第02章智能仪器基础

1、v气象仪器主讲人：LOGO仪器科学与技术系气象仪器第二章第二章 智能仪器基础智能仪器基础2021-10-13 概述概述 2.1 传感器与信号调理传感器与信号调理 2.2 模模/数转换技术数转换技术 2.3 微控制器微控制器 2.4 人机接口人机接口 2.5 低功耗设计低功耗设计 2.6 数据处理技术数据处理技术 2.7LOGO仪器科学与技术系气象仪器2021-10-132.1 2.1 概述概述随着微电子技术的不断发展以及单片机的问世，以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。 操作自动化操作自动化 具有自测功能具有自测功能 具有

2、数据处理功能具有数据处理功能 具有友好的人机对话能力具有友好的人机对话能力 具有可程控操作能力具有可程控操作能力 智能仪器的功能特点智能仪器的功能特点 LOGO仪器科学与技术系气象仪器智能仪器发展趋势智能仪器发展趋势v1 微型化 v2 多功能 v3 人工智能化 v4 融合ISP等技术，实现仪器仪表系统的Internet接入（网络化） v5 智能仪器发展的新阶段 -虚拟仪器LOGO仪器科学与技术系气象仪器第二章第二章 智能仪器基础智能仪器基础2021-10-13 概述概述 2.1 传感器与信号调理传感器与信号调理 2.2 模模/数转换技术数转换技术 2.3 微控制器微控制器 2.4 人机接口人机

3、接口 2.5 低功耗设计低功耗设计 2.6 数据处理技术数据处理技术 2.7LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.2 2.2 传感器与信号调理传感器与信号调理2021-10-13信号调理信号调理是将实际存在的电压、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、隔离等操作转换成采集设备能够识别的标准信号 。 传感器与传感器与 信号调理信号调理传感器传感器是指能把物理化学量转变成便于利用和输出的电信号，用于获取被测信息，完成信号的检测和转换的器件。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器Text 4结构型物理型能量转化型能量控制型传感器的分类传感器的分类按被测物理量按传感器与被测量间能量

4、转换关系2.2.1 2.2.1 传感器传感器 2021-10-13Text 3按传感器工作或信号转换原理力、速度、温度传感器等LOGO仪器科学与技术系气象仪器传感器的选择传感器的选择 2021-10-131)测量对象与测量环境2)灵敏度3)频率响应特性 4)线性范围 5)稳定性 6)精度 合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.2.2 2.2.2 信号调理信号调理2021-10-13信号调理信号调理滤波 放大 去噪 主要针

5、对前置放大器部分加以阐述主要针对前置放大器部分加以阐述 传感器输出的信号不可避免的包含杂波信号，幅度也不一定适合直接进行数模（A/D）转换，需要将传感器的信号进行调理。完成滤波、幅度变换等调理功能的电路称为信号调理电路。LOGO仪器科学与技术系气象仪器仪用放大器仪用放大器 2021-10-13仪用放大器是一种具有精密差动电压增益的器件。由于其具有高共模抑制比、高稳定增益、高输入阻抗、低输出阻抗、低温漂、低失调电压等优点，因此，非常适合于微弱信号的放大，以及有较大共模干扰的场合。为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，电路采用上、下对称结构 ,仪用放大器的闭环增益为LOGO仪器科学与技术系

6、气象仪器集成仪用放大器集成仪用放大器2021-10-13美国AD公司提供的AD521/522、AD612/605等测量放大器；BB公司的INA114/118；Maxim公司的MAX4195/4196/4197等。GRRsUinUoutA管脚OFF SET(4,6脚)脚用来调节放大器的零点，调整方法是将这两个端子接到一个10 电位器的固定端，电位器的滑动端接到负电源上，如图2-2（b）所示，放大器的放大倍数A：LOGO仪器科学与技术系气象仪器程控增益放大器程控增益放大器2021-10-131）程控同相放大器信号从同相端输入，电阻网路接在运放反相端与输出端之间，当CD4051的端接通时，电路是一个

7、跟随器，当其他端如第j端接通时，电路增益为2）程控反相放大器结构简单，电阻网络接在运放的反相输入端与输出端之间，输入电阻不随增益的变化而变化。缺点是模拟开关的导通电阻及其漂移会影响增益的精度。 （a）同相程控增益放大器(b)程控反相增益放大器 LOGO仪器科学与技术系气象仪器隔离放大器隔离放大器 2021-10-13隔离放大器将输入、输出及电源在电流和电阻上进行隔离，使之没有直接耦合的测量放大器。主要用于要求共模抑制比高的、模拟信号的传输放大中， 可在模拟信号进入采集系统之前，用隔离放大器进行隔离放大。特点(1)能保护系统元器件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。(2)泄漏电流

8、低，对于测量放大器的输入端，无需提供偏流返回通路。(3)共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。LOGO仪器科学与技术系气象仪器第二章第二章 智能仪器基础智能仪器基础2021-10-13 概述概述 2.1 传感器与信号调理传感器与信号调理 2.2 模模/数转换技术数转换技术 2.3 微控制器微控制器 2.4 人机接口人机接口 2.5 低功耗设计低功耗设计 2.6 数据处理技术数据处理技术 2.7LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.3 2.3 模模/ /数转换技术数转换技术由于实际测量对象往往都是一些模拟量由于实际测量对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、等如温

