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1、第八章第八章 智能仪器设计方法智能仪器设计方法一、智能仪器设计的基本要求一、智能仪器设计的基本要求1 1、功能及技术指标应满足要求、功能及技术指标应满足要求主要技术指标：精度、测量范围、工作环境条主要技术指标：精度、测量范围、工作环境条 件、稳定性。件、稳定性。应具备的功能：输出、人机对话、通信、应具备的功能：输出、人机对话、通信、报警提示、仪器状态的自报警提示、仪器状态的自 动调整等功能。动调整等功能。2 2可靠性要求可靠性要求硬件硬件 仪器所用器件的质量和仪器结构工艺是影响可仪器所用器件的质量和仪器结构工艺是影响可靠性的重要因素，故应靠性的重要因素，故应合理选择元器件合理选择元器件和和采用
2、在极采用在极限情况下进行试验的方法限情况下进行试验的方法。合理选择元器件合理选择元器件是指在设计时对元器件的负载、是指在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数应留有一定的余速度、功耗、工作环境等技术参数应留有一定的余量，并对元器件进行老化和筛选。量，并对元器件进行老化和筛选。老化试验老化试验老化试验老化试验:完完完完工工工工的的的的电电电电子子子子产产产产品品品品，出出出出货货货货前前前前故故故故意意意意放放放放在在在在高高高高温温温温中中中中，置置置置放放放放一一一一段段段段时时时时问问问问(如如如如7 7 7 7天天天天)，并并并并不不不不断断断断进进进进行行行行仿仿仿仿真真
3、真真工工工工作作作作以以以以测测测测试试试试其其其其功功功功能能能能的的的的变变变变化化化化情情情情形形形形，是是是是一一一一种种种种加加加加速速速速老老老老化化化化试试试试验验验验(Aging(Aging(Aging(Aging Test)Test)Test)Test)，也也也也称称称称为为为为寿寿寿寿命命命命试试试试验验验验。是是是是具具具具可可可可靠靠靠靠度度度度耐耐耐耐用用用用型型型型电电电电子子子子产产产产品品品品出出出出货货货货前必须要进行的工作。前必须要进行的工作。前必须要进行的工作。前必须要进行的工作。极限情况下的试验极限情况下的试验是指在研制过程中，一台样是指在研制过程中，一
4、台样机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟雾等试验，以保证其对环境的适应性。雾等试验，以保证其对环境的适应性。软件软件 采用模块化设计方法，不仅易于编程和调采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。故障的重要手段。在在仪仪器器设设计计过过程程中中，应应考考虑虑操操作作方方便便，尽尽量量降降低低对对操操作作人人员员的的专专业业知知识识的的要要求求，以以便便产产品品的推广应用。的推广应
5、用。智智能能仪仪器器还还应应有有很很好好的的可可维维护护性性，为为此此，仪仪器器结结构构要要规规范范化化、模模块块化化，并并配配有有现现场场故故障障诊断程序。诊断程序。3 3便于操作和维护便于操作和维护4 4仪器工艺结构与造型设计要求仪器工艺结构与造型设计要求 首先要依据仪器工作环境条件，是否需首先要依据仪器工作环境条件，是否需要防水、防尘、防爆密封，是否需要抗冲击、要防水、防尘、防爆密封，是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构；抗振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构；仪器的造型设计亦极为重要。总体结构仪器的造型设计亦极为重要。总体结构的安排、部件间的连接关系、面板的美化等的安排、部件
