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1、传感器原理与应用-第12 章电子课件（高教版）第12章 智能仪器简介12.1 智能仪器的组成及特点12.2 智能仪器的标准总线接口12.3 思考题第12章 智能仪器简介12.1 智能仪器的组成及特点智能仪器主要由硬件和软件两大部分组成：硬件包括数据采集装置和接口；软件包括数据处理等。12.1.1 智能仪器的硬件结构智能仪器的硬件部分由数据采集装置和微型计算机（包括键盘、显示器、打印机及接口电路）两部分组成。智能仪器的结构框图如图12-1 所示。微处理器作为控制单元，控制数据采集单元进行采样，并对采样的数据进行计算和处理，如数字滤波、标度变换、非线性补偿等，然后对结果进行显示和打印。图12-1
2、智能仪器的结构框图第12章 智能仪器简介智能仪器在使用中，常常被视为一级自动检测系统，这种自动检测系统是开环的。自动检测系统框图如图12-2 所示，它是将传感器检测到的信息经变送器传输给智能仪器，经分析处理后，再由微型打印机将结果打印出来或由显示器显示出来。图12-2 自动检测系统框图第12章 智能仪器简介12.1.2 智能仪器的结构特点 智能仪器是当代高水平测量仪器的代表，是在常规测量仪器的基础上发展起来的新一代测量仪器，其结构具有如下特点。1 微处理器化 现在世界上流行的智能仪器中，几乎都带有微处理器及其相应的控制程序。微处理器在测量仪器中的使用，可以说是检测技术上的一个飞跃，是赋予仪器智
3、能特性的核心。从目前的发展趋势来看，微处理器在测量仪器中所发挥的作用将越来越突出。这种仪器内部的微处理器部分实际上是专用微型机，因此，把仪器的其他部分看成微机的相应的外部设备和其接口部分，也未尝不可。微处理器在这里不但要完成某些计算和显示，而且要控制内部操作。第12章 智能仪器简介2 采用总线结构和标准化接口 在智能仪器中，仪器设备需要与计算机连接。当仪器设备与计算机间的距离较远时，通常采用串行数据传送方式，因为它节省了传输连线，降低了成本。串行通信方式接口常用RS232C。仪器仪表与计算机连接总线框图如图12-3 所示。由于一般仪器与计算机的常用外设不同，它们种类繁多、功能各异、独立性强。一
4、个系统常需要许多不同类型的仪器设备，故应用一般的串行通信接口，如RS232C 等不能满足要求，因此，人们着手研究能够将一系列仪表设备和计算机连成一个整体的接口系统，即标准总线接口。标准总线接口为硬件和软件的设计提供了极大的方便，对硬件结构来说，由于总线标准的引入，使得仪器仪表和微型机的设计相对独立，只要能实现要求的功能即可，而不必追求结构上的一致，给软件的模块化设计带来了极大的方便。图12-3 仪器仪表与计算机连接总线框图第12章 智能仪器简介3 操作面板简单化 智能仪器的面板结构及控制操作与传统仪器已不大相同，淘汰了大多数旋转式波段开关、衰减器、调节器之类的元件，而广泛使用键盘、LED 或C
5、RT 显示器，它们由微处理器控制，不但能显示检测结果或处理结果，而且可以显示选用的程序、输入的数据，甚至图像、画面等。智能仪器的面板有些像微型机的键盘和显示器部分，由于应用了微处理器，不少硬件被软件代替，从而使仪器的体积和重量相应减小。通常智能仪器的结构都是小巧玲珑的。4 结构上向模块化的方向发展 随着大规模集成电路的发展，各种芯片的功能越来越强，因此只需少数集成芯片组合起来就可以完成大量的任务，这就使智能仪器有可能向着模块化的方向发展。第12章 智能仪器简介12.2 智能仪器的标准总线接口所谓总线标准是指国际正式公布或推荐的互联各个模块的标准，是人们把各种不同的模块组成系统时所要遵守的规范。
