智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

前言

智能儀器是一種典型的微處理器應(yīng)用系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和大規(guī)模集成電路相結(jié)合的產(chǎn)物，無論是在測(cè)量速度、精確度、靈敏度、自動(dòng)化程度，還是在性價(jià)比等方面，都是傳統(tǒng)儀器不可比擬的。近幾年來，單片機(jī)的性能不斷提高，價(jià)格不斷下降，有力地推動(dòng)了智能儀器的發(fā)展。各個(gè)高校的電子和電氣專業(yè)都在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)，作為單片機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用的智能儀器設(shè)計(jì)技術(shù)也是學(xué)習(xí)和掌握單片機(jī)應(yīng)用的必修課程。目前，智能儀器設(shè)計(jì)技術(shù)教材大多以8051單片機(jī)為基礎(chǔ)，以匯編語言為主進(jìn)行智能儀器設(shè)計(jì)的介紹。而目前單片機(jī)的種類繁多，各有特色，作為已經(jīng)具備基本單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的廣大學(xué)生有必要接觸和了解更多的單片機(jī)。同時(shí)，軟件的設(shè)計(jì)更加強(qiáng)調(diào)開發(fā)效率，C語言的使用已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。所以在本書中雖然仍以介紹8051系列單片機(jī)為主，但并不局限于8051系列單片機(jī)，同時(shí)，程序的設(shè)計(jì)，除必須使用匯編語言以外，其他均以C語言為例來做介紹。本書分為10章。第1章簡(jiǎn)單介紹智能儀器的特點(diǎn)和研制方法。第2章主要介紹常用微處理器的種類和相應(yīng)的開發(fā)工具。第3章簡(jiǎn)單介紹智能儀器的并行擴(kuò)展和串行擴(kuò)展方法，重點(diǎn)介紹SPI總線、IC總線和單總線的使用。第4章介紹智能儀器輸入／輸出通道的組成，詳細(xì)介紹模擬量輸入／輸出通道和數(shù)字量輸入／輸出通道的結(jié)構(gòu)。第5章介紹智能儀器的人機(jī)接口，重點(diǎn)介紹鍵盤、LED、字符液晶顯示模塊和圖形液晶顯示模塊的使用，也簡(jiǎn)單介紹了打印機(jī)的接口。第6章介紹智能儀器中常用的一些通信接口和協(xié)議，主要介紹GP-IB總線、RS一232、RS一485、USB通用串行總線、藍(lán)牙技術(shù)、電力線載波通信技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)，簡(jiǎn)單介紹MODBUS通信協(xié)議。第7章介紹智能儀器軟件設(shè)計(jì)的過程和軟件設(shè)計(jì)的思想，重點(diǎn)介紹程序的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鍵盤處理程序的設(shè)計(jì)。第8章介紹智能儀器中常用的誤差修正方法和自檢、自整定等功能。第9章介紹智能儀器硬件抗干擾和軟件抗干擾的方法，介紹常用的抗干擾元件的使用和抗干擾程序的設(shè)計(jì)方法。第10章介紹6個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例（都是在實(shí)際開發(fā)項(xiàng)目中提取出來的），對(duì)于在設(shè)計(jì)中涉及的關(guān)鍵問題作一定介紹，從而幫助讀者掌握智能儀器設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題及其解決方法。本書通過大量的實(shí)際應(yīng)用介紹智能儀器設(shè)計(jì)所涉及的各個(gè)方面的內(nèi)容，可作為高職高專和本科院校自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、電子等專業(yè)的教材，也可作為有一定單片機(jī)基礎(chǔ)、希望掌握智能儀器設(shè)計(jì)的技術(shù)人員的參考書。