6、间的连接关系、面板的美化等都必须认真考虑。都必须认真考虑。二、智能仪器的设计原则二、智能仪器的设计原则 1 1、从整体到局部、从整体到局部(自顶向下自顶向下)的设计的设计原则原则 提出仪器设计的总任务，提出仪器设计的总任务，并绘制硬件和软并绘制硬件和软件总框图件总框图(总体设计总体设计)。将任务分解成一批可独立表征的子任务将任务分解成一批可独立表征的子任务 这些低级子任务可采用某些通用模块，这些低级子任务可采用某些通用模块，并并可作为单独的实体进行设计和调试，从而能够可作为单独的实体进行设计和调试，从而能够以最低的难度和最高的可靠性组成高一级的模以最低的难度和最高的可靠性组成高一级的模块。块。
7、2.2.较高的性能价格比原则 智智能能仪仪器器的的造造价价，取取决决于于研研制制成成本本、生生产产成成本本、使用成本。使用成本。样样机机开开发发主主要要的的花花费费在在于于系系统统设设计计、调调试试和和软软件件开开发。发。样样机机投投入入生生产产时时，生生产产数数量量越越大大，每每台台产产品品的的平平均均研研制制费费就就越越低低，生生产产成成本本就就成成为为仪仪器器造造价价的的主主要要因因素素。显然，仪器硬件成本对产品的生产成本有很大影响。显然，仪器硬件成本对产品的生产成本有很大影响。使使用用成成本本，即即仪仪器器使使用用期期间间的的维维护护费费、备备件件费费、运运转费、管理费、培训费等。转费
8、、管理费、培训费等。设设计计时时不不应应盲盲目目追追求求复复杂杂、高高级级的的方方案案。在在满满足足性性能能指指标标的的前前提提下下，应应尽尽可可能能采采用用简简单单成成熟熟的的方方案案，意意味味着着元元器器件件少，开发、调试、生产方便，可靠性高少，开发、调试、生产方便，可靠性高。3 3组合化与开放式设计原则组合化与开放式设计原则 在在科科学学技技术术飞飞速速发发展展的的今今天天，设设计计智智能能仪仪器器系系统面临三个突出的问题：统面临三个突出的问题：(1)(1)产品更新换代太快；产品更新换代太快；(2)(2)市场竞争日趋激烈；市场竞争日趋激烈；(3)(3)如何满足用户不同层次和不断变化的要求
9、。如何满足用户不同层次和不断变化的要求。在在电电子子工工业业和和计计算算机机工工业业中中推推行行一一种种不不同同于于传传统统设设计计思思想想的的所所谓谓“开开放放系系统统”的设计思想。的设计思想。“开放系统开放系统”的设计思想的设计思想l在技术上兼顾今天和明天，既从当前实在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术机际可能出发，又留下容纳未来新技术机会的余地；会的余地；l 向系统的不同配套档次开放，在经营上向系统的不同配套档次开放，在经营上兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社会的公共参与，为发挥各方面厂商的积会的公共参与，为发挥各方面厂商的
10、积极性创造条件；极性创造条件；l 向用户不断变化的特殊要求开放，在服向用户不断变化的特殊要求开放，在服务上兼顾通用的基本设计和用户的专用务上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等等。要求等等。开放式系统设计的具体方法开放式系统设计的具体方法l基基于于国国际际上上流流行行的的工工业业标标准准微微机机总总线线结结构构，针针对对不不同同的的用用户户系系统统要要求求，选选用用相相应应的的有有关关功功能能模模块块组组合合成成最最终终用用户户的的应应用系统。用系统。三、智能仪器的研制步骤三、智能仪器的研制步骤 确定设计任务并拟定设计确定设计任务并拟定设计方案方案 硬件和软件研制硬件和软件研制 软硬件综合调试
11、软硬件综合调试软硬件综合调试软硬件综合调试整机性能测试和评估整机性能测试和评估整机性能测试和评估整机性能测试和评估 三三三三个个个个阶阶阶阶 段段段段 1 1、确定设计任务、拟定设计方案、确定设计任务、拟定设计方案项目调研了解现状和动向，项目调研了解现状和动向，项目调研了解现状和动向，项目调研了解现状和动向，明确任务、确定指标功能明确任务、确定指标功能明确任务、确定指标功能明确任务、确定指标功能 写出设计任务书写出设计任务书 拟定设计方案拟定设计方案 仪器设计任务书仪器设计任务书 主要内容主要内容 ：a.a.仪器名称、用途、特点仪器名称、用途、特点 b.b.主要技术指标主要技术指标 ;c.c.
