自动化装置设计基础：第4章 电路与软件系统设计

1、第四章 电路与软件系统设计 电路与软件系统是测控仪器中的重要组成部电路与软件系统是测控仪器中的重要组成部分，它担负着信息的传递和处理以及对目标进行分，它担负着信息的传递和处理以及对目标进行控制的重要任务。控制的重要任务。 本章从总体设计出发，仅就测控仪器的电路本章从总体设计出发，仅就测控仪器的电路与软件系统设计的一般性和共性问题予以介绍。与软件系统设计的一般性和共性问题予以介绍。第一节第一节 电路与软件系统概述电路与软件系统概述一、电路与软件系统的组成一、电路与软件系统的组成 图5-1 电路与软件系统组成1. 测量电路测量电路 测量电路是信息流的输入通道，其作用是将传感器输出的测量信号进行调理

2、、转换、或者运算等。 测量电路包含的电路类型众多，例如各种放大电路、调制解调电路、滤波电路、阻抗变换电路、电平转换电路、模数转换（A/D）电路、频率-电压转换电路、傅立叶变换电路、量程自动切换电路、非线性补偿电路、温度补偿电路、运算电路等等。2. 控制电路控制电路 控制电路是信息流的输出通道，其作用是根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实行控制。 控制电路也包含多种电路，例如各种电压放大电路、电流放大电路、功率放大路、驱动与隔离电路、数字模拟（D/A）转换电路、电压-电流转换电路、遥控电路等。3. 中央处理系统中央处理系统 中央处理系统同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和

3、输出通道，因此它是整个电路与软件系统的中心，同时也是整个测控仪器的神经中枢。 多数的中央处理系统一般都采用计算机。小型的测控仪器常采用单片机(MCU)、微处理器(P)、可编程逻辑控制器(PLC)、数字信号处理(DSP)芯片，并配以相应的外围电路，组成便携式测控仪器和工业过程控制仪器。 4. 电源电源 上述的测量电路、控制电路和中央处理系统在硬件形式上均为电路系统，因此电源是必不可缺的重要环节。电源的主要作用包括：为整个电路系统各单元提供必要的能量，为各个电路单元提供电平基准，为测量信号和控制信号提供参考电平等等。5. 通信（以通信（以Zigbee协议为例）协议为例）6. 软件系统软件系统 在基

4、于计算机或各种微处理器构建的中央处理系统中，必须配以软件系统才能正常工作，否则系统将成为“裸机”。 软件系统对于完成各种信息处理、提高系统的自动化和智能化水平、提升系统性能和可靠性、共享测量数据以及系统之间互相通讯和联络等具有直接的作用，同时它也是提高测控仪器附加值的重要手段之一。二、电路与软件系统的设计要求二、电路与软件系统的设计要求设计参数定义参数的重要性提高性能的措施精度精度要求要求信噪比信噪比：衡量系统抗干扰能力的技术指标，以有用信号强度与噪音信号强度之间的比率来表示，称其为信号噪声比，简称信噪比（Signal/Noise），通常以S/N表示，单位为分贝（dB）分辨力分辨力：对于数字式

5、仪器分辨力是指仪器显示的最末一位数字间隔代表的被测量值。对模拟式仪器，分辨力就是分度值。线性度线性度：测控系统的实际静态特性输出是一条曲线而并非是一条直线。灵敏度灵敏度：在稳态工作情况下输出量变化 y 对输入量变化 x 的比值。它是输出输入特性曲线的斜率。量化误差量化误差：当输入量的变化小于数字电路的一个最小数字所对应的被测量值时，数字系统将没有变化，这一误差称为量化误差。 稳定性（漂移）稳定性（漂移）一般分为时间稳定性（时间漂移）和温度稳定性（温度漂移）两种。时间稳定性是指测控系统在不同时间段内特性的稳定程度。 频率特性：频率特性：在动态测试情况下，输出信号幅度和相位随输入信号的频率变化而变

6、化的特性，即幅频和相频特性。输入与输出阻抗输入与输出阻抗 对于模拟式控制电路，抗干扰能力差将导致控制准确性的降低；而对于数字式控制电路，抗干扰能力低将有可能产生误动作，从而带来破坏性的后果。 其影响包括：非线性的标尺和刻度盘难于制作；在系统换档时需要重新标定；测试数据记录容易失真；当进行模/数、数/模转换时不易保证精度；当进行反馈控制时，控制方法和算法不易实现等。提高灵敏度，可以提高信噪比和分辨力，从而得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。 选用不同的传感器、电子元器件以及电路原理，可对信噪比有较大的改进选择适当的测量电路形式，选取合适的测量段，可以显著减小非线性误

7、差。可以通过适当设计或增加补偿和校正环节，降低非线性误差。灵敏度与系统的量程及分辨力是相互关联的指标，需要统筹考虑 设计参数定义参数的重要性提高性能的措施响应速度响应速度要求要求对于整个测控系统而言，响应速度应当包括传感器的响应速度和电路与软件系统的响应速度两个方面。对于测量电路和控制电路而言，响应速度主要是指电子电路对输入信号的阶跃响应特性和相位频率特性。对于计算机系统及其接口等硬件系统而言，响应速度主要是指数据传输率，即带宽。（Bandwidth）。对于软件系统而言，响应速度主要是指软件的运行速度和指令的执行时间。 对于整个测控系统而言，响应速度应当包括传感器的响应速度和电路与软件系统的响

