第8章 智能仪器典型处理功能

1、第第8 8章章 智能仪器典型处理功能智能仪器典型处理功能 智能仪器的主要特征是以微处理器为核心进行工作。智能仪器的主要特征是以微处理器为核心进行工作。 智能仪器通过执行某种专门程序所规定的测量算法来实现的。智能仪器通过执行某种专门程序所规定的测量算法来实现的。8.1 硬件故障的自检硬件故障的自检 8.2 自动测量功能自动测量功能 8.3 仪器测量精度的提高仪器测量精度的提高 8.4 干扰与数字滤波干扰与数字滤波8.5 测量数据的标度变换测量数据的标度变换8.1 硬件故障的自检硬件故障的自检 8.1.1 自检方式自检方式 8.1.2 自检算法自检算法 8.1.3 自检软件自检软件 所谓自检就是利

2、用事先编制好的检测程序对仪器的所谓自检就是利用事先编制好的检测程序对仪器的主要部件进行自动检测，并对故障进行定位。主要部件进行自动检测，并对故障进行定位。8.1.1 自检方式自检方式（1） 开机自检开机自检（2） 周期性自检周期性自检（3） 键控自检键控自检8.1.2 自检算法自检算法 由于由于ROM中存在着仪器的控制软件，因而对中存在着仪器的控制软件，因而对ROM的检测是的检测是至关重要的。至关重要的。 ROM故障的测量算法常采用故障的测量算法常采用“校验和校验和”方法，具体作法是：方法，具体作法是：在将程序机器码写入在将程序机器码写入ROM的时候，保留一个单元（一般是最后的时候，保留一个单

3、元（一般是最后一个单元），此单元不写程序机器码而是写一个单元），此单元不写程序机器码而是写“校验字校验字”，“校校验字验字”应能满足应能满足ROM中所有单元的每一列都具有奇数个。自中所有单元的每一列都具有奇数个。自检程序的内容是：对每一列数进行异或运算，如果检程序的内容是：对每一列数进行异或运算，如果ROM无故障，无故障，各列的运算结果应都为各列的运算结果应都为“”，即校验和等于，即校验和等于FFH。 一、一、 ROM或或EPROM的检测的检测 校验和算法：校验和算法：ROM 地址 ROM 中的内容 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 1 1

4、 1 0 0 3 1 1 1 1 0 0 1 1 4 1 0 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 1 1 1 0 6 1 0 1 0 1 0 1 0 7 0 1 0 0 1 1 1 0 (校验字) 1 1 1 1 1 1 1 1 (校验和) 理论上，这种方法不能发现同一位上的偶数个错误，但是这理论上，这种方法不能发现同一位上的偶数个错误，但是这种错误的概率很小，一般可以不予考虑。若要考虑，须采用更复种错误的概率很小，一般可以不予考虑。若要考虑，须采用更复杂的校验方法。杂的校验方法。 二、二、 RAM的检测的检测 数据存储器数据存储器RAM是否正常的测是否正常的测量算法是通过检验其量算法

5、是通过检验其“读读/写功能写功能”的有效性来体现的。的有效性来体现的。 常选特征字常选特征字55H和和AAH，分别，分别对对RAM 中的每一个单元进行先写中的每一个单元进行先写后读的操作。判别读后读的操作。判别读/写内容是否相写内容是否相符的常用方法是，把该单元的内容符的常用方法是，把该单元的内容求反并与原码进行求反并与原码进行“异或异或”运算，运算，若结果为若结果为FFH，表明正常。，表明正常。三、三、 总线的自检总线的自检 所谓总线的自检是指对经过缓冲器的总线进行检测。 由于总线没有记忆能力，需要设置了两组锁存触发器，分别记忆地址总线和数据总线上的信息。只要执行一条对存储器或I/O设备的写