9、度、压力、位移、等)，要，要让微处理器识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字让微处理器识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号，也就是模信号，也就是模/数（数（A/D）转换。）转换。通常通常A/D转换的过程包括采样、保持和量化、编码两大步骤。转换的过程包括采样、保持和量化、编码两大步骤。 采样：采样：是指周期地获取模拟信号的瞬时值，从而得到一系列时间上离散的脉冲采样值。保持：保持：是指在两次采样之间将前一次采样值保存下来，使其在量化编码期间不发生变化。量化：量化：将采样保持电路输出的模拟电压转化为最小数字量单位整数倍的转化过程。编码：编码：把量化的结果用代码(如二

10、进制数码、BCD码等)表示出来的过程。LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.3.1 A/D2.3.1 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2021-10-13线性度线性度转换误差转换误差 转换时间转换时间A/D转换器的主要技术指标 分辨率分辨率 是指输出数字量变化一个最小单位(最低位的变化)，对应输入模拟量需要变化的量。 通常以输出二进制码的位数表示分辨率。 转换误差转换误差 通常以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。转换时间转换时间 是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。 输入电压范围、

11、功率损耗等输入电压范围、功率损耗等 分辨率分辨率LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.3.2 2.3.2 几种常见的几种常见的A/DA/D转换器原理转换器原理2021-10-13常见常见A/D转换器原理转换器原理并行比较型并行比较型逐次比较型逐次比较型双积分型双积分型型型LOGO仪器科学与技术系气象仪器并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器2021-10-13由电阻分压器、电压比较器、数码寄存器及编码器4个部分组成。优点是转换速度快，其转换时间只受电路传输延迟时间的限制，最快能达到低于20ns。缺点是随着输出二进制位数的增加，器件数目按几何级数增加。一个n位的转换器，需要2n-1个比较器。

12、一个n位的转换器，需要2n-1个比较器。例如，n=8时，需要28-1=255个比较器。 适用于要求转换速度高、但分辨率较低的场合。 3位并行比较型A/D转换器LOGO仪器科学与技术系气象仪器逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器2021-10-13由控制逻辑电路、时序产生器、移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。原理：将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。 特点：转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在级，转换精度一般在16位以下，是目前集成A/D转换器产品中使用较为普遍的一种。 4位逐次逼近型A/D转换器的原理图LOGO仪器

13、科学与技术系气象仪器双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 2021-10-13双积分型AD转换器属于间接型AD转换器，它把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如，时间T或频率F。然后再对中间变量量化编码，得出转换结果。与逐次逼近型AD转换器相比,双积分型AD转换器工作性能稳定、抗干扰能力强、电路结构简单。但转换速度较慢，一般一次转换时间在1-2ms，而逐次比较型AD转换器可达到1s。双积分式A/D基本原理LOGO仪器科学与技术系气象仪器型型A/DA/D转换器转换器 2021-10-13型A/D转换器以很低的采样分辨率（1位）和很高的采样速率将模拟信号数字化。原理：通过使用过采样、噪

14、声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后对A/D转换器输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率，实现A/D转换。近年来, 型A/D转换器以其分辨率高、线性度好、成本低等特点，得到越来越广泛的应用，特别在既有模拟又有数字信号处理场合。 型转化器结构图 LOGO仪器科学与技术系气象仪器第二章第二章 智能仪器基础智能仪器基础2021-10-13 概述概述 2.1 传感器与信号调理传感器与信号调理 2.2 模模/数转换技术数转换技术 2.3 微控制器微控制器 2.4 人机接口人机接口 2.5 低功耗设计低功耗设计 2.6 数据处理技术数据处理技术 2.7LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.4 2.4

15、微控制器微控制器(MCU)(MCU)2021-10-13习惯上称智能仪器中的微处理器为微控制器或单片机。习惯上称智能仪器中的微处理器为微控制器或单片机。它将它将CPU、存储器、定时计数器、存储器、定时计数器、I/O接口、甚至接口、甚至A/D转转换器、换器、D/A转换器、监视定时器电路等集成在一块集成电路转换器、监视定时器电路等集成在一块集成电路上，构成了一个完整的微型计算机系统。上，构成了一个完整的微型计算机系统。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。且功能比起采用电子或数字电路更加强大。 在硬

16、件设计时应首先考虑选择单片机，然后确定与之配套在硬件设计时应首先考虑选择单片机，然后确定与之配套的外围芯片。在选择单片机时，要考虑的因素有字长、寻址的外围芯片。在选择单片机时，要考虑的因素有字长、寻址能力、指令功能、执行速度、中断能力以及市场对这种单片能力、指令功能、执行速度、中断能力以及市场对这种单片机的软、硬件支持状态等。机的软、硬件支持状态等。LOGO仪器科学与技术系气象仪器2021-10-13单片机体系单片机体系结构结构 常见的单片机有两种体系结构，即复杂指令集（CISC）结构和精简指令集（RISC）结构。 2.4.1 2.4.1 单片机概述单片机概述CISCCISC结构结构 即冯诺伊

