智能儀器原理及應用全書ppt課件匯總(完整版)

1、第1章 導 論 1.1 智能儀器概述1.2 智能儀器應用實例簡介1.3 本課程的內容、 教學目標及要求本章小結思考題與習題1.1 智能儀器概述 隨著微電子技術的不斷發(fā)展， 微處理器芯片的集成度越來越高， 使用的領域也越來越廣泛， 這些都對傳統(tǒng)的電子測量儀器帶來了巨大的沖擊和影響。 尤其是單片微型計算機（以下簡稱單片機）的出現(xiàn)， 引發(fā)了儀器儀表結構的根本性變革。單片機自20世紀70年代初期問世后不久， 就被引進到電子測量和儀器儀表領域， 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。 借助單片機強大的軟件功能， 可以很容易地將計算機技術與測量控制技術結合在一起， 組成新一代的全新的微機

2、化產(chǎn)品， 即“智能儀器”， 從而開創(chuàng)儀器儀表的一個嶄新時代。 智能儀器并不是傳統(tǒng)儀器與微處理器的簡單結合。 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， 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門的用途， 如果需要增加功能， 就需另外增添器件， 修改電路或重新設計， 而且， 儀器要求的功能越多， 所需的器件數(shù)就越多， 設計和制造既費時、 費工， 又容易出錯。智能儀器的出現(xiàn)， 可以很好地解決這一問題。 智能儀器實質上是一種硬件和軟件相結合的設計， 并且充分利用了軟件技術的強大功能。 它把儀器的主要功能集中存放在

3、程序存儲器ROM中， 因此， 當需要增加功能時， 不需要全面改變硬件設計， 而只要修改存放在ROM中的軟件內容就可以很方便地改變儀器的功能。 這種結構與功能的靈活性使得智能儀器在許多領域得到了廣泛的應用。 由此可見， 微處理器的應用使得儀器儀表的結構、 性能以及應用領域發(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新型的、 內部裝有微處理器或單片機的微機化電子儀器， 它是由傳統(tǒng)的電子儀器發(fā)展而來的， 但在結構和內涵上已經(jīng)發(fā)生了本質的變化。 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看它大致經(jīng)歷了三個階段， 即真空管時代、 晶體管時代和集成電路時代。 若從儀器的

4、工作原理來看， 它又可以分為以下幾個階段： 第一代模擬式電子儀器（又稱指針式儀器）。 這一代儀器應用和處理的信號均為模擬量。 如指針式電壓表、 電流表、 功率表及一些通用的測試儀器， 均為典型的模擬式儀器。 這一代儀器的特點是： 體積大、 功能簡單、 精度低、 響應速度慢。 第二代數(shù)字式電子儀器， 如數(shù)字電壓表、 數(shù)字式測溫儀、 數(shù)字頻率計等。 它們的基本工作原理是將待測的模擬信號轉換成數(shù)字信號并進行測量， 測量結果以數(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。 其結果既能以數(shù)字形式輸出顯示， 還可以通過打印機打印輸出。 此外

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

6、器。 單片機被引入傳統(tǒng)的電子儀器以后， 大大加快了儀器儀表智能化的進程。 此外， 與多芯片組成的微型計算機相比， 單片機具有體積更小、 功耗更低、 功能更強大、 價格也較便宜的優(yōu)點。 用單片機開發(fā)的各類智能化產(chǎn)品， 其開發(fā)周期短、 成本低， 在儀器儀表微機化設計中， 有著一般微型計算機無法比擬的優(yōu)勢。 本書重點介紹由當前流行的高檔8位單片機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、 典型電路及其應用等。 Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機功能強、 可靠性高， 用它作為智能儀器的核心部件， 具有以下優(yōu)點：(1) 硬件結構簡單。 一般要求智能儀器中有大

7、量的I/O口， 并且需要有定時或計數(shù)功能， 有的還需要通信功能， 而MCSCD*251單片機片內具有32根I/O口線、 兩個16位定時/計數(shù)器， 還有一個全雙工的串行口。 這樣， 在使用MCSCD*251單片機后可大大簡化儀器的硬件結構， 降低儀器的造價。 (2) 運算速度高。 一般儀器儀表均要求在零點幾秒內完成一個周期的測量、 計算和輸出操作， 如許多測量儀器都是動態(tài)顯示的， 即要求它們能對測量對象的參數(shù)進行實時測量顯示。 由于人的反應時間一般小于0.5 s， 故要求在0.5 s內完成一次測量顯示。 如果要求采用多次測量取平均值， 則對儀器的速度要求更高。 而不少儀器的計算比較復雜， 不僅有

8、浮點運算， 還有函數(shù)(如正弦函數(shù)、 開平方等)計算， 這就對智能儀器中的微處理器的運算能力和運算速度提出了較高的要求。 MCS-51單片機的時鐘可達12 MHz， 大多數(shù)運算指令執(zhí)行時間僅為1 s， 并具有硬件乘法、 除法指令， 運算速度很高。 （3) 控制功能強。 智能儀器的測量過程和各種測量電路均由單片機來控制， 一般情況下這些控制端都是一根I/O線。 由于MCS-51單片機具有布爾處理功能， 包括一整套位處理指令、 位控制轉移指令和位控制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）的電子儀器。 由智能儀器的基本組成

