2022年智能仪器发展知识 .pdf

智能仪器及其发展趋势1、智能仪器概述智能仪器以微处理器或单片机为核心，具有信息采集、显示、处理、传输以及优化检测与控制等多种功能：有些甚至还具有专家推断、逻辑分析与决策的能力。智能仪器的出现，极大地扩充了常规仪器的应用范围。2、智能仪器的发展趋势2.1 微型化微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。例如，目前要同时测量一个病人的几个不同的参量，并进行某些参量的控制，通常病人的体内要插进几个管子，这增加了病人感染的机会，微型智能仪器能同时测量多参数，而且体积小，可植人人体，使得这些问题得到解决。2.2 多功能化多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上(如准确度)比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。2.3 人工智能化人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉(图形及色彩辨读)、听觉(语音识别及语言领悟)、思维(推理、判断、学习与联想)等方面具有一定的能力。这样，智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。2.4 融合 ISP 和 EMIT 技术，实现仪器仪表系统的Intemet 接入(网络化)伴随着网络技术的飞速发展，Internet 技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet 的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。在系统编程技术(In-System Programming，简称ISP 技术)是对软件进行修改、组态或重组的一种最新技术。它是LATTICE半导体公司首先提出的一种使我们在产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在产品卖给最终用户以后，具有对其器件、电路板或整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组能力的最新技术。ISP 技术消除了传统技术的某些限制和连接弊病，有利于在板设计、制造与编程。ISP 硬件灵活且易于软件修改，便于设计开发。由于ISP 器件可以像任何其他器件一样，在印刷电路板(PCB)上处理，因此编程ISP 器件不需要专门编程器和较复杂的流程，只要通过PC 机，嵌入式系统处理器甚至INTERNET 远程网进行编程。EMIT 嵌人式微型因特网互联技术是emWare 公司创立ETI(eXtend the Internet)扩展 lntemet 联名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 8 页 -盟时提出的，它是一种将单片机等嵌入式设备接入Internet 的技术。利用该技术，能够将8 位和 16位单片机系统接入Iternet，实现基于Internet 的远程数据采集、智能控制、上传/下载数据文件等功能。目前美国ConnectOne 公司、emWare 公司、TASKING公司和国内的P&S 公司等均提供基于Internet 的 Device-Networking的软件、固件(Firmware)和硬件产品。2.5 虚拟仪器成为智能仪器发展的新趋势传统的智能仪器的智能化主要是通过在仪器技术中采用某种计算机技术来实现，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。虚拟仪器采用同一个硬件系统，不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器，具有通用性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益。一台计算机只要配备相应的测量模板或扩展机箱，就可立即成为数字存储示波器、频谱分析仪、数字多用表、通用计数器、函数发生器或GPIB 程控器等等。因此，虚拟仪器将成为智能仪器发展的新趋势。3、智能仪器的组成智能仪器主要由硬件和软件两部分组成。(1)硬件硬件主要包括主机电路、模拟量输入输出通道、人机接口和标准通信接口电路等，智能仪器还可以与PC 机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机PC 机，由 PC 机进行全局管理。(2)软件软件即程序，主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序三大部分。监控程序而向仪器而板和显示器，负责完成如下工作：通过键盘操作，输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数；通过控制I/O 接口电路进行数据采集，对仪器进行预定的设置：对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理：以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果。接口管理程序主要而向通信接口，负责接收并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码，并根据通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果以及向应计算机远程控制命令。数据处理程序主要完成数据的滤波、运算和分析等任务。4、智能仪器的特点(1)测量过程软件化。整个测量过程在软件控制下进行，实现了自动化。(2)数据处理功能强。能够对测量数据进行存储和处理是智能测试系统的主要优点之一。另外，由于智能仪器采用了单片机或微控制器，这使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，用软件非常灵活地加以解决。(3)测量速度快、精度高。测量速度是指系统从测量开始，经过信号放大、整流、滤波、非线性补偿，A/D 转换、数据处理和结果输出的全过程所需的时间，高速测量一直是测试系统追求的目标之一。(4)多功能化。