17、曼结构这种结构的单片机指令丰富功能较强，可应用于控制关系复杂的场合，但其数据线和指令线分时复用，取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。Intel的8051系列、Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、华邦Winbond的W78系列和Philips的P80C51系列等 RISCRISC结构结构 即哈佛结构。这种结构的单片机数据线和指令线分离，取指令和取数据可以同时进行，执行效率更高速度更快，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化设计。 TI的MSP430、各公司的ARM单片机、Microchip的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S

18、系列、三星KS57C系列4位单片机和义隆的EM78系列等LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.4.2 MCS-512.4.2 MCS-51系列单片机系列单片机 MCS-51系列单片机最初由Intel公司在研制成功，现在以8051技术核心为主导的微控制器技术已被、Philips 、Atmel等公司继承，并在原有基础上又进行了新的开发，形成功能更加强劲的、兼容51的多系列化单片机。 MCS-51单片机分51和52子系列，并以芯片型号的末位数字加以标识。51子系列是基本型，52子系列是增强型。MCS-51系列单片机的主要硬件特性表 LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.4.3 PIC2.4.3 PIC系

19、列单片机系列单片机 PIC系列单片机由美国Microchip半导体公司为要求高性能而低价格的用户设计的。率先采用了精简指令集（RISC）结构，可以实现单周期指令，功耗低，这一系列单片机最大的特点是不搞单纯的功能堆积，从实际出发，重视产品的性能与价格比。目前已有初档8位单片机、中档8位单片机 、高档8位单片机等。此外，PIC单片机还有高性能PIC18CXXX系列单片机，是集高性能、CMOS、全静态、模/数转换器于一体的16位单片机，内含灵活的OTP存储器带有先进的模拟和数字接口，可用做片上系统，具有嵌入控制分层控制能力，为用户提供了完善的片上系统解决方案。LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.4.

20、4 MSP-4302.4.4 MSP-430系列单片机系列单片机 MSP-430系列单片机是TI公司推出的超低功耗、功能集成度高的16位单片机，其电源电压采用的是1.83.6V 电压。由于具有超低的功耗，内核指令均为单周期指令，功能强运行的速度快等特性， 此系列单片机不仅可以应用于许多传统的如仪器仪表、自动控制以及消费品领域，更适用于一些用电池供电的低功耗产品，如能量表（水表、电表、气表等）、手持式设备、智能传感器等，以及需要较高运算性能的智能仪器设备。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.4.5 2.4.5 基于基于ARM ARM 内核的单片机内核的单片机 ARM架构是ARM公司面向市场设计

21、的第一款低成本RISC微处理器。它具有极高的性价比、代码密度，以及出色的实时中断响应和极低的功耗，并且占用硅片的面积极少。RM公司开发了很多系列的ARM处理器核，应用比较多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM10系列、ARM11系列，Intel的XScale系列和MPCore系列；还有针对低端8位MCU市场最新推出的Cortex-M3系列，其具有32位CPU的性能、8位MCU的价格。其应用范围非常广泛，比如手机、 PDA、MP3/MP4、和种类繁多的便携式消费产品。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器第二章第二章 智能仪器基础智能仪器基础2021-10-13 概述概述 2.1 传感器与信号调理

22、传感器与信号调理 2.2 模模/数转换技术数转换技术 2.3 微控制器微控制器 2.4 人机接口人机接口 2.5 低功耗设计低功耗设计 2.6 数据处理技术数据处理技术 2.7LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.5 2.5 人机接口人机接口2021-10-13人机接口人机接口键盘是一组按压式或键盘是一组按压式或触摸式开关（按键）触摸式开关（按键）的集合，是智能仪器的集合，是智能仪器常见的输入设备。操常见的输入设备。操作者可以通过键盘输作者可以通过键盘输入数据、参数和操作入数据、参数和操作指令等，实现人指令等，实现人机机对话。对话。 -在智能仪器中，有时在智能仪器中，有时不仅要求系统具有显示不仅

23、要求系统具有显示功能，还要求系统将有功能，还要求系统将有关数据、表格或曲线打关数据、表格或曲线打印出来。印出来。 显示器是智能仪器重显示器是智能仪器重要的输出设备，是人要的输出设备，是人机交互的重要工具，机交互的重要工具，其主要功能是接受主其主要功能是接受主机信息，以光的形式机信息，以光的形式将文字和图形显示出将文字和图形显示出来。来。 触摸屏是一种新型的智触摸屏是一种新型的智能仪器仪表输入设备，能仪器仪表输入设备，具有简单、方便、自然具有简单、方便、自然的人的人- -机交互方式。机交互方式。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器2 2.5.1 .5.1 显示器接口技术显示器接口技术2021-10