8、应速度两个方面。因此，电路与软件系统的响应速度也是十分重要的一个环节。1、注意各个环节的速度匹配问题。避免出现某一环节速度过低和过高的极端情况。 2、对软件系统而言，计算机的主频越高，位宽越高，软件运行速度就越快，指令执行时间就越短，系统响应速度就越快。可靠性要可靠性要求求可靠性要求，就是要求设备在一定时间、一定条件下不出故障地发挥其功能的概率要高。可靠性要求可由可靠性设计来保证。一是在工艺上提高电路系统元器件本身的可靠性，将元器件失效的影响降低到最低程度；二是在系统结构设计方面提高系统的可靠性和合理性，避免设计不当造成可靠性下降；三是在硬件和软件中增加适当措施。设计参数定义参数的重要性提高性

9、能的措施经济性要经济性要求求 测控仪器系统的经济性，是指在性能最优的情况下尽量降低成本，追求性价比的最大化。即整个系统的精度不必追求最高，只要能够保障满足要求就行。 系统的成本与精度之间呈几何级数关系，随着精度的不断提高，成本增加的速度远远超过精度的增加速度。一味地追求高精度，是不明智的。因此，确定适宜的、合理的目标精度是非常主要的。另一方面，经济性设计的尺度，必须以满足精度和可靠性为前提。片面追求经济性而牺牲精度或可靠性，是绝对不可取的。1、硬件设备的选材应基于保证性能、降低价格的原则，在考虑初期投入的同时还必须考日后系统的运营和维护费用。2、软件系统尽可能自主开发，便于长期维护和升级，也可

10、以保证软件系统的经济性。3、在电路与软件系统过程中应注意硬件与软件的配比和平衡，应灵活运用“以软代硬”或“以硬代软”的方法，寻求开发时间、经济性与性能的折衷决定硬件与软件的比重。 三、电路与软件系统的设计准则三、电路与软件系统的设计准则 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展和广泛应用，对电路与软件系统的设计要求越来越严格，也越来越规范。电路与软件系统的设计，除应遵守测控系统总体设计原则外，还应考虑系统本身的特点，具体可以遵循以下准则：名称定义重要性优点1. 总线总线化准化准则则(1) 内部总线内部总线 用于系统内部连接芯片与芯片、芯片与微处理器的元件级总线。从功能上可分为数据总线、地址总线及控

11、制总线三种。 (2) 系统总线系统总线 用于联接模板与模板的板级总线，目前在微型计算机中广泛应用的系统总线有PCI总线和AGP总线。 (3) 外部总线外部总线 用于联接系统与系统之间交换信息与数据的通讯总线，亦称通讯总线。外部总线根据传送数据的形式又可分为并行总线和串行总线两种。 总线是芯片与芯片、模板与模板、系统与系统、系统与对象之间的信息传递的通道，是中央处理系统与测量电路和控制电路的桥梁和纽带。总线化准则是电路与软件系统设计的首选原则。 采用标准化的通用总线，可大大简化系统的软硬件设计，使系统结构清晰明了，易于扩充和升级，兼容性强，可互换和通用。2. 模块模块化准化准则则 就是将整个电路

12、与软件系统分割成几个功能相对独立，而有相互联系的模块。模块化设计准则既可以用于硬件设计，也可以用于软件设计。 1、模块化设计思想的引入，使复杂的工作得以简化。2、采用模块化设计的电路系统易于维护、修改和扩充，单独的模块还可移植到其它系统之中，可移植性强。名称定义重要性3. 电磁兼电磁兼容性准则容性准则电磁兼容性（EMC，Electro Magnetic Compatibility）是指电器、电子产品能在规定的电磁环境中正常工作，并不对该环境中其他产品产生过量的电磁干扰（EMI，Electro-Magnetic Interference）。这里包含着两个方面的要求：其一是要求产品对外界的电磁干扰

13、具有一定的承受能力；其二是要求产品在正常运行过程中，该产品对周围环境产生的电磁干扰不能超过一定的限度。如果测控仪器设计之初，没有将功能和电磁兼容性综合考虑，则完全有可能产生了大量的电磁干扰信号，对其他测量系统产生影响，而且常常不能满足本系统的测量灵敏度和精度要求。 第二节第二节 测控电路设计测控电路设计 测控电路主要包括测量电路、中央处理电路、控制电路和电源等几个部分。以下分别就各个单元电路的设计方法给予介绍。一、测量电路的设计一、测量电路的设计 测量电路是连接传感器与中央处理系统的纽带，是获取被测信号不可或缺的重要环节，是信息输入通道。测量电路性能好坏直接影响测控仪器的测量精度和可靠性。1、

14、测量电路的作用及组成、测量电路的作用及组成 作用作用： (1) 信号调理 对传感器输出的信号进行调理，例如放大、滤波、阻抗匹配、隔离、调制、解调、整形、细分、辨向等等，以期改善信号质量、达到测量精度要求。信号调理电路的形式和要求主要取决于传感器，不同的传感器需要配用不同的信号调理电路。 (2) 信号转换信号转换：对信号进行参数或形式的转换，例如阻抗电压转换、电压电流转换、电压频率转换、模拟数字转换、脉冲数字转换等等，以便满足后续电路处理和计算机系统的要求。信号转换电路的形式与要求主要取决于传感器的输出以及后续环节的特性。 (3) 简单运算简单运算：对经过调理和转换的信号进行简单的运算处理，例如