12、仪器应具备的功能；仪器应具备的功能；d d仪器的成本预算；仪器的成本预算；e e完成期限等。完成期限等。如果是自主开发产品，应附有市场调研和可行性论证；如果是自主开发产品，应附有市场调研和可行性论证；如果是委托开发，则应与委托方讨论拟制的需求任务书是否满如果是委托开发，则应与委托方讨论拟制的需求任务书是否满足对方需求。足对方需求。拟定设计方案拟定设计方案 主要内容：主要内容：1.1.技术路线或设计途径；技术路线或设计途径；2.2.系统体系结构或系统的构成系统体系结构或系统的构成；3.3.核心器件选型和加工技术核心器件选型和加工技术4.4.软件平台和开发语言软件平台和开发语言5.5.测试条件和测
13、试方法测试条件和测试方法6.6.验收标准等验收标准等2 2硬件、软件研制阶段硬件、软件研制阶段 硬件研制：硬件研制：采用功能强的芯片以简化电路（选型设计）采用功能强的芯片以简化电路（选型设计）修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路硬件抗于扰措施硬件抗于扰措施线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排等问题，线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排等问题，必须考虑到安装、调试和维修的方便。必须考虑到安装、调试和维修的方便。如单片机选型：如单片机选型：1.1.可靠性和抗干扰能力强：可靠性
14、和抗干扰能力强：MotorolaMotorola的的MC68XX/MC68XXXMC68XX/MC68XXX系列系列2.2.功耗或工作电源有要求：功耗或工作电源有要求：microchipmicrochip的的PICPIC系系列列3.3.技术支持较好的：技术支持较好的：MCS-51MCS-51、PCI PCI 系列和系列和MSP430MSP4304.4.基于性价比选择：基于性价比选择：ADIADI公司的公司的ADuc8xxADuc8xx等等CYGNALCYGNAL公司的公司的C8051C8051系列、系列、TITI公司的公司的MSC121XMSC121X系列系列 外扩存储器选型设计：外扩存储器选
15、型设计：一般不考虑外扩，采用集成了存储器的单一般不考虑外扩，采用集成了存储器的单片机；如果一定要选用，坚持宁大勿小的片机；如果一定要选用，坚持宁大勿小的原则，一般程序存储器选择原则，一般程序存储器选择28C256/29C256/29C51228C256/29C256/29C512等等FLASHROMFLASHROM数据数据SRAMSRAM一般选一般选6225662256，数据，数据E E2 2PROMPROM选选24C01/02/04/./25624C01/02/04/./256系列系列外扩外扩ADCADC选型设计：选型设计：一般选用带一般选用带SPI/I2CSPI/I2C总线的总线的ADCA
16、DC芯片，芯片，如如TITI公司的公司的TLC2543TLC2543，TLV2543/4/8TLV2543/4/8，ADIADI公司的公司的AD770X/771XAD770X/771X系列，系列，MAXIMMAXIM公司的公司的MAX1245/6/7,MAX1270/1MAX1245/6/7,MAX1270/1等。等。输入、输出线的扩展输入、输出线的扩展使用使用74LS244/24574LS244/245扩展输入接口，扩展输入接口，74LS377/37374LS377/373扩展输出接口；还可以扩展输出接口；还可以用用81558155、82558255等；较流行的是等；较流行的是CPLDCPL
17、D器件实现。器件实现。最小系统设计：最小系统设计：最小系统设计：最小系统设计：1 1 1 1）基于）基于）基于）基于8031803180318031的最小系统的最小系统的最小系统的最小系统基于基于基于基于89C5189C5189C5189C51的最小系统的最小系统的最小系统的最小系统基于基于ADuC812ADuC812的最小系统的最小系统 内部集成了内部集成了内部集成了内部集成了RAMRAMRAMRAM、ROMROMROMROM、片上片上片上片上SRAMSRAMSRAMSRAM、ADCADCADCADC、DACDACDACDAC等，等，等，等，再通过扩展基本的人机接口，可以作为数据采集系再通过