24、-13发光二极管发光二极管LEDLED是七段是七段或八段数码管的简称，或八段数码管的简称，是一种由某些特殊的半是一种由某些特殊的半导体材料制作成的导体材料制作成的PNPN结结。LEDLED显示器由于其工作显示器由于其工作电压低，体积小，功耗电压低，体积小，功耗小，成本低，亮度适中小，成本低，亮度适中，颜色丰富，响应速度，颜色丰富，响应速度快，易于快，易于TTLTTL数字逻辑数字逻辑电路连接，因而广泛用电路连接，因而广泛用于嵌入式系统与单板机于嵌入式系统与单板机系统等系统的显示部件系统等系统的显示部件中。中。智能仪器中用得较多的智能仪器中用得较多的是七段显示器和点阵式是七段显示器和点阵式显示器。

25、显示器。为了适用于不同的驱动方式为了适用于不同的驱动方式,每种结构形式又有共每种结构形式又有共阳极和共阴极两种产品类型。阳极和共阴极两种产品类型。(b) 共阳极共阳极 (a) 共阴极共阴极 (c) 外型及引脚外型及引脚LOGO仪器科学与技术系气象仪器 为了用七段LED显示器显示数字或字符,需要将相应的字码送至LED,译码也就是将数码或字符变换为字型码,有硬件译码和软件译码两种。下图是软件译码和硬件译码的接口电路图。硬件译码电路由锁存器、译码器、驱动器组成。译码器一般有两种,十六进制型和BCD型。硬件译码的优点是可以节省CPU的时间，但成本高,而且只能译出十进制或十六进制的字符，无法显示除此之外

26、的其他字符。软件译码的基本思想是预先在内存中建立一张如下表所示的断码表,根据要显示的数字或字符去查表去获得相应的数字或字符。LOGO仪器科学与技术系气象仪器LED显示宇符与段码的关系显示宇符与段码的关系字符字符共阴极段码共阴极段码共阳极段码共阳极段码字符字符共阴极段码共阴极段码共阳极段码共阳极段码0 03FH3FHC0HC0HA A77H77H88H88H1 106H06HF9HF9HB B7CH7CH83H83H2 25BH5BHA4HA4HC C39H39HC6HC6H3 34FH4FHB0HB0HD D5EH5EHA1HA1H4 466H66H99H99HE E79H79H86H86H5

27、 56DH6DH92H92HF F71H71H8EH8EH6 67DH7DH82H82HH H76H76H09H09H7 707H07HF8HF8HP P73H73H8CH8CH8 87FH7FH80H80HU U3EH3EHC1HC1H9 96FH6FH90H90H灭灭00H00HFFHFFH下 页上 页返 回LOGO仪器科学与技术系气象仪器LED的驱动的驱动2021-10-13 对要显示段始终通以额定电流，只要引脚提供驱动电流，数码管就可以直接与单片机相连。 对要显示段通以矩形脉冲电流，为得到必要的亮度需要给予较大的驱动电流，一般为额定电流的数倍。 LED显示器需要适当的驱动电流才能得到适

28、当的亮度，还可以显示器需要适当的驱动电流才能得到适当的亮度，还可以通过在电路中串联适当的限流电阻得到合适的亮度。通过在电路中串联适当的限流电阻得到合适的亮度。LED的驱动方式有静态驱动和动态驱动两种方法。的驱动方式有静态驱动和动态驱动两种方法。两种驱动方法都有利用软件译码驱动器和硬件译码驱动器的两两种驱动方法都有利用软件译码驱动器和硬件译码驱动器的两种扫描显示方式。种扫描显示方式。LOGO仪器科学与技术系气象仪器LCD显示显示 vLCD 也就是通常所说的液晶显示器，具有耗电量也就是通常所说的液晶显示器，具有耗电量低，驱动电压低，结构空间小而有效，显示面积大低，驱动电压低，结构空间小而有效，显示

29、面积大，体薄物轻（厚度约为，体薄物轻（厚度约为LED的的1/3）、适于大规模）、适于大规模集成电路直接驱动，其易于实现全彩色显示的优良集成电路直接驱动，其易于实现全彩色显示的优良特性，为智能仪器设计提供良好条件。特性，为智能仪器设计提供良好条件。 v 液晶显示器分扭曲向列型液晶显示器分扭曲向列型(TN-LCD)、超扭曲向、超扭曲向列型列型(STN-LCD)和薄膜晶体管和薄膜晶体管(TFT-LCD)等几等几种。它们的工作原理都是利用液晶的物理特性，即种。它们的工作原理都是利用液晶的物理特性，即在通电时导通，液晶分子收到极化，排列变得有秩在通电时导通，液晶分子收到极化，排列变得有秩序，使光线容易通

30、过，液晶显示器看起来就呈现序，使光线容易通过，液晶显示器看起来就呈现“亮亮”的白色状态；不通电时，排列则变得混乱，阻的白色状态；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过，此时显示器就呈现止光线通过，此时显示器就呈现“暗暗”的黑色状态的黑色状态。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器LCD的驱动的驱动2021-10-13 在每个像素的前后电极上施加交变电压时呈显示状态，不施加交变电压时呈非显示状态的一种驱动方法。为适应多像素显示，将显示器件的电极制成矩阵结构，实现多像素显示。 循环地给每行电极施加选择脉冲，同时所有列电极给出该行像素的选择或非选择驱动脉冲，从而实现所有显示像素的驱动。既可驱动点阵式液晶

