现代仪器系统设计考纲

1、现代仪器系统设计考纲第一讲现代仪器概述1. 仪器的定义信息获取、处理、利用的工具，是信息化的重要设备，也是现代工业的核心技术之一。2. 智能仪器的组成，硬件与软件部分硬件部分：处理器电路、输入通道电路、输出通道电路、人机接口电路、通信接口电路软件部分：监控程序、接口管理程序、数据处理程序3. 智能仪器的特点1）功能多样化2）系统集成化、模块化3）构成的柔性化：专用与通用4）网络化、可视化第二讲智能仪器设计方法1. 理解智能仪器设计的原则：从整体到局部、经济性（成本取决于研制成本和生产成本）、易操作性、通用性（指标留有一定余量）、软硬件合理配合、可靠性2. 理解智能仪器设计的一般步骤1、确定任务

2、、明确目标，拟定总体设计方案1）确定仪器的功能、技术指标及设计任务（要考虑被测信号的特点、被测量的数量、输入信号的通道数、 被测量的类型、变化范围以及测量速度、精度、分辨率和误差等；还要确定测量结果的输岀方式、显示器 的类型、输岀接口的配置。）2）建模和测控算法的确定3）智能仪器的总体方案设计2、硬件和软件设计1）硬件电路设计和功能模板的研制2）软件框图的设计和程序的编制3、系统调试及性能测试1）硬件电路和软件的调试及性能测试。2）智能仪器的调试包括硬件电路调试、软件调试和样机调试三部分。3）智能仪器硬件电路和软件的研制一般独立地平行进行。4）样机调试是指在硬件电路和软件分别调试完成后，在样机

3、上进行的硬件电路和软件的联调。3. 理解硬件设计的基本要求1）达到或超过技术指标：定性的功能与定量的技术指标。2）尽可能提高性价比。3）适应环境，安全可靠：合理地选择元器件和采用极限情况下试验的方法。4）便于操作和维护。4. 理解电路设计的一般原则1） 硬件电路结构要结合软件方案一并考虑。（软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件电路。但必须注意，由软件实现的硬件功能， 其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU时间。因此，考虑到硬件软化方案时，要考虑到这些因素。）2）尽可能选用典型电路和集成电路，为硬件系统的标准化、模块化打下基础。3） 微机系统的扩展与外围配置的水平应充分考虑

4、测控系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次 开发。4）把设计好的单元电路相连时要考虑是否能直接连接，模拟电路时要不要加电压跟随器进行阻抗隔离，数 字电路连接和微机接口电路要不要逻辑电平转换，要不要加驱动器、锁存器和缓冲器等。5） 在模拟信号传送距离较远时要考虑以如共模干扰大应采用差动信号传送。在数字信号传送距离较远时，要考虑采用线驱动器”。6）可靠性设计和抗干扰设计，包括去耦滤波、印制电路板布线、通道隔离等。5. 理解软件设计的一般步骤1）进行系统定义2）程序设计3）编写程序4）查错和调试5）文件编制6）维护和再设计6. 理解软件设计的一般方法：模块化方法模块不宜分得过大或过小。模块必

5、须保证独立性。对每一个模块作岀具体定义，定义应包括解决某问题的算法，允许的输入输岀值范围以及副作用对于一些简单的任务，不必企求模块化。当系统需要进行多种判定时，最好在一个模块中集中这些判定。7. 理解软件测试的基本概念（黑盒、白盒）黑盒测试：功能测试法也称为黑盒测试”，并不关心程序的内部逻辑结构，而只检查软件是否符合它预定的功能要求。白盒测试：程序逻辑结构测试法也称白盒测试”，是根据程序的内部结构来设计测试用例。用这种方法来发现程序中可能存在的所有错误，至少必须使程序中每种可能的路径都被执行一次。测试用例应由输入信息、预期处理结果与实际测试结果三部分组成8. 理解智能仪器调试的基本概念（在线、

