智能仪器作业

1、结合你对智能仪器概念的理解，讨论“智能化”的层次。

智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物,是含有微型计算机或微处理器的测量（或检测）仪器。

由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用（表现为智能的延伸或加强等），因而被称为智能仪器。

智能仪器的四个层次：聪敏仪器、初级智能仪器、模型化仪器和高级智能仪器。

聪敏仪器类是以电子、传感、测量技术为基础，其特点是通过巧妙的设计而获得某一有特色的功能。

初级智能仪器除了应用电子、传感、测量技术外，主要特点是应用了计算机及信号处理技术，这类仪器已具有了拟人的记忆、存储、运算、判断、简单决策等功能。

模型化仪器是在初级智能仪器的基础上应用了建模技术和方法，这类仪器可对被测对象状态或行为作出评估,可以建立对环境、干扰、仪器参数变化作出自适应反映的数学模型，并对测量误差（静态或动态误差)进行补偿。

高级智能仪器是智能仪器的最高级别，这类仪器多运用模糊判断、容错技术、传感融合、人工智能、专家系统等技术。

有较强的自适应、自学习、自组织、自决策、自推理能力。

2、仪器仪表的重要性体现在哪些方面？
(1）仪器及检测技术已经成为促进当代生产的主流环节，仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一；
（2）先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前提,也是创新研究的主题内容之一和创新成就得重要体现形式，科学仪器的创新是知识创新和及时创新的组成部分；
（3）仪器是信息的源头技术；
总之,科学仪器作为认识世界的工具，是国民经济的“倍增器”、科学研究的“先行官”、现代战争的“战斗力”、法庭审判的“物化法官"，其应用遍及“农轻重、陆海空、吃穿用"。

3、简述推动智能仪器发展的主要技术.
(1）传感器技术
（2）A/D等新器件的发展将显著增强仪器的功能与测量范围
（3）单片机与DSP的广泛应用
（4)嵌入式系统和片上系统（SOC)将使智能仪器的设计提升到一个新阶段
（5）ASIC、FPGA/CPLD即使在智能仪器中广泛使用
（6）Labview等图形化软件技术
（7）网络与通信技术
4、学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础，回顾其主要内容.
微机原理，嵌入式系统等
微机原理内容包括微型计算机体系结构、8086微处理器和指令系统、汇编语言设计以及微型计算机各个组成部分介绍等内容。

能够系统地掌握微型计算机的结构、8086微处理器和指令系统、汇编语言程序设计方法、微机系统的接口电路设计及编程方法等.
嵌入式系统是指用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。

它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板.事实上,所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。

5、智能仪器有哪几种结构形式?对其做简要描述。

从智能仪器的发展状况看来，其结构有两种基本类型，即微机内嵌式和微机扩展式.
微机内嵌式智能仪器是将单片或多片的微处理器与仪器有机的结合在一起形成的单机.微处理器在其中起控制和数据处理作用.其特点主要是：专用或多功能;采用小型化、便携或手持式结构；干电池供电；易于密封，适应恶劣环境,成本较低。

微机扩展式智能仪器是以个人计算机为核心的应用扩展型测量仪器。

PCI的优点是使用灵活、应用范围广，可以方便的利用PC已有的磁盘、打印机及绘图仪器等获取硬拷贝.PC数据处理功能强、内存容量大,因而PCI可以用于复杂的、高性能的信息处理。

6、智能仪器设计是采用FPGA/CPLD有哪些优点？
FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，他们除了ASIC的特点之外，还有以下优点:
（1）随着VLSI工艺的不断提高,FPGA/CPLD的规模也越来越大，所能实现的功能越来越强可以实现系统集成;
（2)FPGA/CPLD的资金投入小，研制开发费用低;
(3）FPGA/CPLD可反复的编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的EPROM就可实现不同的功能；
（4）FPGA/CPLD芯片电路的实际周期短；
（5）FPGA/CPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计.FPGA/CPLD适合于正向设计,对知识产权保护有利。