18、扩展基本的人机接口，可以作为数据采集系再通过扩展基本的人机接口，可以作为数据采集系再通过扩展基本的人机接口，可以作为数据采集系统、多路数据巡检仪、温度控制器、工业顺序控制统、多路数据巡检仪、温度控制器、工业顺序控制统、多路数据巡检仪、温度控制器、工业顺序控制统、多路数据巡检仪、温度控制器、工业顺序控制器、电脑时钟、家电控制器等器、电脑时钟、家电控制器等器、电脑时钟、家电控制器等器、电脑时钟、家电控制器等典型单元电路典型单元电路典型单元电路典型单元电路1)1)1)1)译码电路译码电路译码电路译码电路 译码器主要有译码器主要有译码器主要有译码器主要有74LS13874LS13874LS13874L
19、S138、74LS13974LS13974LS13974LS139、74LS15474LS15474LS15474LS154、CD4028CD4028CD4028CD4028等，译码器输出一般用作等，译码器输出一般用作等，译码器输出一般用作等，译码器输出一般用作IOIOIOIO接口芯片的片选信号接口芯片的片选信号接口芯片的片选信号接口芯片的片选信号图中图中Y0-Y7对应的地址空间是：对应的地址空间是：lY0：B800B8FFH；Y1：B900B9FFH；lY2：BA00BAFFH；Y3：BB00BBFFH；lY4：BC00BCFFH；Y5：BD00BDFFH；lY6：BE00BEFFH；Y7：
20、BF00BFFFH；通过74LS164每次输出一个字形码，同时控制74LS138的译码器输入端A，B，C的电平状态，即从P10，P11，P12送出相应的电平，译码后使得要显示的对应位数码管共阴极端依次为低电平，即依次选中要显示的位。典型单元电路典型单元电路典型单元电路典型单元电路2)2)2)2)简单输入接口扩展电路简单输入接口扩展电路简单输入接口扩展电路简单输入接口扩展电路 常采用常采用常采用常采用74LS24474LS24474LS24474LS244、74LS24574LS24574LS24574LS245、74LS64574LS64574LS64574LS645等进行扩展等进行扩展等进行
21、扩展等进行扩展 3 3 3 3）简单输出接口扩展电路）简单输出接口扩展电路）简单输出接口扩展电路）简单输出接口扩展电路 常采用常采用常采用常采用74LS27374LS27374LS27374LS273、74LS37374LS37374LS37374LS373、74LS57374LS57374LS57374LS573等进行扩展等进行扩展等进行扩展等进行扩展 4 4 4 4）模拟输入滤波电路）模拟输入滤波电路）模拟输入滤波电路）模拟输入滤波电路a)a)a)a)单级单级单级单级RCRCRCRC滤波电路，适于单端输入方式，滤波电路，适于单端输入方式，滤波电路，适于单端输入方式，滤波电路，适于单端输入方
22、式，R2R2R2R2适适适适于电流于电流于电流于电流/电压转换电压转换电压转换电压转换b)b)b)b)两级两级两级两级RCRCRCRC滤波电路，适于差动输入方式滤波电路，适于差动输入方式滤波电路，适于差动输入方式滤波电路，适于差动输入方式5 5 5 5）开关量输入抖动消除电路）开关量输入抖动消除电路）开关量输入抖动消除电路）开关量输入抖动消除电路 利用阻容器件和施密特门电路实现，消除抖动时间利用阻容器件和施密特门电路实现，消除抖动时间利用阻容器件和施密特门电路实现，消除抖动时间利用阻容器件和施密特门电路实现，消除抖动时间由阻容参数决定，对于一般的按键或触点信号，取由阻容参数决定，对于一般的按键