內(nèi)容概要

本書詳細(xì)講解了智能儀器的設(shè)計(jì)方法，對(duì)智能儀器的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和各種常用外圍功能部件的使用，以及各種常用的算法都作了介紹。本書以c語言為主講解程序，更加符合實(shí)際應(yīng)用的需要。同時(shí)，書中提供了幾個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，都是編者在實(shí)際工作中的總結(jié)，具有一定的參考價(jià)值?！　”緯饕嫦驈V大電子設(shè)計(jì)工作者和大中專院校師生，適合本科及高職高專院校作為教材使用，也適合具有一定單片機(jī)基礎(chǔ)的廣大電子愛好者學(xué)習(xí)和參考。

書籍目錄

第1章 概述 　1.1 電子儀器的發(fā)展 　1.2 智能儀器的特點(diǎn)和組成 　1.2.1 智能儀器的定義 　1.2.2 智能儀器的特點(diǎn) 　1.2.3 智能儀器的組成 　1.3 智能儀器的研制過程 　習(xí)題 第2章 微處理器的選擇 　2.1 單片機(jī)的選擇 　2.2 8位單片機(jī) 　2.2.1 51系列單片機(jī) 　2.2.2 microchip公司的8位單片機(jī) 　2.2.3 avr系列單片機(jī) 　2.2.4 飛思卡爾系列單片機(jī) 　2.2.5 其他類型8位單片機(jī) 　2.3 16位單片機(jī) 　2.3.1 msp430系列單片機(jī) 　2.3.2 其他類型16位單片機(jī) 　2.4 32位單片機(jī) 　2.4.1 arm系列單片機(jī) 　2.4.2 其他系列32位單片機(jī) 　2.5 dsp數(shù)字處理器 　2.5.1 dsp處理器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 　2.5.2 dsp處理器的選擇 　2.6 常用微處理器程序下載方法 　2.7 常用微處理器開發(fā)軟件 　習(xí)題 第3章 總線擴(kuò)展技術(shù) 　3.1 并行擴(kuò)展 　3.1.1 并行總線擴(kuò)展方式 　3.1.2 并行i／o擴(kuò)展方式 　3.2 串行總線擴(kuò)展 　3.2.1 spi總線介紹及應(yīng)用 　3.2.2 pc總線介紹及應(yīng)用 　3.2.3 單總線介紹及應(yīng)用 　習(xí)題 第4章 智能儀器輸入／輸出通道 　4.1 模擬量信號(hào)輸入通道 　4.1.1 模擬量輸入通道的一般組成 　4.1.2 前置放大器 　4.1.3 采樣／保持器 　4.1.4 多路開關(guān) 　4.1.5 a／d轉(zhuǎn)換芯片 　4.1.6 v／f變換芯片ad650 　4.2 模擬量信號(hào)輸出通道 　4.2.1 模擬量輸出通道的組成及結(jié)構(gòu)形式 　4.2.2 d／a轉(zhuǎn)換芯片及其與微處理器的接口 　4.2.3 pwm型d／a轉(zhuǎn)換器 　4.3 開關(guān)量信號(hào)輸入通道 　4.3.1 開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu) 　4.3.2 開關(guān)量輸入接口 　4.4 開關(guān)量信號(hào)輸出通道 　4.4.1 開關(guān)量輸出接口的隔離 　4.4.2 小功率驅(qū)動(dòng)接口電路 　4.4.3 中功率驅(qū)動(dòng)接口電路 　習(xí)題 第5章 智能儀器人機(jī)接口技術(shù) 　5.1 鍵盤接口 　5.1.1 非編碼式鍵盤接口 　5.1.2 編碼式鍵盤接口 　5.2 顯示接口 　5.2.1 led顯示器 　5.2.2 lcd顯示器 　習(xí)題 第6章 智能儀器通信接口 　6.1 通用接口總線gp—ib 　6.1.1 gp-ib標(biāo)準(zhǔn)接口概述 　6.1.2 gp-ib接口芯片 　6.2 串行通信標(biāo)準(zhǔn)rs-232與rs-485 　6.2.1 rs-232標(biāo)準(zhǔn)及接口芯片 　6.2.2 rs-485標(biāo)準(zhǔn)及接口芯片 　6.2.3 串行通信程序設(shè)計(jì) 　6.3 modbus協(xié)議 　6.4 通用串行總線usb 　6.4.1 usb的物理接口和電氣特性 　6.4.2 usb系統(tǒng)的組成 　6.4.3 usb通信流 　6.4.4 usb的傳輸方式 　