15、加减运算（差动）、微积分运算、特征值运算（峰值、平均值、有效值、峰峰值、）等等，以便直接获得某些测量结果。对于后续环节不采用计算机的情形而言，运算功能显得尤为重要。组成：组成：不同形式的传感器，其后续测量电路的组成形式差异较大。 对于输出模拟信号的传感器而言（如图5-2所示），放大电路和滤波电路一般是必需的。 对于需要交流激励信号的传感器而言，还需振荡器和调制解调器。很多测控场合还需运算电路，来实现一些简单的运算和数据处理任务。对于采用计算机和微处理器的场合，常常还需模数转换电路。 对于输出数字信号的传感器而言，计数器和锁存器一般是必需的（如图5-3所示）。对于传感器输出数字信号与后续电路不匹

16、配（如TTL信号与CMOS信号等）的场合，还需电平转换电路。对于传感器输出正弦波的场合，还需整形电路将正弦波转变为方波。对于传感器输出连续脉冲的场合，还需辨向电路判断被测量变化的方向。为了进一步提高分辨力和精度，还常常采用细分电路。图5-2 传感器输出模拟信号的测量电路组成2、信号调理电路、信号调理电路 对于模拟信号，调理电路一般包括放大电路（含阻抗匹配）、滤波电路、调制解调电路等。对于数字信号，调理电路一般包括整形电路、细分电路、辨向电路等。 图5-3 传感器输出数字信号的测量电路作用测量电路系统对其要求分类设计对传感器输出的微弱模拟信号（电压、电流或者电荷）进行放大，以便满足测量灵敏度和后

17、续电路的要求。这些放大电路也称测量放大电路或仪器放大电路。 噪声要求：要求放大电路具有较高的信噪比。 稳定性要求：包括较低的输入失调电压和失调电流，温度漂移和灵敏度漂移要小等。 阻抗要求：放大电路的输入阻抗应与传感器的输出阻抗相匹配。 增益要求：要求放大电路具有一定的放大倍数，增益稳定，以免降低测量精度。 速度要求：要求放大电路具有足够的带宽和转换速率，以满足采样速率的要求。 按用途分类按用途分类 电压放大器、电流放大器、功率放大器、电荷放大器 按信号形式分类按信号形式分类 直流放大电路和交流放大电路 按器件分类按器件分类 晶体管放大器、场效应管放大器、集成运算放大器 按工作频段分类按工作频段

18、分类 直流放大器、音频放大器、射频放大器、视频放大器 按工作状态分类按工作状态分类 甲类放大器、乙类放大器、甲乙类放大器、丙类放大器 主要取决于传感器输出信号的形式和后续电路（中央处理系统活控制电路）的输入要求。建议优先选用集成运算放大器。 阻抗匹配问题阻抗匹配问题：有时，传感器的输出阻抗很高，例如压电式传感器，必须配接高输入阻抗的放大器。可以采用跟随器电路。 漂移问题：漂移问题：应优先考虑低温漂或具有自动稳零功能的放大器。斩波放大器提供了较低的电压和较低的随温度变化的偏置电压漂移，是一种很好的选择。 增益问题：增益问题：放大器增益的选择和确定应权衡量程与分辨力两方面的因素。当二者不能同时满足

19、时，可以考虑采用量程切换的方法。 (1) 放大电路放大电路(2) 滤波电路滤波电路作用分类设计 通过对传感器输出信号进行通频带的选择，最终滤除各种噪声信号，或者分离各种不同性质的信号。也称为滤波器，或称信号分离电路。 按照处理信号的形式按照处理信号的形式分为模拟滤波器和数字滤波器两类。 按照滤波电路对信号的处理方按照滤波电路对信号的处理方式式分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器按照滤波器的设计方法按照滤波器的设计方法 分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器等按照滤波器传递函数的微分方按照滤波器传递函数的微分方程阶数程阶数分为一阶、二阶和高阶滤波器 按照滤波电路有无电源

20、按照滤波电路有无电源 分为有源滤波器和无源滤波器两种 按照构成滤波电路的主要元器按照构成滤波电路的主要元器件件滤波器又可分为RC滤波器、LC滤波器等 特征频率与带宽：特征频率与带宽： 特征频率主要指通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。可以理解为滤波器允许或阻止信号通过的最低或最高频率值，该最高频率值与最低频率值之差称为滤波器的通频带或带宽。 增益与衰耗：增益与衰耗： 增益是指低通、高通或带通滤波电路通带的增益，衰耗用于带阻滤波电路，衰耗定义为增益的倒数。 阻尼与品质因数：阻尼与品质因数： 阻尼系数是表征滤波器对角频率为中心频率信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗

21、的一项指标。阻尼系数的倒数称为品质因数。 群时延函数：群时延函数： 在滤波器设计中，常用群时延函数评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数越接近常数，信号相位失真越小。 (3) 调制解调电路调制解调电路 定义：定义：调制就是用一个测量信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。 解调就是从已经调制的信号中去除载波信号，提取反映被测量值的测量信号。 因此，调制与解调是一对反概念和反过程。 调制的主要作用调制的主要作用：给测量信号赋予一定新的特征，使之与噪声和干扰信号显著区别开来，从而便于将测量信号从含有噪声的信号中分离出来。 在测控系统中常以一

22、个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，因此可以用测量信号对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。 有时可以用脉冲信号作载波信号，可以用测量信号对脉冲信号的不同特征参数作调制，其中最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。（IrDA） 调幅过程就是用被测信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。输出的调幅信号如图5-5所示。图5-5 幅值调制 (a)调制信号 (b)载波信号 (c)调幅信号图5-6 包络检波 (a) 调幅信号(b) 半波检波 (c) 原始信号以调幅为例进行简单介绍以调幅为例进行简单介绍

