智能仪器技术 课件 18 智能仪器自动化技术

智能仪器的自动化技术揭秘如果你购买一款智能仪器，除了考虑其实现的功能外，还会考虑哪些因素？准确性：自校准技术可靠性：自检技术和抗干扰便捷性：量程自切换智能仪器的自校准讨论一下：1.仪器为什么要校准？2.校准的意义是什么？智能仪器的自校准：一般是利用测量设备自带的校准程序或功能。智能仪器的自校准是否还记得上一章的系统误差？1.智能仪器的系统误差产生于哪里？智能仪器的系统误差主要产生模拟通道中，反映在零点漂移和倍率变化上。智能仪器的自校准分析：模拟量测量通道的零点漂移和倍率变化对输出结果的影响同相输入方式运算放大器的等效图

eos-输入失调电压；Ib1、Ib2-输入偏置电流R1、R2-倍率电阻；R-输入平衡电阻；Ri-放大器的等效内阻；Vi-放大器的输入；Vo-放大器的输出；I、Ii

、I1、I2、I3-支路电流；Va、Vb-节点电压。A放大器开环放大倍数

平衡电阻R等于R1和R2的并联值智能仪器的自校准同相输入方式运算放大器的等效图

由于

所以分析：模拟量测量通道的零点漂移和倍率变化对输出结果的影响智能仪器的自校准同相输入方式运算放大器的等效图

分析：模拟量测量通道的零点漂移和倍率变化对输出结果的影响智能仪器的自校准令分析：模拟量测量通道的零点漂移和倍率变化对输出结果的影响智能仪器的自校准1.放大倍数是多少？2.eos、Ios、R1和R2均是温度的函数，分析：模拟量测量通道的零点漂移和倍率变化对输出结果的影响温度变化时，等效的零漂电压Vos也会随着变化。

智能仪器的自校准模拟测量通道的部件是前后级串联的。总的倍率和零漂是多少？

分析：模拟量测量通道的零点漂移和倍率变化对输出结果的影响智能仪器的自校准2.消除或抑制系统误差的方法有哪些？利用误差模型修正系统误差；通过离散数据修正系统误差；

校准数据表修正法智能仪器的自校准建立系统的误差校准模型误差模型校准的基本思想智能仪器的自校准模拟通道的内部自校准原理图现在分两种情况来讨论对Vos的校准方法（假定k不变）

（1）零点漂移电压Vos恒定不变时

（2）零点漂移电压Vos

线性变化时建立系统的误差校准模型智能仪器的自校准模拟量测量通道的零点漂移的自校准（1）零点漂移电压Vos恒定不变时

智能仪器的自校准模拟量测量通道的零点漂移的自校准（2）零点漂移电压Vos线性变化时

①

合上S1,打开S2和S3：设起始时间为t1

②

合上S3,打开S1和S2：

智能仪器的自校准模拟量测量通道的零点漂移的自校准（2）零点漂移电压Vos线性变化时

方法：线性插值t1t2t3Vos③

合上S1,打开S2和S3：设起始时间为t3

④

由线性插值公式：

⑤

计算得：Vo=Vo2-KVos2=?智能仪器的自校准模拟量测量通道的倍率变换的自校准假设Vos为零，Vref稳定性好，准确数值已知，K不变。

(1)S2闭合，S2和S3断开：

(2)S3闭合，S1和S2断开：

(3)上面两个式子计算：

智能仪器的自校准模拟量测量通道的零点漂移和倍率放大的自校准模拟通道的内部自校准原理图分析一下：闭合S1，断开S3，S2

；

S2闭合，S1、

S3切断；

S3闭合，S2，S3切断，系统输入和输出情况。智能仪器的自校准自校准方案：1.仪表设置“校准”按钮。2.每测量一个被测量都进行零点漂移和倍率漂移的自动校准智能仪器的可靠性提高可靠性技术途径各器件本身的可靠性的提高

明智地选择优质元器件对元件进行筛选和老化处理先进的组装工艺强化检验和整机试运行用给定的元件提高系统的可靠性

提高抗干扰能力冗余技术：出故障时能维持正常工作，并能容错、检错和纠错。故障诊断和自检恢复技术智能仪器的故障诊断和自检硬件原因内部因素：仪器使用环境因素外部因素：元器件及电路板的老化智能仪器故障的产生和分类智能仪器的故障诊断和自检软件原因智能仪器故障的产生和分类软件故障产生于不正确的指令组合造成的设计错误。指令之间的相互作用很复杂，对一个软件出错的纠正可能对系统的其他部分有副作用，有可能使总的差错数目增加；软件故障一旦被纠正后，不会再发生。智能仪器的故障诊断和自检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。自检功能给智能仪器的使用和维修带来很大的方便。智能仪器的自检部件仪器的数字电路部分仪器的模拟电路部分仪器的软件部分智能仪器的自检方式开机自检：是对仪器正式投入运行之前所进行的全面检查。