23、或触点信号，取由阻容参数决定，对于一般的按键或触点信号，取由阻容参数决定，对于一般的按键或触点信号，取100K100K100K100K欧和欧和欧和欧和0.1uF0.1uF0.1uF0.1uF即可即可即可即可6 6 6 6）继电器接口电路）继电器接口电路）继电器接口电路）继电器接口电路7）SSR接口电路接口电路8 8 8 8）可控硅移相触发接口电路）可控硅移相触发接口电路）可控硅移相触发接口电路）可控硅移相触发接口电路 多用移相触发模块实现，模块以电网相位为同多用移相触发模块实现，模块以电网相位为同多用移相触发模块实现，模块以电网相位为同多用移相触发模块实现，模块以电网相位为同步信号，当改变控制
24、电压大小时，内部产生相对电步信号，当改变控制电压大小时，内部产生相对电步信号，当改变控制电压大小时，内部产生相对电步信号，当改变控制电压大小时，内部产生相对电网网网网180-0180-0180-0180-0度的触发脉冲，通过光电隔离，其输出触度的触发脉冲，通过光电隔离，其输出触度的触发脉冲，通过光电隔离，其输出触度的触发脉冲，通过光电隔离，其输出触发可控硅导通。发可控硅导通。发可控硅导通。发可控硅导通。9 9 9 9）RS232RS232RS232RS232接口驱动电路接口驱动电路接口驱动电路接口驱动电路 常用芯片有常用芯片有常用芯片有常用芯片有ADM02ADM02ADM02ADM02、MAX
25、232MAX232MAX232MAX232等等等等10101010）RS485RS485RS485RS485接口驱动电路接口驱动电路接口驱动电路接口驱动电路 半双工通信，可以在一条串行总线上构成多点通半双工通信，可以在一条串行总线上构成多点通半双工通信，可以在一条串行总线上构成多点通半双工通信，可以在一条串行总线上构成多点通信网络，常用芯片有信网络，常用芯片有信网络，常用芯片有信网络，常用芯片有MAX485MAX485MAX485MAX485、ADM485ADM485ADM485ADM485。当当当当P20P20P20P20为为为为“1“1“1“1“，发送数据；当，发送数据；当，发送数据；当，
26、发送数据；当P20P20P20P20为为为为“0“0“0“0“，接，接，接，接收数据。收数据。收数据。收数据。软件设计研制：软件设计研制：软件设计作一个总体规划软件设计作一个总体规划程序功能块划分程序功能块划分确定算法确定算法 分配系统资源和设计流程图分配系统资源和设计流程图 编写程序编写程序 程序调试和纠错以及各部分程序连接及系程序调试和纠错以及各部分程序连接及系统总调统总调 程序功能块划分：程序功能块划分：1.1.1.1.硬件接口程序：硬件接口程序：硬件接口程序：硬件接口程序：所有与硬件有关的子程序；所有与硬件有关的子程序；所有与硬件有关的子程序；所有与硬件有关的子程序；2.2.2.2.数
27、据采集程序：数据采集程序：数据采集程序：数据采集程序：直接调用硬件接口子程序对模拟输入、直接调用硬件接口子程序对模拟输入、直接调用硬件接口子程序对模拟输入、直接调用硬件接口子程序对模拟输入、开关量输入、脉冲量、输入等信号进行采集，将结果存开关量输入、脉冲量、输入等信号进行采集，将结果存开关量输入、脉冲量、输入等信号进行采集，将结果存开关量输入、脉冲量、输入等信号进行采集，将结果存储在公共变量，供其他程序存取。储在公共变量，供其他程序存取。储在公共变量，供其他程序存取。储在公共变量，供其他程序存取。3.3.3.3.数字滤波程序：数字滤波程序：数字滤波程序：数字滤波程序：4.4.4.4.数据处理程
28、序：数据处理程序：数据处理程序：数据处理程序：标度变换、传感器信号的线性化处理、标度变换、传感器信号的线性化处理、标度变换、传感器信号的线性化处理、标度变换、传感器信号的线性化处理、测量信号的越线报警。测量信号的越线报警。测量信号的越线报警。测量信号的越线报警。5.5.5.5.实时控制程序：实时控制程序：实时控制程序：实时控制程序：实现实现实现实现PIDPIDPIDPID或其他控制算法、死区控制、或其他控制算法、死区控制、或其他控制算法、死区控制、或其他控制算法、死区控制、输出限幅、控制方式的自动切换。输出限幅、控制方式的自动切换。输出限幅、控制方式的自动切换。输出限幅、控制方式的自动切换。6
