智能儀器課件

一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器

儀器儀表、智能儀器、重要性認(rèn)識

二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點

4個層次、2種結(jié)構(gòu)、3個特點三、推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)

傳感器，A/D,單片機(jī)和PC，DSP,FPGA/CPLD,軟件，網(wǎng)絡(luò)與通信四、《智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)》課程框架第一章緒論1.儀器儀表定義、作用、行業(yè)分類儀器儀表是信息獲取的工具、是認(rèn)識世界的工具，是一個系統(tǒng)或裝置。最基本的作用：是延伸擴(kuò)展補(bǔ)充或代替人的聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。測量儀器，分析儀器，生物醫(yī)療儀器，地球探測儀器，天文儀器，航空航天航海儀表，汽車儀表，電力，石油，化工儀表等，遍及國民經(jīng)濟(jì)各個部門，深入到人民生活的各個角落。一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器2、八類測試計量儀器■幾何量：長度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測量儀器等■機(jī)械量：各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量儀、力矩測量儀、振動測量儀等■熱工量：溫度、濕度、流量測量儀器等▲光學(xué)參數(shù)：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀等?！婋x輻射：各種放射性、核素計量，X、γ射線及中子計量儀器等。同學(xué)在學(xué)習(xí)和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？

★時間頻率：各種計時儀器與鐘表、銫原子鐘、時間頻率測量儀等★電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率表、RLC測量儀、靜電儀、磁參數(shù)測量儀等★電子參數(shù)：無線電參數(shù)測量儀器如示波器、信號發(fā)生器、相位測量儀、頻譜分析儀、動態(tài)信號分析儀等。三代儀器儀表：●第一代為指針式（或模擬式）儀器儀表●第二代為數(shù)字式儀器儀表●第三代就是智能式儀器儀表智能儀器是計算機(jī)技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計算機(jī)或微處理器的測量(或檢測)儀器，它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用(表現(xiàn)為智能的延伸或加強(qiáng)等)

。3、智能儀器的概念與歷史1984年：我國儀器學(xué)會成立“自動測試與智能儀器專業(yè)學(xué)組”；1986年：IMEKO(國際測量聯(lián)合會)以“智能儀器”為主題召開了專門的討論會；1988年：IFAC(國際自動控制聯(lián)合會)的理事會正式確定“智能元件及儀器”。近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展。模糊判斷、故障診斷、容錯技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。智能儀器對儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實驗研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，是儀器設(shè)計的里程碑。

4、對儀器儀表重要性的認(rèn)識儀器儀表是：國民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”

科學(xué)研究的“先行官”

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“戰(zhàn)斗力”

法庭審判的“物化法官”

理解這四句話：請同學(xué)們閱讀教材P12—16的內(nèi)容;登陸智能儀器精品課程網(wǎng)站：門捷列夫：“科學(xué)是從測量開始的”錢學(xué)森：“新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)是信息技術(shù)。 信息技術(shù)由測量技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通 訊技術(shù)三部分組成。測量技術(shù)是關(guān)鍵和 基礎(chǔ)”科學(xué)儀器是 信息的源頭科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)王大珩院士：“能不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個民族、一個國家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)視為國家戰(zhàn)略”

英國著名科學(xué)家H.Pavy曾經(jīng)明確指出：“Nothingbegetsgoodsciencelikedevelopmentofagoodinstrument”（發(fā)展一種好的儀器對于一門科學(xué)的貢獻(xiàn)超過了任何其他事情）

美國能源部杰出科學(xué)家R.F.Hirsch博士在最近一篇獲獎演說中指出：“由新工具開創(chuàng)的科學(xué)新方向遠(yuǎn)比由新概念開創(chuàng)的科學(xué)新方向要多。由概念驅(qū)動的革命影響是用新概念去闡明舊事物。而由工具驅(qū)動的革命影響是去發(fā)現(xiàn)需要闡明的新事物”二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點智能儀器四個層次高級智能人工智能趨勢模型化系統(tǒng)辨識、模式識別初級智能計算機(jī)、信號處理聰敏電子、傳感、測量兼容聰敏儀器類

初級智能儀器類

模型化智能儀器類

高級智能儀器類

1.分類2、智能儀器的基本結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型:●微機(jī)內(nèi)嵌式

●微機(jī)擴(kuò)展式將單片或多片的微機(jī)芯片與儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成的單機(jī)。以個人計算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測量儀器。個人計算機(jī)儀器(PCI)或稱微機(jī)卡式儀器。單片機(jī)或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印機(jī)板（鍵盤、開關(guān)、顯示器傳感器電量非電量內(nèi)嵌微處理器智能儀器的基本結(jié)構(gòu)輸入通道輸出通道

個人儀器結(jié)構(gòu)圖

普通臺式PCI工控機(jī)PCI筆記本PCI個人儀器結(jié)構(gòu)圖個人計算機(jī)總線擴(kuò)展槽軟件儀器插件通用接口儀器插件儀器插件電源PC總線GPIB總線擴(kuò)展底板或外部插件箱…12n◆測量過程的軟件控制：

CPU→軟件控制測量過程

“以軟代硬”→靈活性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)◆數(shù)據(jù)處理：

隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準(zhǔn)等處理→改善測量的精確度

數(shù)字濾波、相關(guān)、卷積、反卷積、幅度譜、相位譜、功率譜等信號分析→提供更多高質(zhì)量的信息量◆多功能化：一機(jī)多用

如智能化電力需求分析儀

3、智能儀器的特點三、推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)

傳感器技術(shù)

A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強(qiáng)儀器的功能與測量范圍單片機(jī)

DSP的廣泛應(yīng)用

ASIC、FPGA／CPLD技術(shù)

LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)1、傳感器技術(shù)為適應(yīng)智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感器不斷涌現(xiàn)。聾啞傳感器(DumbSensor)智能傳感器(SmartSensor)網(wǎng)絡(luò)化傳感器(NetworkedSensor)

傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時代的產(chǎn)物。它的設(shè)計指導(dǎo)思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號。這類傳感器的輸出幅值小，靈敏度低，而且功能單一，因而被稱為“聾啞傳感器”。聾啞傳感器微電子技術(shù)、光電子技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展，加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷被開發(fā)出來。在高新技術(shù)的滲透下，尤其是計算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的滲入，使微處理器和傳感器得以結(jié)合，產(chǎn)生了具有一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補(bǔ)償?shù)男乱淮鷤鞲衅鳌悄軅鞲衅?。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感技術(shù)的一次革命，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)逐步走向成熟并滲透到各行各業(yè)，各種高可靠、低功耗、低成本、微體積的網(wǎng)絡(luò)接口芯片被開發(fā)出來，微電子機(jī)械加工技術(shù),將網(wǎng)絡(luò)接口芯片與智能傳感器集成起來并使通信協(xié)議固化到智能傳感器的ROM中時，就產(chǎn)生子網(wǎng)絡(luò)傳感器；為解決現(xiàn)場總線的多樣性問題，IEEEl451．2工作組建立了智能傳感器接口模塊(STIM)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)描述了傳感器網(wǎng)絡(luò)適配器或微處理器之間的硬件和軟件接口，是IEEEl451網(wǎng)絡(luò)傳感器標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，為使傳感器能與各種網(wǎng)絡(luò)連接提供了條件和方便。網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)化傳感器的飛速發(fā)展可大大提高信號檢測能力，進(jìn)而推動智能儀器總體性能的提高。