31、显示器,也可驱动字段式液晶显示器。 LCD的驱动方式也有静态驱动和动态驱动两种方法。的驱动方式也有静态驱动和动态驱动两种方法。LCD的驱动电压通常采交流电压。的驱动电压通常采交流电压。交流电压的频率一般在交流电压的频率一般在30Hz到到200Hz， 以免频率的增大将引起以免频率的增大将引起LCD功耗的增大。此外，交流电压中直流成分的值应功耗的增大。此外，交流电压中直流成分的值应当小于当小于100mV，以免使液晶材料在长时间直流电压作用下发生分解而缩短，以免使液晶材料在长时间直流电压作用下发生分解而缩短LCD的寿命。的寿命。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器CRT显示显示 v阴极射线管阴极射线管

32、CRT (Cathode Ray Tube)显示显示器是微机系统中一种最基本的人机交互输出设备器是微机系统中一种最基本的人机交互输出设备。它能将计算机中的数据以字符、图形和图像的。它能将计算机中的数据以字符、图形和图像的形式在荧光屏上直观地显示出来，并且具有响应形式在荧光屏上直观地显示出来，并且具有响应速度快、无噪音、无机械磨损、使用方便等优点速度快、无噪音、无机械磨损、使用方便等优点，因而被作为一种理想的人机交互设备在微机系，因而被作为一种理想的人机交互设备在微机系统中广泛使用。统中广泛使用。v按照显示原理分类按照显示原理分类CRT显示器可分为光栅扫描式显示器可分为光栅扫描式和随机扫描式两种

33、类型，按显像管的颜色来分，和随机扫描式两种类型，按显像管的颜色来分，可以分为单色和彩色两种类型。可以分为单色和彩色两种类型。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器CRT显示器原理显示器原理 CRT显示器是利用阴极射线管中高速电子束的不断扫描来实现屏幕上的字符图形显示的。光点的亮度取决于电子束的强弱，而电子束的强弱可由视频信号（“1”或“0”）决定，通过控制栅极与阴极之间的电位差调节电子束的强弱，控制光点的亮度。光点的位置则受扫描电路的控制，扫描发生器产生水平扫描和垂直扫描信号，经同步后控制电子束在屏幕上的位置变化。 CRT显示器原理与光栅扫描过程图 LOGO仪器科学与技术系气象仪器CRT显示器的主

34、要性能指标显示器的主要性能指标2021-10-13CRT显示器的主要性能指标显示器的主要性能指标带宽带宽水平扫描频率水平扫描频率垂直扫描频率垂直扫描频率点距点距像素像素分辨率分辨率刷新频率刷新频率LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.5.2 2.5.2 键盘接口技术键盘接口技术2021-10-译键译键识键识键键值分析键值分析键盘管理程序的任务键盘管理程序的任务 键盘与键盘与CPU的接口包括硬件和软件部分。的接口包括硬件和软件部分。硬件是指键盘的结构以及主机的连接方式；软件是指对按硬件是指键盘的结构以及主机的连接方式；软件是指对按键的识别与分析，称为键盘管理程序。键的识别与分析，称为键盘管理程序。

35、LOGO仪器科学与技术系气象仪器键盘的抖动与串键键盘的抖动与串键(一)2021-10-13检测到按键按检测到按键按下或松开时，下或松开时，延时再判断按延时再判断按键状态，确认键状态，确认是否有键按下。是否有键按下。硬件（硬件（RSRS触发器）消抖触发器）消抖软件（延时消抖）软件（延时消抖）按键抖动过程按键抖动过程（1）按键抖动）按键抖动LOGO仪器科学与技术系气象仪器键盘的抖动与串键键盘的抖动与串键(二)2021-10-13（b b）按键连击处理）按键连击处理（a a）按键单击处理）按键单击处理（2 2）单次键入与连击）单次键入与连击LOGO仪器科学与技术系气象仪器键盘的抖动与串键键盘的抖动与

36、串键(三)2021-10-13方法一：最后仍方法一：最后仍被按下的键是有被按下的键是有效的正确按键。效的正确按键。方法二：当第一方法二：当第一个按键未松开时个按键未松开时，第二个键不产，第二个键不产生键值。生键值。不理会所有被按不理会所有被按下的键，直至只下的键，直至只剩下一个键按下剩下一个键按下时为止。时为止。只处理一个键，只处理一个键，任何其他按下又任何其他按下又松开的键不产生松开的键不产生键值。通常第一键值。通常第一个被按下或最后个被按下或最后一个松开的键产一个松开的键产生键码。生键码。N N键同时按下键同时按下N N键锁定键锁定两键同时按下两键同时按下（3）串键处理）串键处理LOGO仪

