智能儀器設計基礎

前言

儀器儀表是信息獲取的重要工具，它能獲得準確的測量數(shù)據(jù)，用數(shù)值描述客觀事物，使人們從數(shù)量關系上認識客觀世界。在自動化、信息化社會中，儀器儀表的作用越來越重要。智能化是儀器儀表的發(fā)展方向。智能儀器是一種新型儀器，它是測量技術、傳感器、計算機、微電子、信息處理、人工智能等多種技術相結合的產物。智能儀器功能強，性能指標高，具有自校準、自診斷等功能，目前廣泛應用在工業(yè)、國防軍事、科學研究等部門。智能儀器是測控技術與儀器專業(yè)的主要專業(yè)課之一，通過這門課程的學習，可以使學生學會利用微處理器和電子線路設計測量儀器和測量系統(tǒng)的方法。本書在講解智能儀器工作原理的基礎上，介紹智能儀器的設計方法，講述如何根據(jù)功能指標的要求進行智能儀器總體設計、電路設計及器件的選擇；講述智能儀器的軟件設計方法；介紹抗干擾措施及減少測量誤差的設計方法。本書介紹一些智能儀器的新技術和常用的新型電子器件，突出實用性，使學生通過課程學習能夠掌握智能儀器及系統(tǒng)的設計方法。微處理器是智能儀器的核心。隨著計算機和電子技術的飛速發(fā)展，各種高檔單片機、數(shù)字信號處理器（DSP）和嵌入式系統(tǒng)（如ARM等）都在智能儀器中得到應用，使智能儀器的功能和指標得到很大提高。考慮到本科教學計劃和課程設置，本教材主要介紹以單片機為主的智能儀器設計。書中對CSP和ARM進行簡單介紹。學生只要掌握智能儀器的設計方法，在熟悉CSP和ARM的基礎上，完全可以設計基于[）St’和ARM的智能儀器。全書共分9章，第1章緒論，簡要介紹智能儀器的結構和特點，智能儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展；第2章介紹智能儀器中常用的微處理器，包括各種單片機、DSP和.ARM等；第3章數(shù)據(jù)采集技術，介紹測量放大器、模擬多路開關、采樣保持器、常用的A／D轉換器及其接口電路；第4章模擬量與控制信號輸出系統(tǒng)，介紹D／A轉換器及其接口電路、光耦合器和繼電器輸出與接口電路；第5章智能儀器外設及控制技術，介紹鍵盤處理技術、LED、LCD顯示處理技術、點陣式微型打印機和觸摸屏處理技術；第6章智能儀器中的通信接口技術，介紹串行和并行通信接口，包括RS——232C、RS一485標準串行接口、GP-IB（IEEE一488）總線、USB通用串行總線，并簡要介紹了以太網(wǎng)接口技術、現(xiàn)場總線CAN和藍牙接口技術；第7章智能儀器的自檢與抗干擾技術，介紹硬件故障的自檢，在分析干擾源的基礎上簡要介紹智能儀器常用的硬件抗干擾技術和軟件抗干擾技術；第8章數(shù)據(jù)處理及程序設計，介紹查表、鏈表的插入、刪除、查找、排序等非數(shù)值處理方法和系統(tǒng)誤差及隨機誤差的處理方法，介紹量程自動轉換電路的設計，介紹智能儀器系統(tǒng)軟件設計，包括監(jiān)控主程序、鍵盤管理、中斷管理及處理和子程序模塊；第9章介紹智能儀器的設計方法，并通過智能工頻電參數(shù)測量儀、智能溫度數(shù)顯表及智能混合氣體識別儀實例，講述智能儀器的設計過程。本書是作者和哈爾濱工業(yè)大學電測教研室多年來從事智能儀器教學和科研工作的總結。1990年趙新民教授主編了《智能儀器原理及設計》，是國內較早出版的關于智能儀器的教材。1999年對原書進行修改，出版了《智能儀器設計基礎》（原機械工業(yè)部“九五”重點教材）。

內容概要

本書是教育部高等學校儀器儀表學科教學指導委員會選定的“十一五”國家級規(guī)劃教材。本書在講述智能儀器工作原理的基礎上，介紹智能儀器的設計方法。主要內容有智能儀器的輸入輸出通道、外設及其控制技術、通信接口等。以提高學生設計能力為目標，介紹智能儀器總體設計、電路設計及實現(xiàn)、軟件設計、抗干擾措施及減少測量誤差的設計方法。本書介紹智能儀器的一些新技術，理論聯(lián)系實際，實用性強?！　”緯菧y控技術與儀器、自動化及相關專業(yè)本科生教材，也可供測控技術、自動化、電子、電力、機電一體化、計算機應用等領域的工程技術人員參考。