9、可知， 在物理結構上， 微型計算機包含于電子儀器中， 微處理器及其支持部件是智能儀器的一個組成部分。 但是從計算機的角度來看， 測試電路與鍵盤、 通信接口及顯示器等部件一樣， 可看做計算機的一種外圍設備。 因此， 智能儀器實際上是一個專用的微型計算機系統(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電路、 模擬量（或開關量）輸入/輸出通道、 人機接口部件與接口電路、 串行或并行數(shù)據(jù)通信接口等， 其組成結構如圖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及其擴展電路（程序存儲器EPROM、 數(shù)據(jù)存儲器RAM及輸入/輸出接口等）組成的。 主機電路是智能儀器

10、區(qū)別于傳統(tǒng)儀器的核心部件， 用于存儲程序和數(shù)據(jù)， 執(zhí)行程序并進行各種運算、 數(shù)據(jù)處理及實現(xiàn)各種控制功能。 輸入電路和A/D 轉換接口構成了輸入通道； D/A轉換接口及驅動電路構成了輸出通道； 鍵盤輸入接口、 顯示器接口及打印機接口等用于溝通操作者與智能儀器之間的聯(lián)系， 屬于人機接口部件； 通信接口則用來實現(xiàn)智能儀器與其他儀器或設備交換數(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、 鍵盤和顯示器的管理程序。 其內容包括： 通過鍵盤操作輸入并存儲所設置的功能、 操作方式與工作參數(shù)； 通過控制I/O接口電路對數(shù)據(jù)進行采集； 對儀器進行預定的設

11、置； 對所測試和記錄的數(shù)據(jù)與狀態(tài)進行各種處理； 以數(shù)字、 字符、 圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數(shù)據(jù)的處理結果等。 接口管理程序主要面向通信接口， 其作用是接收并分析來自通信接口總線的有關信息、 操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼， 并通過通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結果， 響應計算機的遠程控制命令。 智能儀器的工作過程是： 外部的輸入信號（被測量）先經(jīng)過輸入電路進行變換、 放大、 整形和補償?shù)忍幚恚?然后經(jīng)模擬量通道的A/D轉換接口轉換成數(shù)字量信號， 送入單片機。 單片機對輸入數(shù)據(jù)進行加工處理、 分析、 計算等一系列工作， 并將運算結果存入數(shù)據(jù)存儲器RAM中； 同時， 可通

12、過顯示器接口將運算結果送至顯示器顯示， 或通過打印機接口送至微型打印機打印輸出； 也可以將輸出的數(shù)字量經(jīng)模擬量通道的D/A轉換接口轉換成模擬量信號輸出， 并經(jīng)過驅動與執(zhí)行電路去控制被控對象； 還可以通過通信接口（例如RS-232、 GP-IB等）實現(xiàn)與其他智能儀器的數(shù)據(jù)通信， 完成更復雜的測量與控制任務。 以上只是智能儀器的基本組成和簡單工作過程， 至于智能儀器各組成部分的軟、 硬件結構及儀器的典型處理功能， 將在以后的各章節(jié)中詳細闡述。 1.1.3智能儀器的主要功能和特點單片機的出現(xiàn)與應用， 對科學技術的各個領域都產(chǎn)生了極大的影響， 與此同時也導致了一場儀器儀表技術的巨大變革。 單片機在智能

13、儀器中的具體功能可歸結為兩大類： 對測試過程的控制和對測試數(shù)據(jù)、 結果的處理。 單片機對測試過程的控制主要表現(xiàn)在單片機可以接收來自面板鍵盤和通信接口傳來的命令信息， 解釋并執(zhí)行這些命令。 例如， 發(fā)出一個控制信號給測試電路， 以啟動某種操作， 設置或改變量程、 工作方式等， 也可通過查詢方式或設置成中斷方式， 使單片機及時了解電路的工作情況， 以便正確地控制儀器的整個工作過程。 單片機對智能儀器測試數(shù)據(jù)、 結果的處理， 主要表現(xiàn)在采用了單片機以后， 大大提高了智能儀器的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理能力。 在不增加硬件的情況下， 利用軟件可對測試數(shù)據(jù)進行進一步的加工、 處理， 如數(shù)據(jù)的組裝、 運算、 舍入

14、， 確定小數(shù)點的位置和單位， 將數(shù)據(jù)轉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， 單片機的應用使智能儀器具有以下主要特點。 (1)具有友好的人機對話功能。 智能儀器使用鍵盤代替了傳統(tǒng)儀器中的切換開關， 操作人員只需通過鍵盤輸入命令， 就能實現(xiàn)某種測量功能。 與此同時， 智能儀器還可以通過顯示屏將儀器的運行情況、 工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結果及時告訴操作人員， 使儀器的操作更加方便、 直觀。 (2) 自動校正零點、 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漂移和特性變化所造成的誤差， 而量程的自動切換又給使用帶來了很大的方便， 并可以提高測量精度和