周期性自检键控自检接通电源或复位程序运行过程中操作者控制，需要时自检自检就是利用事先编制好的检测程序或设计好的电路对仪器的主要部件进行自动检测，并对故障进行定位，该说法是否正确。正确错误AB提交单选题1分智能仪器的故障诊断和自检自检算法RAM自检思想：只需要一个存储单元写入一个数据，再从该单元读出数据进行比较就可以判断RAM的故障。（校验其“读写”功能）方法：选择两个特征字55H和AAH，这样可以发现最容易出现的相邻相位关系故障。开机自检智能仪器的故障诊断和自检自检算法RAM自检判别读写内容是否相符的方法：反码校验法。从被检查的RAM单元中读出信息，求反后再与原单元内容进行一次异或运算，若其结果为全“1”，表明该单元工作正常，否则应给出错误指示。

智能仪器的故障诊断和自检自检算法ROM自检“校验和”法、单字节累加法、双字节累加法。“校验和”方法在将程序机器码写入ROM的时候，保留一个单元（一般是最后一个单元），此单元不写程序机器码而是写“校验字”，“校验字”应能满足ROM中所有单元的每一列都具有奇数个或偶数个１。智能仪器的故障诊断和自检自检算法ROM自检ROM地址ROM中的内容

0110100101100110012001111003111100114100000015000111106101010107(校验字)11111111(校验和)事先设计好并固化01001110异或和，全为1就正确智能仪器的故障诊断和自检自检算法采用与操作者合作的方式进行。检测思想：先进行一系列预定I/O的操作，然后操作者对这些I/O操作的结果进行验收，如果结果与预先的设定一致，就认为功能正常，否则，应对有关通道进行检修。

键盘和显示器的自检键盘检测的方法CPU每取得一个按键闭合的信号就反馈一个信息。按下某单个按键后无反馈信息→接触不良；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。智能仪器的故障诊断和自检自检算法键盘和显示器的自检显示器检测的方法所有字段都发光，然后再使所有字段都不发光，以检查显示器及相应接口电路是否处于正常工作状态。开机自检智能仪器的故障诊断和自检自检算法输入通道自检直接参数判断法,根据模拟量采样值的大小(取极限值)来判断模拟量输入通道是否正常。

变送器自检ADC自检自检应包括检测元件、变送器、ADC转换电路及其接口电路。智能仪器的故障诊断和自检自检算法输入通道自检–-变送器自检开路故障：Vin为0V，此时ADC转换的数字量为最小(通常为零)。

短路故障：Vin为24V，此时ADC转换的数字量为满量程(即数字量最大)；智能仪器的故障诊断和自检自检算法输入通道自检–-ADC自检将参考电源接至A/D转换器的输入端，启动测量，将此次采样结果再同ROM中的预定值加以比较，若误差在许可范围内，则AD转换器正常，否则判定AD转换器出现故障。智能仪器的故障诊断和自检自检算法输入通道自检–-ADC自检

防止瞬间脉冲干扰智能仪器的故障诊断和自检自检算法D/A转换器的自检常与A/D转换器配合进行。①微处理器输出扫描电压信号（锯齿波）对应的数字量（预定值）该数字量输入D/A转换器；②

经D/A转换后的模拟量再经A/D转换后进入微处理器，微处理器判断转换结果与机内预定值比较。

若误差在允许的范围之内，认为D/A转换正常；

否则，按上述方法判断A/D工作是否正常，若A/D工作正常，可断定D/A存在故障。输出通道自检——

DA转换器自检智能仪器的故障诊断和自检自检算法输出通道自检——执行机构自检间接参数判断法：根据模拟量输入通道的采样值的变化情况来判断模拟量输出通道或开关量输出通道是否正常。总线没有记忆能力，需要设置了两组锁存触发器，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。总线的自检是指对经过缓冲器的总线进行检测。智能仪器的故障诊断和自检自检算法总线自检智能仪器的故障诊断和自检自检软件

