智能仪器原理及应用期末复习要点

第一章绪论1、内含微型计算机并带有GP-IB等通信接口的电子仪器称为智能仪器。

智能仪器实际上一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件组成。

2、硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入\输出通道、人-机接口电路、通信接口电路。

3、主机电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，它通常由微处理器（MPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）以及输入\输出接口电路等组成。

4、模拟量输入/输出通道常用来输入/输出模拟信号，主要由A/D转换器、D/A转换器和有关的模拟信号处理电路等组成。

5、人-机接口电路的作用是沟通操作者和仪器之间的联系，主要由仪器面板中的键盘和显示器组成。

6、通信接口电路常用于实现仪器与计算机的联系，以便使仪器可以接受计算机的程控命令。

7、软件部分主要分为监控程序和接口管理程序程序两部分。

8、监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序：通过键盘输入命令和数据，以对仪器的功能、操作方式与工作参数进行设置；根据仪器设置的功能和工作方式，控制I/O接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置参数，对采集的数据进行相关处理，以数字、字符、图形等形式显示测量结果、数据处理的结果及仪器的状态信息。

9、接口管理程序是面向通信接口的管理程序：接受并分析来自通信接口总线的远控命令；进行有关的数据采集与数据处理；通过通信接口送出仪器的测量结果、数据处理的结果及仪器的现行工作状态信息。

10、智能仪器的特点：a、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连；b、微处理器的运用极大地提高了仪器的性能；c、智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、自动校准、自诊断等功能，有力改善了仪器的自动化测量水平；d、智能仪器具有友好的人-机对话的能力；e、智能仪器一般配有GB-IB或RS-232等通信接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。

11、VIX总线系统一般由计算机、VIX仪器模块和VXI总线机箱构成。

12、虚拟仪器是通用计算机上添加几种带共性的基本仪器硬件模块，通过软件组合成各种功能的仪器或系统仪器设计思想。

13、微处理器的选择：数据处理能力；内部资源I/o口数量；使用环境的特殊要求；价格、订货、周边元件的选择；开发成本、维护成本。

第二章智能仪器的模拟量输入/输出通道1、把A\D转换器及其接口称为模拟量输入通道，把D\A转换器及相应的接口称为模拟量输出通道。

2、A\D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但一般情况下，模拟量指电压而言。

3、A\D转换器的评价指标a、分辨率与量化误差分辨率是衡量A\D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。

其分辨率取决于A\D转换器的位数。

量化误差是由于A\D转换器有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样而引起的误差，提高分辨率可以减小量化误差。

b、转换精度转换精度反映了一个实际A\D转换器与一个理想A\D转换器在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。

偏移误差：是指输出为零时，输出不为零的值，所以又称零点误差。

偏移误差可以通过在A\D转换器的外部加接调节电位器，将偏移误差调至最小。

满刻度误差：又称增益误差，是指A\D转换器满刻度时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差。

满刻度误差一般是由参考电压、放大器放大倍数、电阻网路误差等引起。

其也可以通过外部电路来修正。

非线性误差是指实际转移函数与理想直线的最大偏移，非线性误差不包括量化误差、偏移误差，满刻度误差。

微分非线性误差是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯电压（1LSB）之间的差值。

为了保证A\D转换器的单调性能，A\D转化器的微分非线性误差一般不大于1LSB。

所谓单调性能是指转移器转移特性曲线的斜率在整个工作区间始终不为负值。

C、转换速率转换速率是指A\D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。

d、满刻度范围满刻度范围是指A\D转换器所允许最大的输入电压范围。

实际上A\D转换器的最大输入电压总比满刻度值小1/2n4、A\D转换器主要有逐次比较式、积分式、并行比较式和改进型四类。

逐次比较式A\D转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般是在us级，转换精度一般在0.1%上下，适用一般场合。

积分式A\D转换器速度比较慢，其转换时间一般在ms级或更长。

但抗干扰能力强转换精度可以达0.01%或更高，适用于在数字电压类仪器中采用。

并行比较式又称闪烁式，由于才用并行比较，因而转换速率可以达到很高，其转换时间可达ns级，但抗干扰性能较差，由于工艺限制，分辨率一般不高于8位，用于数字示波器等转换速度很快的仪器中。

改进型是在上述某种形式A\D转换器的基础上，为了满足某项高性能指标而改进或复合而成的。

5、积分式A\D转换器工作原理：先用积分器把输入模拟电压转换成中间量（时间T或频率f），然后在把中间量转换为数字。

双积分A\D 转换器又称双斜式A\D转换器，转换过程为：预备阶段；定时积分阶段T1；定值积分阶段T2双积分式A\D转换器有两方面的突出特点：a、抗干扰能力强（因为双积分式A\D转换器的结果与输入信号的平均值成正比，因而对叠加在输入信号上的交流干扰有良好的抑制作用，即串模干扰抑制能力比较大）；b、性能价格比高主要缺点就是速度较慢，除此之外，积分器和比较器的失调偏移不能再两次积分中抵消，会造成较大的转换误差。

6、并行比较式A/D转换器并行比较式A/D转换器的转换时间只有几十纳秒，但需要大量的低漂移的比较器和高精度电阻，且位数每高一位，其需要量加大一倍，因此并行比较式A/D转换器的位数一般不搞于8位，并且只在高速采集时才被采用。