A／D芯片是現(xiàn)代科學(xué)儀器不可缺少的核心部件之一，它的速度的提高是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。在向高速，向低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。A／D等電路與微處理器集成在一塊(稱為混合電路)傳感器與控制電路都集成在一塊芯片上，這將縮小體積，增強(qiáng)可靠性，從而實現(xiàn)智能儀器的多功能化2、A/D等新器件增強(qiáng)儀器的功能與測量范圍3.單片機(jī)、DSP處理器廣泛應(yīng)用單片機(jī):8031、8051、89C51、MSP430TMS—320系列等高速單片數(shù)字信號處理器(DSP‘DigitalSignalProcessor)是通過硬件來完成乘法和加法運算的，極大地增強(qiáng)了智能儀器的數(shù)字濾波、FFF、相關(guān)、卷積等信號處理能力。新型DSP芯片接口功能大大加強(qiáng)，甚至集成了DSP與ARM雙核。4、ASIC、FPGA／CPLD技術(shù)ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits，專用集成電路)無論在價格、集成度，還是在產(chǎn)量、產(chǎn)值方面均取得了飛速發(fā)展。因此，對儀器設(shè)計者來說，很有意義的一項工作是把一些性能要求很高的線路單元設(shè)計成專用集成電路而使智能儀器的結(jié)構(gòu)更緊湊，性能更優(yōu)良，保密性更強(qiáng)。FPGA(FieldProgrammableGatesArray，現(xiàn)場可編程門陣列)CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，復(fù)雜可編程邏輯器件)FPGA／CPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應(yīng)用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。這種芯片具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動的特點。電路保持不動的情況下，改變內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述，就能實現(xiàn)一種新的功能。比較典型的有Xilinx公司的FPGA器件系列Altera公司的CPLD器件系列。

（1）FPGA／CPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達(dá)到數(shù)十萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng)，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。應(yīng)用FPGA／CPLD的優(yōu)點

（2）FPGA／CPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承擔(dān)投片風(fēng)險和費用，設(shè)計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能指定。研制開發(fā)費用相對較低。

（3）FFPGA／CPLD芯片和EPROM配合使用時，用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同的EPROM就可實現(xiàn)不同的功能。

（4）FPGA／CPLD芯片的電路設(shè)計周期很短。軟件包中不但有各種輸入工具和仿真工具，而且還有版圖設(shè)計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計人員在很短的時間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作(物理版圖映射)。當(dāng)電路有少量改動時，更能顯示出FPGA／CPLD的優(yōu)勢。它大大加快了新產(chǎn)品的試制速度，減少了庫存風(fēng)險與設(shè)計錯誤所帶來的危險，從而提高了企業(yè)在市場上的競爭能力和應(yīng)變能力。（5）電路設(shè)計人員使用FPGA／CPLD進(jìn)行電路設(shè)計時，不需要具備專門的IC(集成電路)深層次的知識，F(xiàn)PGA／CPLD軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計人員更能集中精力進(jìn)行電路設(shè)計。FPGA／CPLD適合于正向設(shè)計(從電路原理圖到芯片級的設(shè)計)，對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)也非常有利。在計算機(jī)和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是PCI儀器發(fā)展的關(guān)鍵。軟件就是儀器成為流行的說法。NI（NationalInstruments）公司1986年設(shè)計的LabVlEWl．0，2003年發(fā)展到Labview7．0，推動虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。圖形化編程語言建立的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示功能。虛擬儀器系統(tǒng)由用戶定義；儀器硬件模塊化；可重用和重新配置；系統(tǒng)功能、規(guī)?？赏ㄟ^修改軟件、更換儀器硬件而增減；技術(shù)更新速度快(1—2年)，開發(fā)維護(hù)費用低。5、LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)→虛擬儀器

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將對網(wǎng)絡(luò)時代的測試儀器和測試技術(shù)產(chǎn)生革命性變化。表現(xiàn)在兩個方面：

★智能儀器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制與故障診斷等；

★構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)，將分散的各種不同測試設(shè)備掛接在網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復(fù)雜系統(tǒng)的測試任務(wù)。6、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)主要由兩大部分組成：◆組成系統(tǒng)的基本功能單元(PC儀器、網(wǎng)絡(luò)化測量儀器、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、網(wǎng)絡(luò)化測量模塊)；◆連接各基本功能單元的通信網(wǎng)絡(luò)。用于測試和控制的網(wǎng)絡(luò)與以信息共享為目的的信息網(wǎng)不同，前者采用工業(yè)Ethernet，后者采用快速Ethernet。

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)需考慮的問題：▲系統(tǒng)要具有開放性和互操作性；

▲系統(tǒng)的實時性和時間的確定性；

▲系統(tǒng)的成本盡可能低，通用性好；

▲基本功能單元必須是智能化的，帶有本地微理器和存儲器，具有網(wǎng)絡(luò)化接口。四、《智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)》課程框架虛擬儀器、網(wǎng)絡(luò)化儀器數(shù)據(jù)采集技術(shù)人機(jī)接口與通信數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計方法可靠性與抗干擾技術(shù)可測試性技術(shù)設(shè)計原則步驟與實例

思考題1．你在學(xué)習(xí)和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？屬于哪種類型？指出它們的共同之處、主要區(qū)別。選擇一種儀器，針對其存在的問題或不足，提出改進(jìn)設(shè)想。

2．結(jié)合你對智能儀器概念的理解，討論“智能化”的層次。

3．儀器儀表的重要性體現(xiàn)在哪些方面？

4．簡述推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)。

5．學(xué)過的哪些課程為智能儀器設(shè)計奠定基礎(chǔ)，回顧主要內(nèi)容。

6．智能儀器有哪幾種結(jié)構(gòu)形式？對其作簡要描述。

7．智能儀器設(shè)計時采用FPGA／CPLD有哪些優(yōu)點？第三章智能儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

智能儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱DAS（DataAcquisitionSystem），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示或打印的裝置。第一節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

傳感器模擬信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集電路微機(jī)系統(tǒng)圖3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成

實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點。因此，多路模擬輸人通道更具有普遍性。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個還是每路各用一個，多路模擬輸人通道可分為集中采集式和分散采集式兩大類型。

一、集中采集式

圖3.2集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

二、分散采集式(分布式)(a)分布式單機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

通信接口上位機(jī)數(shù)據(jù)采集站1數(shù)據(jù)采集站2數(shù)據(jù)采集站3數(shù)據(jù)采集站N…………………………模擬信號和數(shù)字信號(b)網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖3.3分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)第二節(jié)

模擬信號調(diào)理

在一般測量系統(tǒng)中信號調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小信號放大、濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理（SignalConditioning），相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。