15、讀數(shù)的分辨率。 (3) 多點快速檢測。 智能儀器能對多個參數(shù)（模擬量或開關量信號）進行快速、 實時檢測， 以便及時了解生產(chǎn)過程的各種工況。 (4) 自動修正各類測量誤差。 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了測量誤差。 在智能儀器中， 只要能掌握這些誤差的規(guī)律， 就可以依靠軟件進行修正。 常見的有測溫元件的非線性校正、 熱電偶冷端溫度補償、 氣體流量的溫度壓力補償?shù)取?(5) 數(shù)字濾波。 通過對主要干擾信號特性的分析， 智能儀器采用適當?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、能實現(xiàn)各種復雜運算， 對測量數(shù)據(jù)進行整理和加工處理， 例如統(tǒng)計分析、 查找排序、 標度變換、 函數(shù)逼近和頻譜分析等。 (7) 實現(xiàn)各種控制規(guī)律。 智能儀器能實現(xiàn)PID及各種復雜的控制規(guī)律， 例如， 可進行串級、 前饋、 解耦、 非線性、 純滯后、 自適應、 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、 打印記錄和聲光報警， 也可以輸出多點模擬量（或開關量）信號。 (9) 數(shù)據(jù)通信。 智能儀器配有GP-IB、 RS-232、RS-485等標準的通信接口， 可以很方便地與其他儀器和計算機進行數(shù)據(jù)通信， 以便構成不同規(guī)模的計算機測量控

17、制系統(tǒng)。 (10) 自診斷和故障監(jiān)控。 在運行過程中， 智能儀器可以自動地對儀器本身各組成部分進行一系列的測試， 一旦發(fā)現(xiàn)故障即能報警， 并顯示出故障部位， 以便及時處理。 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)結構， 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。 智能儀器內部裝有后備電池和電源自動切換電路。 當?shù)綦姇r， 能自動地將電池接至RAM， 使數(shù)據(jù)不致丟失。 也可以采用電可改寫只讀存儲器EEPROM（E2PROM）來代替RAM， 存儲重要數(shù)據(jù)， 以實現(xiàn)掉電保護的功能。 也許在一些常規(guī)儀器中， 通過增加器件或變換電路也能或多或少地實現(xiàn)以上功能

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

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、 微機械技術的不斷發(fā)展， 微型智能儀器的技術不斷成熟， 價格不斷降低， 因此其應用領域也必將不斷擴大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能， 而且能在自動化技術、 航天、 軍事、 生物技術、 醫(yī)療等領域起到獨特的作用。 例如， 目前要對一個病人的幾個不同的參量同時測量， 并進行某些參量的控制， 通常病人的體內要插進多個管子，這就增加了病人感染的機會。 若采用微型智能儀器， 則能同時測量多個參數(shù)， 而且體積小， 可植入人體， 使得這些問題得到了解決。 2. 多功能化多功能本身就是智能儀器的一個特點。 例如， 為了設計速度較快和結構較復雜的數(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（如準確度）上比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高， 而且為各種測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算機應用的一個嶄新領域， 它利用計算機模擬人的智能， 用于機器人、醫(yī)療診斷、 專家系統(tǒng)、 推理證明等各個方面。 智能儀器的進一步發(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， 并具有一定的視覺（圖形及色彩辨讀）、 聽覺（語音識別及語言領悟）、 思維（推理、 判斷、 學習與聯(lián)想）等能力。這樣， 智能儀器可以無需人的干預而自主地完成檢測或控制功能。 顯

21、然， 人工智能在現(xiàn)代儀器中的應用， 將使我們不僅可以解決用傳統(tǒng)方法很難解決的一類問題， 而且還可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的一些問題。 4. 部分結構虛擬化測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。 隨著計算機應用技術的不斷發(fā)展， 人們利用PC（個人計算機）強大的圖形環(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組成測量儀器。 這種基于PC的測量儀器就稱為虛擬儀器。 在虛擬儀器中， 使用同一個硬件系統(tǒng)， 只要使用不同的軟件編程， 就可以得到功

22、能完全不同的測量儀器。可見， 軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心， 因此， 也有人說“軟件就是儀器”。 傳統(tǒng)的智能儀器主要在儀器技術中采用了某種計算機技術， 而虛擬儀器則強調在通用的計算機技術中吸收儀器技術。 作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、 可視性、 可擴展性和可升級性， 能為用戶帶來極大的利益。 因此， 虛擬儀器具有傳統(tǒng)的智能儀器所無法比擬的應用前景和市場。 5. 通信與控制網(wǎng)絡化隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展， Internet技術正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表設計領域滲透， 可實現(xiàn)智能儀器系統(tǒng)基于Internet的通信能力， 以及對設計好的智能儀器系統(tǒng)進行遠程升級、 功能重置和系統(tǒng)維護。 在系統(tǒng)

23、可編程技術ISP（InSystem Programming）是對軟件進行修改、 組態(tài)或重組的一種新技術。 ISP技術消除了傳統(tǒng)技術的某些限制和連接弊病， 有利于在板設計、 制造與編程。 ISP硬件靈活且易于軟件修改， 便于設計開發(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器件不需要專門的編程器和較復雜的流程， 只要通過PC、 嵌入式系統(tǒng)處理器， 甚至Internet遠程網(wǎng)就可進行編程。 另外， 嵌入式微型因特網(wǎng)互連技術EMIT（Embedded MicroInternetworking Technology)也是一種將單片機等嵌入式設備接入Inter

