第12章-智能測量儀器與自動測試系統(tǒng)1

第12章智能測量儀器與自動測試系統(tǒng)智能儀器的輸入通道及接口概述智能儀器外設(shè)及控制技術(shù)智能儀器輸出通道及數(shù)據(jù)通訊接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)智能儀器的設(shè)計原則自動測試系統(tǒng)§12-1概述經(jīng)典的測量理論測量的三要素標準量，被測量，比較儀器現(xiàn)代的測量理論提取被測量的信息特征；作為測控系統(tǒng)的一部分；計算機技術(shù)測量技術(shù)+現(xiàn)代測量理論與技術(shù)智能儀器智能儀器是計算機技術(shù)和測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物。由于它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷和自動化操作等功能，因而稱之為智能儀器。一、智能儀器二、智能儀器的特點1.測量過程的軟件控制

人機對話；自檢；自診；顯示及打??；...2.數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲；數(shù)據(jù)處理——誤差處理；數(shù)字濾波；時域/頻域分析；...3.多功能化例：智能化電力分析儀——有功、無功、電壓、電流、…峰谷記錄、打印報警、...用軟件實現(xiàn)早期由硬件實現(xiàn)的功能自動量程切換；自動極性判斷；自動巡回檢測；...三、智能儀器的基本結(jié)構(gòu)CPUROMRAM模擬通道A/D-C傳感器變送器面板(鍵盤、LED、按鈕…)D/A-C接口CRT輸入模出內(nèi)部總線

P內(nèi)置式智能儀器一般結(jié)構(gòu)框圖專用或多功能；小型、便攜；成本較底；特點：屏幕顯示輸入插件應(yīng)用軟件輸入數(shù)據(jù)處理接口網(wǎng)絡(luò)…...個人計算機以PC機為核心的智能儀器(PCI)機構(gòu)圖PCI的硬件平臺相應(yīng)的軟件VI(VirtualInstrument)+§12-2智能儀器的輸入通道及接口一、程控放大器及接口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。A電阻網(wǎng)絡(luò)控制接口輸入輸出通過控制接口，改變放大器反饋電阻的數(shù)值，可以改變方大器的放大倍數(shù)。反饋電阻網(wǎng)絡(luò)有許多形式，如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、T網(wǎng)絡(luò)電阻、有源網(wǎng)絡(luò)。AD612AD7510AD7503...8031P1.1P1.2P1.3P1.0+

AD612儀用放大器內(nèi)部集成有高精度薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)運放增益Af=1+80k/RG，RG為引腳1、2外接電阻；二、A/D-C接口技術(shù)A/D-C器件繁多，原理各異，性能不同。A/D三態(tài)緩沖數(shù)據(jù)總線地址邏輯地址總線應(yīng)答控制A/D-C的并行輸出形式

A/D-C與CPU的接口時序；

CPU與A/D-C查詢方式/中斷方式；錯誤出口的設(shè)置。[例]

AD574(12Bit,25S)、MAX150(8Bit,<1.7

S)[例]

MC14433

三位半雙積分A/D-CP1口MC144338031

MC14433輸出不具有三態(tài)緩沖，必須經(jīng)過接口與

P相接。

MC14433為低速A/D-C芯片，宜采用中斷方式握手。

Q0~Q3輸出十進制編碼。千位編碼還包含輸出極性、欠/過量程信息。

DS1~DS4控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的“個”、“十”、“百”、“千”位。A/D-C的串并行輸出形式串并行輸出方式大多用于低速、廉價的積分型A/D-C中；以十進制編碼方式；每次輸出一位并行十進制編碼，整個結(jié)果分若干次輸出。[例]

MAX1241串行輸出A/D-CP1口MAX12418031

低功耗、低電壓；12Bit，逐次逼近式；轉(zhuǎn)換時間12

S；

三線串行接口；內(nèi)置S/H電路。MAX1241與8031有兩種連接方式：A/D-C的串行輸出形式串行數(shù)據(jù)輸出的A/D-C引線少，接口所需的I/O位數(shù)少。MAX12418031方式1方式2方式1：8031使用普通I/O口；方式2：8031使用串行接口。方式1輸入速度慢，方式2要占用串行接口。由若干個鍵組成的鍵盤，可分為獨立鍵結(jié)構(gòu)和矩陣鍵結(jié)構(gòu)。智能儀器的外設(shè)主要包括儀器的操作、顯示和記錄設(shè)備?！?2-3智能儀器外設(shè)及控制技術(shù)輸入操作器件；紐子開關(guān)、鍵盤、撥盤；顯示器件：LED、液晶、CRT一、鍵盤系統(tǒng)1.非編碼鍵盤系統(tǒng)獨立鍵結(jié)構(gòu)：每一鍵單獨占用一條I/O線；矩陣鍵結(jié)構(gòu)：鍵盤按行列式排列——節(jié)省I/O線，軟件復(fù)雜。