傳感器前置放大低通陷波高通至采集電路圖3.4典型調(diào)理電路的組成框圖

一、傳感器的選用傳感器是信號輸人通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計的測試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器——系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價格進(jìn)行對比，從中挑選合乎要求的性能價格比最高的傳感器。(一)對傳感器的主要技術(shù)要求1.具有將被測量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測量實際變化范圍相一致。2.轉(zhuǎn)換精度符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機(jī)要求。3.能滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等。4.能滿足用戶對可靠性和可維護(hù)性的要求。(二)可供選用的傳感器類型對于一種被測量，常常有多種傳感器可以測量，例如測量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應(yīng)側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡單等因素進(jìn)行取舍，盡可能選擇性能價格比高的傳感器。

1.大信號輸出傳感器

:為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開始設(shè)計、制造一些專門與A/D相配套的大信號輸出傳感器。

傳感器傳感器傳感器小信號放大信號修正與變換濾波A/D微機(jī)微機(jī)I/V轉(zhuǎn)換V/F光電耦合小電流小電壓大電壓大電流圖3.5大信號輸出傳感器的使用

2.數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)R、L、C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)

V/F轉(zhuǎn)換等，因此，數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點。

傳感器放大整形光電隔離計算機(jī)傳感器整形光電隔離計算機(jī)頻率量輸出開關(guān)量輸出圖3.6頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用

3.集成傳感器：集成傳感器是將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。采用集成傳感器可以減輕輸人通道的信號調(diào)理任務(wù)，簡化通道結(jié)構(gòu)。

4.光纖傳感器：這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號輸入通道中采用光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。二、運用前置放大器的依據(jù)多數(shù)傳感器輸出信號都比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。判斷傳感器信號“大”還是“小”和要不要進(jìn)行放大的依據(jù)又是什么？放大器為什么要“前置”,即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？VIN前置放大器K0后級電路KVISVIN0VOSVON圖3.7前置放大器的作用

圖3.8兩種調(diào)理電路的對比

由于

K＞1,所以，，這就是說，調(diào)理電路中放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲。

三、信號調(diào)理通道中的常用放大器

在智能儀器的信號調(diào)理通道中，針對被放大信號的特點，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路的現(xiàn)場要求，目前使用較多的放大器有儀用放大器、程控增益放大器以及隔離放大器等。

(一)儀用放大器

圖3.9儀用放大器的基本結(jié)構(gòu)

儀用放大器上下對稱，即圖中R1=R2，R4＝R6，R5＝R7。則放大器閉環(huán)增益為：假設(shè)R4=R5，即第二級運算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻RG，可以很方便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用集成儀用放大器時，RG一般為外接電阻。

在實際的設(shè)計過程中，可根據(jù)模擬信號調(diào)理通道的設(shè)計要求，并結(jié)合儀用放大器的以下主要性能指標(biāo)確定具體的放大電路。

1.非線性度

它是指放大器實際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。當(dāng)增益為1時，如果一個12位A/D轉(zhuǎn)換器有0.025%的非線性偏差，當(dāng)增益為500時，非線性偏差可達(dá)0.1%，相當(dāng)于把12位A/D轉(zhuǎn)換器變成10位以下轉(zhuǎn)換器，故一定要選擇非線性偏差小于0.024%的儀用放大器。

2.溫漂溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。通常儀用放大器的輸出電壓會隨溫度的變化而發(fā)生(1~50)

V/℃變化，這與儀用放大器的增益有關(guān)。

3.建立時間建立時間是指從階躍信號驅(qū)動瞬間至儀用放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時間。4.恢復(fù)時間恢復(fù)時間是指放大器撤除驅(qū)動信號瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時間。顯然，放大器的建立時間和恢復(fù)時間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。5.電源引起的失調(diào)電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化1%，引起放大器的漂移電壓值。儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。

6.共模抑制比當(dāng)放大器兩個輸入端具有等量電壓變化值UI時，在放大器輸出端測量出電壓變化值UCM，則共模抑制比CMRR可用下式計算：CMRR也是放大器增益的函數(shù)，它隨增益的增加而增大，這是因為測量放大器具有一個不放大共模的前端結(jié)構(gòu)，這個前端結(jié)構(gòu)對差動信號有增益，對共模信號沒有增益。但CMRR的計算卻是折合到放大器輸出端，這樣就使CMRR隨增益的增加而增大。(二)程控增益放大器程控放大器是智能儀器的常用部件之一，在許多實際應(yīng)用中，特別是在通用測量儀器中，為了在整個測量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變增益放大器。在智能儀器中，可變增益放大器的增益由儀器內(nèi)置計算機(jī)的程序控制。這種由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。

圖3.10程控放大器原理框圖

(三)隔離放大器隔離放大器主要用于要求共模抑制比高的模擬信號的傳輸過程中，例如輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號是微弱的模擬信號，而測試現(xiàn)場的干擾比較大對信號的傳遞精度要求又高，這時可以考慮在模擬信號進(jìn)入系統(tǒng)之前用隔離放大器進(jìn)行隔離，以保證系統(tǒng)的可靠性。

由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計，消除了輸入、輸出端之間的耦合，因此具有以下特點：1.能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。2.泄漏電流低，對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。3.共模抑制比高，能對直流和低頻信號（電壓或電流）進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測量。圖3.12GF289集成隔離放大器圖3.14GF289典型接法

第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個模擬量泛指電壓、電阻、電流、時間等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般用一個稱為量子Q的基本單位來度量。

圖3.15量化特性及量化誤差

一般而言，n位ADC的理想傳輸函數(shù)由以下兩個式子定義：

圖3.16理想ADC的傳輸特性和量化誤差

A/D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項技術(shù)指標(biāo)來評價其質(zhì)量水平。

(1)分辨率

ADC的分辨率定義為ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。

(2)轉(zhuǎn)換時間

A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間定義為A/D轉(zhuǎn)換時間。

(3)精度①絕對精度絕對精度定義為：對應(yīng)于產(chǎn)生一個給定的輸出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實際模擬輸入電壓的差值。絕對精度由增益誤差、偏移誤差、非線性誤差以及噪聲等組成。

②相對精度相對精度定義為在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字輸出碼所對應(yīng)的模擬輸入實際值與理想值之差與模擬滿量程值之比。

③偏移誤差。ADC的偏移誤差定義為使ADC的輸出最低位為1，施加到ADC模擬輸入端的實際電壓與理論值1/2(Vr／2n)(即0.5LSB所對應(yīng)的電壓值)之差（又稱為偏移電壓）。

④增益誤差增益誤差是指ADC輸出達(dá)到滿量程時，實際模擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸入滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。

⑤線性度誤差A(yù)DC的線性度誤差包括積分線性度誤差和微分線性度誤差兩種。a．積分線性度誤差積分線性度誤差定義為偏移誤差和增益誤差均已調(diào)零后的實際傳輸特性與通過零點和滿量程點的直線之間的最大偏離值，有時也稱為線性度誤差。

b．微分線性度誤差積分線性度誤差是從總體上來看ADC的數(shù)字輸出，表明其誤差最大值。但是，在很多情況下往往對相鄰狀態(tài)間的變化更感興趣。微分線性度誤差就是說明這種問題的技術(shù)參數(shù)，它定義為ADC傳輸特性臺階的寬度（實際的量子值）與理想量子值之間的誤差，也就是兩個相鄰碼間的模擬輸入量的差值對于Vr/2n的偏離值。

