第12章-智能測(cè)量?jī)x器與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)1

第12章智能測(cè)量?jī)x器與自動(dòng)測(cè)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(jì)原則自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)§12-1概述經(jīng)典的測(cè)量理論測(cè)量的三要素標(biāo)準(zhǔn)量，被測(cè)量，比較儀器現(xiàn)代的測(cè)量理論提取被測(cè)量的信息特征；作為測(cè)控系統(tǒng)的一部分；計(jì)算機(jī)技術(shù)測(cè)量技術(shù)+現(xiàn)代測(cè)量理論與技術(shù)智能儀器智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量?jī)x器相結(jié)合的產(chǎn)物。由于它擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷和自動(dòng)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(diǎn)1.測(cè)量過(guò)程的軟件控制

人機(jī)對(duì)話；自檢；自診；顯示及打??；...2.數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)處理——誤差處理；數(shù)字濾波；時(shí)域/頻域分析；...3.多功能化例：智能化電力分析儀——有功、無(wú)功、電壓、電流、…峰谷記錄、打印報(bào)警、...用軟件實(shí)現(xiàn)早期由硬件實(shí)現(xiàn)的功能自動(dòng)量程切換；自動(dòng)極性判斷；自動(dòng)巡回檢測(cè)；...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(diǎn)：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(gè)人計(jì)算機(jī)以PC機(jī)為核心的智能儀器(PCI)機(jī)構(gòu)圖PCI的硬件平臺(tái)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(gè)測(cè)量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變?cè)鲆娣糯笃?。A電阻網(wǎng)絡(luò)控制接口輸入輸出通過(guò)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(yùn)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(shí)序；

CPU與A/D-C查詢方式/中斷方式；錯(cuò)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(guò)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(jìn)制編碼。千位編碼還包含輸出極性、欠/過(guò)量程信息。

DS1~DS4控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的“個(gè)”、“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(jià)的積分型A/D-C中；以十進(jìn)制編碼方式；每次輸出一位并行十進(jìn)制編碼，整個(gè)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(shí)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(gè)鍵組成的鍵盤，可分為獨(dú)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(dú)立鍵結(jié)構(gòu)：每一鍵單獨(dú)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(jì)要點(diǎn)：判斷有無(wú)鍵盤按下；斷哪個(gè)鍵按下；鍵值處理；必要的顯示；鍵盤消抖動(dòng)；誤操作處理。2.編碼鍵盤系統(tǒng)硬件電路實(shí)現(xiàn)鍵盤的編碼、鍵閉合/釋放、消抖動(dòng)。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(shí)鐘、中斷請(qǐng)求鍵盤掃描輸出、返回輸入——14個(gè)引腳動(dòng)態(tài)顯示掃描、消隱——9個(gè)引腳與CPU接口(15個(gè)個(gè)引腳)二、數(shù)碼顯示技術(shù)靜態(tài)顯示：動(dòng)態(tài)顯示：LED顯示：LCD顯示：LED點(diǎn)陣顯示：LED筆段顯示：共陰：共陽(yáng)：7段譯碼：顯示驅(qū)動(dòng)：發(fā)光二極管陣列CPU鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)1234abcd發(fā)光二極管陣列驅(qū)動(dòng)線路LCD顯示：筆段式點(diǎn)陣式專用可編程顯示控制驅(qū)動(dòng)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(hào)分類直流電流信號(hào)：4~20mA：250~750歐姆0~10mA：0~3000歐姆直流電壓信號(hào)：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(yuǎn)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(dòng)——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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)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(wú)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(wèn)題2.隔離運(yùn)放隔離運(yùn)放光電隔離電磁隔離捕獲時(shí)間：從采樣開始到輸出電壓達(dá)到精度指標(biāo)所需時(shí)間，它與電容器充電時(shí)間常數(shù)、運(yùn)放響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。3.采樣保持采樣信號(hào)輸出緩沖器采樣保持傳導(dǎo)誤差S/H放大器輸出信號(hào)被測(cè)電壓孔徑時(shí)間：從發(fā)出保持命令到保持開關(guān)真正斷開所需時(shí)間，保持電容在此時(shí)間后才起作用。保持建立時(shí)間：進(jìn)入保持狀態(tài)后，需要經(jīng)過(guò)保持建立時(shí)間，輸出才能達(dá)到穩(wěn)定。早于此時(shí)間的A/D-C會(huì)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(jì)1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素輸入信號(hào)的特性信號(hào)的數(shù)量信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的輸入方式(極性、共地)信號(hào)的帶寬信號(hào)的噪聲信號(hào)源阻抗對(duì)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(jí)采樣保持電路的輸入阻抗相分壓，使輸入信號(hào)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(hào)源內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，輸入信號(hào)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(huì)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(huì)影響采樣速率)改進(jìn)(4)運(yùn)放誤差運(yùn)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(hào)幅值會(huì)產(chǎn)生誤差；時(shí)間上會(huì)產(chǎn)生誤差(如同步誤差)。(1)量化誤差(2)零點(diǎn)誤差(3)增益誤差(4)非線性誤差§12-6智能儀器的設(shè)計(jì)一、智能儀器的設(shè)計(jì)原則1.功能及技術(shù)指標(biāo)2.可靠性要求3.便于操作維護(hù)4.升級(jí)二、智能儀器的設(shè)計(jì)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(jì)方法概述三、智能儀器的設(shè)計(jì)及研制步驟1.確定任務(wù)，擬定設(shè)計(jì)方案根據(jù)要求確定儀器的功能、指標(biāo)及設(shè)計(jì)任務(wù)；