29、.6.6.6.数据输出程序：数据输出程序：数据输出程序：数据输出程序：将算法输出结果送给输出通道，将调将算法输出结果送给输出通道，将调将算法输出结果送给输出通道，将调将算法输出结果送给输出通道，将调用相应硬件接口程序。用相应硬件接口程序。用相应硬件接口程序。用相应硬件接口程序。7.7.键值处理程序键值处理程序8.8.数据通信程序数据通信程序3仪器调试及整机性能测试仪器调试及整机性能测试系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错误，系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错误，并解决硬件和软件之间的协调问题。并解决硬件和软件之间的协调问题。硬件调试硬件调试动态调试动态调试动态调试动态调试静态调试静态调试静态
30、调试静态调试测试软件测试软件测试软件测试软件查查查查板、电源、板、电源、板、电源、板、电源、芯片芯片芯片芯片软件调试软件调试模块程序调试模块程序调试模块程序调试模块程序调试初级子程序调试初级子程序调试初级子程序调试初级子程序调试测试软件测试软件测试软件测试软件不需要调用其不需要调用其不需要调用其不需要调用其它子程序它子程序它子程序它子程序监控程序调试监控程序调试监控程序调试监控程序调试1）功能子函数的调试）功能子函数的调试 通过通过KEIL C51KEIL C51等模拟调试器，设置相应的入口等模拟调试器，设置相应的入口参数，观测输出参数来进行调试。参数，观测输出参数来进行调试。已有的子函数或直
31、接引用的子程序不需调试，已有的子函数或直接引用的子程序不需调试，但需要测试。但需要测试。2 2）中断服务程序）中断服务程序 类似子函数的调试，不同的是要检查中断的产类似子函数的调试，不同的是要检查中断的产生，将断点设在中断入口，全速运行程序观察是否生，将断点设在中断入口，全速运行程序观察是否产生中断。产生中断。按键和显示一般由定时器中断服务子程序完成，按键和显示一般由定时器中断服务子程序完成，如果先调试好按键和显示，可以辅助其他程序的调如果先调试好按键和显示，可以辅助其他程序的调试，特别是接口的调试，借此可以显示其他程序或试，特别是接口的调试，借此可以显示其他程序或接口存在的问题接口存在的问题
32、3）主程序的调试）主程序的调试 主程序一般完成单片机的初始化以及循环主程序一般完成单片机的初始化以及循环执行的任务。循环执行的部分任务一般无实时执行的任务。循环执行的部分任务一般无实时性要求，如键盘键值分析、显示缓存区刷新等，性要求，如键盘键值分析、显示缓存区刷新等，一般通过调用子程序来实现。一般通过调用子程序来实现。l性能测试性能测试 整机性能测试，需按照设计任务书规定整机性能测试，需按照设计任务书规定的设计要求拟定一个测试方案，对各项功能的设计要求拟定一个测试方案，对各项功能和指标进行逐项测试。如果某项指标不符合和指标进行逐项测试。如果某项指标不符合要求，还得查明原因，作相应调整；直至完要
33、求，还得查明原因，作相应调整；直至完全达到设计要求为止。全达到设计要求为止。基于单片机与基于单片机与PC机之间的通信调试要注机之间的通信调试要注意在主从多机系统中，每个从机都有惟一的意在主从多机系统中，每个从机都有惟一的地址和站号，调试通信前，应设置每个系统地址和站号，调试通信前，应设置每个系统的地址和通信格式，确保地址惟一，各站的的地址和通信格式，确保地址惟一，各站的波特率、字符帧格式、数据帧格式和校验格波特率、字符帧格式、数据帧格式和校验格式应完全相同式应完全相同小结：小结：1.1.了解智能仪表设计的基本要求有哪些了解智能仪表设计的基本要求有哪些？2 2.“.“开放系统开放系统”的设计思想的设计思想3.3.智能仪器的研制步骤，硬件调试、软智能仪器的研制步骤，硬件调试、软件调试步骤。件调试步骤。4.4.常用程序模块的划分常用程序模块的划分5.5.典型单元电路设计典型单元电路设计