23、 包络检波：由于幅度调制是让已调信号的幅值随调制信号的幅值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号是一致的。只要能检出调幅信号的包络线，就能够实现解调。如图5-6所示。 由图可见，只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后的信号 (经全波检波或截去它的上半部也可)。再经低通滤波，滤除高频载波信号，即可获得所需调制信号，实现解调。因此，包络检波就是建立在整流的原理基础上的。 为了正确进行信号调制，必须要求载波信号的频率远远高于被测信号的变化频率，通常至少要求10倍以上。解调时滤波器才能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。 例如，若被测信号的变化频率为0100

24、Hz，则载波信号的频率应大于1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应100 Hz，可选通频带为200 Hz。IrDA接口 IrDA有发送和接收两个组成部分，频率为38kHz，周期约26s。 发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。 红外接收完成对红外信号的接收、放大、检波、整形，并解调出遥控编码脉冲。采用一体化红外接收头（抗干扰、稳定、便宜）接收红外信号，它同时对信号进行放大、检波、整形得到TTL 电平的编码信号，再送给单片机，经单片机解码并执行去控制相关对象。 v红外发送部分：单片机检测

25、键盘上按键的状态，并对红外信号进行调制，发光二极管产生红外线，数码管用来显示发送的键值。v红外接收部分：单片机检测一体化红外接收头HS0038，并对HS0038接收到的数据解码，通过数码管显示接收到的键值。v单片机把编码后的二进制信号调制成频率为38kHz 的间断脉冲串，相当于用二进制信号的编码乘以频率为38kHz 的脉冲信号得到的间断脉冲串，即是调制后用于红外发射二极管发送的信号。v红外接收需先进行解调，解调的过程是通过红外接收管进行接收的。其基本工作过程为：当接收到调制信号时，输出高电平，否则输出为低电平，是调制的逆过程（解调）。HS0038是一体化集成的红外接收器件，直接就可以输出解调后

26、的高低电平信号。v编码方式：按键按下后 ,将发射一组 108ms 的编码脉冲：由前导码、16位地址码（区别设备，8位地址码+8位地址码反码）和16位操作码（区别按键，8位操作码+8位操作码反码）组成。编码后面还要有编码的反码，用来检验编码接收的正确性，防止误操作，增强系统的可靠性。前导码是一个遥控码的起始部分，由一个9ms的高电平和一个4.5ms的低电平组成，作为接受数据的准备脉冲。v以脉宽为0.56ms周期为1.12ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为1.68ms周期为2.24ms的组合表示二进制的“1”。 (4) 细分与辨向电路。细分与辨向电路。 测量电路常常需要对周期信号进行计数的方法

27、实现测量。为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。信号细分电路又称插补器，主要是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值，以便提高仪器分辨力。另一方面，绝大多数增量码传感器一般允许被测量在正、反两个方向变化，因此在进行计数和细分电路设计的时候，往往需要同时考虑被测量变化方向（即辨向）的问题。因此，细分与辨向常常是需要综合来考虑的。 细分的基本原理细分的基本原理：根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。按工作原理划分工作原理划分，细分可分为直传式细分和平衡补偿式细分；按所处理的信号划分所处理的信号划分，细分可分为调制信号细

28、分和非调制信号细分。3、信号转换电路、信号转换电路 不同的传感器以及不同后续处理环节，需要采用不同的信号转换电路形式。一般而言，模拟信号常常需要阻抗电压转换、电流电压转换、相位电压转换、模拟/数字转换等电路，数字信号一般需要频率电压转换、脉冲数字转换、电平转换等电路。(1) 阻抗阻抗电压转换电路电压转换电路 阻抗/电压转换电路的作用就是将传感器输出的阻抗变化转变为电压变化。典型传感器包括电阻应变式传感器、压阻式传感器、电感式传感器等。 实现阻抗电压转换的典型电路就是测量电桥，如图5-11所示。一般采用全等臂电桥形式 。图5-11 测量电桥 (2) VI转换电路转换电路 -电流环电流环 在工业现

29、场用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生问题：1. 由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰，输出电压信号的传感器抗干扰能力一般较差。有时输出的直流电压上还会叠加有交流成分的信号，从而使控制系统产生误判断，出现错误动作，严重时还会损坏设备；2. 传输线的分布电阻会产生电压降，特别是在信号需要远距离长线传输时，信号衰减严重，对于使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用也受到了限制；3. 在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。 为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，以提高抗干扰能力和传输距离，因为电流对噪声并不敏感。 420mA的电

30、流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。 因此，常常许多传感器输出的电压信号被转换为电流输出，而后续电路（特别是中央处理系统）一般只能处理电压信号。因此，将电流信号转变为电压信号是经常需要的。电流环另一种用法，传输数字量电流环另一种用法，传输数字量(a) 原理图(b) 电流电压转换电路图5-12 基于RCV420的差动电流电压转换电路 (3) 模拟数字转换电路模拟数字转换电路 在大多数场合下，被测量都是模拟量，传感器的输出也多为模拟电压信号。为了适应后续的计算机处理，完成将模拟量转换成一定位数的数字量的器件就是模拟数字转换器，简

