程可确定输入波形所在量程。首先编程使微处理器通过输出口使程控衰减器置于最高量程程使微处理器通过输出口使程控衰减器置于最高量程100V挡挡(程控衰减器放大倍数为程控衰减器放大倍数为001，即，即0.01)，然，然后，通过向后，通过向DA转换器输送不同的数逐渐调节触发电转换器输送不同的数逐渐调节触发电平，再通过触发检测器检测比较器输出是否翻转，以平，再通过触发检测器检测比较器输出是否翻转，以此来检测输入波形幅度是否存在于此来检测输入波形幅度是否存在于100V量程范围内。量程范围内。如果未检测出，则将衰减器置于如果未检测出，则将衰减器置于10V (01)挡，重挡，重复上述过程。如果还未检测出，就将衰减器降低到复上述过程。如果还未检测出，就将衰减器降低到1V (1)挡，再重复上述过程。挡，再重复上述过程。 “微调微调”过程可准确确定触发电平。输入波形所过程可准确确定触发电平。输入波形所在的量程确定后，微处理器将向在的量程确定后，微处理器将向DA转换器输送较小转换器输送较小间隔的数字量，即以较小的步进值调节触发电平。如间隔的数字量，即以较小的步进值调节触发电平。如微处理器开始以该量程的微处理器开始以该量程的5为一步，步进扫描整个输为一步，步进扫描整个输入量程范围。当探测到触发信号时，若在第三步时入量程范围。当探测到触发信号时，若在第三步时发生第一次触发，则退回到第二步时的电平，再以发生第一次触发，则退回到第二步时的电平，再以125为一步继续进行扫描，直至发生第二次触发为一步继续进行扫描，直至发生第二次触发为止。根据精度需要，重复使用上述方法，可以获得为止。根据精度需要，重复使用上述方法，可以获得更好的分辨率，得到最佳触发电平值，最后微处理器更好的分辨率，得到最佳触发电平值，最后微处理器通过通过DA转换器将通道置于该电平上。转换器将通道置于该电平上。6.3.2 6.3.2 触发电平自动调节触发电平自动调节6.4 6.4 硬件故障检测硬件故障检测 随着技术和工艺的发展，组成智能仪器系统的每随着技术和工艺的发展，组成智能仪器系统的每一个器件都具有高度的可靠性和稳定性，但由于运作一个器件都具有高度的可靠性和稳定性，但由于运作环境的多样性，要做到长期运行不发生任何故障几乎环境的多样性，要做到长期运行不发生任何故障几乎是不可能的，即使是集中了最先进技术的仪器设备也是不可能的，即使是集中了最先进技术的仪器设备也不可能做到万无一失。一台仪器的故障或者损坏有可不可能做到万无一失。一台仪器的故障或者损坏有可能影响整个控制系统的运行，甚至会危及有关的生产能影响整个控制系统的运行，甚至会危及有关的生产设备和人身安全，可谓事关重大。为了提高系统的可设备和人身安全，可谓事关重大。为了提高系统的可靠性，降低故障率，需要对系统本身的运行状态进行靠性，降低故障率，需要对系统本身的运行状态进行监督和检查，以保证系统的安全和可靠运行。监督和检查，以保证系统的安全和可靠运行。 所谓自检就是自动开始或人为触发开始执行事先所谓自检就是自动开始或人为触发开始执行事先编制好的检测程序的自我检验过程，能对系统出现的编制好的检测程序的自我检验过程，能对系统出现的软硬件故障进行自动检测，并且给出相应指示。智能软硬件故障进行自动检测，并且给出相应指示。智能仪器如果发生了故障，需要能自动进行故障的检测和仪器如果发生了故障，需要能自动进行故障的检测和诊断，并提醒操作人员注意，将影响降低到最低限度，诊断，并提醒操作人员注意，将影响降低到最低限度，以保证整个系统的安全和可靠运行。以保证整个系统的安全和可靠运行。 常见的自检有开机自检、周期性自检和键控自检常见的自检有开机自检、周期性自检和键控自检3种方式。在自检过程中，当检查到系统已出现的某种种方式。在自检过程中，当检查到系统已出现的某种故障时，一般都采用系统本身的数字显示器，给出某故障时，一般都采用系统本身的数字显示器，给出某种代码指示，同时伴随着灯光闪烁或声响报警信号。种代码指示，同时伴随着灯光闪烁或声响报警信号。操作人员可根据代码信号查找故障类型，并提供故障操作人员可根据代码信号查找故障类型，并提供故障发生的位置。自检功能主要依靠软件完成，力求最大发生的位置。自检功能主要依靠软件完成，力求最大限度地利用被检测仪器本身能提供的信号、电路等现限度地利用被检测仪器本身能提供的信号、电路等现有条件，从而使仪器能够简单而又方便地进行自检。有条件，从而使仪器能够简单而又方便地进行自检。6.4 6.4 硬件故障检测硬件故障检测1 1开机自检开机自检 当仪器接通电源或复位后，仪器进行一次自检，在以当仪器接通电源或复位后，仪器进行一次自检，在以后的测控过程中不再进行。后的测控过程中不再进行。2 2周期性自检周期性自检 大多数智能仪器在运行过程中，要不断地、周期性大多数智能仪器在运行过程中，要不断地、周期性地插入自检操作。