37、器科学与技术系气象仪器非编码式键盘与编码式键盘非编码式键盘与编码式键盘 通常采用软件的方法，逐行逐列检查键盘通常采用软件的方法，逐行逐列检查键盘状态，当发现有键按下时，用计算或查表状态，当发现有键按下时，用计算或查表的方式获得该键的键值的方式获得该键的键值 独立式键盘、非独立式键盘、非编码矩阵式键盘编码矩阵式键盘编码式键盘编码式键盘内部设有键盘编码器，被按下键的键值由编码器直内部设有键盘编码器，被按下键的键值由编码器直接给出，同时具有防抖和解决连击的功能，具有速接给出，同时具有防抖和解决连击的功能，具有速度快的特点。度快的特点。 （a） 直接连接（b）通过扩展口连接LOGO仪器科学与技术系气象

38、仪器键盘及LED显示器接口 使用使用8279芯片作为键盘及芯片作为键盘及LED显示器接口。显示器接口。8279作为通用接口电路，作为通用接口电路，接受来自键盘的输入数据并进行预处理，同时实现对显示数据的管理和接受来自键盘的输入数据并进行预处理，同时实现对显示数据的管理和对数码显示器的控制。对数码显示器的控制。 键盘输入部分与键盘输入部分与2424个按键的键盘矩阵相连接，采用编码扫描工作方式。个按键的键盘矩阵相连接，采用编码扫描工作方式。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.5.3 2.5.3 触摸屏技术触摸屏技术2021-10-13按触摸屏的检测手段和传按触摸屏的检测手段和传输介质分类输介质分

39、类 1)电阻式触摸屏电阻式触摸屏2) 电容式触摸屏电容式触摸屏3)红外线式触摸屏及红外线式触摸屏及4)表面声波触摸屏表面声波触摸屏触摸屏由检测部件和控触摸屏由检测部件和控制器组成，检测部件安制器组成，检测部件安装在显示器前面，用于装在显示器前面，用于检测用户触摸位置，并检测用户触摸位置，并转换为触摸信号；控制转换为触摸信号；控制器的作用是接受触摸信器的作用是接受触摸信号，并转换成触摸坐标号，并转换成触摸坐标后送给后送给CPU，它同时能，它同时能接受接受CPU发来的命令并发来的命令并加以执行。加以执行。按照按触摸屏的结构分类按照按触摸屏的结构分类嵌入式嵌入式(内置式内置式)结构结构外挂式外挂式

40、LOGO仪器科学与技术系气象仪器电阻式触摸屏电阻式触摸屏 电阻触摸屏的缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料电阻触摸屏的缺点是因为复合薄膜的外层采用塑胶材料,不知道的不知道的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。常用人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。常用在在PDA等手持设备或其它。等手持设备或其它。电阻触摸屏检测原理电阻触摸屏检测原理 LOGO仪器科学与技术系气象仪器电容式触摸屏电容式触摸屏v电容式触摸屏是众多触摸屏中最可靠、最精确的电容式触摸屏是众多触摸屏中最可靠、最精确的一种一种,但价钱也是众多触摸屏中最昂贵的一种。缺但价钱也是众多触摸屏中最昂贵的一种。缺点是

41、反光严重点是反光严重,光线在各层间反射易造成图像字符光线在各层间反射易造成图像字符的迷糊，此外，用戴手套的手指或持不导电的工的迷糊，此外，用戴手套的手指或持不导电的工具触摸时没有反应。但最大缺点还是漂移，当温具触摸时没有反应。但最大缺点还是漂移，当温度、湿度或环境电场改变时，都会引起触摸屏的度、湿度或环境电场改变时，都会引起触摸屏的漂移，造成不准确。漂移，造成不准确。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器红外触摸屏红外触摸屏v红外触摸屏的缺点是发光二极管寿命比较短，影红外触摸屏的缺点是发光二极管寿命比较短，影响了整个触摸屏的寿命响了整个触摸屏的寿命;红外线触摸屏由于依靠感红外线触摸屏由于依靠感应红

42、外线运作，外界光线变化会影响其准确性应红外线运作，外界光线变化会影响其准确性,且且红外线触摸屏不防水不防污物，甚至非常细小的红外线触摸屏不防水不防污物，甚至非常细小的外来物体也会导致误差，影响性能。近来红外触外来物体也会导致误差，影响性能。近来红外触摸技术有较大突破摸技术有较大突破.主要应用在较大尺寸上。主要应用在较大尺寸上。LOGO仪器科学与技术系气象仪器表面声波触摸屏表面声波触摸屏 表面声波触摸屏性能相对精确可靠、价格适中，是现时触摸屏市场很畅销的产品。它具有低辐射、不耀眼、不怕震、抗干扰强等特点；抗刮伤性良好，不受温度、湿度等环境因素影响，寿命长透光率高，能保持清晰透亮的图像质量；没有漂