31、称A/D转换器。 按照模拟模拟/数字转换数字转换的原理，A/D转换器可以分为双积分式、逐次逼近式、并行比较式、-式等；按照转换器的位数转换器的位数，可以分为8位、10位、12位、16位、24位等；按照转换速度的高低转换速度的高低，有可以分为低速和高速两种。 A/D转换电路的设计主要应考虑以下几方面因素：转换电路的设计主要应考虑以下几方面因素： A/D转换器的位数：一般说来，位数越多，分辨率越高，量化误差就越小。因此，A/D转换器的相对精度也常用最低有效值的位数LSB来表示，即：1 LSB = 满刻度值/2n。 线性误差：指A/D转换器在满量程内的输入和输出之间的比例关系不是完全的线性而产生的误

32、差。 转换时间 ：指A/D转换器完成一次转换所需要的时间，是从模拟量输入至数字量输出所经历的时间。 基准电源稳定度：当基准电源电压变化时，将使A/D转换器的基准电压发生变化，从而使输出数字量发生变化。这种变化的实质，相当于输入模拟信号有变化，从而产生误差。 4 4、运算电路、运算电路 作用：作用：就是对传感器输出的模拟信号按照一定的数学规律进行适当的计算，从而获得需要的输出值。 运算电路主要采用各种集成放大电路组成，由于集成运放的输出电压将按一定的数学规律随输入电压变化，因此集成运放必须工作在线性工作区。需要注意的是，在运算电路中，无论是输入电压还是输出电压，一般均是对“地”而言的。 此外，还

33、可以利用运算放大器组成补偿电路，进行温度补偿、非线性补偿等。二、中央处理系统设计二、中央处理系统设计1、中央处理系统的作用与组成、中央处理系统的作用与组成 中央处理系统的作用：中央处理系统的作用：对测量电路系统送来的信号进行运算、处理、显示、存储、打印等，然后按照仪器的功能要求，向控制电路系统发出控制命令，并通过控制电路和执行器对被控参数实行控制。它同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和输出通道。 中央处理系统的中央处理系统的组成组成：传统的中央处理系统主要是由电子线路构成，所具备的功能较少，也比较弱。随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控仪器发生了根本性变革，即采用计算机

34、为测控仪器电路与系统的核心部分，代替传统测控仪器的常规电子线路，从而成为新一代的智能化测控仪器。 从中央处理系统的物理结构上看，计算机内含于测控仪器，计算机的各种硬件及其相关部件是整个测控仪器的组成部分。但是从计算机的组成观点来看，计算机以外的所有部件都是计算机的外围设备。因此，以计算机为核心构成的中央处理系统具有典型的计算机组成结构特点，它一般由输入接口电路、主机电路和输出接口电路、显示电路、键盘电路几个部分组成，如图5-13所示。图5-13 中央处理系统组成原理输入接口测量信号显示器输出接口控制信号键盘面板通讯信号主机电路 输入接口电路输入接口电路的作用是将来自测量电路的测量信号送入计算机

35、中，进行数据处理。为了降低外部信号对计算机系统的干扰，常通过光电隔离电路进行隔离。此外，输入接口还可接收测控系统操作面板的各自操作信号和指令，并送入计算机，完成相应的操作和功能。 主机电路主机电路主要用来进行数据存储、数据运算、结果显示及打印、数据通讯、系统控制等。目前组成测控仪器中央处理系统的计算机主要由微处理器（单片机）或微型计算机两种。由微型计算机构成的主机系统，一般直接采用计算机的主机，可充分利用计算机的软硬件资源。由微处理器或单片机构成的主机系统，通常是由微处理器和外围电路构成。 输出接口电路输出接口电路的作用是将计算机处理结果送至显示器进行显示，同时将计算机的控制指令转变为控制信号

36、，并输送至控制电路，使得相应的执行机构动作。2、基于单片机（微控制器）的中央处理系统、基于单片机（微控制器）的中央处理系统 (1) 单片机的特点与功用单片机的特点与功用 单片计算机简称为单片机（或MCU），它是指在一块芯片上集成了计算机的基本部件，一块芯片就构成一台计算机。单片机一般具有以下特点： 可靠性高：工业抗干扰能力优于一般的通用CPU，程序指令、系统常数均固化在ROM中，不易破坏；硬件集成度高，使系统整体可靠性大大提高。 易扩展：单片机内具有计算机正常运行所必需的部件，芯片外部有许多供扩展用三总线及并行、串行I/O管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 控制功能强：为满足工业控制要

37、求，单片机的指令系统均有级为丰富的条件分支转移指令、I/O端口的逻辑操作以及位处理功能。 存储器容量小：受集成度限制，一般ROM为几k字节，RAM仅有几百字节，经扩展后也只能达到几十k字节。 体积小：由于单片机的高集成度，使得整个仪器电路系统的体积有可能大幅度缩小，并可以形成便携式仪器，携带和使用非常方便。特别适用于小型测控仪器和便携式测控仪器。(2) 常用单片机常用单片机单片机种类概述特点MCS-51系系列单片机列单片机由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称。包括了好些品种，如8031、8051、8751、8951等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础

38、上进行功能的增、减、改变而来的 。MCS-51系列单片机市场占有量大、片源丰富、价格便宜、容易购买，与其相配的器件（如仿真器、编程器、烧录器）较多，多数芯片已具有Flash结构，支持反复擦写，是一种方便、实用的单片机。AVR系列单系列单片机片机是ATMEL公司1997年推出的精简指令集（RISC）单片机系列 。AVR单片机很好地把价格、性能和灵活性结合在一起，适合于很多领域的应用，包括锂电池充电器、冰箱控制和门禁系统等等，表现出卓越性能。MSP430系系列单片机列单片机 MSP430 系列是TI 公司推出的16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，它具有极低的功耗、丰富的片内外设和