圖3.17ADC的積分線性度誤差

圖3.18ADC的微分線性度誤差

與微分線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個ADC的常用術(shù)語是失碼（MissingCord）或跳碼(SkippedCord)，也叫做非單調(diào)性。

圖3.19ADC的失碼現(xiàn)象

⑥溫度對誤差的影響環(huán)境溫度的改變會造成偏移、增益和線性度誤差的變化。

二、ADC的轉(zhuǎn)換原理(一)

比較型ADC比較型ADC可分為反饋比較型及非反饋（直接）比較型兩種。高速的并行比較型ADC是非反饋的，智能儀器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反饋型

圖3.20逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理

(二)積分型ADC圖3.21雙積分ADC雙積分式ADC的優(yōu)點：對R、C及時鐘脈沖Tc的長期穩(wěn)定性無過高要求即可獲得很高的轉(zhuǎn)換精度。微分線性度極好，不會有非單調(diào)性。因為積分輸出是連續(xù)的，因此，計數(shù)必然是依次進(jìn)行的,即從本質(zhì)上說，不會發(fā)生丟碼現(xiàn)象。積分電路為抑制噪聲提供了有利條件。雙積分式ADC是測量輸入電壓在定時積分時間T1內(nèi)的平均值，對干擾有很強(qiáng)的抑制作用，尤其對正負(fù)波形對稱的干擾信號抑制效果更好。

(三)Δ-Σ型ADC

過采樣Σ-ΔA/D變換器由于采用了過采樣技術(shù)和Σ-Δ調(diào)制技術(shù)，增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬電路的比例，并且易于與數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)單片集成，因而能夠以較低的成本實現(xiàn)高精度的A/D變換器，適應(yīng)了VLSI技術(shù)發(fā)展的要求。

①過采樣技術(shù)圖3.22理想3位ADC轉(zhuǎn)換特性

圖3.23 過采樣技術(shù)原理圖

②Σ-Δ調(diào)制及噪聲整形技術(shù)圖3.24 帶模擬濾波和數(shù)字濾波的過采樣

圖3.25一階Σ-ΔADC圖3.26Σ-Δ調(diào)制器的頻域線性化模型

圖3.27 整形后的量化噪聲分布圖3.28 二階Σ-ΔADC圖3.29信噪比與階數(shù)和過采樣倍率之間的關(guān)系

③數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù)圖3.30M=4的采樣抽取

(四)V/F型ADC智能儀器中常用的另一種ADC是V/F型ADC。它主要由V/F轉(zhuǎn)換器和計數(shù)器構(gòu)成。V/F型ADC的特點是：與積分式ADC一樣，對工頻干擾有一定的抑制能力；分辨率較高；特別適合現(xiàn)場與主機(jī)系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用場合；易于實現(xiàn)光電隔離。

三、常用ADC集成芯片及其與智能儀器中微處理器的接口考慮到逐次逼近式ADC具有轉(zhuǎn)換速度快，精度較高，價格適中的優(yōu)點，Σ-Δ型ADC具有轉(zhuǎn)換精度高，價格低廉的優(yōu)點，下面將介紹逐次逼近式ADC-AD574A和Σ-Δ型ADC-CS5360及其與CPU的接口。(一)AD54A及其與微處理器的接口圖3.31AD57A的管腳圖圖3.32ADC574A單極性和雙極性輸入接法

表3.1AD574的控制狀態(tài)表：圖3.33AD574的8位輸出數(shù)據(jù)格式圖3.34AD574A啟動轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)時序

圖3.35AD574A與8031的接口

表3.2AD574系列產(chǎn)品主要性能比較(二)CS5360及其與微處理器的接口1.CS5360簡介u

真正的24位轉(zhuǎn)換u

105dB的動態(tài)范圍u

低噪聲，總諧波失真>95dBu

Δ-ΣA/D轉(zhuǎn)換技術(shù)u

片內(nèi)數(shù)字抗混疊濾波及電壓參考u

最高采樣率50KHzu

差動模擬輸入u

單+5V電源供電圖3.36CS5360功能框圖

圖3.37CS5360串行輸出數(shù)據(jù)格式0圖3.38CS5360串行輸出數(shù)據(jù)格式1圖3.39CS5360串行輸出數(shù)據(jù)格式22.CS5360與CPU的接口電路設(shè)計在設(shè)計CS5360的接口電路時，需要考慮的一個主要問題是如何將其轉(zhuǎn)換輸出的24位串行數(shù)據(jù)讀出并存儲。有兩種方案可以考慮：一是將CS5360的數(shù)據(jù)輸出接口直接與MCU的I/O口相連，利用MCU內(nèi)部提供的串行接口或者采用軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出和保存，該方案對MCU的速度要求相對較高；另一方案是設(shè)計專門的硬件電路來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出和存儲，適用于采用低速MCU的應(yīng)用場合。

圖3.40數(shù)字接口電路功能框圖

基于FPGA的數(shù)字接口電路部分的設(shè)計

圖3.41接口功能框圖

圖3.42串并轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖3.43工作時序圖

第三章人機(jī)對話與數(shù)據(jù)通信鍵盤LCD顯示器觸摸屏技術(shù)串行總線數(shù)據(jù)通信PTR2000無線數(shù)據(jù)傳輸3.1鍵盤鍵盤的種類：鍵盤上閉合鍵的識別是由專用硬件實現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。鍵盤的接口必須解決下列的一些問題：（1）決定是否有鍵按下；（2）如有鍵按下，決定是哪一個鍵被按下；（3）確定被按鍵的讀數(shù)； （4）反彈跳—按鍵抖動的消除。（5）處理同時按鍵既同時有一個以上的按鍵。3.1.1非編碼鍵盤1.獨立連接式非編碼鍵盤μP接口+V10kΩ*42.矩陣式非編碼鍵盤識別按鍵的方法行掃描法線反轉(zhuǎn)法行線x2x1x0y0y1y2y3列線0489512376AB10KΩ*3+5V行碼列碼0鍵：11011101鍵：11011012鍵：11010113鍵：11001114鍵：10111105鍵：1011101A鍵：0111011線反轉(zhuǎn)法并行接口11010000+5V+5V并行接口11011011+5V+5VP2.7P2.0WRRDALEP08031CEIO/MWRRDALED0~D7PA7PA0PC0PC1PC2PC3+5V0123456789101112131415161718192021222324252627282930315.1K×4+5V1K20μFRESET8155PA6PA5PA4PA3PA2PA1非編碼鍵盤接口3.1.2鍵盤信號的獲取方法有三種：

.程序掃描法中斷掃描法定時中斷法鍵盤監(jiān)控程序設(shè)計方法有.直接分析法狀態(tài)矩陣法3.1.3編碼鍵盤

.