6、操作指令，地址线和数据线上的信息便能分别锁存到这两组触发器中，通过对这两组锁存触发器分别进行读操作，便可判知总线是否存在故障。 具体做法是：使被检测的每根总线依次为1态， 其余总线为0态。如果某总线停留在0态或1态，说明有故障存在。 三、三、 总线的自检总线的自检 四、四、 显示与键盘的检测显示与键盘的检测 键盘检测的方法是：键盘检测的方法是： CPU每取得一个按键闭合的信号，就反馈一个信息。如每取得一个按键闭合的信号，就反馈一个信息。如果按下某单个按键后无反馈信息，往往是该键接触不良，如果按下某单个按键后无反馈信息，往往是该键接触不良，如果按某一排键均无反馈信号，则一定与对应的电路或扫描信果

7、按某一排键均无反馈信号，则一定与对应的电路或扫描信号有关。号有关。 8.1.2 自检算法自检算法四、四、 显示与键盘的检测显示与键盘的检测 显示器的检测一般有两种方式：显示器的检测一般有两种方式： 第一种方式是：让显示器全部发亮，即显示出第一种方式是：让显示器全部发亮，即显示出888 ，当显示表明显示器各发光段均能正常发光，当显示表明显示器各发光段均能正常发光时，操作人员只要按任意键，显示器应全部熄灭片刻，时，操作人员只要按任意键，显示器应全部熄灭片刻，然后脱离自检方式进入其他操作。然后脱离自检方式进入其他操作。 第二种方式是：让显示器显示某些特征字，几秒第二种方式是：让显示器显示某些特征字，

8、几秒钟后自动进入其他操作。钟后自动进入其他操作。 8.1.2 自检算法自检算法 上述各自检项目一般应分别编成子程序，以便需要时调用。上述各自检项目一般应分别编成子程序，以便需要时调用。 设各段子程序的入口地址为设各段子程序的入口地址为TST i（I = 0，1，2），）， 对应对应的故障代号为的故障代号为TNUM（0，1，2）。）。 8.1.3 自检软件自检软件 测试指针表测试指针表测试指针测试指针 入口地址入口地址 故障代号故障代号 偏移量偏移量 TST0 0 TST1 1 TSTPT TST2 2 偏移偏移=TNUM TST3 3 一个典型的含有自检在内的一个典型的含有自检在内的智能仪器程

9、序流程图智能仪器程序流程图 8.2.1 自动量程转换自动量程转换 8.2.2 自动触发电平调节自动触发电平调节 8.2.3 自动零点调整自动零点调整 8.2.4 自动校准自动校准 8.2 自动测量功能自动测量功能 智能仪器通常含有：自动量程转换、自动零点调整、智能仪器通常含有：自动量程转换、自动零点调整、自动校准功能，自动触发电平调节。自动校准功能，自动触发电平调节。 8.2.1 自动量程转换自动量程转换 自动量程转换可以使仪器在很短的时间内自动选定在最合理的量程下，从而使仪器获得高精度的测量。 例如：某数字电压表共有 0.4V，4V，40V，400V 四个量程，量程设定是由CPU通过特定的输

10、出端口送出量程控制代码来实现的。 自动判别由最大量程开始，逐级比较，直至选出最合适量程。自动判别由最大量程开始，逐级比较，直至选出最合适量程。 本例各量程可使用同一个判断依据，即本例各量程可使用同一个判断依据，即A/D转换的数据应落在转换的数据应落在3 999N399之间。之间。 8.2.2 自动触发电平调节自动触发电平调节 一般情况下，触发电平应设定在波形的中点。有时为了满足其他测量的要求，例如测定波形上升时间或下降时间时，又需要将触发点设定在波形的10或90处。8.2.3 自动零点调整自动零点调整 仪器零点漂移的大小以及零点是否稳定是造成零点误差的主要来源之一。仪器零点漂移的大小以及零点是