39、方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。 具有非常高的集成度，单片可以满足绝大多数的应用需要。使应用人员不必在接口、外接I/O及存储器上花太多的精力，而可以方便的设计真正意义上的单片系统。 RAM、ROM和全部的外围模块都位于同一地址空间内。MSP430系列由于具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。(3) 由单片机构成的主机电路由单片机构成的主机电路 以单片机为核心的中央处理系统的设计，应将单片机作为一个芯片，同主机电路的其他芯片有机地结合起来，从而构成一体化处理系统。由于单片机内部的存储器容量和I/O端口能力十分有限，因此基于单片机的主

40、机电路系统的主要任务是对单片机的存储器和端口进行扩展。下面以下面以MCS-51系列单片机的系列单片机的8031为例，介绍主机电路的设计。为例，介绍主机电路的设计。PIC系列单系列单片机片机是Microchip公司推出的具有精简指令集（RISC）的单片机。采用哈佛结构，取指令和取数据可同时进行。 PIC单片机具有多种规格和型式，可满足不同场合的需要，自带看门狗定时器、睡眠和低功耗模式。执行效率高，速度快。指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。PIC系列单片机市场占有量较大，片源丰富，容易购买，价格适中，烧录器品种较多，但大多数芯片为OTP结构，不支持反复擦写，只能一

41、次性烧写。 图5-15为采用8031单片机构成的主机电路系统，用1片EPROM2764将程序存储器的容量扩展至8k，用1片RAM6116将数据存储器的容量扩充至2k，用1片8155可编程接口芯片将I/O端口扩展为3个8位并行双向端口。8031的P0口输出的低8位地址信号经74LS373锁存器锁存后送至各存储器的A0A7地址端，P2口输出的高位地址信号（P2.0P2.4）分别送至EPROM2764的A8A12地址端和6116的A8A10地址端，由P2.7和P2.3组合信号分别作为6116-1和6116-2的片选信号，8155的AD0AD7直接连至8031的P0口，存储器和8155的控制信号线分别

42、与8031的相应端连接，从而实现各器件的读写操作。图5-15 由8031单片机构成的主机电路(4) 显示、打印及键盘电路显示、打印及键盘电路 单片机本身并不具备显示、打印和直接接受操作指令的功能，因此，由单片机构成的中央处理系统一般还需增加显示电路、打印电路、通讯电路、键盘电路等，以扩展仪器的人机对话功能。u 基于单片机的测控仪器所采用的显示器一般有发光二极管LED、7段LED显示器、液晶显示器LCD、等离子显示器、点阵式LED显示器、CRT等。 单个发光二极管常用作指示灯，显示工作状态、通断、报警等。LED发光二极管可以通过门电路直接驱动点亮。图5-16为分别采用高电平和低电平驱动发光二极管

43、的电路，一般而言，用低电平驱动发光二极管的亮度大于用高电平驱动的发光二极管亮度。图5-16 LED的驱动LED“1”a) 高电平驱动+5vLED“0”b) 低电平驱动 11 7段LED显示器是由7个发光二极管显示09数字和一些字母或字符，由1个发光二极管显示小数点，具体结构如图5-17(a)所示。这种显示器有两种形式：一种是发光二极管的阴极连在一起的共阴极显示器，如图5-17(b)所示；另一种是阳极连在一起的共阳极显示器，如图5-17(c)所示。7段LED显示器能显示的字符量较少，且字符形状有些失真，但由于其控制简单、适用方便，故而在数字显示行测控仪器仪表中得到了广泛应用。a) LED显示器结

44、构c) 共阳极LED图5-17 七段LED显示器b) 共阴极LEDabcdefggfedcbagfedcba 液晶显示器的工作原理与LED显示器的静态显示方式相近，可以显示各种数字、字符和图形，显示内容非常丰富，适于人机界面要求比较高的场合。u 键盘是一种开关（按键）的集合，操作者通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘接口必须解决以下一些问题：确定是否有键按下，按了哪一个键，消除抖动问题以及同时按键的处理等等。这些均可以由硬件或软件来完成。 目前常用的按键有三种：机械触点式按键、导电橡胶式按键和柔性按键（又称轻触键盘）。机械触点式按键是利用金属的弹性使按键复位，具有手感明显，接触可靠

45、的特点。导电橡胶按键则是利用橡胶的弹性来复位，体积小，装配方便。柔性按键是近年来得到迅速发展的一种新型按键，它可以为凸球型和平面型两大类。前者动作的行程和触感比较明显，富有立体感，但工艺复杂；后者动作行程极微，触感较弱，但工艺简单，寿命也长，它的最大特点是廉价、型美、防尘、防潮、耐蚀、装嵌简单，而且外型和面板的布局、色彩、键距都可以按照整机的要求来设计，它在一定程度上体现了今后仪器仪表键盘的方向。 按照键码识别的方法分类，键盘可分为编码式和非编码式两种。对于非编码式键盘，目前大多采用行扫描法来识别按键，主要靠软件来实现，不但程序复杂，而且实时性差，占用CPU时间，效率低。同时，非编码式键盘同普