6.4.5 usb交換的包格式 　6.4.6 usb典型器件 　6.5 工業(yè)以太網(wǎng) 　6.6 藍(lán)牙技術(shù) 　6.6.1 藍(lán)牙技術(shù)的特色與工作原理 　6.6.2 藍(lán)牙芯片組及其實(shí)用連接技術(shù) 　6.6.3 藍(lán)牙模塊的使用 　6.7 電力載波通信 　6.7.1 原理與方法 　6.7.2 常用芯片 　6.7.3 基于pl3105芯片的電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　習(xí)題 第7章 智能儀器的軟件設(shè)計(jì) 　7.1 軟件設(shè)計(jì)過程 　7.1.1 系統(tǒng)定義 　7.1.2 繪制流程圖 　7.1.3 編寫程序 　7.1.4 軟件測(cè)試 　7.1.5 文件編制 　7.1.6 軟件維護(hù) 　7.2 軟件設(shè)計(jì)方法 　7.2.1 “自頂向下”設(shè)計(jì) 　7.2.2 模塊化設(shè)計(jì) 　7.2.3 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì) 　7.3 程序的結(jié)構(gòu) 　7.3.1 程序的基本結(jié)構(gòu) 　7.3.2 模塊化的程序結(jié)構(gòu) 　7.3.3 中斷與前／后臺(tái)的程序結(jié)構(gòu) 　7.3.4 時(shí)間片與分時(shí)調(diào)度機(jī)制 　7.3.5 多進(jìn)程并行運(yùn)行機(jī)制 　7.3.6 多工序程序結(jié)構(gòu) 　7.3.7 基于狀態(tài)機(jī)思路的程序調(diào)度機(jī)制 　7.4 鍵盤管理 　7.4.1 鍵值獲取方法 　7.4.2 一鍵一義的鍵盤管理 　7.4.3 一鍵多義的鍵盤管理 　7.5 中斷、時(shí)鐘管理 　7.5.1 中斷管理 　7.5.2 時(shí)鐘管理 　習(xí)題 第8章 智能儀器典型處理功能 　8.1 系統(tǒng)誤差修正 　8.1.1 系統(tǒng)誤差的模型修正法 　8.1.2 系統(tǒng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)校正法 　8.1.3 零位誤差和增益誤差的校正方法 　8.2 隨機(jī)誤差修正 　8.2.1 算術(shù)平均濾波 　8.2.2 去極值平均濾波 　8.2.3 中位值平均濾波 　8.2.4 滑動(dòng)平均濾波 　8.2.5 加權(quán)滑動(dòng)平均濾波 　8.2.6 一階慣性濾波 　8.2.7 程序判斷濾波 　8.2.8 復(fù)合濾波 　8.3 粗大誤差修正 　8.4 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換與標(biāo)度變換 　8.4.1 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換 　8.4.2 標(biāo)度變換 　8.5 測(cè)量結(jié)果的非數(shù)值處理 　8.5.1 查表 　8.5.2 排序 　8.6 超限報(bào)警 　8.7 自檢、自校正與自動(dòng)測(cè)量 　習(xí)題 第9章 抗干擾技術(shù) 　9.1 噪聲與干擾 　9.1.1 噪聲與干擾簡(jiǎn)介 　9.1.2 電磁干擾的形成因素 　9.1.3 電磁干擾的分類 　9.1.4 差模干擾和共模干擾 　9.1.5 電磁干擾的耦合途徑 　9.1.6 智能儀器電磁干擾控制的一般方法 　9.2 硬件抗干擾技術(shù) 　9.2.1 屏蔽技術(shù) 　9.2.2 接地技術(shù) 　9.2.3 濾波技術(shù) 　9.2.4 隔離技術(shù) 　9.2.5 看門狗技術(shù) 　9.3 電源抗干擾技術(shù) 　9.3.1 電源干擾的類型 　9.3.2 電源干擾的耦合途徑 　9.3.3 電源抗干擾的基本方法 　9.3.4 emi電源濾波器 　9.3.5 瞬變干擾吸收器件 　9.4 軟件抗干擾技術(shù) 　9.4.1 概述 　9.4.2 指令冗余技術(shù) 　9.4.3 軟件陷阱技術(shù) 　9.4.4 故障自動(dòng)恢復(fù)處理程序 　9.4.5 開關(guān)量輸入／輸出軟件抗干擾設(shè)計(jì) 　9.4.6 編寫軟件的其他注意事項(xiàng) 　習(xí)題 第10章 設(shè)計(jì)實(shí)例 　10.1 