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TSTi（i=0,1,2…）,对应的故障代号为TNUM（0，1，2…）。编程时,由序号通过表所示的测试指针表（TSTPT）来寻找某一项自检子程序入口，若检测有故障发生，便显示其故障代号TNUM。测试指针入口地址故障代号偏移量

TST00TST11TSTPTTST22偏移=TNUMTST33…………含有自检的仪器操作流程周期性自检子程序流程智能仪器量程自动转换案例分析：一种量程自动切换数字电压表的设计数字电压表：简称DVM，采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪器。想想传统电压表怎么切换量程的？设计中以单片机为核心，采用软件编程和硬件相结合的方式设计一种量程可以自动切换且具有较高清晰度显示的数字式直流电压表。智能仪器量程自动转换量程自动切换的设计原则方便、分辨率高、准确度高尽可能高的测量速度。测量速度=选择量程的速度+完成一次测量的速度当读数的十进制位数大于等于量程档数时，只需进行一次中间测量，就可以找到正确的量程。确定性在升降量程时，不应该发生在二个相邻量程间反复选择。通过给定升降阈值回差的方法来解决。降量程阈值选取满刻度的9.5%，升量程阈值为100%。智能仪器量程自动转换量程自动切换的设计原则方便、分辨率高、准确度高安全性量程输入电路必须具有过载保护能力，当发生过载时，至少在一次测量过程中仍能正常工作，并且不损坏。量程自动切换硬件设计智能仪器量程自动转换量程自动切换的设计1、程控增益放大器当被测信号的幅值变化范围很大时，为了保证测量精度的一致性，可以采用程控放大器。智能仪器量程自动转换自动量程转换电路的设计自动量程转换电路一般由衰减器,放大器,接口及开关驱动这三大部分组成。（1）衰减电路具有100和1二种衰减系数:当K1被激励时,K1切向A端,衰减系数100当K1未被激励时,K1切向B端,衰减系数1;智能仪器量程自动转换自动量程转换电路的设计自动量程转换电路一般由衰减器,放大器,接口及开关驱动这三大部分组成。（2）放大器电路由K2控制前置放大器的放大倍数。当K2被激励时，K2切向C端，放大器的增益为1,当K2未被激励时,K2切向D端,放大器的增益为10.智能仪器量程自动转换自动量程转换电路的设计自动量程转换电路一般由衰减器,放大器,接口及开关驱动这三大部分组成。3）放大器输出当K3被激励时,K3切向F端,放大器的输出电压被衰减10倍当K3未被激励时,K3切向E端,放大器直接输出使用这三个开关的不同组合,该电路具有200mV,2V,20V,200V四个量程。智能仪器量程自动转换自动量程转换电路的设计n量程升量程阈值UL降量程阈值DL现行量程激励码4200V200.0019.500XXXXX001320V20.0001.9500XXXXX10022V2.00000.1950XXXXX1011200mv0.200000.00000XXXXX111智能仪器量程自动转换自动量程转换电路的设计使用这三个开关的不同组合,该电路具有200mV,2V,20V,200V的四个量程。n量程K1K2K34200VACE320VADE22VBCE1200mvBDE无论哪个量程电路将输出±2V满偏电压。智能仪器量程自动转换自动量程转换电路的设计智能仪器量程自动转换自动量程转换电路设计2、自动切换不同量程的传感器1#传感器的最大量程范围为M1，2#传感器的最大量程范围为M2，且M1>M2，设它们的满量程输出是相同的。测量时，总是1#传感器先投入工作，2#处于过载保护状态，待软件判别确认量程后，再置标志位，选取量程M1或M2。此方案适合传感器价格便宜的测量仪器。智能仪器的容错技术冗余技术：利用冗余资源换取系统的可靠性。

硬件冗余

信息冗余时间冗余冗余附加智能仪器的容错技术冗余技术：利用冗余资源换取系统的可靠性。硬件冗余增加多余的硬件设备，以保证系统可靠地工作。常见的备用电源。智能仪器的容错技术冗余技术：利用冗余资源换取系统的可靠性。信息冗余增加多余的信息位，以提供错误检测，甚至提供校正错误（纠错）的能力。以3位二进制编码为例。它们可以组成？种编码。001、010、100、111发送方：接收方：000、001、010、100、011、101、110、111干扰等智能仪器的容错技术冗余技术：利用冗余资源换取系统的可靠性。信息冗余方法一：奇偶校验=n个信息位+一个校验位代码中1的个数是奇数个奇校验例如：串行数据在传输过程中，由于干扰可能引起信息的出错，如传输字符‘E’，其各位为：“E”=0100