7、为什么说嵌入式系统与片上系统（SOC)将使智能仪器的设计提升到一个新阶段?
(1）嵌入式系统的深入发展将是智能仪器的设计提升到一个新的阶段,尤其是能运行操作系统的嵌入式系统平台，由于它具备多任务、网络支持、图形窗口、文件和目标管理等功能，并具有大量的应用程序接口（API），将会使研制复杂智能仪器变得容易;
（2）在片上系统设计中,设计者面对的不再是电路芯片而是根据所设计系统的固件特性和功能要求，选择相应得单片机CPU内核和成熟化的IP内核模块，消除了器件信息故障，加快了设计速度，片上系统将使系统设计发生革命性的变化。

8、数据采集系统主要实现哪些基本功能?
智能仪器的数据采集系统简称DAS，是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。

9、简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点.
（1）集中采集式：
a分时采集型 ,特点：多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，简化了电路结构，降低了成本。

(但对信号的采集式由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换、轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据，这样就产生了时间偏斜误差。

）
b同步采集型，特点:在多路转换开关之前给每路信号通路各加一个采样保持器，使多路信号的采样在同一时刻进行，即同步采样.（然后由各自的保持器保持着采样信号的幅值,等待多路转换开关分时切换进入公用的A/D电路将保持的采样幅值转换成数据输入主机。

这样可以消除分时采集型结构的时间偏斜误差，这种结构既能满足同步采集的要求，又比较简单。

不足之处：在被测信号路数较多的情况下,同步采得的信号在保持器中保持的时间会加长，而保持器会有一些泄露，是信号有所衰减。

)
（2）分散采集式：
每一路信号一般都有一个S/H和A/D，不再需要模拟多路转换器MNX.（每一个S/H 和A/D之对本路信号进行模数转换即数据采集，采集的数据按一定的顺序或随机地输入计算机,根据采集系统中计算机控制结构的差异可以分为分布式单机采集系统和网络式采集系统.)
10、采样周期与那些因素有关，如何选择采样周期？
转换时间:A/D 转换器从启动转换到转换结束输出稳定的数字量所需要的时间。

休止时间:从转换结束到下一次再启动转换所需要的时间.
数据采集时间与转换时间与休止时间之和有关，即采样周期与转换时间与休止时间之和有关。

采样周期的倒数为采样频率，采样频率应满足大于采样信号最高频率的2倍。

11、为什么要在数据采集系统中使用测量放大器?
由于电路内有这样或那样的噪声源存在，是的电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压,这就是电路的输出噪声。

把电路输出端测得的噪声有效值ON V 折算到改电路的输入端即除以该电路的增益K ，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声IN V ，即/IN ON V V K =.如果在高电路输入端的信号幅度IS V 小到比该电路的IN V 还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。

为了不使小信号被淹没,就必须在该电路前面加一级放大器.
12、在设计数据采集系统式，选择模拟多路开关要考虑的主要因素是什么？
(1）输入多选择;
（2）隔离作用,总线要求。

13、能否说一个带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制？为什么不能说带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制。

因为在A/D 转换器在进行转换时需要一定的时间，在这个转换时间内，被转换的模拟量应基本保持不变，否则转换精度没有保证，甚至根本失去该转换的意义。

所以转换时间c t 制约着转换信号的最高频率.max 11
2m c f t π+=（式1），进而影响数据采集系
统的采样频率max 2s f f ≥。

在A/D 之前加上采样/保持器后max 11
2m AP f t π+=
（式2），AP t 为孔径时间。

由于AP c t t ，所以由式2限定的信号频率远远高于式1限定的频率，采样/保持器扩展了被转换信号的范围，进而扩展了采样频率，但仍受AP t 的限制，不能无限增大。

14、在为一个数据采集系统选择微机时，主要考虑哪些因素?
（1） 系统的通过速率，即系统速率、传输速率、采样速率或吞吐速率；
(2）系统的分辨率，即数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量；
（3）系统的精度，当系统工作在额定速率下，系统采集的数值和实际值的差尽量要小。

15、如果一个数据采集系统，要求有1％级精度性能指标，在设计该数据采集系统时，怎样选择系统的各个元器件？
通常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大，其他各环节如采样/保持器和A/D 转换器等误差,可以按选择元器件精度的一般规则和具体情况而定，选择元器件精度的一般规则是：每一个元器件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的10倍左右。