書籍目錄

前言 第1章　緒論 　1.1　概述 　　1.1.1　儀器儀表的重要性 　　1.1.2　從傳統(tǒng)儀器到智能儀器 　1.2　智能儀器的結構和特點 　　1.2.1　智能儀器的結構 　　1.2.2　智能儀器的主要特點 　1.3　智能儀器的發(fā)展 　　1.3.1　智能儀器的發(fā)展趨勢 　　1.3.2　促進智能儀器發(fā)展的新技術 　　1.3.3　基于知識的高級智能儀器 　思考題與習題 第2章　智能儀器中的微處理器 　2.1　智能儀器中微處理器的選擇 　2.2　MCS-51系列單片機 　　2.2.1　基本型單片機 　　2.2.2　精簡型單片機 　　2.2.3　精簡增強型單片機 　　2.2.4　高檔型單片機 　2.3　PIC系列單片機 　2.4　68系列單片機 　2.5　MSP-430系列單片機 　2.6　ARM單片機 　　2.6.1　AT91系列ARM單片機 　　2.6.2　LPC2100/LPC2200系列ARM單片機 　　2.6.3　EP系列ARM單片機 　　2.6.4　ARM單片機的選擇 　　2.6.5　ARM單片機的應用 　2.7　數(shù)字信號處理器 　　2.7.1　DSP的特點 　　2.7.2　TI公司的TMS320系列DSP 　　2.7.3　TMS320C2000系列DSP簡介 　　2.7.4　DSP在智能儀器中的應用 　思考題與習題 第3章　數(shù)據(jù)采集技術  　3.1　概述 　3.2　測量放大器 　　3.2.1　基本要求 　　3.2.2　通用測量放大器 　　3.2.3　可編程測量放大器 　　3.2.4　隔離放大器 　　3.2.5　放大器的設置 　3.3　模擬多路轉換器MUX 　　3.3.1　模擬多路轉換器的功能 　　3.3.2　模擬多路轉換器的配置 　　3.3.3　常用的半導體多路轉換器芯片 　　3.3.4　多路測量通道的串音問題 　3.4　采樣保持電路 　　3.4.1　采樣保持器設置原則 　　3.4.2　采樣保持器工作原理 　　3.4.3　常用采樣保持器芯片 　　3.4.4　保持電容器的選擇 　3.5　A/D轉換器（ADC）及其接口設計 　　3.5.1　ADC的主要技術指標 　　3.5.2　與單片機接口的考慮 　　3.5.3　ADC的選擇 　　3.5.4　抑制系統(tǒng)誤差的方法 　3.6　逐次逼近型A/D轉換器及其接口 　　3.6.1　逐次逼近型A/D轉換器的基本原理 　　3.6.2　TLC2543介紹及其與微機的接口 　3.7　雙積分A/D轉換器及其接口 　　3.7.1　雙積分A/D轉換器的原理 　　3.7.2　ICL7135硬件描述與輸出波形 　　3.7.3　ICL7135與MCS-51單片機I/O直接連接接口 　3.8　Σ-Δ型A/D轉換器及其接口 　　3.8.1　Σ-Δ型A/D轉換器的工作原理 　　3.8.2　Σ-Δ式AD7703介紹 　　3.8.3　AD7703與單片機的接口 　3.9　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 　　3.9.1　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特性 　　3.9.2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析 　　3.9.3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分配舉例 　思考題與習題 第4章　模擬量與控制信號輸出系統(tǒng) 第5章　智能儀器外設處理技術 第6章　智能儀器中的通信接口技術第7章　智能儀器的自檢與抗干擾技術第8章　數(shù)據(jù)處理及程序設計第9章　智能儀器設計及實例參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：1.1 概述儀器儀表是人類認識世界的重要工具，是信息采集、信息測量和處理的重要手段和設備。儀器儀表廣泛地應用在經(jīng)濟建設、科學研究和國防軍工等多個部門。科學技術是第一生產力，而儀器儀表是推動科技進步和國民經(jīng)濟迅速發(fā)展的關鍵技術之一。1.1.1 儀器儀表的重要性1. 儀器儀表是信息獲取的工具儀器儀表是信息獲取的源頭，是重要的測量工具。儀器儀表通過測量獲取數(shù)據(jù)，定量準確地描述被測對象的特性，并可以實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的存儲、顯示、處理和傳輸。儀器儀表是人類認識世界的重要工具，假如沒有儀器儀表，就不能定量地認識工業(yè)生產過程、環(huán)境和產品，就不可能進行檢驗、控制或處理。在信息“采集-傳輸-處理”的信息獲取中，儀器儀表是源頭，因此人們越來越認識到儀器儀表的重要性。正如錢學森院士所說的那樣，“新技術革命的關鍵是信息技術。信息技術是由測量技術、計算機技術、通信技術三部分組成，其中，測量技術則是關鍵和基礎?！?.儀器儀表在經(jīng)濟建設和國防軍工中發(fā)揮巨大作用現(xiàn)代化工業(yè)生產過程離不開儀器儀表，自動化程度越高，需要的儀器儀表和傳感器就越多。儀器儀表作為實現(xiàn)采集、測量、處理和控制的重要手段和設備，對現(xiàn)代化生產具有先導作用，對國民經(jīng)濟有著巨大的影響力和輻射能力?！吧衿摺钡某晒Πl(fā)射以及航天員出艙遨游太空的實現(xiàn)，是我國科技發(fā)展的新里程碑。從飛船的發(fā)射到返回整個過程，哪一個環(huán)節(jié)都離不開準確可靠的測量數(shù)據(jù)，離不開儀器儀表。各國在軍備競賽中大力發(fā)展精確打擊武器，各種武器系統(tǒng)的打擊精度首先取決于測量的準確度。儀器儀表和測量控制技術是新技術革命的先導和基礎，先進的科學儀器設備既是知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新的前提，也是創(chuàng)新研究的主要內容和創(chuàng)新成果的體現(xiàn)。在諾貝爾物理和化學獎中，大約有四分之一與科學儀器有關，如電子顯微鏡、CT斷層掃描儀、掃描隧道顯微鏡等。關于儀器儀表的重要作用，還可以舉出許多實例，總之，儀器儀表的發(fā)展水平是國家技術水平和綜合國力的重要體現(xiàn)，能不能創(chuàng)造高水平的新式科學儀器和設備，體現(xiàn)了一個民族、一個國家的創(chuàng)新能力。因此，各國都非常重視儀器儀表的發(fā)展。1.1.2 從傳統(tǒng)儀器到智能儀器智能儀器是一類新型的電子儀器，它由傳統(tǒng)電子儀器發(fā)展而來，但又同傳統(tǒng)的電子儀器有很大區(qū)別：特別是微處理器的應用，使電子儀器發(fā)生了重大的變革。

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