11、否稳定是造成零点误差的主要来源之一。测量结果：Ux=Uox-Uos 8.2.4 自动校准自动校准 1：通过与更高精度的同类仪器（称标准仪器，其精度一般：通过与更高精度的同类仪器（称标准仪器，其精度一般应比被校准仪器的精度高一个量级）进行比较测量来实现。应比被校准仪器的精度高一个量级）进行比较测量来实现。 2：采用输出值可步进调节的标准信号源。：采用输出值可步进调节的标准信号源。 为保证仪器精度，仪器必须定期进行校准。传统仪器的为保证仪器精度，仪器必须定期进行校准。传统仪器的校准一般采用两种方式：校准一般采用两种方式： 自动校准时，仪器提示输入标准电压，按下确认，仪器就会对标准电压进行一次测量并

12、将标准量（或标准系数）存入到“校准存储器”中。校正测量完成后，校准程序还能自动计算每两个校准点之间的插值公式的系数，得到一张校准表和一张内插公式系数表。 正式测量时，这些参数值将与测量值一起形成经过修正后形成准确的测量值。8.3 仪器测量精度的提高仪器测量精度的提高8.3.1 随机误差的处理方法随机误差的处理方法8.3.2 系统误差的处理方法系统误差的处理方法8.3.3 粗大误差的处理方法粗大误差的处理方法智能仪器的主要优点之一是利用微处理器的数据智能仪器的主要优点之一是利用微处理器的数据处理能力可以减小测量误差，提高仪器测量的精确度。处理能力可以减小测量误差，提高仪器测量的精确度。原因：测量

13、过程随机因素，大多数按正态分布。 消除：取多次测量结果的算术平均值： 8.3.1 随机误差的处理方法随机误差的处理方法N1iixx某数字电压表设置了由小到某数字电压表设置了由小到大的六挡量程，其编号分别为大的六挡量程，其编号分别为1，2，6。当工作于最低挡即第挡量当工作于最低挡即第挡量程时，程时， 被测信号很弱，随机误差被测信号很弱，随机误差的影响相对较大，取的影响相对较大，取N=10，第，第挡，随机误差影响相对小，因而挡，随机误差影响相对小，因而取取N=6。同理，第挡取。同理，第挡取N=4；第；第挡取挡取N=2；第；第5挡和第挡只作挡和第挡只作单次测量处理，取单次测量处理，取N=1。8.3.

14、1 随机误差的处理方法随机误差的处理方法8.3.2 系统误差的处理方法系统误差的处理方法系统误差是指在相同条件下多次测量同一量时，误差系统误差是指在相同条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或在条件改变时按某种确定的规的绝对值和符号保持恒定或在条件改变时按某种确定的规律而变化的误差。律而变化的误差。一、一、 利用误差模型修正系统误差利用误差模型修正系统误差 二、二、 利用校正数据表修正系统误差利用校正数据表修正系统误差 三、三、 通过曲线拟合来修正系统误差通过曲线拟合来修正系统误差 一、一、 利用误差模型修正系统误差利用误差模型修正系统误差先通过分析建立系统的误差模型，再由误差模型

15、求出误差修正公式。误差修正公式一般含有若干误差因子，修正时，先通过校正技术把这些误差因子求出来，然后利用修正公式来修正测量结果， 从而削弱了系统误差的影响。在无误差的理想情况下，有=0，i=0，K=1，于是存在关系 在有误差的情况下，可以推出 可改写成简明形式 ：xb1yb0 上式即为误差修正公式，其中，b0，b1即误差因子。如果能求出b0，b1 的数值，即可由误差修正公式获得无误差的x值，从而修正了系统误差。xRRRy22121111RRiKyx校正步骤如下： (1) 零点校正：先令输入端短路，即S1闭合，此时有x=0，得到输出为y0，于是可得方程：0b1y0b0 (2) 增益校正 令输入端