0101

奇校验：

0100

0101偶校验：

0100

0101当CPU读取存储的数据时，它会再次把前8位中存储的数据相加，计算结果是否与校验位相一致。在信息位后发送智能仪器的容错技术冗余技术：利用冗余资源换取系统的可靠性。信息冗余例如：串行数据在传输过程中，由于干扰可能引起信息的出错，如传输字符‘E’，其各位为：“E”=0100

0101

奇校验：

0

0100

0101偶校验：

1

0100

0101干扰奇校验：

0

0101

0101偶校验：

1

0101

0101+=4与校验位有出入奇偶校验只能检测出错误而无法对其进行修正，奇偶校验却无法检测出双位错误。

智能仪器的容错技术冗余技术：利用冗余资源换取系统的可靠性。信息冗余奇偶校验对一个字符校验一次，适合异步通讯；方法二：（CRC）循环冗余校验，又称多项式码。在循环冗余校验中，通过在数据单元末尾加一串冗余比特，称作循环冗余校验码或循环冗余校验余数，使得整个数据单元可以被另一个预定的二进制数所整除。编码长度N=K位信息码+R位校验码可以证明存在一个最高次幂为N-K=R的多项式G(x)。根据G(x)可以生成K位信息的校验码，而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式。智能仪器的容错技术冗余技术：利用冗余资源换取系统的可靠性。

CRC码生成和校验基本分为：第一步：确定CRC校验码的位数第二步：数据左移校验码位数

第三步：确定多项式的值

第四步：计算CRC

第五步：生成发送数据=传输数据+CRC校验码1.信息码2.生成多项式3.检验位4.多项式对应的二进制5.余数

CRC码校验到达接收方的数据单去除以用来产生循环冗余校验余数G（x

)。如果余数0，将通过检验。如果余数非零，将通不过检验。智能仪器的容错技术冗余技术：利用冗余资源换取系统的可靠性。智能仪器的容错技术冗余技术：利用冗余资源换取系统的可靠性。发送方接收方设xrM(x)除以G(x)的商和余数分别为Q(x)和R(x)。则有:xrM(x)=G(x)Q(x)+R(x)即：接收方收到带CRC校验和的帧多项式T(x)=xrM(x)+R(x)。由于模2加减相当于异或运算,于是接收方模2除后商Q(x),余数0.得证！智能仪器的容错技术任何一个二进制数序列可以和一个只含有0和1两个系数的代数多项式建立起一一对应的关系。因此，用来求CRC码的那个除数通常用多项式来表示。码多项式与二进制序列之间的一一对应关系：二进制序列：（an-1an-2……a1a0）NA(x)=an-1Xn-1+an-2Xn-2+……+a1X+a0X0码多项式生成多项式为G(x)=x4+x3+x+1，

可转换为二进制数码11011。

发送信息位1111，可转换为数

据多项式为C(x)=x3+x2+x+1。智能仪器的容错技术生成多项式应满足以下条件：生成多项式的最高位和最低位必须为1。当被传送信息（CRC码）任何一位发生错误时，被生成多项式做模2除后应该使余数不为0。不同位发生错误时，应该使余数不同。对余数继续做模2除，应使余数循环。模2除做法与算术除法类似，但每一位除（减）的结果不影响其它位，即不向上一位借位。所以实际上就是异或。然后再移位移位做下一位的模2减。步骤如下：a、用除数对被除数最高几位做模2减，没有借位。b、除数右移一位，若余数最高位为1，商为1，并对余数做模2减。若余数最高位为0，商为0，除数继续右移一位。c、一直做到余数的位数小于除数时，该余数就是最终余数。智能仪器的容错技术①模2加法运算定义为：（对应于逻辑异或）0＋0＝00＋1＝11＋0＝11＋1＝0例如0101＋0011＝0110，列竖式计算：0101＋0011──────0110异或计算为：1^1=00^0=01^0=10^1=1多项式的算术运算采用代数域理论的规则，加法没进位，减法没借位，加法和减法都等同于异或。智能仪器的容错技术②模2减法运算定义为：（对应于逻辑异或）0－0＝00－1＝11－0＝11－1＝0例如0110－0011＝0101，列竖式计算：0110－0011──────0101异或计算为：1^1=00^0=01^0=10^1=1智能仪器的容错技术③模2乘法运算定义为：0×0＝00×1＝01×0＝01×1＝1例如1011×101＝100111，列竖式计算：1011×101──────10110000＋1011────────100111智能仪器的容错技术④模2除法运算定义为：0÷1＝01÷1＝1模二除法是利用模二减求余数的，余数最高位为“1”，则商“1”，否则商“0”，每商1位则余数减少一位，直到余数位数少于除数位数。1110────────1011〕1100100－1011──────1111－1011──────1000－1011──────0110－0000──────110

