第17-24讲第四章

29第17讲3.2.3VXI总线（简介）一.发展简介：VME总线是Motorola公司1981年针对32位微处理器68000而开发的微机总线。VXI总线是VEM总线标准在智能仪器领域的扩展，由HP等5个测试仪器公司于1987年联合推荐，是当前仪器系统中得到广泛应用和发展的一种并行总线标准。其数据速率高达40Mb/s。二.构思：其基本构思是将每一种仪器制成一块标准尺寸的电路板（共有四种大小不同的标准尺寸），称之为卡式仪器，组成自动测试系统时，根据系统功能要求选定若干卡式仪器并将其安装在同一个机箱中，并挂接在机箱背板的高速VXI总线上。即可方便的构成不同用途和规模的VXI总线仪器系统。相当于在一个机箱内集成了整个GP-IB仪器系统。这些卡式仪器可以独立工作，也可与系统内的其它仪器交换数据，还可通过背板总线进入远程状态，与系统外的设备交换数据。三.技术特点概述：1.定义了四种模板尺寸。（10*16cm2、23.3*16cm2、23.3*34cm2、36.7*34cm2）2.定义了模板与底板总线插接的3个96针连接器标准（数量众多、功能强大）。3.每个VXI总线仪器系统最多可容纳256个装置（装置---讲者、听者、控者），每个装置都有唯一的地址编码。可单槽单装置、一槽多装置、多槽一装置。4.建立在IEEE-488.2基础上的可编程仪器标准命令SPCI，创造了一个从程控仪器标准命令、仪器之间信息交换到系统操作运行高度统一的软件环境。5.当一个机箱不能容纳所有的卡式仪器时，可利用总线扩展器将主机箱与扩展机箱连接起来，以构成完整的VXI总线仪器系统。6.可通过不同的接口与多种计算机连接，可充分利用各种通用软件、操作系统、高级语言和软件工具等。使软件编程更简便。四.应用特点及适用领域：1.信息吞吐量达，传输速率高达40Mb/s2.配置灵活，系统研发周期短、成本低。3.结构紧凑、仪器体积小。4.可通过转换模块方便的连接其他总线系统（如GP-IB、RS-232C、RS-485等）5.适用于实验室仪器系统和非大批量仪器系统的研发。303.3USB总线技术通过本节的学习，要求学生掌握USB总线的主要特征。一.什么是USB总线：USB即通用串行总线。它是一种电缆总线，是在传统计算机组织结构的基础上，引入了网络的某些技术，支持主机与各种“即插即用”外部设备之间的数据传输。多个设备按协议规定分享USB带宽，在主机和总线上的设备运行中，仍允许添加或拆除外设。二.USB总线的主要特征：1.用户易用性。连接头采用单一模型，电气特性与用户无关，提供了动态连接、动态识别等特性。2.应用的广泛性。传输速率几kb/s～100Mb/s。可同时对127个总线设备进行操作，并在一根电缆上支持同步、异步两种传输模式。3.使用的灵活性。USB总线允许对设备缓冲区大小进行选择，并通过设定缓冲区的大小和执行时间，支持各种数据传输速率和不同大小的数据包。4.容错性强。USB总线在协议中规定了出错处理和差错校正的机制，可以对有缺陷的设备进行认定，对错误的数据进行校正或报告。5.即插即用的结构体系。USB总线具有简单而完善的协议，与现有操作系统相适应，不会产生任何冲突。6.性价比较高。具有优秀的特性和低廉的价格。三.应用：目前，USB总线技术应用日益广泛，各种PC计算机和移动式智能设备普遍配备了USB总线接口，出现了大量的USB外设。随着USB接口芯片的普及，在智能仪器中装备USB总线接口，既可以使其方便地连入USB系统，提高智能仪器的数据通信能力，又可使智能仪器选用各种USB外设，增强仪器的功能。教材上P58～P61对USB总线、总线协议、数据流、容错、系统设置等进行了简要地介绍，有兴趣的同学可阅读或参考其他资料，教学上不做进一步的要求。第18讲第四章智能型温度测量仪本章重点：①.智能型温度测量仪的测量原理以及仪表的基本功能；31②.智能型温度测量仪的电路结构以及各主要功能部件的电路原理；③.