16、接上标准电压，即S2闭合，此时有x=E，于是得到输出为y1，同样可得方程： Eb1y1b0 联立求解上述二方程，可得误差因子b1E y1y0b0E1y1 y0 (3) 实际测量 令S3闭合，此时得到输出为y（结果），于是被测量的真值为0100)(yyyyEbybx1 通过建立校正数据表的方法来修正系统误差，步骤如下： （1 1）获取校正数据：）获取校正数据： 在仪器的输入端逐次加入一个个已知的标准电压x1，x2，xn，并实测出对应的测量结果y1，y2，yn。则即为测量值yi（i=1,2,，n）对应的校正数据。 （2 2）查表：）查表： 将xi（i=1,2,，n）依次存入一段存储器中，处理时，根

17、据实测的y(i=1,2,，n)值查表，即可直接从表中读出经过修正的测量值。 （3 3）插值处理：）插值处理：若实际测量的y值介于某两个标准点yi和yi+1之间，为了减少误差，还要在查表的基础上作内插计算来进行修正。二、二、 利用校正数据表修正系统误差利用校正数据表修正系统误差采用内插技术可以减少校准点从而减少内存空间。最简单的内插是线性内插， 当yiyyi+1 时取： i1i1iiyyyyxxxx三、三、 通过曲线拟合来修正系统误差通过曲线拟合来修正系统误差 曲线拟合是指从n对测定数据（xi，yi） 中，求得一个函数f（x）来作为实际函数的近似表达式。方法是：首先定f（x） 的具体形式，然后再

18、通过对实测值进行选定函数的数值计算，求出精确的测量结果。 连续函数拟合法连续函数拟合法 分段曲线拟合法分段曲线拟合法 连续函数拟合法连续函数拟合法 连续函数拟合法一般采用多项式拟合（当然也不排除采用解析函数，如ex、lnx和三角函数等），多项式的阶数应根据仪器所允许的误差来确定，一般情况下，拟合多项式的阶数愈高，逼近的精度也就愈高。拟合多项式的阶数一般采用二三阶。 现以热电偶的电势与温度之间的关系式为例，讨论连续函数拟合的方法。 连续函数拟合法连续函数拟合法 热电偶的温度与输出热电势之间的关系一般用下列三阶多项式来逼近R=abxPcxP2dxP3 变换成嵌套形式得 R(dxPc)xPbxPa

19、式中，R是读数（温度值）， xP由下式导出xP=xabT0cT02 上式中，x是被校正量，即热电偶输出的电压值。T0是使用者预置的热电偶环境(冷端)温度。热电偶冷端一般放在一个恒温槽中，保持在0。系数a，b，c，d，a，b，c是与热电偶材料有关的校正参数。 R(dxPc)xPbxPa 式中，xP=xabT0cT02 一个阶多项式一般需要进行1/2n（n+1）次乘法，如果采用嵌套形式，只需进行n次乘法，从而使运算速度加快。首先求出各校正参数a，b，c，d，a，b，c，并顺序地存放在首址为COEF的缓冲区内，然后根据测得的x值通过运算求出R（温度值）。2. 2. 分段曲线拟合法分段曲线拟合法 分段

20、曲线拟合法，即是把非线性曲线的整个区间划分成若干段，将每一段用直线或抛物线去逼近。从而回避了高阶运算，使问题化繁为简。(1) 分段直线拟合分段直线拟合分段直线拟合法是用一条折线来代替原来实际的曲线，这是一种最简单的分段拟合方法。 设某传感器的输入/输出特性如图所示，图中分三段直线来逼近该传感器的非线性曲线。 由于曲线低端比高端陡峭，所以采用不等距分段法。 x为测量数据，y 为实际被测变量，端的线性差值公式为y3 ；xx3y2K3(xx2) ；x2xx3 y1K2(xx1) ；x1xx2 K1x ；0 xx1时y =设某传感器的输入/输出特性如图所示，图中分三段直线来逼近该传感器的非线性曲线。