智能仪器具有测量过程软件控制和数据处理功能，这使得机多用成为可能。例如在电力系统使用的智能电力需求分析仪。(5)而板控制简单灵活，人机界而友好。智能仪器使用键盘代替传统仪器中旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，只需键入命令，就可实现各种测量功能。(6)具有可程控操作能力。一般的智能仪器都有GPIB 或 RS232C，USB 等标准通信接口，可以很方便地与计算机联系，接收计算机的命令，使其具有可程控操作的功能。也可以与其他系统起组名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 8 页 -成多功能的自动测试系统，从而完成更复杂的测试任务。这可以简化了组建过程，降低了成本，还提高了效率。看门狗原理看门狗，又叫watchdog timer，是一个 定时器 电路，一般有一个输入，叫喂狗(kicking the dog or service the dog），一个输出到MCU 的 RST 端，MCU 正常工作的时候，每隔一段时间输出一个信号到喂狗端，给WDT 清零，如果超过规定的时间不喂狗，（一般在程序跑飞时），WDT 定时超过，就会给出一个复位信号 到 MCU，使 MCU 复位.防止 MCU 死机.看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。电子电路调试调试包括测试和调整两个方面。所谓电子电路的调试，是以达到电路设计指标为目的而进行的一系列的测量 判断 调整 再测量的反复进行过程。为了使调试顺利进行，设计的电路图上最好标明各点的电位值，相应的波形图以及其它主要数据。调试方法通常采用先分调后联调(总调)。(1)通电观察：通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。(2)静态调试：静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。(3)动态调试：动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。测试过程中不能仅凭感觉或印象，要始终借助仪器观察。使用示波器时，最好把示波器的信号输入方式置于“DC”挡，通过直流耦合方式，可同时观察被测信号的交、直流成分。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标(如信号的幅值、波形形状、相位关系、增益、输入阻抗和输出阻抗、灵敏度等)是否满足设计要求，如必要，再进一步对电路参数提出合理的修正。GPIB 标准接口总线工作原理三线挂钩原理在 GP IB 系统中，每传递一个字节的数据信息，源方（讲者与控者）与受方（听者）之间都要进行一次三线挂钩过程。三条挂钩联络线的定义如下：DAV（DATA VALID）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 8 页 -数据有效线：当数据线上出现有效的数据时，讲者置DAV线为低（负逻辑），示意听者从数据NRFD（NOT READY FOR DATA）数据未就绪线：只要被指定为听者的听者中有一个尚未准备好接收数据，NRFD线就为低，示意NDAC（NOT DATA ACCEPTED）数据未收到线：只要被指定为听者的听者中有一个尚未从数据总线上接收完数据，NDAC就为低，示意讲者暂不要撤掉数据总线上的信息。假定地址已发送，听者和讲者均已受命。三线挂钩过程如下：(1）听者使NRFD呈高电平，表示已做好接收准备，总线上所有听者是“线或”连接至NRFD线上，因此只要有一个听者未做好准备，NRFD就呈低电平。（2）讲者发现 NRFD呈高电平后，就把数据放在DIO 线上，并令DAV为低电平，表示DIO 线（3）听者发现 DAV线呈低电平，就令NRFD 呈低电平，表示准备接收数据。（4）在接收数据的过程中，NDAC 线一直保持低电平，直至每个听者都接收完数据，才上升为高电平。所有听者也是“线或”接到NDAC（5）当讲者检出NDAC 为高，就令DAV为高，表示总线上的数据不再有效。（6）听者检出 DAV为高电平，就令NDAC 再次变为低电平，以准备进行下一个循环过程。GPIB 三线连锁挂钩过程消息拜特传递基本控制规程。在数传过程中某个发送数据的一个SH功能与接收数据器件的一个或多个AH功能之间，通过三条消息传递控制线DAV、NRFD、NDAC 进行通信联系，控制数据在DIO 线上传递，这一过程称为三线挂钩。这种三线连锁挂钩技术之目的在于自动适应测试系统中各种不同器件的数传速度，从而保证消息拜特经DIO 线在互联设备件准确、无误地传递。在三线挂钩过程中，当一切受方都已全部准备妥当时，NRFD线才变为高态（RFD消息为真）；源方收到RFD消息后，才将数据拜特发到DIO线上并通知数据有效（DAV）。受方得知后即着手接收，一直到一切受方都确已接收完毕后，NDAC线才会变高（DAC为真），这时源方才能撤除或更换DIO线上的信息。干扰和噪声1、干扰与噪声干扰：来自信号外部、可以用屏蔽或接地的方法加以减弱或消除的影响。噪声：由于材料或器件内部的原因而产生的污染，无用的，不规则的。2、噪声的来源与特点噪声是来自元器件内部的一种信号污染源。3、干扰的来源和特点干扰窜入仪器的渠道主要有三个：（1）空间电磁场（2）传输通道（3）配电系统特点：来自测试系统外部，因此一般可以通过屏蔽、滤波或电路元器件的合理布局，通过电源线和地线的合理连接，引线的正确走向等措施加以减弱或消除。4、噪声和干扰的区别名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 8 页 -噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其它线路的。两根并排的导线之间会构成分布电容，如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容。空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。硬件的抗干扰技术1、抑制干扰的基本方法消除或抑制噪声源；隔离或减弱噪声耦合途径；提高接收电路对电磁干扰的抵抗能力；采用软件抑制技术。