智能温测仪的软件结构和各功能软件的作用，仪表误差处理的方法；概述：1.智能化测量仪具有精度高、灵敏度高、测量速度快、测量的自动化以及多种输出形式等一系列优点，受到科研、工业界的普遍欢迎。2.热工测量（温度、压力、流量等）正越来越广泛地采用智能化测量仪；3.智能型温度测量仪一般直接配接热电偶或热电阻等温度传感器，由于温度传感器本身的非线性，故仪器内部需增加进行非线性补偿的电路或软件。4.智能压力、流量显示仪，一般配接变送器（传感器和变送电路一体化的产品），这类传感器的输出信号为0～10mA或4～20mA的直流标准信号（线性很好）。不需进行非线性补偿，仪表的软、硬件组成较简单。4.1智能型温度测量仪的原理通过本节的学习，要求学生了解智能型温度测量仪的测量原理及仪表的基本功能。智能温度测量仪是一种将温度传感器变换所得的模拟量转换为数字量，通过单片机等智能芯片进行数据处理、运算等，并以数字形式显示测量结果或控制其它装置的智能化仪表。4.1.1智能型温度测量仪的基本功能1.自动零点调整和满度校正。（减小测量误差）2.自动修正各类测量误差。（如热电偶的冷端补偿和非线性补偿）3.数据的处理和通信。（如对测量的温度信息进行整理加工、统计分析、数字滤波等；实现各种自动控制；与其他仪器或微机进行数据通信，构成测控系统等）4.多种输出形式（数字显示、打印、声光报警）。还可以多点巡回检测。5.自诊断（自检）和断电保护。4.1.2智能型温度测量仪的基本结构与工作流程一.硬件结构参照P65图4-1对其硬件组成以及各个主要部件的功能作简要介绍。二.系统软件1.监控程序：接收和分析各种指令，管理和协调整个系统各程序的执行。2.中断处理程序：用于人-机联系或产生中断请求后及时完成实时处理任务。323.实现各种算法的功能模块：实现仪器的数据处理和各种控制功能。三.工作流程（注意：不是程序流程图）智能温度测量仪的工作流程如图4-2所示。结合此图，简要介绍智能温度测量仪的工作流程。注意：教材上P66图4-2中的“重复上述工作”应回到哪里去？（应回到A/D转换之前，输入信号处理是连续的）注意强调：整机工作过程是在系统软件的控制下进行的，明确工作流程是编写系统软件的前提！作业：P629、P901、2第19讲4.2智能型温度测量仪的电路结构及特点通过本节的学习，要求达到以下教学目的：①.掌握智能型温度测量仪的电路结构和各主要功能部件的电路原理。②.掌握智能型温度测量仪各主要功能部件的电路原理。智能型温度测量仪的电路主要由主机电路、温度检测电路、过程输入输出通道、人-机接口等电路组成。4.2.1主机电路智能温度测量仪通常以单片机为核心。国内以MCS-51系列应用较多。一.MCS-51系列单片机的结构与特点（复习）以AT89C51为例，其片内资源为：1.一个8位的CPU2.1个直接可以位寻址的布尔处理机3.4KB的快速闪存（ROM）、128B的RAM4.4个8位并行I/O口（可位寻址）5.两个16位的定时/计数器（可编程）6.一个全双工异步串行口7.五个中断源，分为两个中断优先级二.主机电路：在绝大多数情况下，上述资源足以满足智能温度测量仪对主机电路的要求。（单片机尽量不要扩展使用，首选片内资源够用的型号）334.2.2温度检测电路温度是一个很重要的物理量（非电量），自然界中任何物理化学过程都和温度紧密相关，工业生产和科研也不例外。温度的测量与控制直接和产品质量、生产效率、节约能源以及安全生产等重要经济技术指标相联系。一.温度传感器：常用的温度传感器有热电阻、热电偶、热敏电阻和集成T/I（或T/U）变换器。不同的温度传感器工作原理与检测电路均不同。以电阻温度传感器为例，电阻温度传感器的优点：①测量精度高，对非温度量不敏感；②有较大的测量范围，灵敏度高；③线性度好。二.测温电路：电阻温度传感器具有电阻值随温度而变化的特点，这样测温变成了测电阻值。最基本的测量电阻电路是惠斯登电桥，其测温电路原理图如图4-5所示。三.电桥电路设计：1.