43、移，只需安装时一次校正；有第三轴（即压力轴）响应。灰尘、油污等对其表面影响较大，因而需要经常维护，另外它还容易受到噪声干扰。 表面声波触摸屏的工作原理图 LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.5.4 2.5.4 打印机接口技术打印机接口技术v打印机是一种复杂而精密的机械电子装置，结构打印机是一种复杂而精密的机械电子装置，结构基本上都可分为机械装置和控制电路两部分。基本上都可分为机械装置和控制电路两部分。v机械装置包括打印头、字车机构、走纸机构、色机械装置包括打印头、字车机构、走纸机构、色带传动机构、墨水（墨粉）供给机构以及硒鼓传带传动机构、墨水（墨粉）供给机构以及硒鼓传动机构等等，它们都是打印机

44、系统的执行机构，动机构等等，它们都是打印机系统的执行机构，由控制电路统一协调和控制；而打印机的控制电由控制电路统一协调和控制；而打印机的控制电路则包括路则包括CPU主控电路，驱动电路，输入输出接主控电路，驱动电路，输入输出接口电路及检测电路等。口电路及检测电路等。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器第二章第二章 智能仪器基础智能仪器基础2021-10-13 概述概述 2.1 传感器与信号调理传感器与信号调理 2.2 模模/数转换技术数转换技术 2.3 微控制器微控制器 2.4 人机接口人机接口 2.5 低功耗设计低功耗设计 2.6 数据处理技术数据处理技术 2.7LOGO仪器科学与技术系气象仪器

45、2.6 2.6 低功耗设计低功耗设计2021-10-13低功耗设计不仅省电，而且降低了电源模块及散热系统的成本，其设计原则如下： 选用节能的微处理器选用节能的微处理器 采用电池低电压供电采用电池低电压供电 选用低功耗高频率的外选用低功耗高频率的外围器件和电路围器件和电路 尽量采用高速低频工作方式尽量采用高速低频工作方式 妥善处理芯片妥善处理芯片闲置引脚闲置引脚 充分利用微控制器上集成的功能充分利用微控制器上集成的功能 尽量选用尽量选用CMOS集成电路集成电路LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.6.1 2.6.1 电源设计电源设计2021-10-13电源设计电源设计 根据各组电路根据各组电路供电

46、的功耗，供电的功耗，考虑各组供电考虑各组供电的需求，综合的需求，综合选取电源电压选取电源电压输出（例如输出（例如+5V,15V,+24V等）等） 。电源变压器等器电源变压器等器件应有良好的屏件应有良好的屏蔽，必要时可以蔽，必要时可以在电源入口处设在电源入口处设置交流稳压器、置交流稳压器、交流电源滤波器交流电源滤波器和分布式电抗器和分布式电抗器等，以提高稳压等，以提高稳压和滤波性能。和滤波性能。电源应该具电源应该具有足够的功有足够的功率，以免满率，以免满负荷或超负负荷或超负荷运行时发荷运行时发热严重，使热严重，使精度降低或精度降低或失效。失效。 有时仪器还需有时仪器还需要具有相互隔要具有相互隔离

47、的电源，共离的电源，共地系统不宜采地系统不宜采用隔离电源，用隔离电源，而隔离系统不而隔离系统不宜使用共地电宜使用共地电源。源。LOGO仪器科学与技术系气象仪器第二章第二章 智能仪器基础智能仪器基础2021-10-13 概述概述 2.1 传感器与信号调理传感器与信号调理 2.2 模模/数转换技术数转换技术 2.3 微控制器微控制器 2.4 人机接口人机接口 2.5 低功耗设计低功耗设计 2.6 数据处理技术数据处理技术 2.7LOGO仪器科学与技术系气象仪器2.7 数据处理技术2021-10-13输入数据误差：由输入数据误差：由传感器、测量及放传感器、测量及放大电路和大电路和ADC精度精度决定，

48、它的减小需决定，它的减小需付出高的代价付出高的代价、误差来源误差来源计算误差：可以采计算误差：可以采用较长字节的浮点用较长字节的浮点数和较高精度的计数和较高精度的计算方法来减小。算方法来减小。 数据处理是指对智能仪器的测量数据进行加工和处理，以数据处理是指对智能仪器的测量数据进行加工和处理，以便进行控制、显示和记录等。便进行控制、显示和记录等。在进行设计时，要使微机化仪表的误差主要取决于输入在进行设计时，要使微机化仪表的误差主要取决于输入误差，使运算误差小于输入误差，以充分利用传感器和误差，使运算误差小于输入误差，以充分利用传感器和ADC部件的精度。部件的精度。 LOGO仪器科学与技术系气象仪

49、器2.7.1 2.7.1 系统误差处理技术系统误差处理技术v 从时间角度，把误差分为动态误差和静态误差。从时间角度，把误差分为动态误差和静态误差。v 静态误差包括系统误差和随机误差。静态误差包括系统误差和随机误差。 v 动态误差又可分为第一类误差和第二类误差。动态误差又可分为第一类误差和第二类误差。 测量装置方面测量装置方面 环境方面环境方面 测量方法方面测量方法方面 其他其他测量人员方面测量人员方面 误差引起的原因误差引起的原因LOGO仪器科学与技术系气象仪器线性插值线性插值 线性插值：从一组数据（线性插值：从一组数据（xi, yixi, yi）中选取两个有代表性的）中选取两个有代表性的点（