6、离线）在线：1）开发系统的基本功能用户样机硬件电路的检测与诊断用户样机程序的输入与修改应用程序的运行、调试、排错、状态查询等功能应用程序代码固化功能有较全面的开发软件有跟踪调试、运行的能力为了方便模块化软件调试，还应配置软件转储、程序文本打印功能及设备2）开发系统的组成主处理机：一般是一个带有监控程序的单板机或一个带操作系统的微处理机控制台：键盘和显示终端外存储器打印机在线仿真器（ICE）为用户程序的调试提供运行环境，把目标硬件（用户样机）与开发系统联系起来，使 用户可以在开发的实际目标硬件环境下，全面调试用户程序。编程器（EPROM或FLASH开发系统软件：编辑程序、汇编（或编译）程序及动态

7、调试程序第三讲输入/输岀模块设计技术1. 理解输入通道的组成将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续变化的模拟信号进行放大、滤波、调理等处理，将其转换成计算机能接收的逻辑信号的电路称为模拟量输入通道。单通道结构、多通道结构（多通道共行结构、多通道共享结构）2. 理解传感器的性能指标1）线性范围:输岀与输入成正比的范围。2）精度：3）灵敏度:要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。4）稳定性：传感器的性能不随使用时间而变化的能力称为稳定性。5）频率响应特性：传感器的频率响应特性好，则可测量的信号频率范围宽。3. 理解多路开关（MUX）的基本概念模拟多路开关也称为

8、多路转换器，主要用于信号的切换，是输入通道的重要元件之一。当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常利用模拟多路开关将各路模拟量分时与放大器、A/D转换器等接通。这种利用一片A/D转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件电路的利用率，节省成本。4. 理解A/D的分类、性能指标与选择原则（怎么选）1、A/D转换器的类型1）并联比较型：适用于速度快、分辨率低的场合。2） 逐次逼近型：抗干扰能力较差，在A/D转换器前一般要加采样/保持器锁定电压。3）双积分型：抗干扰能力强，转换速率慢。4）工-调制型：用速度换取分辨率。2、A/D转换器的主要性能指标1）转换精度：分辨率：衡量ADC能够分辨的

9、输入模拟量的最小变化量的技术指标，是数字量变化一个最小量时对应的模拟信号的变化量。量化误差：凡不足以引起一个最小数字量变化的模拟量形成的误差称为量化误差。分辨率常以二进制或十进制的位数表示。BCD码：分辨率为3.5位，分辨率为1/19992）转换时间与转换速度：完成一次转换所需的时间，转换速度是转换时间的倒数。5. A/D转换器的选择原则1） 根据测试系统的总误差要求，确定A/D转换器的精度及分辨率。2） 根据系统应用范围、被测信号的变化率以及转换精度，确定A/D转换器的转换时间。（采样定律）3） 根据计算机接口电路的特征，选择A/D转换器输岀状态：并行式、串行式、一体式。4）根据A/D转换器

10、的工作条件来选择芯片的一些环境参数。5）要综合考虑成本、资源及芯片的来源等因素。6. 理解开关量的基本概念开关量信号是指只有开和关、通和断、高和低两种状态的信号，可以用二进制数0和1表示。当外界开关量信号的电平幅度与单片机I/O端口电平幅度相符时，可直接检测和接收开关量输入信号。但如电平不符，则必须经过电平转换才能输入到单片机的I/O端口。7. 理解D/A的性能指标与应用1、D/A的主要技术指标1）转换精度：分辨率，转换误差2）转换速度2、D/A的应用1）阶梯波发生器2）锯齿波发生器3）三角波发生器4）正弦波发生器8. 理解驱动电路的一般概念1、小功率驱动接口电路1）常用于小功率负载，如发光二