鍵盤工作方式：查詢；中斷。設(shè)計要點：判斷有無鍵盤按下；斷哪個鍵按下；鍵值處理；必要的顯示；鍵盤消抖動；誤操作處理。2.編碼鍵盤系統(tǒng)硬件電路實現(xiàn)鍵盤的編碼、鍵閉合/釋放、消抖動。intel8279

可編程鍵盤/顯示接口芯片intel8279：片選、讀寫(40pin)

數(shù)據(jù)總線、地址總線時鐘、中斷請求鍵盤掃描輸出、返回輸入——14個引腳動態(tài)顯示掃描、消隱——9個引腳與CPU接口(15個個引腳)二、數(shù)碼顯示技術(shù)靜態(tài)顯示：動態(tài)顯示：LED顯示：LCD顯示：LED點陣顯示：LED筆段顯示：共陰：共陽：7段譯碼：顯示驅(qū)動：發(fā)光二極管陣列CPU鎖存譯碼驅(qū)動鎖存譯碼驅(qū)動1234abcd發(fā)光二極管陣列驅(qū)動線路LCD顯示：筆段式點陣式專用可編程顯示控制驅(qū)動芯片§12-4智能儀器輸出通道及數(shù)據(jù)通訊接口一、輸出通道1.輸出通道信號分類直流電流信號：4~20mA：250~750歐姆0~10mA：0~3000歐姆直流電壓信號：近距離傳輸，1~5V模擬量開關(guān)量控制：繼電器、接觸器、電磁閥顯示工作狀態(tài)；開用關(guān)量途數(shù)字量串行——較遠距離信息傳輸和數(shù)據(jù)交換并行2.D/A-C原理、接口3.開關(guān)量輸出開關(guān)量的隔離——光電耦合電路、繼電器隔離電路開關(guān)量的驅(qū)動——晶體管、晶體管陣列固態(tài)繼電器(SSR)二、串行數(shù)據(jù)通信接口國際標準IEEE-488——并行接口RS232RS485串行接口§12-5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成多路開關(guān)A/D計算機采樣保持放大隔離…..傳感器傳感器1.模擬開關(guān)通道數(shù)泄漏電流——通道斷路，電阻不為無窮大導(dǎo)通電阻——通道短路電阻不為零切換速度電壓范圍芯片施加輸入電壓與電源電壓的次序問題2.隔離運放隔離運放光電隔離電磁隔離捕獲時間：從采樣開始到輸出電壓達到精度指標所需時間，它與電容器充電時間常數(shù)、運放響應(yīng)時間有關(guān)。3.采樣保持采樣信號輸出緩沖器采樣保持傳導(dǎo)誤差S/H放大器輸出信號被測電壓孔徑時間：從發(fā)出保持命令到保持開關(guān)真正斷開所需時間，保持電容在此時間后才起作用。保持建立時間：進入保持狀態(tài)后，需要經(jīng)過保持建立時間，輸出才能達到穩(wěn)定。早于此時間的A/D-C會產(chǎn)生誤差。衰減率：在保持狀態(tài)下，電容的漏電流引起保持電壓的下降。二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計考慮的因素輸入信號的特性信號的數(shù)量信號的動態(tài)范圍信號的輸入方式(極性、共地)信號的帶寬信號的噪聲信號源阻抗對采集系性能的要求系統(tǒng)采樣速率——采樣定理系統(tǒng)分辨率系統(tǒng)精度接口特性2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的確定多通道共享S/H、A/D多通道同步數(shù)據(jù)采集多路開關(guān)A/D采樣保持放大隔離…..多路開關(guān)A/D采樣保持放大隔離…..采樣保持…..多通道同步數(shù)據(jù)采集A/DS/H…..S/H…..A/DI/OI/OCPU3.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析模擬電路誤差(1)模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻的誤差模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻100~300歐姆，此電阻與下一級采樣保持電路的輸入阻抗相分壓，使輸入信號產(chǎn)生誤差。(2)模擬開關(guān)泄漏電流引起的誤差此泄漏電流在信號源內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，輸入信號產(chǎn)生誤差。(3)采樣保持器衰減率引起的誤差在保持階段，保持電容的漏電流會使保持電壓不斷地衰減。選用漏電流小的電容(如聚四氟乙烯電容)；增大電容量(但會影響采樣速率)改進(4)運放誤差運放的非線性誤差、增益誤差、零漂。A/D轉(zhuǎn)換誤差數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的綜合誤差采樣誤差信號幅值會產(chǎn)生誤差；時間上會產(chǎn)生誤差(如同步誤差)。(1)量化誤差(2)零點誤差(3)增益誤差(4)非線性誤差§12-6智能儀器的設(shè)計一、智能儀器的設(shè)計原則1.功能及技術(shù)指標2.可靠性要求3.便于操作維護4.升級二、智能儀器的設(shè)計思想1.從總體到局部2.軟硬件折中(速度、成本等)(一)、智能儀器的設(shè)計方法概述三、智能儀器的設(shè)計及研制步驟1.確定任務(wù)，擬定設(shè)計方案根據(jù)要求確定儀器的功能、指標及設(shè)計任務(wù)；

