第01-08讲第一二章

1第01讲课程简介一.教材《智能仪器原理及应用》曹建平主编西安电子科大版2004.8第1版二.参考书1.《智能仪器设计基础》赵新民主编哈工大版1999.7第1版2.《MCS-51单片机应用系统设计》何立民编著北航版1990.1第1版3.《单片微型机原理、应用与实验》张友德等编复旦大学版2000.11第3版4.《检测与转换技术》常健生编吉林工大版1989.6第1版5.《集成电路原理及应用》谭博学主编电子工业版2003.9三.如何学好该课程1.培养兴趣。有兴趣→主动付出→不觉累→收获多无兴趣→不愿付出→累累累→无收获2.正确的学习方法⑴.自学（预习）→找出问题→思考→参考书⑵.课堂认真听讲→课后复习→讨论解决问题→作业⑶.重视理论联系实际，认真对待课程设计。目的明确；准备充分；为毕业设计打好基础。五.该课程在学科中的地位地位：电子专业的专业主干课程前期：《单片微型计算机》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电子测量》后续：毕业设计第一章导论本章重点：①.智能仪器的发展过程、现状及未来的发展趋势；②.智能仪器的组成原理、基本结构及主要性能特点；③.本课程学习的主要目标、内容及要求，为课程的学习做好准备。1.1智能仪器概述通过本节的学习，要求达到以下教学目的：2①.了解智能仪器的发展过程、现状及未来的发展趋势；②.掌握智能仪器的组成及主要功能和特点。a.智能仪器：智能仪器是计算机技术与电子测量技术有机结合的新一代电子测量仪器。b.与传统仪器的区别：传统仪器使将大量分立元件、中小规模集成电路用硬接线的方式构成，电路一旦定型，功能即确定。智能仪器是硬件和软件相结合的设计，很多功能是由软件实现的。所以，设计、制造、升级、扩充功能较容易，另外，由于其智能化、快速、准确、便于测控，故应用越来越广泛。1.1.1电子仪器的发展概况一.第一代，模拟式（指针式）电子仪器：被测和处理的信号均为模拟信号。如各种指针式电测仪表就是典型的模拟式仪器。特点：体积大、功能简单、精度低、响应速度慢。二.第二代，数字式电子仪器：基本工作原理是将模拟信号转换成数字信号并进行测量。如数字电压表、数字频率计等。特点：精度高、速度快、读数清晰直观。其测量结果可数显或打印，数字信号便于远传，故适用于遥测遥控。三.第三代，智能型仪器：是传统电子仪器与计算机、通信、微电子、数字信号处理、人工智能等新兴技术相结合的产物。主要特征是其内部含有微处理器。具有数据存储、运算和逻辑判断能力（具备一定的智能）。故称为智能仪器。由于单片机具有体积小、功耗低、功能强、价格低等特点，故本课程重点介绍以应用广泛的MCS-51单片机为核心构成的智能仪器。1.1.2智能仪器的基本组成（结合P3图1-1讲解）一.硬件部分：主要由单片机、模拟量（开关量）I/O通道、人-机联系部件及接口电路、数据通信接口等组成（简介各部件在系统中的作用）。三.软件部分：主要由监控程序和接口管理程序两部分组成。1.监控程序包括：⑴.对键盘、显示器的管理。⑵.通过控制I/O接口对数据进行采集。⑶.对所测试和记录的数据与状态进行的各种处理。⑷.显示（或打印）各种状态信息以及测量数据的处理结果。2.接口管理程序：主要作用是通过通信接口接收并分析来自通信总线的各种信息、3操作方式与工作参数的程控操作码，并输出仪器现行的工作状态及测量数据的处理结果。3.智能仪器的工作过程：（以电子称为例简介信号的传输过程和数据处理过程）第02讲1.1.3智能仪器的主要功能和特点（与传统仪器相比）由于单片机的使用，使仪器对测量过程的控制和对测试数据、结果的处理产生了根本性的改变。使智能仪器具备以下功能特点1.具有友好的人--机对话功能。2.自动校正零点、满度和切换量程。3.多点快速检测。4.自动修正各类测量误差。5.数字滤波（抗干扰）。6.数据处理（统计分析、查找排序、标度变换、函数逼近和频谱分析等）。7.各种控制规律（可实现PID及各种复杂的控制规律）。