編碼鍵盤的基本任務(wù)是識別按鍵，提供按鍵讀數(shù)，一個高質(zhì)量的編碼鍵盤還應(yīng)具有反彈跳、處理同時按鍵等功能..

靜態(tài)編碼器—普通編碼器如74148可編程鍵盤/顯示接口如8279

靜態(tài)式編碼器接口11101234567101112131234897674148EIA0A1A2A2’A1’A0’A0’A1’A2’鍵01234567000011110011001101010101a）接口電路b）真值表D0D1D2D3D4D5D6D7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7ALEP2.7RDINT18051RL7RL6RL5RL4RL3RL2RL1RL0CLKA0WRRDIRQ74LS373RESETSHIFTCNTL20μF+5V2KSL0SL1SL2827974LS138Y0~Y7VCC+5V1514131211109876543210BIC8708dpBIC8708+5VfgcedbaB0B1B2B3A0A1A2A3CSWR3.2數(shù)碼顯示技術(shù)液晶顯示是一種功耗極低的被動式顯示器件。其優(yōu)點為：工作電流比LED小幾個數(shù)量級，尺寸小，厚度約為LED的1/3等。LCD的驅(qū)動方式:驅(qū)動方式由電極引線的選擇確定。既LCD選定后，其驅(qū)動方式也就隨之確定了。靜態(tài)驅(qū)動迭加驅(qū)動(時分驅(qū)動)3.2.1LCD數(shù)碼顯示3.2.1、七段LCD顯示器靜態(tài)驅(qū)動方式

VA1=1LCDABC不顯示顯示VBVCVA-VC迭加驅(qū)動方式:

迭加驅(qū)動方式通常采用電壓平均法。其占空比有1/2、1/8、1/12、1/16、1/32、1/64等，偏比有1/2、1/3、1/5、1/7、1/9等。

硬件譯碼的LCD驅(qū)動接口ICM7211

七位寬驅(qū)動器七位寬鎖存器可編程4/7譯碼器七位寬驅(qū)動器七位寬鎖存器可編程4/7譯碼器七位寬驅(qū)動器七位寬鎖存器可編程4/7譯碼器七位寬驅(qū)動器七位寬鎖存器可編程4/7譯碼器4位鎖存使能2位鎖存使能2/4譯碼器≥1oneshot振蕩器÷128使能檢測器背光板驅(qū)動器BP輸入/輸出輸入數(shù)據(jù)DS1DS2振蕩器輸入CS1CS2第4位段輸出第3位段輸出第2位段輸出第1位段輸出ICM7211AM與8031單片機(jī)的接口

BPICM7211D0D1D2D3DS1DS2CS1CS2=1=1=1=1P1.1P1.2P1.3P1.4P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P2.7WR單片機(jī)3.2.2、字符式LCD顯示器

LCM-512-01A點陣字符式液晶顯示模塊:

自帶驅(qū)動IC和液晶顯示控制IC。該模塊上的控制器是HD44780內(nèi)部有字符發(fā)生器和顯示數(shù)據(jù)存儲器，可顯示96個ASCII字符和92個特殊字符。

控制器LCD顯示屏驅(qū)動器ER/WRSDB0DB7VDDVOVSS二.模塊各管腳的功能為：①Vss：地線輸入端。②VDD：+5V電源輸入端。③Vo：液晶顯示面板亮度調(diào)節(jié)，通過10~20K的電阻接到+5V和地之間起調(diào)節(jié)亮度的作用。圖3-13所示為Vo的接法。④RS：寄存器選擇信號輸入線。當(dāng)其為低電平時，選通指令寄存器；為高電平時選通數(shù)據(jù)寄存器。⑤R/W：讀/寫信號輸入線。低電平為寫入，高電平為讀出。⑥E：使能信號輸入線。讀狀態(tài)下，高電平有效；寫狀態(tài)下，下降沿有效。⑦~(14)D0~D7：

數(shù)據(jù)總線?？梢赃x擇4位總線或8位總線操作，選擇4位總線操作時使用D4~D7。

三、HD44780指令集1.清顯示命令:

00000001(執(zhí)行時間1.64ms)2.光標(biāo)返回命令:0000001*(執(zhí)行時間1.64ms)

3:輸入方式:

000001I/DS(執(zhí)行時間40μs)設(shè)置光標(biāo)、顯示畫面移動的方向。I/D=1，AC自動加1，光標(biāo)右移一個字符位。S=0無效，S=1有效。4.顯示開關(guān)控制:00001DCB。其中:D=1時開顯示;D=0時關(guān)顯示C=1時光標(biāo)顯示;C=0時光標(biāo)消失B=1為閃爍啟用;B=0時閃爍關(guān)閉5.光標(biāo)、顯示畫面移動：0001S/CR/L**

其中：S/C=1為顯示畫面位移；S/C=0為光標(biāo)位移R/L=1為右移；R/L=0為左移

6.功能設(shè)置:001DLNF**

。其中:DL=1表示數(shù)據(jù)總線有效位長為8位;DL=0表總線為4位.N=1表示字符行為兩行;N=0表示字符行為一行.F=1表示字體為5×10點陣;F=0為5×7點陣.(高4有效)7.CGRAM地址設(shè)置:01A5A4A3A2A1A0。8.DDRAM地址設(shè)置:1A6A5A4A3A2A1A0。

9.讀BF及AC值:BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC010.寫數(shù)據(jù)。。

11.讀數(shù)據(jù)。。

P0.0~0.780C31373138+DB7~0R/WRSERDWR3.2.3圖形式LCD顯示器一、MGLS-19264模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)61203A

192×64點

6120261202

61202VccGNDVo/CSADB0~7/CSBD/IR/WE64646464二、引出線的功能1．

VCC：模塊+5V電源輸入端。2．

GND：地線輸入端。3．

VO：顯示亮度調(diào)節(jié)。4．CSA、CSB：芯片選擇控制。其值為00時選通HD61202（1），即選擇左屏有效；值為01時選通HD61202（2），即選擇中屏有效；值為10時選通HD61202（3），對應(yīng)的選擇右屏有效。5．D/I：數(shù)據(jù)、指令選擇。D/I=1時進(jìn)行數(shù)據(jù)操作；D/I=0時寫指令或讀狀態(tài)。6．R/W：讀寫選擇信號。R/W=1為讀選通；R/W=0為寫選通。7．E：讀寫使能信號。在E的下降沿，數(shù)據(jù)被寫入HD61202；在E高電平期間，數(shù)據(jù)被讀出。8．DB0~DB7：數(shù)據(jù)總線。三、HD61202顯示RAM的地址結(jié)構(gòu)