46、通按键一样，存在明显的抖动，应采取可靠的去抖措施。采用编码键盘可以克服这些缺点，当某个键被按下时，将产生一个代码，通过查阅内部ROM表，可以确定被按下的键。同时，编码键盘具有消除抖动和串键的功能，可确保正确识别按键。u 打印机是测控仪器的常用设备之一。目前测控仪器中采用的打印机主要有微型点阵式打印机、普通点阵式打印机、喷墨式打印机、激光式打印机等。微型打印机主要用于基于单片机的测控仪器系统，可打印简单的数字、字符或小型简略图形，但打印速度慢，噪音大，且驱动电路复杂，占有CPU时间，效率低。由于可采用的微型打印机种类不同，通讯信号的形式和要求也不一样，因此驱动电路也各不相同。而普通的点阵打印机、

47、喷墨打印机和激光打印机一般与微型计算机相连接，采用通用打印机接口总线，并可直接利用计算机附带的打印机驱动程序进行联络信号后打印控制，安装和打印均很方便，打印功能也随着大大增强。 3、基于微型计算机的中央处理系统、基于微型计算机的中央处理系统 基于微型计算机的中央处理电路目前主要采用个人计算机(Personal Computer)来实现。u 个人仪器的特点是使用灵活、应用广泛，并可以充分利用PC机的软硬件资源和各种功能， PC机强大的数据处理能力和内存容量将使测控仪器的性能更上一层楼。 PC的软件系统已成为仪器系统的重要组成部分，通过软件的更新可以方便进行仪器的升级换代。u 基于PC机的测控仪器

48、中央处理系统可分为内插式、外接式和组合式三种。 名称原理特点注意问题(1) 内内插插式式将输入或输出接口电路制成印制板的插板形式，并直接插入PC机主机箱内的扩展槽内，通过计算机的各种系统总线与CPU交换信息。来自测量电路的测量信号通过插板与计算机打交道，主机与控制电路系统之间也是通过插板进行联系。 构成简便，结构紧凑，成本低廉，可直接形成典型的个人仪器。 另一方面，由于PC机的扩展槽数量有限，可用于输入/输出接口的扩展槽较少，灵活性较差。 在设计内插式测控仪器时应留意可用的扩展槽的总线形式（PCI总线或AGP总线），以便正确设计接口电路的总线结构。另一方面，扩展槽上的接口板是由PC机的电源统一

49、供电的，在设计内插式接口电路板时应考虑PC机电源的容量大小。(2) 外外接接式式将输入接口与输出接口安装于PC机箱外部一个独立的外接电箱中，并通过外部总线（如RS-232C串行总线或IEEE-488并行总线等）与PC机通讯和传递数据。 灵活方便，适用于多通道、高速数据采集或一些特殊场合的测控要求。 外接电箱可以根据不同功能或要求单独进行设计，也可以购置通用电箱和处理系统。PC机既可以用于本测控仪器专用，也可以兼作它用，具有极大的灵活性。(3) 组组合合式式 将内插式和外接式两种方式有机结合起来，输入接口与输出接口安装于PC机箱外部一个独立的专用电箱中，同时在PC机内部扩展槽中也安装有接口板，测

50、量信号和控制信号通过外接电箱后，再经过接口板与计算机交换数据。 灵活方便，适用范围广，是一些特殊场合下的最佳选择。 随着计算机硬件功能的逐渐完善和多样化，标准化插件的不断增多，电路系统模块化的进一步发展，基于微型计算机的测控仪器的中央处理系统将逐渐为软件系统所部分取代。从计算机的角度来看，测控仪器的更新和升级也主要体现在软件的更新和升级。 DSP处理器 （简单了解）三、控制电路设计三、控制电路设计1 1、控制电路的作用与组成、控制电路的作用与组成u 概括地讲，控制电路包含以下三个方面的作用：（1）信号转换：将计算机发出的指令（数字信号）转换为适当形式的电信号，例如电压、电流、脉冲等等；（2）放

51、大驱动：将电信号的功率进行放大，使得电信号具有足够的能量来驱动执行机构动作；（3）信号隔离：将转换电路与驱动电路的之间的电联系切断，从而保护控制电路。2 2、信号转换电路、信号转换电路(1) (1) 数数/ /模（模（D/AD/A）转换电路）转换电路 按照工作原理的不同，数模转换器可以分为权电阻型、T型电阻网络型、权电流型、权电容型、开关树型等不同型式。按照数字信号的输入方式不同，数/模转换器可以分为并行和串行两种。在一般的工业控制系统中，主要使用并行D/A转换器。在设计在设计D/AD/A转换电路时，应注意考虑以下几个问题：转换电路时，应注意考虑以下几个问题： D/A转换器位数：为了适应不同控

52、制精度的要求，可采用8位、10位、12位或更多位的D/A转换器。 输出接口的设计：D/A转换器的输出信号可为电压信号或电流信号，而输出信号幅值的大小与D/A转换器的参考电压的高低成正比，输出信号的极性可为单极性或双极性等。 D/A转换器的调整：在投入正常工作之前，必须要对放大器进行零点和满刻度的调整，同时对D/A转换器本身进行调整，以保证零点的正确性和满刻度输出幅值的要求。 D/A转换器的时钟匹配：在硬件系统设计时，要正确选择D/A转换器件和EPROM器件，使其能保证与计算机的时钟相匹配。另外，计算机输出的数据保持时间必须要大于D/A转换器的数据保持时间，否则将出现D/A转换的不稳定。 D/A