24、net的新技術。 利用該技術， 能夠將8位和16位單片機系統(tǒng)接入Internet， 實現(xiàn)基于Internet的遠程數(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)內容可見， 智能儀器由于采用了單片機， 其功能得到了充分的擴展， 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。 下面通過一個具體的應用實例介紹儀器智能化的過程。 1.2智能儀器應用實例簡介隨著電話網(wǎng)絡的飛速擴大和家用電器的不斷增加， 現(xiàn)代家庭自動化技術的應用已越來越為人們所關注。 利用電話遠距離遙控家用電器這一研究已經(jīng)取得了較大的進展， 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、微型計算機， 使電話遙控器從簡單的開、 關遙控操作發(fā)展到遙測、 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， 實現(xiàn)遠距離操縱家用電器電源的接通或斷開。 其遙控接收控制器（即電話遙控器）的基本結構如圖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， 當遠處的遙控者通過電話線路撥通本機電話時， 遙控器的檢測與控制電路根據(jù)設定的振鈴次數(shù)自動地將電話線路與譯碼電路接通， 遙控者即可通過遠處的電話機的按鍵向電話遙控器輸入開、 關家用電器

26、的密碼信號。 當譯碼電路收到按鍵信號并確認為正確的命令后， 直接控制開、 關電路動作， 以打開或關閉家用電器的電源開關， 從而實現(xiàn)了家用電器遠距離遙控的功能； 如果接收的是非法命令， 則立即掛機。 然而， 隨著人們生活質量的提高以及需求的不斷增加， 人們已經(jīng)不能滿足于只是簡單地打開或關閉家用電器的開關， 而是要求隨時能了解家用電器的工作狀態(tài)， 遙控空調的溫度， 監(jiān)聽住宅的情況以及家中出現(xiàn)異常情況的自動轉移報警等， 即希望實現(xiàn)電話遙控的智能化、 多功能化。 面對如此多的實際需求， 若再采用常規(guī)的分立元件和集成電路來實現(xiàn)已非常困難。 而采用單片計算機作為遙控器的核心控制部件， 并利用其軟件的強大功

27、能來設計電話遙控器， 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構及工作原理根據(jù)上述電話遙控的基本原理， 遙控的命令是通過電話線路傳遞給遙控接收器的。 當命令的內容改變且密碼的位數(shù)較多時， 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， 電路結構復雜、 體積增大， 實現(xiàn)起來困難且成本提高了很多， 同時可靠性也會降低。而采用單片計算機作為中心控制部件后， 則可以利用軟件的分析、計算及存儲等靈活的功能， 在基本不增加硬件的情況下， 實現(xiàn)遙控過程的智能化和多功能化。 根據(jù)這一原理設計的智能型電話遙控器的結構框圖如圖1-3所示。圖中單片機的主要功能是

28、接收由電話線路傳輸?shù)目刂泼罨蛲獠侩娐份斎氲钠渌盘枺?對這些命令或信號進行分析、 識別、 計算， 并將結果做相應的處理（包括存儲、 顯示或輸出相應的控制信號等）。 圖 1-3智能型電話遙控器的結構框圖上述電路采用MCS-51系列單片機AT89C51作為遙控器的核心控制部件。 電路的主要功能有： 遠距離遙控家用電器的開、 關機動作， 查詢被控家用電器當前的工作狀態(tài)， 遠距離設定家用電器的開、 關機時間和工作時間， 電話機防盜打， 電話密碼鎖以及緊急報警自動尋呼等功能。 遙控器的工作原理是： 在正常情況下， 單片機不斷地查詢電話振鈴信號、 提機信號及線路監(jiān)測信號， 當有電話打入時， 單片機自動檢

29、測振鈴信號并計數(shù)。 當振鈴達到設定次數(shù)后單片機自動模擬摘機， 并通過訊響電路發(fā)出輸入密碼提示音， 然后等待并接收密碼。 此時， 操作者即可利用音頻電話的按鍵輸入開機、 關機或其他遙控密碼。單片機通過電話線路及音頻接收電路接收到密碼信號后， 經(jīng)過與預先設定的命令密碼進行比較、 分析和處理， 確定此密碼是否有效。 若有效， 則執(zhí)行相應的操作并發(fā)出提示音。 操作者可根據(jù)話筒傳來的提示音來了解所操作的結果是否正確。 若單片機確認輸入密碼無效， 遙控器會立即掛機， 不予響應。 當本機產(chǎn)生提機信號（即有人由內向外打電話）時， 單片機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

30、輸出一定的控制信號禁止使用者撥打長途或其他限打電話， 起到了電話鎖的作用。 當電話線路出現(xiàn)被人盜用的情況時， 提機與監(jiān)測電路向單片機提供一個脈沖信號， 單片機立即通過訊響電路發(fā)出干擾和報警信號（也可以切斷通話線路）， 可以有效地阻止電話線路被盜用。 當受控現(xiàn)場出現(xiàn)異常情況（如非法侵入、 電器故障或火災等）時， 報警信號電路自動產(chǎn)生中斷請求信號， 單片機立即響應并通過音頻發(fā)送電路將預先存入單片機中的主人尋呼號碼或電話號碼通過電話線路發(fā)送出去， 以便得到及時處理。 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， 以便操作者及時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、控電器當前所處的是開機還是關機狀態(tài)。 在該電路的設計中采用了光電耦合器進行隔離， 將功率器件所在的強電回路與控制回路的弱電系統(tǒng)完全隔開， 以防止儀器出現(xiàn)故障時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， 就可以應用到工業(yè)或其他領域的遠程控制中， 例如配電房的無人值班系統(tǒng)、 城市亮化照明系統(tǒng)、 安保與消防監(jiān)控系統(tǒng)等。 智能儀器的一個顯著特點就是， 在儀器需要改變或擴充功能時， 只需更改系統(tǒng)軟件， 而硬件通常只作少量變動即可， 其方便性和靈活性是顯而易見的。 智能儀器儀表是應用電子、 電氣自動化以及機電一體化等專業(yè)的一門十分重要的專業(yè)課