PAGE0DB0

DB7

PAGE1DB0

DB7

PAGE7DB0

DB7

PAGE6DB0

DB7X=0X=1X=6X=7ROW1

ROW8ROW9

ROW16ROW49

ROW56ROW57

ROW64Yaddress0123616263四.HD61202的指令系統(tǒng)1.顯示開/關(guān)指令DB0=1時顯示RAM內(nèi)容2.顯示起始行設(shè)置3.頁設(shè)置指令4.列地址設(shè)置指令5.讀狀態(tài)指令BUSY=1表忙;ON/OFF=1顯示關(guān)閉;RESET=1復(fù)位狀態(tài).6.寫數(shù)據(jù)指令7.讀數(shù)據(jù)指令R/WD/IB7B6B5B4B3B2B1B00000111111/00011顯示起始行(0-63)0010111頁號0001顯示列地址11BUSY0ON/OFFRESET000001寫數(shù)據(jù)11顯示數(shù)據(jù)讀五、直接訪問方式接口電路80C3137310KΩP0.0~P0.7DB0~DB7

RDWRP2.7P2.6-5VD/IR/WVCCV0E/CSA/CSBA0A13.3觸摸屏簡介一、觸摸屏的類型1.按觸摸屏的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類嵌入式(內(nèi)置式)結(jié)構(gòu)外掛式2.按觸摸屏的檢測手段進(jìn)行分類紅外式電阻式電容式表面聲波式電阻觸摸屏電阻觸摸屏的主要部分是一塊多層的復(fù)合電阻薄膜.它最大的特點是不怕油污，灰塵，水。電阻觸摸屏共同的缺點是因為復(fù)合薄膜的外層采用塑膠材料,不知道的人太用力或使用銳器觸摸可能劃傷整個觸摸屏而導(dǎo)致報廢。常用在PDA等手持設(shè)備或其它.

紅外觸摸屏以光束阻斷技術(shù)為基本原理，不需要在原來的顯示器表面覆蓋任何材料.其主要優(yōu)點是價格低廉、安裝方便、可以用在各檔次的計算機(jī)上。缺點:發(fā)光二極管壽命比較短，影響了整個觸摸屏的壽命;紅外線觸摸屏由于依靠感應(yīng)紅外線運作，外界光線變化會影響其準(zhǔn)確性,且紅外線觸摸屏不防水不防污物，甚至非常細(xì)小的外來物體也會導(dǎo)致誤差，影響性能。近來紅外觸摸技術(shù)有較大突破.主要應(yīng)用在較大尺寸上.

電容屏在原理上把人體當(dāng)作一個電容器元件的一個電極使用，是利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作的.

電容式觸摸屏是眾多觸摸屏中最可靠、最精確的一種,但價錢也是眾多觸摸屏中最昂貴的一種。缺點是反光嚴(yán)重,最大缺點是漂移.表面聲波觸摸屏是眾多觸摸屏中較可靠、較精確的一種且其價格比適中，是現(xiàn)時觸摸屏市場很暢銷的產(chǎn)品。它具有低輻射、不耀眼、不怕震、抗干擾強(qiáng)等特點；抗刮傷性良好，不受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，壽命長透光率高，能保持清晰透亮的圖像質(zhì)量；沒有漂移，只需安裝時一次校正；有第三軸（即壓力軸）響應(yīng)?；覊m、油污等對其表面影響較大。性能類別紅外四線電阻電容表面聲波五線電阻價格低低高高較高清晰度

字符圖象模糊字符圖象模糊很好較好透光率100%90%90%98%95%色彩失真

有有

分辨率1000*7204096*40964096*40964096*40964096*4096防刮擦

主要缺陷一般，怕硬物敲擊非常好且不怕硬物一般，怕銳器野蠻使用外框易碎差一般不怕好但銳器反應(yīng)速度50-300ms10-20ms15-24ms10ms10ms材料塑料框架或透光外殼多層玻璃或塑料復(fù)合膜四層復(fù)合膜純玻璃多層玻璃或塑料復(fù)合膜多點觸摸左上角中心點中心點智能判斷中心點ADS7843是一個內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片。

3.4串行總線數(shù)據(jù)通訊3.4.1、RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用引腳號信號名稱方向信號功能1DCDPC機(jī)←儀器PC機(jī)收到遠(yuǎn)程信號（載波檢測）2RXDPC機(jī)←儀器PC機(jī)接收數(shù)據(jù)3TXDPC機(jī)→儀器PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)4DTRPC機(jī)→儀器PC機(jī)準(zhǔn)備就緒5GND-信號地6DSRPC機(jī)←儀器儀器準(zhǔn)備就緒7RTSPC機(jī)→儀器PC機(jī)請求發(fā)送數(shù)據(jù)8CTSPC機(jī)←儀器儀器已切換到接收狀態(tài)（清除發(fā)送）9RIPC機(jī)←儀器通知PC機(jī)，線路正常（振鈴指示）電平轉(zhuǎn)換芯片介紹

(1)驅(qū)動器的輸出電平邏輯0：+5V～+15V；邏輯1：-5V~-15V(2)接收器的輸入檢測電平邏輯0：＞+3V；邏輯1：＜-3VRS-232C使用的是負(fù)邏輯。

TXDRXDRXDTXDT1INR1OUTT1OUTR2OUTR2INT2OUTR2OUTT2IN11611610610610610696967676868680318031MAX232AMAX232A3.4.2、RS-422/485標(biāo)準(zhǔn)總線及其應(yīng)用RS-449與RS-232C的主要差別是信號的傳輸方式不同。RS-449接口是利用信號導(dǎo)線之間的電位差，可在1200m的雙絞線上進(jìn)行數(shù)字通信，速率可達(dá)90kb/s。由于RS-449系統(tǒng)用平衡信號差電路傳輸高速信號，所以噪聲低，又可以多點或者使用公用線通信。

RS-422是RS-449標(biāo)準(zhǔn)的子集，規(guī)定了電氣方面的要求。

RS-422A的傳輸率最大為10Mb/s，在此速率下，電纜允許長度為120m。如果采用較低傳輸速率，如90kb/s，最大距離可達(dá)1200m。RS-485是RS-422A的變形。RS-422A為全雙工，可同時發(fā)送和接收；RS-485則為半雙工，在某一時刻，一個發(fā)送另一個接收。

RS-232C、RS-422A、RS485性能比較

接口性能RS-232CRS-422ARS-485操作方式單端差動方式差動方式最大距離/m15(24kb/s)1200(100kb/s)1200(100kb/s)最大速率200kb/s10Mb/s10Mb/s最大驅(qū)動器數(shù)目1132最大接收器數(shù)目11032接收靈敏度±3V±200mV±200mV驅(qū)動器輸出阻抗300Ω60kΩ120kΩ接收器負(fù)載阻抗3～7kΩ>4kΩ>12kΩ負(fù)載阻抗3～7kΩ100Ω60Ω對共用點電壓范圍/V±25-0.25～+6-7～123.4.3、USB通用串行總線及應(yīng)用

“UniversalSerialBus”