11、极管、LED显示器、小功率继电器等元件或装置，一般要求系统具有10s40mA的驱动能力，通常采用小功率三极管（如 9012、9013、8050、8550等）和集成电路（如 75451 , 74LS245等）作为驱动电路。2、中功率驱动接口电路1）常用于驱动功率较大的继电器和电磁开关等控制对象，一般要求具有50s500mA的驱动能力。可采用达林顿管（如 MC1412，MC1413，MC1416等）或中功率三极管来驱动。3、固态继电器输岀接口电路，适合控制大功率设备的场合。固态继电器（SSR是一种新型无触点功率型电子开关。SSR利用光电隔离技术实现了控制端（输入端）与负载回路（输岀端）之间的电气隔

12、离，同时又能控制电子开关的动作。SSR具有开关速度快、体积小、质量轻、寿命长、工作可靠等优点9. 理解数据处理技术、误差来源、误差分类、误差特性及相应的处理方法数字滤波、标度变换、数值计算、逻辑判断、非线性补偿、压缩、识别等。10. 理解软测量技术的一般概念与主要内容建立软测量模型以实现辅助变量对主导变量的最佳估计，这类数学模型及相应的计算机软件也被称为软测量器或软仪表”辅助变量的选择、数据处理、软测量模型的建立、软测量模型的在线校正第四讲人机交互接口设计技术1. 理解键盘接口的处理方式（去抖动）硬件处理:利用RS触发器的互锁功能去抖动，可以得到理想的按键输岀波形,一般只用于按键数目较少的场合

13、。软件处理：当CPU首次检测到按键按下或松开信息时，延时二段时间后，再次判断按键的状态，读取这一 次的信息，确定是否按下。2. 简要理解各种LCD显示方式的异同点（课件红字部分）1）段码式LCD静态驱动、动态驱动2）点阵式LCD专用的接口控制芯片LCD模块：将LCD点阵、控制芯片和接口电路集成字模软件3）图形式LCDTFT模块GUI软件:GUI是Graphical User Interface的简称，即图形用户接口第五讲通信接口设计技术1. 理解并行接口的一般概念并行接口，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。接口特性可以从两个方面加以描述：1.数据通道的宽度，也称接口传输的位数；2.用于协

14、调并行数据传输的额外接口控制线或称交互信号的特性。2. 理解RS232与RS485的异同点（3线制通讯参数）通讯协议的重要参数：数据的传输速率、数据位、起始位及停止位、校验位的检查。RS-232-C接口标准：全双工。传输速率较低。通信距离短。使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地 的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。点对点通信方式。RS485接口标准：半双工，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。 多点通信。传输速度快。通信距离为几十米到上千米，采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰 的能力。主从通信方式。RS232数据通讯不正常

15、（包括无数据与岀错的情况）原因：传输速率不匹配，校验位、起始位或停止位、 发送单位不匹配，传输距离限制，强电磁干扰，端口已被其他程序占用，串口线问题（断了或者使用型号 不同的线）、系统BIOS中串口被Disable 了、延长线与交叉线使用错误、发送和接受方的时钟不匹配。 三线接法：引脚序号信号名称符号功 能2接收数据RXDDTE接收串行数据3发送数据TXDDTE发送串行数据5信号地GND信号地3. 理解USB接口的一般特点与供电模式USB的硬件结构：主机、集线器、功能设备 使用方便、速度快、连接灵活、独立供电、支持多媒体USB的供电模式有两种：总线供电与自供电。USBVI10 0是采用总线供电

16、模式。4. 简要理解现场总线的概念现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。第六讲自动校准和抗干扰技术1. 智能仪器自动校准的概念智能仪器可以自动对所得测试结果与已知标准进行比较，将测量的不确定性进行量化，验证测量仪器是否 工作在规定的指标范围内。分为内部自动校准和外部自动校准。为了保证仪器在预定精度下正常工作，仪 器必须定期进行校准。内部自动校准技术利用仪器内部的校准源将各功能、各量程按工作条件调整到最佳状态。当在环境差别较 大的情况下工作时，内部自动校准实际上消除了环境因素对测量准确度的影响，补偿工作环境的变化、内 部校准温度的变化和可能影响测量的其他