所以此题中传感器和信号放大电路的总误差可分配成0.9％，A/D 转换器和S/H 器和多路模拟开关分配0.1%，且每个组件的误差应不大于0。

01%。

16、一个带有采样/保持器的数据采集系统，其采样频率100s f kHZ =,10FSR V =， 3AP t ns ∆=,8n =，试问系统的采样频率是否太高?
13max 19911 2.071022310
m AP f HZ t ππ+-===⨯∆⨯⨯ max s f f <，故系统的采样频率不高。

17、数据采集系统的组成。

18、信号调理电路的组成。

19、键盘有哪几种组成方式？各自有何特点？按键去抖有哪几种方法？键盘的组成方式及特点。

（1） 非编码键盘 包括独立连接式非编码键盘（结构简单，但当键数较多时，就要
占用多个接口）和矩阵式非编码键盘（可以减少键盘接口）。

非编码键盘处理软件复杂,硬件简单。

（2）编码键盘由硬件来识别键闭合、释放状态，由硬件消除键抖动影响以及实现一些保护措施的方法,可以节省CPU相当多的时间。

这种键盘处理软件简单，
但硬件较复杂。

按键去抖动的方法：
硬件方法和软件方法。

通常在键的个数较少时可采取硬件措施，即用R-S触发器或单稳态电路来消除按键抖动.键数较多时，常用软件反弹跳，及采用软件延时法。

20、键盘接口主要解决哪些问题？
（1）决定是否有键按下
（2）如果有键按下，决定是哪一个键被按下
（3）确定被按键的读书
（4）反弹跳—按键抖动的消除
（5）不管一次按键持续的时间多长，仅采样一个数据
(6)处理同时按键，即同时又一个以上的按键情况
21、LCD有那两种常用的驱动方式？说明一种驱动方式的工作原理。

（1）静态驱动方式
A端接交变的方波信号,B端接控制该段显示状态
的信号。

从图中可以看出，当该段两个电极上的电压
相同时，电极间的相对电压为0。

，该段不显示；当
两极上的电压相位相反时，两电极间的相对电压为两
倍幅值的方波电压，该段显示,即呈黑色显示状态。

（2）迭加驱动方式（时分割驱动法）
22、试述当前集中常见触摸屏的工作原理。

（1）电阻式触摸屏电阻式触摸屏的主要部分是一块玉显示器表面紧密配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜,由一层玻璃或有机玻璃作为基层,表面涂有一层叫ITO的透明导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮得塑料层，她的内表面也涂有一层导电层,在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点把他们隔开绝缘。

当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了一个结束,控制器检测到这个接通点并计算出X、Y轴的位置，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。

(2）红外线式触摸屏红外线式触摸屏以光束阻断技术为基础，不需要在原来的显示器表面覆盖任何材料，而是在显示屏幕四周安放一个光点距架框,在屏幕四边排布
红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线组成的栅格。

当有任何物体进入这个栅格的时候，就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，在红外线探测器上会收到变化的信号，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置，经由控制器将触摸的位置坐标传递给操作系统。

（3）电容式触摸屏把人体当作一个电容元件的电极使用，是利用人体的电流感应进行工作的。

电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏。

当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，当用户和触摸屏表面耦合出足够量的电容时，对于高频电流来说，电容是直接导体,于是手指从接触点吸走一个很小的电流，这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这4个电极的电流与手指到四角的距离成正比,控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置,
（4）表面声波式触摸屏通过屏幕纵向和横向边缘的压电换能器发射超声波来实现。

在各自对面的边缘装有超声波传感器,屏幕表面形成纵横交错的超声波栅格。

当收获触摸笔接近屏幕表面,接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口的位置既是触摸坐标。

23、什么是同步通信方式和异步通信方式?与RS-232标准相比，RS—422/485标准有何优点?请说明RS—422/485标准为何有这样的优点。

同步通信方式：在数据开始传送前用同步字符来指示，并由时钟来实现发送端和接收端同步,字符与字符间没间隙；异步通信方式：数据时一帧一帧（包括字符代码或一字节数据)传送的。