2、抑制干扰的硬件措施总的方针是：屏蔽、接地、滤波、隔离。软件的抗干扰技术常采用措施有：1、指令冗余技术多用单字节指令，在关键的地方插入NOP指令2、软件陷阱技术一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址3、看门狗技术（硬件看门狗、软件看门狗）代替人自动复位，能使CPU从死循环和弹飞状态中进入正常的程序流程。本文是以简易数字直流电压表的设计为研究内容，本系统主要包括三大模块：转换模块、数据处理模块及显示模块。其中，A/D 转换采用ADC0808对输入的模拟信号进行转换，控制核心AT89C51再对转换的结果进行运算处理，最后驱动输出装置LED显示数字电压信号。数字电压表的设计与实现设计要求：1.采用 1 路模拟量输入，能够测量0-5V 之间的直流电压值。2.电压显示用4 位一体的LED数码管显示，至少能够显示两位小数。3.尽量使用较少的元器件。设计思路：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 8 页 -1.要求，选择AT89C51单片机为核心控制器件。2.AD 转换采用 ADC0808实现，与单片机的接口为P1 口和 P2 口的高四位引脚。3.压显示采用4 位一体的LED数码管。4.LED 数码的段码输入,由并行端口P0 产生：位码输入，用并行端口P2低四位产生。设计方案：硬件电路设计由5 部分组成;A/D转换电路，AT89C51单片机系统，LED显示系统、时钟电路、以及测量电压输入电路。硬件电路设计框图如下图所示。图 1 数字电压表系统硬件设计框图硬件设计A/D 转换模块A/D 转换器（ADC）的作用是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。随着超大规模集成电路技术的飞跃发展，现在有很多类型的A/D 转换器芯片，不同的芯片内部结构不一样，转换原理也不仅相同，各种转换芯片根据转换原理可分为：计数型A/D 转换器，逐次逼近型A/D 转换器，双重积分型A/D 转换器，和并行式A/D 转换器等，按转换方法可分为直接A/D 转换器和间接A/D 转换器；按其分辨率分为4-16 位转换器。AT89C52单片机 AT89C52 提供以下标准功能：4KB的 Flash 闪速存储器，128B内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路，同时，AT89C52降至 0Hz 静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM 中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有工作直到下一个硬件复位。AT89V52引脚图中断程序设计时钟电路A/D 转换电路测量电压输入显示系统AT89C52 P1 P2 P2 P0 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 8 页 -ICL7135 每一分钟完成3 次据的采集工作，1/3 秒完成后向CPU申请中断,CPU 这时暂停工作，为中断服务.中断响应后关中断，将PSW、ACC压栈，判断是否首次中断，如果是首次中断，则将正负号标志位置入60H，再把万位置入61H中，如果不是首次中断，则跳到NEXT处，如果是第二次中断，则将千位数置入62H中，如果是第三次中断，再将百位数置入63H中，第四次中断则将十位数置入 64H中，第五次中断则将小数点位置入65H中，同时个位置入66H中。同时清除中断次数寄存器 30H中的值，完成中断后将ACC、PSW 出栈，开中断。时钟电路设计单片机中CPU每执行一条指令，都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行，而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。MCS-51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成震荡器，XTAL1为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器输出端，但形成时钟电路还需附加其他电路1。本设计系统采用内部时钟方式，利用单片机内部的高增益反相放大器，外部电路简，只需要一个晶振和 2 个电容即可，如图所示。电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数，电路中，电容器 C1和 C2对震荡频率有微调作用，通常的取值范围是3010pF，在这个系统中选择了33pF；在本系统中选择的是12MHz，因而时钟信号的震荡频率为12MHz。LED显示器4-LED 显示器引脚如图9 所示，是一个共阴极接法的4位 LED数码显示管，其中a，b，c，e，f，g 为 4 位 LED各段的公共输出端，1、2、3、4 分别是每一位的位数选端，dp 数点引出端，4 位一体 LED数码显示管的内部结构是由4 个单独的 LED组成，每个 LED的段输出引脚在内部都并联后，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 8 页 -引出到器件的外部。4 位 LED引脚LED显示器与单片机接口设计为了简化数字式直流电压表的电路设计，在LED驱动电路的设计上，可以利用单片机P0 口上外接的上拉电阻来实现，即将LED的 A-G 段显示引脚和DP小数点显示引脚并联到P0口与上拉电阻之间，这样，就可以加大P0口作为输出口德驱动能力，使得LED能按照正常的亮度显示出数字LED与单片机接口间的设计总结此设计是单片机应用系统的开发性实验。通过此设计可知在单片机系统开发过程应注意以下事项。1）硬件的选择。选择适合设计目地的元器件是一个重要的方设计环节。不能以元器件是否是最高性能作为选择元器件的标准。往往高性能器件的价格也是较高的。应根据项目设计的需要选择元器件，能够满足设计需要作为标准选择元器件。2）因为单片机系统设计是硬件和软件相结合的设计，所以系统和硬件和软件必须紧密配合，协调一致。应不断调整硬软件设计，以提高系统工作效率。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 8 页 -