53、转换器参考电压的确定：D/A转换器的输出准确度主要取决于参考电压的精度，因此对于参考电压的选择应根据系统的精度要求来确定。一般情况下，可将参考电压直接接电源（正电源或负电源）；当D/A转换精度要求较高时，可采用精密电压集成电路来提供高精度基准电压。 D/A转换器输入接口设计：D/A转换器的输入接口电路一般可分为直通型和缓冲型两种。对于直通型的输入通道，计算机的数据可直接打入D/A转换器进行转换，电路系统简单，执行速度快，常用于连续反馈控制系统中。对于缓冲型通道又可分为单级缓冲和二级缓冲两种，二级缓冲通道主要用于多路D/A转换器同步系统中，单级缓冲通道主要用于一路D/A转换器系统或多路D/A转换

54、器不需同步的系统中。(2) (2) 脉冲宽度调制电路脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术，是利用半导体功率晶体管或晶闸管等开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种变换电路。 脉宽调制技术是基于“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同”的原理工作的。图5-23为采用脉宽调制波代替正弦半波的示意图，将正弦半波N 等分，可看成N 个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等。用一系列矩形脉冲代替，脉冲幅度相同，但宽度不

55、等，宽度按正弦规律变化，它与正弦波是等效的。图5-23 用PWM波代替正弦半波3 3、驱动电路、驱动电路 由于被控对象和控制参数不同，采用的执行机构不同，使得驱动电路各不相同。因此，驱动电路的设计主要取决于执行机构和控制参数。以下仅就常用执行机构和驱动器的驱动电路给予介绍。 (1) (1) 功率开关驱动电路功率开关驱动电路 按照电路中所采用的功率器件类型分类，常见的有晶体管驱动电路、场效应管驱动电路和晶闸管驱动电路等类型。按照电路所驱动的负载类型分类，常见的有电阻性负载驱动电路和电感性负载驱动电路等类型。按照电路所控制的负载电源类型分类，常见的有直流电源负载驱动电路和交流电源负载驱动电路等类型

56、。 当负载所需电流不大时，常采用晶体管驱动电路，晶体管驱动电路的设计要点，是要保证晶体管工作于饱和区。 为了进一步降低驱动功率，可以采用场效应管驱动电路，场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应管，亦称MOS场效应管。功率场效应晶体管在制造中多采用V沟槽工艺，简称为VMOS场效应管。其改进型则称为TMOS场效应管。用于功率驱动电路的场效应晶体管称为功率场效应晶体管。 (2) (2) 步进电机驱动电路步进电机驱动电路 步进电机是控制系统中常用的自动化执行元件，它可在开环条件下十分方便地将数字系统的脉冲数转变成与其相对应的角位移或线位移，且运转速度只与驱动信号的频率有关，而与负载大小无关，因而得到广泛应

57、用。 步进电机驱动电路主要由环形分配器和功率放大器两部分组成。 图5-28 步进电机驱动电路组成 环行分配器亦称脉冲分配电路，用来对输入的步进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各相脉冲序列信号，从而在步进方向信号控制下使得步进电机按照一定规律运行。脉冲分配电路可用数字电路组合、软件序列分配、专门单片集成元件、GAL器件等构成。 功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放大，产生使电动机旋转所需的激磁电流，足以驱动电机运转。功率放大电路有单电压、双电压、斩波稳流、步距细分等类型，单电压驱动电路简单易行，但冲击大，驱动电流不稳。斩波稳流式驱动电路采用双电压工作，通过闭环控制实现驱动电流的稳定

58、输出，保证驱动负载的稳定。 4 4、信号隔离电路、信号隔离电路 光电耦合器件是极为常用的隔离器件，其结构和工作原理如图5-30所示。 图5-30 开关量的光电耦合隔离 从图中可以看出，光电隔离的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地，因此输入回路与输出回路完全隔离。同时光电耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压，不会击穿器件。因此当外部设备出现故障，不会损坏控制电路和计算机系统。从而避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。采用光电耦合器件的输入隔离电路具有很好的适用性，特别适合驱动一些高压器件和设备，可以有效保护测控系统的安全。四、电源设计四、电源设计 电源是整个测控系统的能量

59、来源，有时还是测控仪器电路系统的电气基准，对仪器系统的性能和可靠性具有直接的影响。因此，电源系统的设计在整个测控仪器的设计中占有非常特殊的地位。在系统设计的开始阶段就应该进行电源的设计与选择，而不是在整个系统的设计即将完成时才考虑电源，以免拖延系统的开发时间，增加系统成本。1 1、对电源的要求、对电源的要求 对于大部分的测控仪器而言，除个别环节采用电流源之外，绝大多数环节都采用电压源。对电源的要求主要有以下几个方面：(1)(1) 输入参数输入参数 对于一个电源系统，必须要明确输入参数的形式（直流还是交流）和数值（大小和范围）。在选定输入电压规格后，应明确输入电压范围，一般来讲为额定输入电压的2

60、0%。此外，应注意电源功率（或输入电流）的大小。电源的功率不是越大越好，关键在于电源总体性能和质量，选择时应留有一定的余量。 (2) (2) 输出参数输出参数 输出电压：基本的输出参数。稳压电源一般均给出输出电压的标称值及其波动范围，例如额定输出电压的1%。 输出路数：一个完整的测控仪器系统往往具有多个电路系统或环节，要求电源具有多路输出，而且各路输出之间往往需要相互隔离和独立。 输出电流：是表征电源负载能力的主要指标。输出电流的大小应按照后续电路的实际需要考虑，并留有一定余量。(3) (3) 稳定度稳定度 作为电路系统的基准，如果电源输出电压的稳定性不好，必然导致测控系统精度下降，甚至出现错