8.自诊断和故障监控。9.掉电保护。10.数据通信与多种输出形式。1.1.4智能仪器的发展趋势1.微型化（如巡航导弹控制部、植入病人体内的多参量测量仪等）2.多功能化（如数字任意波形发生器、人体生命特征测量仪等）3.人工智能化（视觉、听觉、思维等）4.部分结构虚拟化（如由PC机的软件生成虚拟仪器的面板等---软件就是仪器）5.通信与控制网络化作业:P101、2、3、5第03讲1.2智能仪器应用实例简介通过本节的学习，要求学生进一步明确智能仪器的发展经历、组成结构和工作4原理，以及与传统仪器的主要区别。1.2.1传统电话遥控的基本原理（结合P7图1-2讲解）一.组成：电话遥控接收控制器的基本结构如图1-2所示。（结合图做简介）二.工作原理：（拨号）→振铃次数计数→达到设定次数接通译码电路→（输入开、关家电的密码）→密码正确？→正确时开、关相应家电，错误时挂机。三.存在的问题：人们已不满足于简单的开、关家电，希望还能了解家电的工作状况，如空调的温度；防火、防盗的自动监控、异常情况的自动转移报警等。即希望电话遥控器智能化、多功能化。此时用分立元件和集成电路已经很难实现。（随着功能的增加，密码增加，译码电路非常复杂、庞大）1.2.2智能型电话遥控器一.电路结构：见P8图1-3所示（对硬件组成做简要介绍）。二.工作原理：1.遥控：检测振铃信号并计数、检测提机信号→达设定次数后模拟摘机并发出输入密码提示音→（输入密码）→接收密码并由软件分析处理→密码正确执行相应操作，密码错误立即挂机。2.报警：当检测到出现异常情况（火灾、非法侵入、电器故障等）→产生中断请求→发送相应信息到指定电话（或同时发送到110、119），并可执行相应的现场处理（如喷水、声光报警、切断电源等）。3.防盗打：（删）本系统只要稍加改动（往往是只需改动软件或同时对硬件做少量变动），即可用于其他领域（如配电无人值班系统、安保与消防监控系统等）1.3本课程的内容、教学目标及要求（自学、很重要）第二章智能仪器典型处理功能及实现方法本章重点：①.智能仪器常见故障的自检原理及其实现方法；②.智能仪器的各种自动测量功能及其实现方法；③.智能仪器中典型的误差类型、引起误差的原因及其处理方法；④.智能仪器典型的数字滤波技术及其实现方法。52.1智能仪器故障的自检通过本节的学习，要求达到以下教学目的：①了解自检原理、自检方式的种类及特点；②掌握常见的检测项目和常用的检测方法。概述1.自检的必要性和目的：⑴.仪器的故障会影响整个系统的正常工作，甚至危及人身安全及设备安全；⑵.任何仪器设备长期运行不发生任何故障几乎是不可能的；⑶.系统构成越来越复杂，人工检查费时耗力甚至是不可能的（如卫星、有毒有害等人们无法到达的环境）。⑷.自检是为了及时、自动地对仪器的故障进行监测和诊断。2.自检的内容：通常包括：面板键盘、显示器、存储器（ROM、RAM）、I/O通道、接插件和总线等。3.自检的基本原理与方法：自检实质上是配合硬件运行一段指专门编制并存放在程序存储器中的自检程序，对仪器的主要部件（或测试点）进行自动检测。自检程序将这些测试点的当前测试值与存放在ROM中的正常值进行比较，若两者相等或在允许误差范围之内，则显示OK；否则，给出故障信息（声、光）并显示故障代码（如ErrorX），便于维护人员及时发现并确定故障部位。自检主要由软件完成。第04讲2.1.1自检方式的种类及特点一.开机自检：在仪器开机或复位之后进行的自检。主要检查显示器、接差件、ROM、RAM等。正常则进入正常测量程序；发现故障则报警并显示故障代码，以提醒用户。开机自检是仪器正式运行前的全面检查，检查项目要尽可能全面。二.周期性自检：为确保仪器始终处于正常工作状态，应使用周期性自检。周期性自检是将自检分成若干项，程序设计时安插在每次测量的间隙进行一项自检，经若干次测量后便可完成全部自检，周而复始。由于每个自检项目耗时极短，且安插在每次测量的间隙，不影响仪器的正常工作，也不为操作人员所觉察。三.