66（1）发送数据110011；（2）生成多项式G(x)=x4+x3+1；（3）将要发送的数据系列左移4位，新的序列为1100110000；（4）按模2算法，将生成的新序列除以生成多项式序列；（5）将余数多项式比特序列加到新的序列中即得发送端传送序列。下面。

10000111001

1100110000

11001

100001001

11001

1100111001智能仪器的容错技术智能仪器的容错技术NK码距dG(x)多项式G(x)743x3+x+11011743x3+x2+11101734x4+x3+x2+111101734x4+x2+x+11011115113x4+x+1100111575x8+x7+x6+x4+111101000131263x5+x2+110010131215x10+x9+x8+x6+x5+x3+11110110100163573x6+x+1100001163515x12+x10+x5+x4+x2+1101000011010110411024

x16+x15+x2+111000000000000101常用的生成多项式循环冗余校验标准CRC-16的生成多项式为G(x)=x16+x15+x2+1,它产生的校验码是[填空1]位作答填空题1分作答设编码的信息码元为1101011011

[填空1]m(x)=x9+x8+x6+x4+x3+x+1,k=10假设G(x)=x4+x+1求所需的循环编码C(x)

填空题1分循环冗余校验，接收端发现错误后采取的措施是（）自动纠错报告上层协议重新生成数据自动请求重发ABCD提交单选题1分智能仪器的容错技术多项式除法1101011011,0000100111001110011100111011010011101001001111101100001010商数被除数m(x)余数r(x)除数P(x)1101011011.0000

10011智能仪器的容错技术纠错码：在每一个发送的数据块中包含足够的冗余信息，以便接收方可以推断出被发送的数据中肯定有哪些内容。检错码：包含一些冗余信息，但是这些信息只能让接收方推断出发生了错误，但推断不出发生了哪个错误，然后接收方可以请求重传。智能仪器的容错技术方法三：海明码主要用于存储器数据的校验与纠正。采用奇偶校验的原理，错误检测和校正能力随着信息字中加入奇偶校验位的数目线性增加。适用于最有可能发生随机错误的系统。

每一位的出错概率相同

每一位与其它位是否出错没有任何关联智能仪器的容错技术方法三：海明码检错与纠错方法信息码校验码编码字：n位m位r位r位校验码可以区分出：1位合法的编码字+n个非法的编码字

假设数据位长度m=3

则：r≥3智能仪器的容错技术方法三：海明码【海明码例题】：利用海明码，采用偶校验，对8位ASCII字符“M”进行编码（最高位为0）人为地引入一个1位错误，说明如何找出这个错误。【分析】字符“M”的ASCII码为01001101，即信息码m=8①

确定

校验码r

位数根据

选择r=4,编码字共有m+r=12位。②

确定

校验码r

位置校验码在2n

位置，n=0,1,2...，r11100100智能仪器的容错技术方法三：海明码【海明码例题】：利用海明码，采用偶校验，对8位ASCII字符“M”进行编码（最高位为0）人为地引入一个1位错误，说明如何找出这个错误。③

确定奇偶校验位的值：111001001=12=23=1+24=45=1+46=2+47=1+2+48=89=1+810=2+811=1+2+812=4+8以“1”位为例：与之有关的位分别为1、3、5、7、9、11，根据偶检验“1”位

为1.M的编码字为：010011100101智能仪器的容错技术方法三：海明码【海明码例题】：利用海明码，采用偶校验，对8位ASCII字符“M”进行编码（最高位为0）人为地引入一个1位错误，说明如何找出这个错误。④

在第6位引入一个错误：110001001=12=23=1+24=45=1+46=2+47=1+2+48=89=1+810=2+811=1+2+812=4+8校验位逐位检查。1、2、4、8位的奇偶性是否为偶校验。M的编码字为：0100111001