6、采用总线标准可以为各模块的互联提供一个标准的界面。这个界面对于界面两端的模块来说都是透明的，界面的任何一方，只需根据总线标准的要求来设计和实现接口的功能，而无须参照另一方的接口方式。因此，按总线标准设计的接口具有广泛的通用性。由于微电子技术和智能检测技术的发展，总线标准也在不断发展。1965 年，美国HP 公司开始考虑所有将来的HP 仪器的接口问题，后来设计了HP-IB 总线。1975 年，美国电气电子工程师协会（IEEE）在HP 基础上，正式颁布了IEEE-488 仪器通用接口总线标准，称为IEEE-488 总线。1980 年，国际电工委员会又通过了IEC-625-I 总线标准，叫做IEC
7、总线。这样，目前实际上有两种国际上通用的标准仪器的接口总线，IEEE-488总线和IEC 总线。两种总线电气性能是相同的，只要加一个插转接头，两种总线即可通用，它们总称为GP-IB，即通用仪器接口总线。第12章 智能仪器简介12.2.1 概述1 总线的概念及分类所谓总线就是一组信号线的集合，是一组传输规定信息的公共通路。按其用途及应用场合分为以下三类。（1）内部总线（又称元件级总线）：是指芯片（CPU，存储器，I/O 接口芯片）内部各小部件间、插件板内部各芯片间的连接总线。（2）系统总线：是指微型计算机系统内连接各插件板的总线，如S-100 总线、STD 总线、PC 总线等。（3）外部总线（又
8、称通信总线）：这种总线用于微机与微机或其他外部设备（例如仪器）间的通信。第12章 智能仪器简介2 GP-IB 总线标准因为计算机内部采用完全不同的总线标准，为使计算机能与GP-IB 总线连接，必须有一套实现总线之间转换的硬件和软件。硬件就是GP-IB 总线芯片。这种芯片安装在仪器内部及微型计算机内，有些厂家还配置了适合本机使用的GP-IB 接口板，并提供了专门的管理软件，为实现微型计算机对仪器设备的控制及通信提供了方便。图12-4 为采用GP-IB 总线标准的数据采集系统。接在总线上的每一个设备（微型计算机、数字仪器或IEC 仪器等），都有三种工作方式可供选择。图12-4 采用GB-IB 总线
9、标准的数据采集系统第12章 智能仪器简介（1）“讲者”方式：向数据总线上发送数据信息的仪器设备。一个系统可以有两个以上的讲者，但同一时刻只能有一个讲者工作。微型计算机、数字电压表、频谱分析仪、磁带机等仪器设备，若配有专用的接口芯片，便具有这种功能。（2）“听者”方式：从数据总线上接收数据信息，即能接收“讲者”所发出的信息的仪器。同一时刻可以有两个以上的听者工作。如微型计算机、打印机、绘图仪等设备，若配有相应的接口芯片，便具有这种功能。（3）“控者”方式：对总线进行控制的仪器设备。它可以指定“讲者”和“听者”，可以向总线设备发布命令，还可以控制数据交换等。系统中可以有多个控者，但同一时刻只能有一
10、个“主控者”工作。控者通常由微型计算机担任，机内配有专用接口芯片。接在总线上的每个设备，在某一时刻只能选择上述三种方式之一工作，但不同时刻可按不同的方式工作。每个设备在总线上的地位总是经常变化的，任一时刻的“讲者”和“听者”是由控者根据系统需要“任命”的。第12章 智能仪器简介12.2.2 IEEE-488 总线IEEE-488 总线是并行通信总线，它结构简单，使用灵活，通用性强，成本低廉，因而被广泛应用于微机与仪器仪表及其他外围设备的连接。1 总线特性（1）采用并行传输方式传输信号；（2）具有16 根信号线，采用标准24 针插头座（美国57 系列）；（3）信号电平与TTL 电平兼容；（4）信