键控自检：面板上设置“自检”键，需要时按下该键，进入相应自检程序进行6自检。是一种人工干预的自检方式。（注意：不应破坏有用的正常数据与状态）2.1.2自检的方法实际的智能仪器种类很多，需要自检的项目也各不相同，在此仅介绍一些常见的检测项目和常用的检测方法一.ROM的检测ROM使用来存放仪器的控制程序的，不允许出任何故障，故ROM对的检测至关重要。一般采用“校验和”的方法，具体做法是：在将仪器程序机器码写入ROM时，保留一个单元并将其写入“校验字”，校验字应能满足ROM中所有单元的每一列都具有奇数个“1”。自检程序对每一列进行异或运算，若ROM无故障，各列的运算结果应都是“1”，即校验和等于FFH。校验和算法示意见表2-1。理论上，此方法不能发现同一列上的偶数个错误，但此种错误出现的概率极小，可不予考虑。若要考虑，则需采用更复杂的校验算法。二.RAM的检测RAM是用来暂存各种数据的。其正常与否，可通过检验其“读写功能”的有效性来体现。通常可用特征字55H和AAH对每一个RAM单元进行“先写后读”的操作，读出的特征字应与写入的特征字相等，否则RAM有错。流程见图2-1。注意：上述检测方法将破坏RAM中的数据，故只能用于开机自检。（若RAM中已有数据且需要检测，常用“异或法”检测，即先把被检测单元m的内容保护暂存于另一无用单元n，然后对m内容取反后存入m，再读出并与n的数据进行异或运算，结果为FFH时，表明被检测单元读写功能正常。否则表明该单元有故障。最后别忘了恢复m中的数据）三.总线的自检（自学，了解。随着单片机功能的增强，总线扩展应用会越来越少）四.显示器与键盘自检智能仪器的显示器与键盘等设备的检测一般采用与操作者合作的方式进行。1.显示器：智能仪器大多使用LED或LCD显示器，自检方式一般有两种：⑴.让显示器显示“88…8”和全部熄灭交替显示，几秒钟后自动进入其他操作。⑵.让显示器显示“88…8”，操作人员只要按任意键，显示器全部熄灭片刻，然后自动进入其他操作。2.键盘：单片机每取的一个按键闭合信号就反馈一个信息（声音或数码显示），当按下某键无反馈信息，表明该键有故障。7五.输入输出通道的自诊断1.数据采集通道的自诊断：智能仪器的数据采集通道一般由多路模拟开关、放大器、采样保持器、A/D转换器等构成，见P15图2-3。自诊断时，在模拟开关的一个通道接一个已知的标准电压，使系统对该电压进行A/D转换。若转换结果与预定值相符，则通道正常；若有少许偏差，表明通道发生漂移；若偏差过大，则判断为故障。2.模拟量输出通道的自诊断：模拟量输出通道自诊断的目的是为了确保模拟量输出（D/A输出）的准确性。判断模拟量是否准确，必须将其转换为数字量后计算机才能进行判断，故离不开数据采集环节。可采用图2-3的方案，调整RW使A/D、D/A环路的增益为1，则计算机送给D/A的数据与经过D/A和A/D通道转换得到的数据应相等。此自诊断必须在数据采集通道工作正常的情况下才能进行。六.接插件的自检智能仪器一般都具有可组合性和功能扩展能力，这就需要各种通用或专用功能模板，又由于结构设计的需要，往往一个系统要由多块电路板组成，其间的连线常采用插件形式，且接插脚很多，故对插件板进行检测非常重要。1.检查插件板是否插入可利用检测系统内单片机与插件之间的应答信号是否出现来判断插件是否已经插入（例如，将插座n脚接上拉电阻，插件板n号引脚接地，板未插入时，n脚为高电平，插入时，n脚为低电平，自检程序中只需安排一条检测n脚电平的指令，即可确定插件板是否插入）。发现未插入，停机报警，等待操作者处理。2.检查插件板工作状态是否正常此项自检较复杂，常采用模拟方法进行，实际系统中要运用故障诊断学理论，并配备专用的设备和诊断程序。作业：P381、2、3第05讲2.1.3自检软件的结构及特点一.自检种类的选择：智能仪器一般都设置开机自检和键控自检功能，对主要部件都要自检。需要时还可设置周期性自检，显示器、键盘、ROM、RAM不易安排在周期性自检中。二.子程序化：智能