优点：RS-232存在数据传输速率慢和传送距离短的缺点.
RS-422/485标准传输速率快，传送距离远。

因为RS-232发送器驱动电容负载的最大能力为2500pF，这就限制了信号线的最大长度。

RS—232规定的逻辑电平与一般处理器的逻辑电平不一致,须与转换电平芯片连接，通信距离小,传输速率小.而RS—422/485的信号传输是利用信号导线之间的电相位差，传输距离远，速率高。

24、两台智能仪器均以51系列单片机为主构成去内部的微机系统，当两台智能仪器采用RS—232标准仅用TXD、RXD信号进行通信时，试设计从一个仪器到另一个仪器之间利用串行通信的所有电路的原理图。

设两台仪器均只提供+5V电源。

25、简述USB总线的特点及优越性。

特点：（1）USB接口统一了各种接口设备的连接头
（2）即插即用,并能自动检测与配置系统的资源
（3)具有“热插拔”的特性
（4)USB最多可以连接127个接口设备
（5）USB1。

1的接口设备采用两种不同的速度：12Mbit/s（全速)和1.5Mbit/s(慢速）,USB2。

0的传输速度最高可达到480Mbit/s。

优势:（1）简化外部接口设备与主机之间的连线,并用一条传输缆线来串接各类型的接口设备
（2）可以在不需要重新开机的情况下安装硬件。

26、 USB的基本框架包含那几部分？
（1） USB主机控制器/根集线器
（2） USB集线器
（3） USB设备
27、USB有几种传输模式？试简述各种传输方式的特性.
（1）控制传输是USB中最重要的传输，唯有正确的执行完控制传输才能进一步执行其他传输模式。

需以双向传输达到这个请求。

能自定义请求来为任何目的而发送或接收数据块。

所有USB设备必须支持控制传输。

(2）中断传输它是为那些必须快速接收到主机或设备的数据而准备的。

是低速设备可以传输数据的唯一方法。

中断传输仅是一种“轮询”的过程，如果因为错误而发生传送失败,可以在下一轮询的期间重新发送一次.
（3)批量传输它是针对未使用到的USB带宽来向主机提出请求的。

须根据目前总线的拥挤状态，以所有可使用的带宽为基础,不断调整本身的传输速率,因此没有设
置轮询时间间隔。

若因某些错误而发生传送失败，就重新传送一次。

（4)等时传输采用了预先与PC机主机协议好的固定带宽，以保证发送端与接收端的速度能相互吻合，不支持有错误的数据重新发送，相对就须牺牲一些小错误的发生。

28、USB有几种描述符？其中哪几种是必须要设置的?
（1）设备描述符必须设置
（2）配置描述符必须设置
（3）接口描述符必须设置
（4)端口描述符必须设置
29、以你的观点解释设备列举的含义？
当USB设备第一次连接到USB总线时,USB主机就会对此设备做出列举检测的动作。

此时，主机会负责检测与设备所有连接至根集线器的设备,而辨识与设置一个USB外围设备的程序，称之为设备列举。

若以USB通信协议的观点来看,设备列举就是通过一连串介于主机与设备之间的控制传输来辨识与设置一个刚连上USB的设备程序。

而进一步的解释设备列举，也即是操作系统可以辨识一个新的硬件设备连接上总线以及决定其特定的需求,然后加载适当的驱动程序，并且给予新的硬件设备一个新的地址
30、简述无线数据传输的原理及特点。

无限数据传输的核心技术是调制解调技术。

调制过程是在发送端吧数字信号变换成能被模拟信道传输的模拟信号，经传输通道传至接收端，接收端通过解调过程把接收到的模拟信号转换成数字信号,完成了无线数据传输的任务。

特点：（1）工频为国际通用的数据传输频段433MHz，无需申请
（2）易于采集运动信号,不受电缆的约束
31、与硬件滤波器相比,采用数字滤波器有何优点?
(1）数字滤波只是一个计算过程，无需硬件,因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、非一致性等问题；
(2)模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题，不会出现在数字滤波器的实现过程中；
（3）只要适当的改变数字滤波器在程序中的有关参数，就能方便的改变滤波特性，因此数字滤波使用灵活方便。