11、号最高传输速率为1MB/s；（5）总线上最多可连接15 台设备；（6）最大传输距离为20m。第12章 智能仪器简介2 IEEE-488 系统的信号线及其功能表12-1 所列为GP-IB 总线中的信号线，按其功能可分为三大类，即双向数据总线（8 根）、联络总线（3 根）和接口管理总线（5 根）。第12章 智能仪器简介（1）数据总线（8 条）：数据总线由DIO1 DIO8 组成。GP-IB 总线中没有专门的地址总线与控制总线，所以数据总线除传递数据信息外，还要用来传送地址和控制信号，如设备的地址和“讲者”、“听者”的设定等。（2）联络总线（3 条）：又称挂钩母线，用以保证信息的可靠传送。因为在数据
12、传送过程中，“讲者”和“听者”之间需要联络，故联络总线实际上是它们之间的应答线。这3 条线的定义和功能如下。DAV 数据有效线：由“讲者”（或“控者”）发出，通知“听者”DAV 总线的数据是否有效。当“讲者”置DAV 线为低电平时，示意所有“听者”可以从数据总线上接收数据。NRFD 未准备好接收数据线：由“听者”发出，用来告诉“讲者”或“控者”，自己是否已准备好接收数据。当NRFD 线为高电平时，则表示所有“听者”都准备好接收数据，示意“讲者”可以发送信息，否则，就不能发送。NDAC 数据未接收完毕线：是“听者”向“讲者”报告数据接收完否。当NDAC 变为高电平时，表示所有“听者”（包括最慢“
13、听者”）都已接收完数据，示意“讲者”这时才能撤销数据总线的信息。第12章 智能仪器简介（3）接口管理总线（5 条）：用于控制接口的工作方式。IFC 接口消除线：“控者”将此线变为低电平，使所有设备恢复到初始状态。ATN 注意线：由“控者”使用，用以指明DIO 线上的信息的类型。当ATN=1，说明DIO 线上的信息是“控者”发出的指令或地址。当ATN=0时，表明DIO 线上的信息是“讲者”发出的数据或状态信号。REN 远程允许线：此线由“控者”使用。当REN=1 时，“听者”均处于远程控制状态，即由控者通过接口总线来控制设备。当REN=0 时，设备处于面板开关控制的“本地”状态。SRQ 服务请求
14、线：所有设备对这条线是“或”在一起的，任一设备都可以改变这条线的电平状态，即有某设备向“控者”发出服务请求。“控者”接到此请求后，中断正在执行的工作，对请求设备服务。EOI 结束或识别线：此线可被“讲者”用来批示多字节数据传送的结束，也可被“控者”用来响应服务请求。EOI 和ATN 线配合使用，若EOI=1，而ATN=0，表示“讲者”发送的数据结束；若EOI=1，而ATN=1，表示“控者”执行查询（识别）操作，“控者”可将数据总线上的数据与一个预先设定的表进行比较，即可判断是哪个设备的服务请求。第12章 智能仪器简介3 IEEE-488 总线接口芯片由于IEEE-488 总线的应用非常广泛，为了实现系统与该总线的连接，许多公司和厂家生产出了各种接口芯片，如Intel8291/8292，MC68488，TMS9914 等。它们性能不尽相同，有的只能作“讲者”和“听者”，有的能作“控者”。如应用8291（“讲者”/“听者”）和8293（总线收发器）可组成“讲者”/“听者”系统，再加上8292（控制器），可组成“讲者”/“听者”/“控者”系统。第12章 智能仪器简介12.3 思考题12.1 画图说明智能仪器的组成结构。12.2 智能仪器的特点是什么？12.3 总线上的连接设备总共有几种工作方式？12.4 智能仪器通用的总线标准有几种？12.5 IEEE-488 总线的特性是什么？