21、由于曲线低端比高端陡峭，所以采用不等距分段法。 x为测量数据，y 为实际被测变量，各端的线性差值公式为y3 ；xx3y2K3(xx2) ；x2xx3 y1K2(xx1) ；x1xx2 K1x ；0 xx1时y =(2) 分段抛物线拟合分段抛物线拟合 若输入/输出特性很弯曲，而测量精度又要求比较高，可考虑采用多段抛物线来分段拟合 。 如图示的曲线可以分成 四段，每段分别用一个二阶抛物线方程 yaix2bixci (i=1，2，3，4)描绘。每一段找出三点xi1，xi1，xi（含两分段点）。然后解下列联立方程以求出系数ai，bi，ci 。 yi1 aixi12 bixi1ci yi1 aixi12

22、 bixi1ci yi aix2i bixici 如图示的曲线可以分成 四段，每段分别用一个二阶抛物线方程 yaix2bixci (i=1，2，3，4)描绘。每一段找出三点xi1，xi1，xi（含两分段点）。然后解下列联立方程以求出系数ai，bi，ci 。 yi1 aixi12 bixi1ci yi1 aixi12 bixi1ci yi aix2i bixici 8.3.3 粗大误差的处理方法粗大误差的处理方法粗大误差是指在一定的测量条件下，测量值明显地偏离实际值所形成的误差。粗大误差明显地歪曲了测量结果，应予以剔除。当对仪器的系统误差采取了有效技术措施后，对于测量过程中所引起的随机误差和粗大

23、误差一般可按下列步骤处理。（1） 求测量数据的算术平均值（2） 求各项的剩余误差（3） 求标准偏差（4） 判断粗大误差（坏值）（8） 如果判断存在粗大误差，给予剔除，然后重复上述步骤(1)(4)（每次只允许剔除其中最大的一个）。最后，如果判断不再存在粗大误差，则可计算当前算术平均值、各项剩最后，如果判断不再存在粗大误差，则可计算当前算术平均值、各项剩余误差及标准偏差估计值，作为有效的测量结果余误差及标准偏差估计值，作为有效的测量结果。8.4 干扰与数字滤波干扰与数字滤波 8.4.1 中值滤波中值滤波 8.4.2 平均滤波程序平均滤波程序 8.4.3 低通数字滤波低通数字滤波在传统仪器中，滤波通

24、过选用不同种类的硬件滤波器予以实现。在智能仪器中，由于微处理器的引入，可以通过程序对采集的数据进行某种处理，消除或减弱干扰和噪声的影响，即数字滤波得方法。数字滤波具有硬件滤波器的功效，却不需要硬件开销，从而降低了成本。由于软件算法的灵活性，还能产生硬件滤波器所达不到的功效。它的不足之处是需要占用机时。8.4 干扰与数字滤波干扰与数字滤波 8.4.1 中值滤波中值滤波 所谓中值滤波是对被测参数连续采样N次（N一般选为奇数），然后将这些采样值进行排序并选中间值。中值滤波对去掉脉冲性质的干扰比较有效，并且采样次数N愈大，滤波效果愈强，但采样次数N太大会影响速度，所以N一般取3或5。对于变化很慢的参数

25、，有时也可增加次数，例如15次。对于变化较为剧烈的参数，此法不宜采用。FLT10：MOV A，R2 ；R2R3否? CLR C SUBB A，R3 JC FLT11 ；R2R3，交换 XCH A， R3 MOV R2，AFLT11：MOV A， R3；R3R4否? CLR C SUBB A，R4 JCFLT12 ；R3R4，交换 XCH A， R3 XCH A，R4 ；R3R2否? CLRC SUBB A， R2 JNC FLT12 ；R3R2，结束 MOV A，R2 ；否则R2为中值 MOV R3， A ；中值送入R3FLT12：RET中值滤波程序主要中值滤波程序主要由数据排序和取中间值由数