單片機(jī)電子時(shí)鐘設(shè)計(jì) 　10.1.1 功能描述 　10.1.2 硬件設(shè)計(jì) 　10.1.3 軟件設(shè)計(jì) 　10.2 智能電容／電感測(cè)試儀 　10.2.1 功能描述 　10.2.2 硬件設(shè)計(jì) 　10.2.3 軟件設(shè)計(jì) 　10.3 電動(dòng)支架遙控器 　10.3.1 功能描述 　10.3.2 硬件設(shè)計(jì) 　10.3.3 軟件設(shè)計(jì) 　10.4 電視電動(dòng)支架 　10.4.1 功能描述 　10.4.2 硬件設(shè)計(jì) 　10.4.3 軟件設(shè)計(jì) 　10.5 陰極保護(hù)電源 　10.5.1 功能描述 　10.5.2 硬件設(shè)計(jì) 　10.5.3 軟件設(shè)計(jì) 　10.6 美元面值識(shí)別儀 　10.6.1 功能描述 　10.6.2 硬件設(shè)計(jì) 　10.6.3 軟件設(shè)計(jì) 　習(xí)題 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：1.友好的人機(jī)對(duì)話接口智能儀器一般均采用鍵盤控制，同時(shí)具備CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管）、數(shù)碼管或液晶（LCD）顯示功能。使用人員只需通過鍵盤輸入命令，就能使儀器實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量和處理功能；與此同時(shí)，智能儀器還能通過顯示屏將儀器運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴使用人員，使人機(jī)之間的聯(lián)系更加密切。2.面板布置和功能部件獨(dú)立智能儀器通過使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的旋轉(zhuǎn)式或琴鍵式切換開關(guān)來實(shí)施對(duì)儀器的控制，從而使儀器面板的布置和儀器內(nèi)部有關(guān)部件的安裝不再相互限制和牽連。例如，傳統(tǒng)儀器中，與衰減器相連的旋轉(zhuǎn)式開關(guān)必須安裝在衰減器正前方的面板上，這樣可能會(huì)使面板的布置受儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，從而不能充分考慮用戶使用的方便，也可能會(huì)因衰減器的安裝位置必須服從面板布局的需要而給內(nèi)部電氣連接帶來許多的不便。智能儀器廣泛使用鍵盤，使面板的布置與儀器功能部件的安裝可以完全獨(dú)立地進(jìn)行，明顯改善了儀器前面板及有關(guān)功能部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣既有利于提高儀器技術(shù)指標(biāo)，又方便了儀器的操作。3.強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力微處理器的運(yùn)用極大地改善了儀器的運(yùn)算處理能力，從而可以為儀器植入較為復(fù)雜的算法。例如，智能儀器利用微處理器的運(yùn)算能力可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、壓力等對(duì)被測(cè)量影響的自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)非線性校正。又例如，傳統(tǒng)的數(shù)字多用表（DMM）只能測(cè)量電阻和交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字多用表不僅能進(jìn)行上述測(cè)量，而且還能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行零點(diǎn)平移，平均值、極值統(tǒng)計(jì)分析以及更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，將用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放了出來。

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