50、点（x x0 0, y, y0 0）和（）和（x x1 1, y, y1 1），然后根据插值原理，求出插值），然后根据插值原理，求出插值方程方程 。01101100110( )x xx xP xyyax axxxx101001 010,yyaayaxxxLOGO仪器科学与技术系气象仪器抛物线插值抛物线插值0201122012010210122021()()()()()()( )()()()()()()x x x xx x x xx x x xP xyyyxx xxx x x xxx xx抛物线插值：在一组数据中选取（抛物线插值：在一组数据中选取（x0, y0）,（x1, y1）,（x2, y2

51、）三点，相应的插值方程）三点，相应的插值方程LOGO仪器科学与技术系气象仪器分段插值法分段插值法v 分段插值法：将曲线分段插值法：将曲线y = f (x)y = f (x)按分成按分成N N段，每段用一个插段，每段用一个插值多项式值多项式PnPni i(x)(x)来进行非线性校正。来进行非线性校正。v 等距节点分段插值：适用于非线性特性曲率变化不大的场等距节点分段插值：适用于非线性特性曲率变化不大的场合。合。分段数N及插值多项式的次数n均取决于非线性程度和仪器的精度要求。v 不等距节点分段插值用于曲率变化大的非线性称场合。不等距节点分段插值用于曲率变化大的非线性称场合。在线性好的部分，节点间距

52、离取大些，反之则取小些，从而使误差达到均匀分布 。LOGO仪器科学与技术系气象仪器最小二乘法最小二乘法 （一）（一）v设被逼近函数为f(xi),逼近函数为g(xi),xi为x上的离散点，逼近误差为 令v使最小，即在最小二乘意义上使V(xi)最小化，这就是最小二乘法原理。具体实现方法有直线拟合法和曲线拟合法。( )( )( )iiV xif xg x21()niiVx LOGO仪器科学与技术系气象仪器最小二乘法（二）最小二乘法（二）2021-10-直线拟合法直线拟合法曲线拟合法曲线拟合法最小二乘法最小二乘法直线拟合法：直线拟合法：设一组测试数设一组测试数据，出一条最能反映这些数据，出一条最能反映

53、这些数据点变化趋势的直线据点变化趋势的直线. .也就是也就是这组测量数据在最小二乘意这组测量数据在最小二乘意义上的最佳拟合直线方程。义上的最佳拟合直线方程。曲线拟合法曲线拟合法是指自变量是指自变量x x与因变量与因变量y y之间之间的单值非线性关系可以用自变量的单值非线性关系可以用自变量x x的高的高次多项式来逼近，选用次多项式来逼近，选用m m次多项式，此次多项式，此时时还可以使用其他函数，如三角函数、指还可以使用其他函数，如三角函数、指数函数、对数函数等进行拟合。数函数、对数函数等进行拟合。01.mmyaa xaxLOGO仪器科学与技术系气象仪器2.7.2 2.7.2 随机误差的校正随机误

54、差的校正v随机误差是指由串入仪表的随机干扰、仪器内部器件噪随机误差是指由串入仪表的随机干扰、仪器内部器件噪声和声和A/D量化噪声等引起的误差。量化噪声等引起的误差。v采用模拟滤波器是主要硬件方法。采用模拟滤波器是主要硬件方法。 v在工业生产和科学实验中，经常采用数字滤波方法在工业生产和科学实验中，经常采用数字滤波方法v数字滤波就是通过特定的计算机程序处理，降低干扰信数字滤波就是通过特定的计算机程序处理，降低干扰信号在有用信号中的比例，其实质是程序滤波。号在有用信号中的比例，其实质是程序滤波。v数字滤波方法有很多种，从大的范围可分数字滤波方法有很多种，从大的范围可分3类。类。 1、克服大脉冲干扰

55、的数字滤波法、克服大脉冲干扰的数字滤波法 .限幅滤波法限幅滤波法 .中值滤波法中值滤波法 2、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 .算数平均算数平均 .滑动平均滑动平均 .加权滑动平均加权滑动平均 .一阶滞后滤波法一阶滞后滤波法 3、复合滤波法、复合滤波法LOGO仪器科学与技术系气象仪器克服大脉冲干扰的数字滤波法克服大脉冲干扰的数字滤波法 2021-10-13限幅滤波限幅滤波法法 中值滤波法中值滤波法 对温度、液位等缓对温度、液位等缓慢变化（呈现单调慢变化（呈现单调变化）的被测参数变化）的被测参数，有良好的滤波效，有良好的滤波效果，但对流量、压果，但对流量、压力等变化较快的被力等变化较快的被测量一般不宜采用测量一般不宜采用此方法。此方法。 适合对温度、压力适合对温度、压力等变化较慢测控系等变化较慢测控系统，如温度、物位统，如温度、物位等，也适合于干扰等，也适合于干扰的特点为时间短，的特点为时间短，幅值大的