7、数据传输主要有程序控制的数据传输、DMA传输、基于数据缓存技术的高速数据传输等多种方式。

8、程序控制的数据传输方式：指通过CPU执行程序来控制A/D转换与数据传输的方式。

例如：查询方式、延时等待方式、中断方式等9、DMA方式即在DMA控制器控制下的直接存储器存储方式，这种方式下，外设与内存之间的数据传输过程不再受CPU的控制，而是在DMA控制器的控制盒管理下进行直接传输、从而提高了传输速度。

10、D/A转换器是由电阻网络、开关及基准电源等部分组成。

11、D/A主要技术指标：分辨率:当输入数字发生单位数码变化时所对应模拟量输出的变化量。

转换精度：指在整个工作区间实际的输出电压与理想输出电压之间的偏差，可用绝对值或相对值表示。

转换时间：指当输入的二进制代码，从最小值突跳到最大值时，其模拟量电压达到与其稳定值之差小于+1/2LSB所需要的时间。

尖峰误差：指输入代码发生变化时而使输出模拟量产生的尖峰所造成的误差。

产生尖峰的原因是由于诸开关在切换过程中响应时间不一致和寄生参数所致。

12、一个完整的数据采集系统（DAS）工作过程大致可以分为三步：数据采集、数据处理、处理结果的复现与保存。

13、多路开关的主要用途是把模拟信号分时地送入A/D转换器，或者把经计算机处理后的数据由D/A转换器转换成的模拟信号，按一定的顺序输出到不同的控制回路中去。

前者称为多路开关，完成多到一转换；后者称为反多路开关或多路分配器，完成一到多的转换。

14、自动巡回检测系统设计：自动巡回检测系统是一种数据采集系统，所谓自动巡回检测就是对科学实验装置或生产过程中的某些参数以一定的周期自动地进行检查和测量。

第三章智能仪器人-机接口1、键盘与微处理器的接口包括硬件和软件两部分。

硬件是指键盘的组织，即键盘的结构及其与主机的连接方式。

软件是指对按键的识别与分析，称为键盘管理程序。

其管理程序的任务大致分为：a、识键；b、译键；c、键值分析2、键盘按其工作原理分为编码式键盘和非编码式键盘。

3、编码式键盘：由按键键盘和专用键盘编码器两部分组成。

当键盘中某一按键被按下时，键盘编码器会自动产生相对应的按键代码，并输出一选通信号与CPU进行通信联络。

4、非编码式键盘：不含编码器，当某键按下时，键盘只能送出一个简单的闭合信号，对应的按键代码的确定必须借助于软件来完成。

但其软件比较复杂的，并且要占用较多的CPU 的时间，可非编码键盘可以任意组合，成本低，使用灵活。

5、非编码键盘按照与主机的连接方式的不同，有独立式键盘、矩阵式键盘和交互式键盘之分。

6、独立式键盘结构特点是一键一线，即每个按键单独占用一根检测线与主机相连，这种连接方式的优点是键盘结构简单，各测试线相互独立，所以按键容易识别。

缺点是占用较多的检测线，不便于组成大型键盘。

7、矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组，一组为行线，另一组为列线，按键放在行线和列线的交叉点上。

M X N矩阵键盘与主机连接需要M+N条线，显然，键盘规模愈大，矩阵式键盘的优点愈显著。

当需要的按键数大于8时，一般都采用矩阵式键盘。

8、交互式键盘结构的特点是任意两检测线之间均可以放置一个按键。

交互式键盘结构所占用的检测线比矩阵式还要少，但是这种键盘所使用的检测线必须是具有位控功能的双向I/O 端口线。

9、键盘有三种常用的工作方式：编程扫描工作方式、中断工作方式，定时扫描工作方式。

10、编程扫描工作方式：也称查询方式，它是利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描程序，以响应键输入要求。

11、中断工作方式：当键盘有键按下时，硬件会产生中断申请信号，CPU响应中断申请后对键盘进行扫描，并在有按键按下时转入相应的键功能处理程序。

优点：由于在无按键按下时不进行键扫描，因而提高CPU的工作效率，同时也能确保对用户的每次按键操作做迅速的响应。

12、定时扫描工作方式：该方式利用一个专门的定时器来产生定时器来产生定时中断申请信号，CPU响应中断申请后便对键盘进行扫描，并在有键按下时转入相应的键功能处理程序。

13、键盘按键一般都采用触点按键开关。

抖动时间视按键材料的不同一般在5ms~10ms之间。

14、克服这种由键抖动所致的措施如下：a、硬件电路消除法（可利用RS触发器来吸收按键的抖动，一旦有按键按下时，触发器就立即翻转，触点的抖动便不会再对输出产生影响）；b、软件延时法（当判定按键按下时，用软件延时10ms~20ms，等待按键稳定后重新再判一次，以躲过触点抖动期）15、独立式键盘接口电路：独立式键盘的每个按键占用一根测试线，他们可以直接与单片机的I/O线相接或通过输入口与数据线相接，结构很简单。

16、矩阵式键盘接口：当采用矩阵式键盘时，为了编程方便，应将矩阵键盘中的每一个键按一定的顺序编号，这种按顺序排列的编号叫顺序码，，也称键值，为了求得矩阵式键盘中被按下的键的键值，常用的方法有行扫描法和线路反转法。

17、行扫描法（采用编程扫描工作方式）：a、判是否有键按下；b、若有键按下，则延时为10ms，再判断是否确实有键按下；c、若确实有键按下，则求出按下键的键值;d、为保证按键每闭合一次CPU只做一次处理，程序需等闭合的键释放后再对其做处理。