USB具有如下一些特點：

USB接口統(tǒng)一了各種接口設(shè)備的連接頭，

即插即用（plug-and-play），并能自動檢測與配置系統(tǒng)的資源。

具有“熱插撥“（hotattach&detach）的特性。

USB最多可以連接127個接口設(shè)備。

USB1.1的接口設(shè)備采用兩種不同的速度：

12Mbps（全速）和1.5Mbps（慢速）。

USB2.0的傳輸速度最高可達(dá)到480Mbps，也即是480Mbit/s.（一）USB基本特性

USB采用四線電纜，其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游設(shè)備提供電源

.VBUSD—GNDD+VBUSD+D—GNDUSB系統(tǒng)的基本構(gòu)架可以分為三個主要的部分：USB主機(jī)控制器/根集線器；

USB集線器；

USB設(shè)備。主機(jī)根集線器Hub端口USB設(shè)備Hub（二）USB的傳輸內(nèi)幕

1．傳輸基礎(chǔ)配置通信

應(yīng)用通信

管理總線上的數(shù)據(jù)

PC到PC的通信

2．

設(shè)備端點

3．

連接設(shè)備到主機(jī)（設(shè)備列舉）

4．

傳輸類型控制傳輸

中斷傳輸

批量傳輸?shù)葧r傳輸

（三）主機(jī)如何通信

分層驅(qū)動

驅(qū)動程序的選擇

應(yīng)用程序Win32子系統(tǒng)硬件設(shè)備驅(qū)動程序總線驅(qū)動程序硬件Win32API調(diào)用函數(shù)I/O請求封包（IRP）I/O請求封包（IRP）硬件特定接口用戶模式核心模式USB的通信中使用的階層式驅(qū)動程序（四）USB接口器件及應(yīng)用

USB專用接口芯片PDIUSBD12的主要特點：高性能USB接口器件集成了SIEFIFO存儲器收發(fā)器以及電壓調(diào)整器?？膳c任何外部微控制器/微處理實現(xiàn)高速并行接口，2M字節(jié)/秒。完全自治的直接內(nèi)存存取DMA操作。集成320字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO存儲器。主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。在批量模式和同步模式下均可實現(xiàn)1M字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。具有良好EMI特性的總線供電能力。

在掛起時可控制LazyClock輸出?？赏ㄟ^軟件控制與USB的連接。采用GoodLink技術(shù)的連接指示器,在通訊時使LED閃爍?？删幊痰臅r鐘頻率輸出。符合ACPIOnNOW和USB電源管理的要求。內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位電路。高于8kV的在片靜電防護(hù)電路減少了額外元件的費用。多中斷模式實現(xiàn)批量和同步傳輸。雙電源操作3.3±0.3V或擴(kuò)展的5V電源,范圍為3.6~5.5V

。PDIUSBD12的引腳功能（1）DATA0~7：雙向數(shù)據(jù)位。（2）ALE：地址鎖存使能。下降沿關(guān)閉地址信息鎖存。（3）CS-N：片選。低電平有效。（4）SUSPEND：器件處于掛起狀態(tài)。（5）CLKOUT：可編程時鐘輸出。（6）INT-N：中斷。低電平有效。（7）RD-N：讀選通。低電平有效。（8）WR-N：寫選通。低電平有效。（9）DMREQ：DMA請求。（10）DMACK：DMA應(yīng)答。低電平有效。（11）EOT-N：DMA傳輸結(jié)束。低電平有效。EOT-ND僅當(dāng)DMACK-N和RD-N或WR-N一起激活時才有效。（12）RESET-N：復(fù)位。低電平有效且不同步。片內(nèi)上電復(fù)位電路，該管腳可固定接VCC。（13）GL-N：GoodLinkLED指示器。低有效。（14）XTAL1，XTAL2：晶振連接端。如果采用外部時鐘信號取代晶振，可連接XTAL1，XTAL2應(yīng)當(dāng)懸空。（15）D+，D-：USBD+和D-數(shù)據(jù)線。（16）VOUT3.3：3.3V調(diào)整輸出。要使器件工作在3.3V，對VCC和VOUT3.3腳都提供3.3V。（17）A0：地址位。A0=0，選擇命令指令；A0=1，選擇數(shù)據(jù)。該位在多路地址/數(shù)據(jù)總線配置時可忽略，應(yīng)將其接高電平。

PDIUSBD12與微控制器的接口

3.5PTR2000無線數(shù)據(jù)傳輸

調(diào)制解調(diào)器的功能調(diào)制過程是在發(fā)送端把數(shù)字信號變換成能被模擬信道傳輸?shù)哪M信號，這是一種數(shù)/模變換過程，完成調(diào)制功能的設(shè)備是調(diào)制器；解調(diào)過程是在接收端再把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這是一種模/數(shù)變換過程，完成解調(diào)功能的設(shè)備是解調(diào)器。

調(diào)制解調(diào)器的構(gòu)成

調(diào)制解調(diào)器的分類

3.5.1無線數(shù)傳基礎(chǔ)3.5.2PTR2000無線收發(fā)模塊的應(yīng)用

PTR2000的特性

接收發(fā)射合一

.國際通用的數(shù)傳頻段433MHz

FSK（頻移鍵控）調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好。

靈敏度高，達(dá)到-105dBm.發(fā)射功率最大+10dBm

低工作電壓（2.7V），功耗小，接收狀態(tài)250uA，待機(jī)狀態(tài)僅為8uA.

具有兩個頻道，特別滿足需要多信道工作的特殊場合

工作速率最高可達(dá)20Kbit/s（也可在較低速率下工作如9600bps)可直接接CPU串口使用如8031，也可以接計算機(jī)RS232接口，軟件編程非常方便

由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計，使用無需申請許可證

PTR2000的管腳說明

(1)VCC：正電源Vcc，接2.7V~5.25V

(2)CS：頻道選擇。CS＝0，選擇工作頻道1，既

433.92MHz;CS=1,選擇頻道0，既434.33MHz。(3)DO：數(shù)據(jù)輸出。(4)DI：數(shù)據(jù)輸入。

(5)GND：電源地。(6)PWR：節(jié)能控制。PWR＝1，正常工作狀態(tài)；PWR＝0，待機(jī)微功耗狀態(tài)。(7)TXEN：發(fā)送接收控制。TXEN＝1時，模塊為發(fā)送狀態(tài)；TXEN＝0時，模塊為接收狀態(tài)。VCCCSDOPTR2000DIGNDPWRTXEN123456789c51P1.0P1.1P1.2TXDRXDPTR2000接口電路典型應(yīng)用第四章智能儀器的基本數(shù)據(jù)處理算法數(shù)據(jù)處理能力是智能儀器水平的標(biāo)志,不能充分發(fā)揮軟件作用,等同硬件化的數(shù)字式儀器.