这种自检完全是自动进行的，并且是地插入自检操作。这种自检完全是自动进行的，并且是在测量工作的间歇期间完成的，不干扰正常测控任务在测量工作的间歇期间完成的，不干扰正常测控任务。3 3键控自检键控自检 有些仪器是在面板上设置一个自检按键，由操作者控有些仪器是在面板上设置一个自检按键，由操作者控制用来启动自检程序。制用来启动自检程序。下 页上 页返 回6.4 6.4 硬件故障检测硬件故障检测 （1 1） 当程序投运之前，检查其能否正确写入和当程序投运之前，检查其能否正确写入和读出数据。一般先将检查字读出数据。一般先将检查字“AAHAAH”写入写入RAMRAM单元，然单元，然后按所写的单元地址逐字节读出，检查是否全为后按所写的单元地址逐字节读出，检查是否全为“AAHAAH”；再写入检查字；再写入检查字“55H55H”，同样以所写单元地址，同样以所写单元地址逐字节读出，检查是否全为逐字节读出，检查是否全为“55 H55 H”。检查字。检查字“AAHAAH”和和“55H55H”均为相邻位电平相反，且均为相邻位电平相反，且“AAHAAH”和和“55H55H”互互为反码。循环一遍即可实现各位写为反码。循环一遍即可实现各位写“0 0”、读、读“0 0”和写和写“1 1”、读、读“1 1”的操作。的操作。6.4.1 RAM6.4.1 RAM的自检的自检下 页上 页返 回 任何时候任何时候RAMRAM都应该能进行正常的读都应该能进行正常的读/ /写操作，写操作，就其读就其读/ /写的内容来讲，应该为写的内容来讲，应该为“0 0”或或“1 1”，每个字，每个字节的每一位都应有此基本要求。节的每一位都应有此基本要求。 RAMRAM的自检流程一的自检流程一下 页上 页返 回6.4.1 RAM6.4.1 RAM的自检的自检 （2 2）当程序投运之后，作为数据区的）当程序投运之后，作为数据区的RAMRAM已已存放有一定的信息，检查程序绝对不能破坏原有存放有一定的信息，检查程序绝对不能破坏原有的内容，因此上述方法已不再适用。的内容，因此上述方法已不再适用。 可采用可采用“异或异或 的办法进行检查，即先从的办法进行检查，即先从被检查的被检查的RAMRAM单元中读出信息，求反后再与原单元中读出信息，求反后再与原单元内容进行一次异或运算，若其结果为全单元内容进行一次异或运算，若其结果为全“1 1”，表，表明该单元工作正常，否则应给出错误指示。明该单元工作正常，否则应给出错误指示。 下 页上 页返 回6.4.1 RAM6.4.1 RAM的自检的自检下 页上 页返 回RAMRAM的自检流程一的自检流程一6.4.1 RAM6.4.1 RAM的自检的自检 将调试好的程序向将调试好的程序向ROMROM中固化时，保留一个中固化时，保留一个单元单元( (一般是程序结束后一般是程序结束后的后继单元的后继单元) )不写程序而不写程序而写入检验字。校验字的状写入检验字。校验字的状态应使态应使ROMROM中每一列具有中每一列具有奇数奇数( (或偶数或偶数) )个个1 1，从而，从而使校验和为全使校验和为全“1 1”( (或全或全“0 0”) )。 ROMROM地址地址ROMROM中内容中内容备注备注0 01111111011111110 1 11100011011000110 2 21010101010101010 3 30111111001111110 4 40101010101010101 5 51000110110001101 6 60000000000000000 7 71100101111001011校验字校验字 1111111111111111校验和校验和设计思想设计思想: :ROMROM自检数据自检数据下 页上 页返 回6.4.2 ROM6.4.2 ROM的自检的自检ROMROM的自检流程的自检流程下 页上 页返 回6.4.2 ROM6.4.2 ROM的自检的自检6.4.3 6.4.3 键盘与显示器的自检键盘与显示器的自检 键盘、显示器等属于数字键盘、显示器等属于数字I/0设备，如果每个设备，如果每个I/0都要求自诊断，那么系统硬件都要求自诊断，那么系统硬件I/O资源将被耗空，因资源将被耗空，因此键盘、显示器等设备的诊断往往采用与操作者合此键盘、显示器等设备的诊断往往采用与操作者合作的方式进行。诊断程序进行一系列预定的作的方式进行。诊断程序进行一系列预定的I/O操作，操作，操作者对这些操作者对这些I/O操作的结果进行验证，如果一切都操作的结果进行验证，如果一切都与预定的结果一致，则认为功能正常。如果不能完与预定的结果一致，则认为功能正常。如果不能完成某些预定的成某些预定的I/O操作或有差错，则应对有关的操作或有差错，则应对有关的I/O通道进行检修。通道进行检修。 