明確儀器實現(xiàn)的功能；儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形尺寸、面板布置；研制成本；儀器的可靠性方案論證后總體設(shè)計，之后將研制任務(wù)分成若干課題。2.硬件及軟件的研制硬件電路的設(shè)計、模板的研制、調(diào)試；

將系統(tǒng)分成若干個功能塊；模板設(shè)計、布線；軟件框圖、程序編制、調(diào)試

程序的優(yōu)化；程序的注釋。(二)、智能儀器的硬件設(shè)計一、CPU

MCS8051,M6800MCS96TMS320二、A/D-C含A/D-C的單片機

含模擬開關(guān)和S/H的A/D-C三、可編程邏輯芯片(PAL、GAL、FPGA)FPGA(FieldProgrammingGateArray)是一個由程序驅(qū)動的邏輯器件。FPGA器件的應(yīng)用，可對儀器提高性能、縮小體積、降低成本、增強保密性等方面起到重要作用。FPGA編程語言：VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuit

HardwareDescriptionLanguage)(三)、智能儀器的軟件設(shè)計一、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計二、智能儀器的軟件結(jié)構(gòu)1.監(jiān)控程序管理鍵盤和顯示器，按鍵盤命令轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)程序；中斷信號處理；儀器的初始化、手動/自動控制、掉電保護；儀器自診斷；…...2.測量控制程序通道切換；A/D；…...3.數(shù)據(jù)處理程序(四)、智能儀器的抗干擾技術(shù)一、干擾與噪聲的基本特性噪聲：來自元器件的內(nèi)部。隨機噪聲是一種前后獨立的平穩(wěn)隨機過程。隨機噪聲的幅度大多服從正態(tài)分布。干擾：來源于(1)空間電磁場；(2)傳輸通道；(3)配電系統(tǒng)。干擾的減弱和消除：屏蔽；濾波；合理的布線。二、串模干擾及其抑制1.串模干擾由外界條件引起的、疊加在被測電壓上的干擾信號。e感應(yīng)電勢熱電勢，接觸電勢三、共模干擾及其抑制1.共模干擾2.串模干擾的抑制采用濾波器；對信號進行予處理；屏蔽共模干擾是同時疊加在兩條被測信號線上的外界干擾信號。~設(shè)Z1=Z2，忽略rcm(大地電阻，很小)在儀表兩輸入端之間產(chǎn)生的電壓En信號源內(nèi)阻和儀表輸入端對地的絕緣電阻的影響，共模干擾等效為串模干擾。2.共模干擾的抑制利用雙端輸入運放作為儀器的前置放大器；利用隔離運放——信號地與儀器地之間不構(gòu)成回路；利用浮地輸入雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。~雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。L端：儀表的模擬地；C端：儀表的數(shù)字地為導(dǎo)線屏蔽層電阻。四、模擬電路與數(shù)字電路的隔離五、接地方法1.單點接地與多點接地2.數(shù)字地與模擬地六、軟件的抗干擾技術(shù)123123軟件陷阱看門狗技術(shù)微機測量模塊1測量模塊2...總線早期的儀器除自身獨自的功能外，另帶接口

RS-232C串行接口；

IEEE-488接口(GPIB接口)；VXI總線儀器系統(tǒng)§12-7自動測試系統(tǒng)虛擬儀器(VirtualInstrumentation,VI)的概念現(xiàn)有的PC計算機專門設(shè)計的儀器硬件專門設(shè)計的儀器軟件虛擬儀器代表性NI公司的硬件產(chǎn)品有：插入式數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品；信號調(diào)理產(chǎn)品；

GPIB控制產(chǎn)品*；

VXI控制產(chǎn)品；現(xiàn)場總線設(shè)備VXI儀器串行口儀器PLC圖象采集DSPGBIB接口儀器GBIB接口卡信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡DAQ工業(yè)自動化軟件

BridgeVIEWLookoutComponent測量與分析軟件

LabViewVEELabWindows/CVIVirtualBenchIVI其他軟件PC機/工作站測控對象虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)

LabVIEW

是NI公司提供的圖形開發(fā)調(diào)試和運行程序的集成化編程環(huán)境。它是基于C語言用來進行數(shù)據(jù)采集、和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達。

LabVIEW的特點和功能：(1)使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機界面；(2)使用圖標表示功能模塊，連線表示數(shù)據(jù)傳遞，用數(shù)據(jù)流程圖語言編寫程序；(3)提供調(diào)試功能；(4)支持多種系統(tǒng)平臺，提供大量函數(shù)庫。

VEE是HP公司提供的功能強大的可編程語言。可用于儀器控制、測量處理和測試報告等日常編程任務(wù)。LabWindows/CVI是NI公司提供的另一套開發(fā)平臺。它適用于C/C++的虛擬儀器工具。

§12-8自動測試系統(tǒng)—傳感器的選擇主要強調(diào)以下四個原則:一、與測量條件有關(guān)的因素

(1)測量的目的；

(2)被測試量的選擇；

(3)測量范圍；

(4)輸入信號的幅值，頻帶寬度；

(5)精度要求；

(6)測量所需要