根据测温范围和测量精度的要求，选择合适的温度传感器。2.确定电桥结构、平衡方式和激励源的选择3.确定模拟通道电压灵敏度、放大器的电压放大倍数以及引线电阻的补偿。第20讲4.设计举例：测温范围：0～200℃；测温距离：100m；电压灵敏度：△UO=10mV/℃。试设计传感器电路并确定放大器的电压放大倍数。⑴.选择铂电阻温度传感器，查手册得其温度特性曲线如图4-6所示。由图可得：t=0℃时，R(t)=100Ω；t=200℃时，R(t)=150Ω；则△R=(150-100)/200=0.25Ω/℃⑵.电桥结构、平衡方式和激励源的选择①.电桥结构：电桥采用图4-5所示的等臂单电桥。②.平衡方式：为了避免电阻温度传感器的电阻变化时，对桥臂电流产生较大影响，选择R1≥10R(t)。选取R1=R2=R3=R4=2kΩ（应有较大功率容量）；则调整电桥平衡的可变电阻Rw≥R(t)，选取Rw=200Ω。在0℃时调整Rw，使电桥平衡(UO=0V)。③.激励源的选择：a.一般选择直流电压源，以避免电桥电抗分量的影响和便于进行A/D转换。b.电压的取值较高时电压灵敏度也高，但桥路电流大，传感器本身发热影响测量。选激励电压E=5V，则每臂电流I1为I1=(E/((R1+R2)∥(R3+R4)))/2=(5/((2+2)∥(2+2)))/2=(5/2)/2=1.25mA34传感器功耗为：PC=I12R(t)=0.001252*150=0.23mW（一般不要大于1mW）⑶.确定电压灵敏度、放大器的电压放大倍数①.电桥输出的电压灵敏度△UQO：△UQO=(△R*E)/(4R1)=(0.25*5)/(4*2000)≈0.156mV/℃②.放大器的电压放大倍数Au：Au=△UO/△UQO=10/0.156≈64.1由于电桥是双端输出，放大电路应使用差动放大电路，最好使用仪用放大器。⑷.传感器引线电阻的补偿实际测量中，由于被测温环境远离控制室（传感器远离电桥），这样引线电阻必然影响电桥的平衡，例如，200米长的导线引入4Ω的引线电阻，会使测温产生约5℃的误差，故对引线电阻必须进行补偿。注意：这里所说的引线电阻补偿应该是引线电阻变化量的补偿（如温度变化、导线氧化等原因造成的引线电阻变化）。引线电阻如果是恒定的，通过调节Rw就可以使电桥恢复平衡，不需补偿。三线补偿法是最常用的引线电阻补偿方法。（结合图4-8简介其补偿原理）其本质是将等长的两根引线电阻分配到电桥的相邻两臂上，对等臂电桥而言，其对电桥平衡的影响正好相互抵消。此外还有双电桥电路、有源测温电桥电路等，有兴趣的可参阅有关书籍。作业：P919补4-1.某智能温度测量仪，测温范围-200～+800℃；测温距离200m；模拟通道电压灵敏度△UO=5mV/℃。要求传感器中的电流小于2mA，试设计传感器电路并确定放大器的电压放大倍数。第21讲4.2.3过程输入输出通道过程输入输出通道是智能仪器的重要组成部分，温度传感器的信号由输入通道进入智能仪器，而控制信号则通过输出通道传递给执行机构，故测量与控制的准确程度与过程通道的质量密切相关。一.模拟量输入通道1.组成：模拟量输入通道一般由信号转换、多路开关、放大器、滤波器、采样保持器和A/D转换器等组成。（适用于其他模拟量测量仪器）由于温度是个变化缓慢的物理量，其变换速度远低于A/D转换的速度，故采样保持器可以省略。352.结构：⑴.多通道结构：见图4-9所示。速度快、硬件结构复杂、占用计算机接口多。⑵.单通道结构：见图4-10所示。结构简单、速度稍慢，用多路开关实现各个测温点分时使用输入通道。（对温度测量更适用）。3.标度变换⑴.问题的提出：假设某智能温度测量仪的测温范围是-100～+1500℃，当tmin=-100℃时，放大器输出电压Umin=0V，对应的A/D转换值为Nmin=0；当tmax=+1500℃时，放大器输出电压Umax=1.6V，对应的A/D转换值为Nmax=16000。该如何处理A/D转换的结果，使仪器显示正确的温度值？⑵.什么是标度变换