17、因素的变化。输入偏置电流、零点漂移、增益自动校准。外部自动校准技术要采用高精度的外部标准。在进行外部校准期间，校准常数要参照外部标准来调整。 校准存储器可以采用 EEPROM或FLASH以确保断电后数据不丢失。2. 智能仪器自检的一般概念包括开机自检、周期性自检、键控自检，内容针对：RAM、ROM、键盘显示器、输入输岀通道、总线3. 智能仪器故障检测与故障诊断的异同点故障检测的作用是回答系统是否发生故障；故障诊断的作用是回答系统中哪里发生了故障。4. 可靠性的基本指标可靠度是指产品或系统在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。失效率又称为故障率，是指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻

18、后单位时间内发生失效的概率。平均无故障工作时间又称为平均寿命，是产品寿命的平均值。5. 理解硬件可靠性设计方法1）元器件级的可靠性措施严格管理元器件的购置和储运老化、筛选、测试降额使用选用集成度高的元器件2）部件及系统级的可靠性措施冗余技术、电磁兼容设计、信息冗余技术、故障自动检测与诊断技术、失效保险6. 理解软件可靠性设计方法时间冗余技术、指令冗余技术、软件陷阱技术看门狗技术：看门狗技术是一种计算机程序监视技术，防止程序由于干扰等原因而进入死循环，一般用于 计算机控制系统。原理：是不断监测程序循环运行的时间，一旦发现程序运行时间超过循环设定的时间，就认为系统已 陷入死循环，然后强迫程序返回到

19、已安排了岀错处理程序的入口地处，使系统回到正常运行。它可用软件或硬件方法实现。第七讲虚拟仪器技术1. 理解虚拟仪器的定义所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一 台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对 测量数据的分析和显示功能。2. 理解虚拟仪器的层次结构硬件系统：虚拟仪器采集与控制硬件、接口硬件与计算机硬件平台三部分。软件系统：I/O接口软件、仪器驱动程序、应用软件3. 理解虚拟仪器的硬件设计方法自顶向下，技术评审，设计准备工作，电路设计与计算，试验板制作，试验板调试，编写调试程序，利用

20、 开发系统调试电路板，制作印制电路板，调试印制电路板，硬件软件联调。4. 理解虚拟仪器的固件设计方法模块化设计一般原则：1、模块不宜过大或过小；2、模块必须保证独立性；3、对每一个模块作岀具体定义；4、 对于一些简单的任务，不必企求模块化；5、当系统需要多种判定时，最好在一个模块中集中这些判定。一般固件程序要涉及的内容：1、总流程图2、程序的功能说明 3、所有参量的定义清单 4、存储器的分配 图5、完整的程序清单和注释 6、测试计划和测试结果说明。软件测试的目的：为了发现软件中存在的问题，而不去解决。软件测试的人员：编程者以外的人。两种软件测试方法：1、功能测试法，也称“黑盒测试”，完全根据软

21、件的功能来设计的。2、程序逻辑结构测试法，也称“白盒测试”，是根据程序的内部结构来设计测试用例。固件设计开发环境：Keil uVision集成开发环境IDE是一个基于 Windows的软件开发平台，有功能强大的编 辑器、项目管理器和制作工具。5. 理解虚拟仪器的驱动程序设计方法1）虚拟仪器驱动程序设计原则：所有仪器函数必须包含一个返回状态值。所有仪器函数名不能超过 31个字符。尽量避免引岀全局变量，避免声明大型数组结构，避免声明复杂的数据类型（如类、结构、联合等），不采用键盘/屏幕标准输入/输出方式。仪器函数应避免包括高级的、复杂的数学分析与运算函数，而将复杂的运算与分析工作交与上层应用程序