32、程。 智能儀器作為一種典型的微機（大多數(shù)為單片計算機）應用系統(tǒng)， 是計算機技術、 現(xiàn)代測量技術、 微電子技術、 通信技術等多種技術相結合的產(chǎn)物。 無論是在測量速度、 精確度、 靈敏度還是自動化程度和性能價格比等方面， 智能儀器都是傳統(tǒng)的測控儀器所無法比擬的。1.3本課程的內容、 教學目標及要求目前， 我國在智能儀器和單片機開發(fā)應用技術的研究等方面已經(jīng)取得了不少可喜的成果，并積累了較為豐富的經(jīng)驗。 對電子、 電氣工程技術人員以及其他工程技術人員來說， 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際應用與維護的能力是非常必要的。 1.3.1課程內容及教學目標本課程的主

33、要內容及教學目標包括三個方面。 一是通過介紹智能儀器的基本組成結構、 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）， 使學生初步了解智能儀器的結構主要包括哪幾部分， 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， 它們的主要特點是什么； 智能儀器的智能化主要表現(xiàn)在哪些方。二是通過三種不同類型且具有代表性的智能儀器的組成原理及應用實例， 進一步闡述智能儀器各主要部件的電路結構、 工作原理，智能儀器的特點以及不同類型儀器的軟、 硬件設計思路（第4章第6章）， 并對智能儀器使用中的常見故障、 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的介紹（第

34、7章）， 使學生進一步熟悉實際的智能儀器的主要部件及儀器的基本結構， 深入了解其工作原理、 調試及使用方法等， 為今后的應用做好準備。三是對智能儀器的最新發(fā)展成果進行了論述， 并對個人儀器、 虛擬儀器以及現(xiàn)場總線儀器等新一代智能儀器作了重點介紹（第8章）， 使學生了解智能儀器的最新進展和發(fā)展趨勢， 并初步掌握上述三類新型智能儀器的基本結構、 性能及特點， 為今后的專業(yè)拓展打下良好的基礎。 考慮到高等職業(yè)教育對高技能應用型人才的培養(yǎng)要求， 本書選擇了具有代表性和可操作性的內容， 以實訓項目的形式提供給讀者。 具體實訓項目包括： 電壓波形的測量與分析、 溫室無線測控系統(tǒng)設計、 智能溫控系統(tǒng)調測、

35、DT9205數(shù)字萬用表的調測、 采用測頻法和測周法測量頻率的誤差分析。 這些項目可以作為理論教學的補充， 讓學生加深對理論知識的理解， 增加感性認識， 而且能夠提高學生的實踐動手能力。1.3.2課程學習要求本課程在學習的過程中， 要求學生能緊密結合先修的“單片機應用技術”、 “電子技術基礎”等課程內容進行學習。 智能儀器是以智能芯片（通常是單片計算機）為核心部件， 以檢測、 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， 學生應在較好地掌握上述幾門課程的基礎上， 著重學習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試技術， 學會智能儀器的使

36、用與維護方法， 以達到初步掌握并能較好地應用智能儀器的目的。 此外， 在學習的過程中， 還應注重實驗、 實訓課程（或課程設計）的訓練， 關鍵把握好學習的四個環(huán)節(jié)： 課前預習， 著重了解將要學習的內容， 并對不易理解的地方做好記號， 上課時注意聽講； 課內認真聽講、 積極思考并參與討論； 實驗、 實訓時一定要自己動手做， 學會分析、 解決問題的基本方法， 增強自己的實踐動手能力； 課后抓緊復習， 及時鞏固課堂所學的內容。 除此之外， 還應注重知識的積累與擴充， 注意了解智能儀器的發(fā)展動態(tài)和應用現(xiàn)狀， 為今后的繼續(xù)學習或工作打下堅實的基礎。 智能儀器是一類新型的微機化電子儀器， 它是由傳統(tǒng)的儀器發(fā)

37、展而來的。 智能儀器并不是傳統(tǒng)儀器與微處理器的簡單結合， 而是一種硬件和軟件相結合的設計， 并且充分利用了軟件技術的強大功能。 它把儀器的主要功能集中存放在存儲器ROM中， 因此， 當需要增加功能時， 并不需要全面改變硬件結構設計， 而只要修改存放在ROM中的軟件的內容即可。 這種靈活性使得智能儀器在許多領域得到了廣泛的應用， 本章所介紹的智能型電話遙控器即為一例。 本章小結從儀器的工作原理來看， 其發(fā)展大致可分為三個階段： 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、 計算機技術、 通信技術以及網(wǎng)絡技術的不斷發(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

38、化等方向發(fā)展。 此外， 智能儀器的特點主要表現(xiàn)為， 儀器具有方便的人機對話功能、 自動測量與自動校正功能、 數(shù)據(jù)處理與通信功能以及儀器的自保護功能等。 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？4. 你了解智能儀器嗎？請列舉一個智能儀器的實例， 并說出它的特點。 5. 智能儀器的發(fā)展方向是什么？思考題與習題第2章智能儀器典型處理功能及實現(xiàn)方法 2.1智能儀器故障的自檢2.2自動測量功能2.3測量誤差及典型的誤差處理方法2.4數(shù)字濾波2.5實訓項目一電壓波形的測量與分析本章小結思考題與習題雖然經(jīng)過多年的發(fā)展， 智能儀器在設計技術與生產(chǎn)工藝方