明確儀器實(shí)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(jì)，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(jì)、模板的研制、調(diào)試；

將系統(tǒng)分成若干個(gè)功能塊；模板設(shè)計(jì)、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(jì)一、CPU

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

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(gè)由程序驅(qū)動(dòng)的邏輯器件。FPGA器件的應(yīng)用，可對(duì)儀器提高性能、縮小體積、降低成本、增強(qiáng)保密性等方面起到重要作用。FPGA編程語(yǔ)言：VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuit

HardwareDescriptionLanguage)(三)、智能儀器的軟件設(shè)計(jì)一、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)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(hào)處理；儀器的初始化、手動(dòng)/自動(dòng)控制、掉電保護(hù)；儀器自診斷；…...2.測(cè)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(lái)自元器件的內(nèi)部。隨機(jī)噪聲是一種前后獨(dú)立的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。隨機(jī)噪聲的幅度大多服從正態(tài)分布。干擾：來(lái)源于(1)空間電磁場(chǎng)；(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(cè)電壓上的干擾信號(hào)。e感應(yīng)電勢(shì)熱電勢(shì)，接觸電勢(shì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行予處理；屏蔽共模干擾是同時(shí)疊加在兩條被測(cè)信號(hào)線上的外界干擾信號(hào)。~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(hào)源內(nèi)阻和儀表輸入端對(duì)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(yùn)放作為儀器的前置放大器；利用隔離運(yùn)放——信號(hào)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(diǎn)接地與多點(diǎn)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(jī)測(cè)量模塊1測(cè)量模塊2...總線早期的儀器除自身獨(dú)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)虛擬儀器(VirtualInstrumentation,VI)的概念現(xiàn)有的PC計(jì)算機(jī)專門設(shè)計(jì)的儀器硬件專門設(shè)計(jì)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(hào)調(diào)理產(chǎn)品；

GPIB控制產(chǎn)品*；

VXI控制產(chǎn)品；現(xiàn)場(chǎng)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(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡DAQ工業(yè)自動(dòng)化軟件

BridgeVIEWLookoutComponent測(cè)量與分析軟件

LabViewVEELabWindows/CVIVirtualBenchIVI其他軟件PC機(jī)/工作站測(cè)控對(duì)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(yùn)行程序的集成化編程環(huán)境。它是基于C語(yǔ)言用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)。

LabVIEW的特點(diǎn)和功能：(1)使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面；(2)使用圖標(biāo)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(yǔ)言編寫程序；(3)提供調(diào)試功能；(4)支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，提供大量函數(shù)庫(kù)。

VEE是HP公司提供的功能強(qiáng)大的可編程語(yǔ)言。可用于儀器控制、測(cè)量處理和測(cè)試報(bào)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(tái)。它適用于C/C++的虛擬儀器工具。

§12-8自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)—傳感器的選擇主要強(qiáng)調(diào)以下四個(gè)原則:一、與測(cè)量條件有關(guān)的因素

(1)測(cè)量的目的；

(2)被測(cè)試量的選擇；

(3)測(cè)量范圍；

(4)輸入信號(hào)的幅值，頻帶寬度；

(5)精度要求；

(6)測(cè)量所需要