22、来完成。仪器函数应具有较强的内聚力，尽量做到一个仪器函数完成一个独立的仪器功能，实现有效的功能分配。仪器驱动程序中各函数之间尽量提高各自的独立性，减少彼此的耦合度。函数之间必要的耦合采用数据耦合方式，而尽量避免采用功能耦合方式，从而有效地控制仪器函数个数与规模。在 USB设备驱动程序中，URB（ USB Request Block 是 USB请求块的缩写。IRP（ 10 Request Package 是 10请求包的缩写。驱动程序是一个函数库，不能独立运行。理解USB设备驱动程序、EASYUSB.DLL USBVI100Driver.DLL各自的层次及作用。Win32API，在Win32系统

23、中，把每一个设备都抽象为文件，此时的应用程序只需通过几条简单的文件操作 API函数，就可以实现与驱动程序中某个设备通信。EasyUSB动态库，使用户可以不了解复杂的USB协议也可快速完成USB驱动程序的应用。USBVI100Driver.dll就是基于EasyUSB动态库之上的仪器驱动程序。所有的操作是基于采样通道、采集频率 等概念，无论是采用 USB接口还是采用串行接口。并不需要理解USB的端点与管道等概念。针对特定的虚拟仪器的设计，进一步简化仪器用户的使用，是更上一层的仪器驱动程序。6. 理解虚拟仪器的应用程序的开发环境理解可视化编程环境与图形化编程软件平台的异同点：所谓可视化编程，就是指

24、在软件开发过程中，用直观的具有一定含义的图标按钮、图形化的对象取代原来 手工的抽象的编辑、运行、浏览操作，软件开发过程表现为鼠标单击按钮和拖放图形化的对象以及指定对 象的属性、行为的过程。（Visual Basic. PowerBuilder、C+Builder/Delphi、Visual C+ Java编程工具）图形化编程软件平台的编程方法是一种面向对象的编程思想，用户只需描述任务，然后类似作语法分析， 把主语、谓语（动作）、宾语（目标）、定语（条件）、状语（条件）区分开，分别对应于具体的图形化控件，把它们 用数据线或顺序线按流程连接即可。（NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE组态软件

25、组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件 平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。图形化平台的语法基础：数据流语言。节点与边：程序以有向图表示，节点代表数据处理函数。数据通过节点间相互连接的边传入传出函数。7. 理解虚拟仪器的应用程序软面板的设计方法虚拟仪器软面板是一个仪器级的测试应用程序，它为虚拟仪器模块提供一个替代前面板的控制接口。该控制接口在计算机显示器上，可用交互方法控制虚拟仪器模块。虚拟仪器软面板与仪器驱动程序一样，是一个独立的软件模块，它作为一个独立运行的可执行文件运行，开发环境

26、可以选择具有良好可视化用户界面的VB、VC、Delphi语言开发平台等，也可以选择 LabVIEW等图形化平台。在系统集成中，虚拟仪器软面板用于检验仪器的通讯，并测试仪器的各类操作。当对用户仪器进行编程时，可以通过观察面板上的指示器和显示器来检验仪器设置是否正确。当系统集成完成之后，软面板可通过面 板上的控制器来执行仪器功能，以便使用户熟悉仪器的功能和特性。软面板采用图形用户接口（GUI）技术显示等效的旋钮、按键及控制器。用户通过鼠标或计算机键盘操作这些控制器。图形显示具有同传统的前 面板方式相似的测量结果和仪器状态，从而让用户以熟悉的方法控制仪器。虚拟仪器软面板实例功能：系统功能：仪器复位、仪器自检、仪器版本号读取、仪器标定仪器功能：单通道单点 A/D采样、单通道多点 A/D采样、多通道多点 A/D采样、固定通道D/A输岀、方波输岀、频率计算帮助功能：系统帮