39、面有了較大的改進， 使得組成智能儀器系統(tǒng)的各個功能部件都具有較高的可靠性和穩(wěn)定性， 但由于實際現(xiàn)場運行環(huán)境的多樣性和多變性， 要做到儀器長期運行不發(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測控系統(tǒng)中， 往往一臺儀器的故障或損壞有可能影響到整個系統(tǒng)的正常運行， 甚至會危及有關的生產(chǎn)設備和人身安全， 因此事關重大。 有必要采取一定的方法或措施來防止這樣或那樣的意外發(fā)生， 使儀器能自動地進行故障的檢測和診斷， 將不良影響降低到最低限度， 以保證儀器和整個系統(tǒng)的安全和可靠運行。 智能儀器的一個重要功能是可以對儀器內部進行自檢（又稱自診斷）和自測試， 即自檢操作。 智能儀器自檢的內容可以

40、根據(jù)實際需要設置， 通常包括對面板鍵盤、 顯示器、 ROM、 RAM、 總線、 接插件等的檢查。 儀器故障的自檢實質上是指利用事先編制好的并已存儲在程序存儲器中的檢測程序， 對儀器的各個主要部件（或電路中的一些測試點）進行自動檢測。 這些測試點在儀器正常時的測試值被預先存入ROM中， 在自檢過程中單片機把當前的測試值與正常（預先存儲的）值進行比較， 如果兩者相等或在儀器的允許誤差范圍之內， 則顯示OK（正常）； 當檢測出故障（即不相等）時， 則及時給出故障信息（如聲、 光報警）并顯示其故障代碼， 便于生產(chǎn)、 調試及維護人員及時發(fā)現(xiàn)故障。 自檢主要由軟件來完成， 儀器的自檢功能給智能儀器的調試、

41、使用與維護都帶來了極大的方便。2.1.1自檢方式的種類及特點智能儀器的自檢方式通常有三種類型。 1) 開機自檢開機自檢是在儀器電源接通或復位之后進行的， 主要檢查顯示器、 儀器的接插件、 ROM、 RAM等。 自檢中如果沒發(fā)現(xiàn)問題， 就顯示儀器一切正常的特征字符或直接進入測量程序； 如果發(fā)現(xiàn)問題， 則及時報警并顯示故障代碼， 以提醒用戶， 避免儀器帶“病”工作； 當故障嚴重時， 也可以停機待修。 開機自檢是對儀器正式投入運行之前所進行的全面檢查， 完成開機自檢后，系統(tǒng)在以后的運行中不再進行這一過程。 2) 周期性自檢系統(tǒng)僅在開機時進行一次性的自檢， 并不能保證在以后的工作過程中不會出現(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， 在儀器的每次（或幾次）測量間隙插入一項自檢操作。 這樣， 經(jīng)過多次測量之后便可完成儀器的全部自檢項目， 周而復始。 由于這種自檢是自動進行的， 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置“自檢”按鍵， 即當用戶對儀器的可信度產(chǎn)生懷疑時， 可通過按下該鍵來啟動一次自檢程序， 微處理器根據(jù)按鍵譯碼后轉到相應的自檢程序執(zhí)行自檢操作， 這就是鍵控自檢。 鍵控自檢是一種人工干預的檢測方式。 在上述幾種不同方式

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

44、法多種多樣， 這里介紹幾種常見的方法。1. ROM或EPROM的檢測由于智能儀器中的ROM或EPROM是用來存放儀器的控制程序的， 是不允許出故障的， 因而對ROM或EPROM的檢測是至關重要的。 ROM或EPROM故障的檢測一般采用“校驗和”的方法， 其具體的做法是： 在將儀器程序機器碼寫入ROM或EPROM的時候， 保留一個單元（一般是最后一個單元）， 此單元不是用于寫程序代碼， 而是用于寫入“校驗字”的。“校驗字”應能使ROM或EPROM中所有單元的每一列都具有奇數(shù)個“1”。 自檢程序的內容是： 對每一列數(shù)進行異或運算， 如果ROM或EPROM無故障， 各列的運算結果應都為“1”， 即校

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

46、分別對RAM的每一個單元進行“先寫后讀”的操作， 其自檢流程圖如圖2-1所示。 圖2-1RAM自檢流程圖RAM檢測的基本方法是： 先將55H（或AAH）寫入RAM的一個單元， 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， 則顯示出錯并給出出錯單元地址； 若相符， 則再寫入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， 則顯示出錯并給出出錯單元地址； 若相符， 則修改地址指針， 用同樣的方式對下一個單元進行“讀寫”檢測。 依此類推， 直到最后一個單元檢測完畢即可結束。 上述檢驗屬于破壞性檢驗， 即檢驗時RAM中的數(shù)據(jù)將被破壞掉