下 页上 页返 回 CPUCPU每取得一个按键闭合的信号，就反馈一个每取得一个按键闭合的信号，就反馈一个信息（最常用的反馈信息是声光输出），如果反馈信息（最常用的反馈信息是声光输出），如果反馈信息与预先设定的一致，就认为功能正常。信息与预先设定的一致，就认为功能正常。 如果按下某键无反馈信息，往往是该键接触如果按下某键无反馈信息，往往是该键接触不良；不良； 如果按某一排键均无反馈信号，则与对应的如果按某一排键均无反馈信号，则与对应的电路或扫描信号有关；电路或扫描信号有关； 如果所有键均无反馈信息，则键盘扫描系统如果所有键均无反馈信息，则键盘扫描系统已经瘫痪或者监控程序已被破坏。已经瘫痪或者监控程序已被破坏。键盘的自检键盘的自检下 页上 页返 回6.4.3 6.4.3 键盘与显示器的自检键盘与显示器的自检显示装置的检查显示装置的检查方式一：方式一：让显示器的所有字段让显示器的所有字段都发光，然后再使所有字段都都发光，然后再使所有字段都不发光，以检查显示器及相应不发光，以检查显示器及相应接口电路是否处于正常工作状接口电路是否处于正常工作状态。当表明工作正常之后，按态。当表明工作正常之后，按下任何一个按键均应脱离初始下任何一个按键均应脱离初始自检方式，给出正常的工作符自检方式，给出正常的工作符号或状态号或状态；下 页上 页返 回方式二：方式二：显示某些特征字符，一般是控制系统的名显示某些特征字符，一般是控制系统的名称或代号，持续一段时间自动消失，进入其它初态称或代号，持续一段时间自动消失，进入其它初态或某种操作状态。或某种操作状态。 6.4.46.4.4输入通道的自检输入通道的自检v模拟输入通道自检常采用直接参数判断法模拟输入通道自检常采用直接参数判断法,即根即根据模拟量采样值的大小据模拟量采样值的大小(取极限值取极限值)来判断模拟量输来判断模拟量输入通道是否正常，因此，模拟量输入通道的自检应入通道是否正常，因此，模拟量输入通道的自检应包括检测元件、变送器、包括检测元件、变送器、ADC转换电路及其接口转换电路及其接口电路。电路。 下 页上 页返 回v目前电流输出型变送器有目前电流输出型变送器有3 种信号标准：种信号标准：010 mA，020 mA，420 mA，分别串联，分别串联500，250，250精密电阻将其转换成精密电阻将其转换成05V，15V的的电压信号与电压信号与AD相连接。相连接。1 1、变送器部分的自检、变送器部分的自检下 页上 页返 回v开路开路故障故障，V Vinin为为0 V0 V，此时此时ADCADC转换的数字量为转换的数字量为最小最小( (通常为零通常为零) )。 v短路故障，短路故障，Vin为为24V，此时此时ADC 转换的数字量转换的数字量为满量程为满量程(即数字量最大即数字量最大)；6.4.46.4.4输入通道的自检输入通道的自检下 页上 页返 回 将参考电源接至将参考电源接至A/DA/D转换器的输入端，启动转换器的输入端，启动测量，将此次采样结果再同测量，将此次采样结果再同ROMROM中的预定值加以中的预定值加以比较，若误差在许可范围内，则比较，若误差在许可范围内，则ADAD转换器正常，转换器正常，否则可以判定否则可以判定ADAD转换器出现故障。也可在自校正转换器出现故障。也可在自校正的同时判断的同时判断ADCADC状态。状态。2.ADC2.ADC部分的自检部分的自检6.4.46.4.4输入通道的自检输入通道的自检下 页上 页返 回为防止瞬间脉冲干扰，为防止瞬间脉冲干扰，设计数单元设计数单元N N ，每当超，每当超限条件满足时计数单元限条件满足时计数单元加加1 1，否则清计数器，否则清计数器，当计数器累计到当计数器累计到N N 次时次时给出故障信息。一般给出故障信息。一般N N 取取4 4，因连续发生，因连续发生4 4次脉次脉冲干扰的可能性极小。冲干扰的可能性极小。上限值上限值EmaxEmax取取ADCADC转换转换的最大值或略小；下限的最大值或略小；下限值值EminEmin取取ADC ADC 转换的最转换的最小值或略大。小值或略大。 3 3、模拟输入通道的自检、模拟输入通道的自检6.4.46.4.4输入通道的自检输入通道的自检6.4.56.4.5、输出通道的自检、输出通道的自检 D/A D/A转换器是输出通道的重要部件，转换器是输出通道的重要部件，D/AD/A转换转换器的自检常与器的自检常与A/DA/D转换器配合进行。自检时，可转换器配合进行。自检时，可由微处理器输出扫描电压信号（锯齿波）对应的由微处理器输出扫描电压信号（锯齿波）对应的数字量（预定值），该数字量输入数字量（预定值），该数字量输入D/AD/A转换器，转换器，经经D/AD/A转换后的模拟量再经转换后的模拟量再经A/DA/D转换后进入微处理转换后进入微处理器，微处理器判断转换结果与机内预定值比较，器，微处理器判断转换