32、常用的数字滤波算法有哪些，说明各种滤波算法的特点和使用场合.
（1）克服脉冲干扰的数字滤波法：包括限幅滤波法、中值滤波法、基于拉依达准则的奇异数据滤波法(剔除粗大误差）、基于中值数绝对偏差的决策滤波器。

特点：克服由仪器外部环境偶然因素引起的突变性扰动或仪器内部不稳定等引起误码等造成的尖脉冲干扰
场合：有尖脉冲干扰的场合
（2）抑制小幅度高频噪声的平均滤波法：为抑制电子器件热噪声、A/D量化噪声等小幅度高频电子噪声，通常采用具有低通特性的算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动加权平均滤波法等线性滤波器。

特点：算术平均滤波法可有效消除随机干扰，采样次数越大，滤波效果越好，但系统灵敏度要下降，只适用于慢变信号;滑动加权平均滤波法对周期信号有良好的抑制作用，平滑度高,灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差;加权平均滤波法系统对当前采样值的灵敏度高。

场合：有小幅度高频噪声的场合
（3)复合滤波器：
特点：既能抑制随机干扰,又能滤除明显的脉冲干扰.
场合：随机扰动不是单一的场合,既要消除大幅度的脉冲干扰,又要使数据平滑的场合
33、各种常用的滤波算法能组合使用吗?若能，请举例说明；若不能，请说明理由。

能组合使用.在实际应用中，所面临的随机扰动往往不是单一的，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑，因此常用两种以上的滤波算法结合使用。

例如：去极值平均值滤波算法.特点：先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均。

去极值平均值滤波算法的算法为:连续采样N次,剔除其中的最大值和最小值，再求余下N-2个采样值的平均值.显然，这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰.
34、中值数绝对偏差决策滤波器与中值滤波器有哪些特点？
中值数绝对偏差决策滤波器特点：这种决策滤波器能够判别出奇异数据，并以有效性的数据来取代.具有比例不变性、因果性、算法快捷等特点,实时的完成数据净化.
中值滤波器：运算简单，在滤除脉冲噪声的同时可以很好的保护信号细节信息。

中值滤波器是一种常用于净化奇异数据的非线性滤波器,它对奇异数据的敏感度远低
于标准偏差，存在“根信号"用于单调性数据的滤波，而非点到信号采用中值滤波净化数据表现过于主动进取
35、什么是系统误差?有哪几种类型？简要说明系统误差与随机误差的根本区别。

系统误差是只在相同条件下，多次测量同一量时其大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。

分为恒定系统误差和变化系统误差。

系统误差与随机误差的根本区别：系统误差不能依靠概率统计方法消除,可掌握、控制、消除，具有规律性,产生在测量开始之前，与测量次数无关.随机误差不能掌握、控制、消除，具有随机性，产生在测量过程中，与测量次数有关。

36、 产生零位误差的原因有哪些？产生增益误差的原因有哪些？简述校正方法。

由于传感器、测量电路、放大器等不可避免的存在温度漂移和时间飘移，所以会给仪器引入零位误差和增益误差，这类误差均属于系统误差。

零位误差校正方法：在每一个测量周期或中断正常的测量过程中，把输入接地（即使输入为零），此时包括传感器在内的整个测量输入通道的输出即为零位输出（一般其值不为零）0N ；再把输入接基准电压r V 测得数据r N ，并将0N 和r N 存于内存;然后输入接x V ，测得x N ,则测量结果可用下式计算()00
r x x r V V N N N N =--,即在正常的测量过程中，均从采样值中减去原先存入零位输出值，从而实现零位校正。

增益误差的自动校正方法：开始工作后或每隔一定时间去测量一次基准参数,然后建立误差校正模型，确定并存储校正模型参数.在正式测量时,根据测量结果和校正模型求取校正值,从而消除误差.
37、基准电压r V 的精度和稳定性是否会影响零位误差、增益误差的校正效果？
会影响。

零位误差、增益误差的校正结果都与基准电压有关系.对于零位校正,测量结果为()00
r x x r V V N N N N =--;对于增益校正，校正方程为10Y A X A =+,其中()1/10r A V X X =-，00/(01)r A V X X X =-
38、简述系统非线性误差校正的思路与方法.
思路：采用各种非线性校正算法（校正函数法、线性插值法、曲线拟合法等）从。