47、， 因此該方法只能用于開機自檢。 若RAM中已存有數(shù)據(jù)， 在不破壞RAM中內容的前提下進行檢驗就相對麻煩一些。 常用的方法是“異或法”， 即把RAM單元的內容求反并與原碼進行異或運算。 如果結果為FFH，則表明該RAM單元讀寫功能正常； 否則， 表明該單元有故障。 最后再恢復原單元的內容， 這一點切不可忘記。 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，是指對經(jīng)過緩沖器的總線進行檢測。 由于總線沒有記憶能力， 因此總線自檢中設置了兩組鎖存觸發(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)行一條對存儲器或I/O設備的寫操作指令， 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。 我們通過對這兩組鎖存觸發(fā)器分別進行讀操作， 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行比較， 便可判知總線是否存在故障。 具體實現(xiàn)的電路原理圖見圖2-2。圖 2-2總線檢測電路原理圖總線的自檢程序應能對每一根總線分別進行檢測。 其具體做法一般是使被檢測的那根總線置為“1”態(tài)， 其余總線均為“0”態(tài)， 從而進行檢測。 如果檢測時某根總線一直停留在“0”態(tài)或“1”態(tài)， 則說明有故障存在。 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的連線應不通過緩沖器； 否則， 若總線出現(xiàn)故障便不能進行自檢。 4. 顯示器與鍵盤的檢測智能儀器的顯示器、 鍵盤等I/O設備的檢測往往采用與操作者合作的方式進行。 檢測程序的內容為： 先進行一系列預定的I/O操作， 然后操作者對這些I/O操作的結果進行檢驗。 如果檢驗的結果與預先的設定（或設想）一致， 就認為功能正常； 否則， 應對有關的I/O通道進行檢修。 鍵盤檢測的方法是， CPU每取得一個按鍵閉合的信號就反饋一個信息。 如果按下某單個按鍵無反饋信息， 往往是該鍵接觸不良； 如果按下某一排鍵均無反饋信號，

50、 則有可能與對應的電路或掃描信號有關。顯示器的檢測一般有兩種方式： 一種是讓各個顯示器的所有發(fā)光段全部發(fā)亮， 即顯示出“888”。 當顯示的內容表明顯示器各發(fā)光段均能正常發(fā)光時， 操作人員只要按任意鍵， 顯示器應全部熄滅片刻， 然后脫離自檢方式進入其他操作。 第二種方式是讓顯示器顯示某些特征字， 若正常， 則幾秒后自動進入其他操作。 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轉換器和多路開關構成的。 自診斷時， 系統(tǒng)占用多路模擬開關的一個通道， 接一個已知的標準電壓， 使系統(tǒng)對該已知電壓進行A/D轉換。 若轉換結果與預定值相符， 則認為數(shù)據(jù)采集通

51、道正常； 若有少許偏差， 則說明數(shù)據(jù)采集通道發(fā)生漂移； 若偏差過大， 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確性， 而要判斷模擬量是否準確又必須將該輸出轉換為數(shù)字量， 這樣CPU才能進行判斷。 因此， 模擬量輸出通道的自診斷離不開數(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D/A進行自診斷的方案。 適當調整電位器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展能力， 而這些特性離不開各種各樣的通用或專用模板的使用。 這些模板常常采用插件形式， 而且接插腳往往很多， 所以對插件進行檢測是非常重要的。 通常插件的自檢有兩個方面。1） 檢查插件是否插入利用系統(tǒng)內單片機與插件之間的應答信號出現(xiàn)與否來判斷插件是否已經(jīng)插入， 這項自檢比較簡單， 可以在主程序或子程序里加入相應的插件檢查語句。 一旦發(fā)現(xiàn)問題， 系統(tǒng)會自動發(fā)出停機指令， 等待操作者處理。 2） 檢查插件工作狀態(tài)是否正常這項自檢較為復雜， 常常采取模擬方法進行。 實際系統(tǒng)中要運用故障診斷學理論， 并配備專用的設備和診斷程序。

53、實際的智能儀器系統(tǒng)種類很多， 需要解決的自檢項目也各不相同， 在此不可能一一列舉。讀者可根據(jù)具體情況進行選擇， 也可以參考有關的書籍。 2.1.3自檢軟件的結構及特點智能儀器的自檢都是通過執(zhí)行相應的軟件實現(xiàn)的， 上面介紹的各種自檢項目一般應分別編制成相應的子程序， 以便需要時調用。 設各段子程序的入口地址為TSTi（i=0， 1， 2, , n）， 序號（即故障代碼）為TNUM（0， 1， 2, ）。 編程時， 由序號通過表2-2所示的測試項目表（TSTPT）來尋找某一項自檢子程序入口， 若檢測有故障發(fā)生， 便顯示其故障代碼TNUM。 周期性自檢是在測量間隙進行的， 為了不影響儀器的正常工作，

54、 有些自檢項目不宜安排在周期性自檢項目中， 例如顯示器周期性自檢、 鍵盤周期性自檢、 破壞性RAM周期性自檢等。 而開機自檢和鍵盤自檢則不存在這個 問題。 表2-2測 試 項 目 表圖2-4含自檢的智能儀器操作流程圖一個典型的含有自檢在內的智能儀器的操作流程圖如圖2-4所示。 其中， 開機自檢被安排在儀器初始化之前進行， 檢測項目應盡量多選。 周期性自檢STEST被安排在兩次測量循環(huán)之間進行， 由于兩次測量循環(huán)之間的時間間隙有限， 因此一般每次只插入一項自檢內容，多次測量之后才能完成儀器的全部自檢項目。 可以完成周期性自檢子程序的操作流程圖如圖2-5所示。當進入STEST自檢程序后， 根據(jù)偏移