26、据排序和取中间值两部分组成。数据排序两部分组成。数据排序可采用几种常规的排序可采用几种常规的排序方法，如冒泡法、沉底方法，如冒泡法、沉底法等。法等。该中值滤波程序采该中值滤波程序采样次数样次数N选为选为3，三次采，三次采样后的数据分别存放在样后的数据分别存放在R2，R3，R4中，执行之中，执行之后，中值放在后，中值放在R3。 8.4.2 平均滤波程序平均滤波程序最基本的平均滤波程序是算术平均滤波程序。算术平均滤波对滤除混杂在被测信号上的随机干扰非常有效。一般说来，采样次数N愈大，滤除效果愈好，但系统的灵敏度要下降。为了提高运算速度，程序中常用移位来代替除法，因此 N一般取4，5，16 等。一、

27、一、 去极值平均滤波去极值平均滤波二、二、 移动平滑滤波移动平滑滤波三、三、 加权平均滤波加权平均滤波去极值平均滤波的算法是：连续采样N次，去掉一个最大值，去掉一个最小值，再求余下N2个采样值的平均值。一、一、 去极值平均滤波去极值平均滤波移动平均滤波：先在RAM 中建立一个数据缓冲区，依顺序存放N次采样数据；然后每采一个新数据，就将最早采集的数据去掉；再求出当前RAM缓冲区中N个数据的算术平均值或加权平均值。这样，每进行一次采样，就计算出一个新的平均值，大大加快了数据处理的能力。这种数据存放方式可以采用环形队列结构来实现。设环形队列地址为 40H4FH共16个单元，R0作为队尾指示，其程序流

28、程图如图示。 二、二、 移动平滑滤波移动平滑滤波三、三、 加权平均滤波加权平均滤波 所谓加权平均的含义是指参加平均运算的各采样值按不同的比例进行相加求均。加权系数一般先小后大，以突出后若干次采样的作用，加强系统对参数变化趋势的辨识。N项加权平均滤波的算法为： 式中 C0，C1，CN1为常数，它们的选取有多种方法，但应满足 C0 C1 CN1 1 1N0iiNinYCYWEIGHT: MOV R0， #DATA ；清CLRA MOVR2， 03HLOOP: MOV R0， A INC R0 DJNZ R2， LOOP MOV R5， #SAMP ；采样值首址送R5 MOV R6， #COEFF

29、；系数首址送R6 MOV R1， #PRODT ；乘积首址送R1 MOV R2， #N ；滤波数据项数送R2LOOP1: ACLL MULT21 ；计算CkYk，最低字节为小数部分设采样值已存于内部设采样值已存于内部RAM中中SAMP开始的单元中，采样值为双开始的单元中，采样值为双字节，加权系数字节，加权系数Ck为二位小数，扩大为二位小数，扩大256倍变成整数后，以二进制倍变成整数后，以二进制形式存于形式存于COEFF开始的单元中。开始的单元中。 程序中调用双字节乘以单字节的程序中调用双字节乘以单字节的乘法子程序乘法子程序MULT21，R5指出被乘数低位地址，指出被乘数低位地址，R6指出乘数地址，指出乘数地址，乘积放在乘积放在PRODT开始的三个单元中，由开始的三个单元中，由R1指出。运算结果去掉最指出。运算结果去掉最低字节后即为滤波值，存于低字节后即为滤波值，存于DATA开始的单元中。开始的单元中。 MOV R0，#DATA ；累加 MOV R7，#03HCLR C LOOP2: MOV A， R0 ADDC A， R1 MOV R0， A INC R0 INC R1 DJNZ R7， LOOP2 INC R5 ；修正 INC R5 INC R6 DJNZ R2， LOOP1 RET8.3 测量数据的标度变换测量数据的标度变换 智能仪器在检测参数时，仪器直接采集的