測量精度和可靠性是儀器的重要指標(biāo)，引入數(shù)據(jù)處理算法后，使許多原來靠硬件電路難以實現(xiàn)的信號處理問題得以解決，從而克服和彌補(bǔ)了包括傳感器在內(nèi)的各個測量環(huán)節(jié)中硬件本身的缺陷或弱點，提高了儀器的綜合性能?；緮?shù)據(jù)處理算法內(nèi)容提要克服隨機(jī)誤差的數(shù)字濾波算法消除系統(tǒng)誤差的算法、非線性校正工程量的標(biāo)度變換。諸如頻譜估計、相關(guān)分析、復(fù)雜濾波等算法，閱讀數(shù)字信號處理方面的文獻(xiàn)。第一節(jié)克服隨機(jī)誤差的數(shù)字濾波算法

隨機(jī)誤差：由串入儀表的隨機(jī)干擾、儀器內(nèi)部器件噪聲和A/D量化噪聲等引起的，在相同條件下測量同一量時，其大小和符號作無規(guī)則變化而無法預(yù)測，但在多次測量中符合統(tǒng)計規(guī)律的誤差。采用模擬濾波器是主要硬件方法。數(shù)字濾波算法的優(yōu)點：（1）數(shù)字濾波只是一個計算過程，無需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波動、非一致性等問題。模擬濾波器在頻率很低時較難實現(xiàn)的問題，不會出現(xiàn)在數(shù)字濾波器的實現(xiàn)過程中。（2）只要適當(dāng)改變數(shù)字濾波程序有關(guān)參數(shù)，就能方便的改變?yōu)V波特性，因此數(shù)字濾波使用時方便靈活。常用的數(shù)字濾波算法

一、克服大脈沖干擾的數(shù)字濾波法1．限幅濾波法

2．中值濾波法

3．基于拉依達(dá)準(zhǔn)則的奇異數(shù)據(jù)濾波法（剔除粗大誤差）4.基于中值數(shù)絕對偏差的決策濾波器

二、抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法1．算數(shù)平均2．滑動平均3．加權(quán)滑動平均三、復(fù)合濾波法

一、克服大脈沖干擾的數(shù)字濾波法

克服由儀器外部環(huán)境偶然因素引起的突變性擾動或儀器內(nèi)部不穩(wěn)定引起誤碼等造成的尖脈沖干擾，是儀器數(shù)據(jù)處理的第一步。通常采用簡單的非線性濾波法。1．限幅濾波法

限幅濾波法（又稱程序判別法）通過程序判斷被測信號的變化幅度，從而消除緩變信號中的尖脈沖干擾。具體方法是，依賴已有的時域采樣結(jié)果，將本次采樣值與上次采樣值進(jìn)行比較，若它們的差值超出允許范圍，則認(rèn)為本次采樣值受到了干擾，應(yīng)予易除。已濾波的采樣結(jié)果：若本次采樣值為yn，則本次濾波的結(jié)果由下式確定：a是相鄰兩個采樣值的最大允許增量，其數(shù)值可根據(jù)y的最大變化速率Vmax及采樣周期T確定，即a=VmaxT

實現(xiàn)本算法的關(guān)鍵是設(shè)定被測參量相鄰兩次采樣值的最大允許誤差a.要求準(zhǔn)確估計Vmax和采樣周期T。2．中值濾波法

中值濾波是一種典型的非線性濾波器，它運算簡單，在濾除脈沖噪聲的同時可以很好地保護(hù)信號的細(xì)節(jié)信息。對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣n次（一般n應(yīng)為奇數(shù)），然后將這些采樣值進(jìn)行排序，選取中間值為本次采樣值。對溫度、液位等緩慢變化的被測參數(shù)，采用中值濾波法一般能收到良好的濾波效果。設(shè)濾波器窗口的寬度為n=2k+1，離散時間信號x（i）的長度為N，（i=1，2，…，N；N>>n），則當(dāng)窗口在信號序列上滑動時，一維中值濾波器的輸出:med[x（i）]=x(k)表示窗口2k+1內(nèi)排序的第k個值，即排序后的中間值。

原始信號中值濾波后的信號對不同寬度脈沖濾波效果3．基于拉依達(dá)準(zhǔn)則的奇異數(shù)據(jù)濾波法（剔除粗大誤差）拉依達(dá)準(zhǔn)則法的應(yīng)用場合與程序判別法類似，并可更準(zhǔn)確地剔除嚴(yán)重失真的奇異數(shù)據(jù)。拉依達(dá)準(zhǔn)則：當(dāng)測量次數(shù)N足夠多且測量服從正態(tài)分布時，在各次測量值中，若某次測量值Xi所對應(yīng)的剩余誤差Vi＞3σ，則認(rèn)為該Xi為壞值，予以剔除。拉依達(dá)準(zhǔn)則法實施步驟

（1）求N次測量值X1至XN的算術(shù)平均值

（2）求各項的剩余誤差Vi

（3）計算標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

（4）判斷并剔除奇異項Vi＞3σ，則認(rèn)為該Xi為壞值，予以剔除。

依據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則凈化數(shù)據(jù)的局限性

采用3σ準(zhǔn)則凈化奇異數(shù)據(jù)，有的儀器通過選擇Lσ中的L值（L＝2，3，4，5）調(diào)整凈化門限，L＞3，門限放寬，L＜3，門限緊縮。采用3σ準(zhǔn)則凈化采樣數(shù)據(jù)有其局限性，有時甚至失效。（1）該準(zhǔn)則在樣本值少于10個時不能判別任何奇異數(shù)據(jù)；（2）3σ準(zhǔn)則是建立在正態(tài)分布的等精度重復(fù)測量基礎(chǔ)上，而造成奇異數(shù)據(jù)的干擾或噪聲難以滿足正態(tài)分布。4.基于中值數(shù)絕對偏差的決策濾波器

中值絕對偏差估計的決策濾波器能夠判別出奇異數(shù)據(jù)，并以有效性的數(shù)值來取代。采用一個移動窗口，，…，，利用m個數(shù)據(jù)來確定的有效性。如果濾波器判定該數(shù)據(jù)有效，則輸出，否則，如果判定該數(shù)據(jù)為奇異數(shù)據(jù)，用中值來取代。，

（1）．確定當(dāng)前數(shù)據(jù)有效性的判別準(zhǔn)則一個序列的中值對奇異數(shù)據(jù)的靈敏度遠(yuǎn)無小于序列的平均值，用中值構(gòu)造一個尺度序列，設(shè){}中值為Z，則給出了每個數(shù)據(jù)點偏離參照值的尺度

令{d(k)}的中值為D，著名的統(tǒng)計學(xué)家FR.Hampel提出并證明了中值數(shù)絕對偏差MAD＝1.4826*D，MAD可以代替標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。對3σ法則的這一修正有時稱為“Hampel標(biāo)識符”。(2)．實現(xiàn)基于L*MAD準(zhǔn)則的濾波算法

●建立移動數(shù)據(jù)窗口(寬度m）●計算出窗口序列的中值Z（排序法）●計算尺度序列的中值d（排序法）●令Q＝1.4826*d=MAD●計算●如果則否則可以用窗口寬度m和門限L調(diào)整濾波器的特性。m影響濾波器的總一致性，m值至少為7。門限參數(shù)L直接決定濾波器主動進(jìn)取程度，本非線性濾波器具有比例不變性、因果性、算法快捷等特點，實時地完成數(shù)據(jù)凈化。

二、抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法小幅度高頻電子噪聲：電子器件熱噪聲、A/D量化噪聲等。通常采用具有低通特性的線性濾波器：算數(shù)平均濾波法、加權(quán)平