55、量（自檢序列號）TNUM和測試表格首地址TSTPT找到自檢子程序TSTi， 并進入該項自檢操作。 程序中設置故障標志Tfi， 當檢測出有故障時， 將其置“1”， 并同時顯示故障代碼； 否則置“0”。 無論故障發(fā)生與否， 每進行一項自檢， 就使TNUM加1， 以便在下一次測量間隙中進行下一項自檢， 直到所有項目檢測完畢， 將TNUM清零。 圖 2-5周期性自檢子程序操作流程圖 智能儀器的另一個特點是測試過程的自動化。 由于智能儀器采用微處理器作為核心控制部件， 因此在實際測量過程中數(shù)據(jù)的采集、 測量通道的切換、 控制方法的選擇等都能按預先存儲的程序自動地進行， 從而實現(xiàn)了自動測量的功能。 2.2

56、自動測量功能 智能儀器通常都含有自動量程轉換、 自動零點調整、 自動校準等功能， 有的儀器還能進行自動觸發(fā)電平調節(jié)。 這樣就省去了大量繁瑣的人工調節(jié)， 同時也提高了測試精度。 由于不同儀器的功能及性能差別非常大， 因而測試過程中自動化的設計應結合具體儀器來考慮， 這里僅討論幾種帶有共性的問題。2.2.1自動零點調整測試儀器零點漂移的大小以及零點是否穩(wěn)定是造成測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、 測量電路、 信號放大器等輸入通道不可避免地存在著溫度漂移、 時間漂移等情況， 因而給儀器引入了零位誤差， 這類誤差通常屬于系統(tǒng)誤差。消除這種誤差最常用的方法是選擇優(yōu)質的輸入放

57、大器和A/D轉換器， 但是這種方法的代價高， 而且效果也是有限的。 因此， 要想通過硬件來確保零點穩(wěn)定是非常困難的， 尤其是在環(huán)境溫度變化較大的場合就更不容易做到了。 然而， 智能儀器的自動零點調整功能卻可以較好地解決這一問題。 由于廣泛采用了單片機等智能芯片， 因此智能儀器具有對數(shù)據(jù)的存儲和運算能力。 它可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)放大器的零點漂移進行自動調整和補償， 這樣， 即使采用由普通的電子器件設計的輸入電路， 也可以通過軟、 硬件結合的方法達到很小的零點漂移， 既保證了儀器的測試精度， 又降低了硬件成本。 圖2-6是一種采用單片機控制的自動零點調整的電路原理框圖。 首先， 單片機依據(jù)系統(tǒng)軟件， 通

58、過輸出端口控制繼電器吸合， 使儀器的輸入端K接地， 啟動一次測量并將測量值Uos存入智能儀器RAM中的某一指定單元內。 這個Uos值即為儀器的傳感器、 放大器、 A/D轉換器等輸入通道所產(chǎn)生的零點漂移值。接著， 單片機控制繼電器釋放， 使輸入端K接至被測電壓Ui， 此時單片機從A/D轉換器的輸出端測得的Uo值實際上是被測值Ui與輸入通道零點漂移值Uos之和。 因此， 精確的被測值Ui應根據(jù)下式得到： 所以， 智能儀器在每一次測量后， 都要用測量值Uo減去原先存入RAM中的零點漂移值Uos， 從而獲得真正的輸入值Ui。 最后， 將此值作為測量結果顯示、 存儲或傳輸， 這樣可以有效地消除儀器輸入通

59、道零點漂移對測量結果的影響， 實現(xiàn)了智能儀器的自動零點調整功能。 圖 2-6自動零點調整的電路原理框圖2.2.2自動量程轉換通常， 當測試儀器的測量范圍很寬， 而傳感器、 顯示器或其他數(shù)字部件的分辨率有限時， 為了獲得較高的測量精度， 要求儀器具有自動量程轉換的功能。 智能儀器中自動量程轉換的方法主要有以下兩種： （1） 根據(jù)被測量的大小， 儀器自動切換到不同量程的傳感器上運行； （2） 在傳感器與單片機的接口電路中引入可編程增益放大器， 通過自動改變放大器的增益達到量程切換的目的。 圖2-7是不同量程傳感器切換的原理框圖。 圖中僅以兩個（也可以是多個）不同量程的傳感器為例， 說明其工作原理。

60、 圖 2-7不同量程傳感器切換的原理框圖假設1傳感器的最大測量范圍為M1，2傳感器的最大測量范圍為M2，且M1M2。 兩個傳感器的工作均由單片機控制， 程序設計為： 儀器啟動后總是1傳感器先接入工作， 2傳感器處于過載保護狀態(tài)， 以免因過載而損壞2傳感器； 然后根據(jù)被測量的大小， 確定由哪一個傳感器工作。 圖2-8為不同量程傳感器自動切換的程序流程圖。由流程圖可見， 哪一個傳感器處于正常工作狀態(tài)是根據(jù)標志位F0的狀態(tài)來判別的。 若F0=0， 則1傳感器正常工作， 單片機調用相應的1傳感器的處理和顯示程序； 若F0=1， 則2傳感器正常工作， 單片機調用2傳感器的處理和顯示程序。 圖 2-8不同