智能仪表系统设计与开发

第11章智能仪表系统设计与开发11.1 系统设计11.2 抗干扰设计11.3 智能仪表设计实例11.1 系统设计11.1.1系统设计的基本要求一、可靠性要高Ø在设计时对系统的应用环境要进行细致地了解，认真分析可能出现的各种影响系统可靠性的因素，采取切实可行的措施排除故障隐患。

Ø在总体设计时应考虑系统的故障自动检测和处理功能。

在系统正常运行时，定时地进行各个功能模块的自诊断，并对外界的异常情况做出快速处理。

对于无法解决的问题，应及时切换到后备装置或报警。

二、使用和维修要方便Ø尽量降低对操作人员的计算机专业知识的要求，以便于系统的广泛使用。

Ø系统的控制开关不能太多，不能太复杂，操作顺序应简单明了，参数的输入/输出应采用十进制，功能符号要简明直观。

三、性能价格比要高11.1.2系统设计的步骤一、确定任务Ø必须以市场需求为前提。

Ø具体实现进行规划。

包括应该采集的信号的种类、数量、范围，输出信号的匹配和转换，控制算法的选择，技术指标的确定等二、方案设计Ø单片机机型和器件的选择ü性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置；ü性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比；ü结构原理要熟悉，以缩短开发周期；ü货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。

Ø硬件与软件的功能划分ü在CPU时间不紧张的情况下，应尽量采用软件。

ü回路多、实时性要求强，则要考虑用硬件完成。

三、硬件设计Ø单片机电路设计主要完成时钟电路、复位电路、供电电路的设计。

Ø扩展电路设计主要完成程序存储器、数据存储器、I/O接口电路的设计。

Ø输入/输出通道设计主要完成传感器电路、放大电路、多路开关、A/D转换电路、D/A转换电路、开关量接口电路、驱动及执行机构的设计。

Ø控制面板设计主要完成按键、开关、显示器、报警等电路的设计。

四、软件设计Ø单片机应用系统的软件通常应包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机联系程序、数据管理程序。

Ø软件设计采用模块化程序设计、自顶向下的程序设计方法。

11.2 抗干扰设计11.2.1 电源干扰及其抑制单片机应用系统的可靠性是极为重要的。

在影响单片机系统可靠性的诸多因素中，电源干扰可谓首屈一指。

据统计计算机应用系统的运行故障有90% 以上是由电源噪声引起的。

一、交流电源干扰及其抑制电网上的尖峰干扰交流电源滤波器二、直流电源抗干扰措施（1）采用高质量集成稳压路单独供电单片机的应用系统中往往需要几种不同电压等级的直流电源。

这时，可以采用相应的低纹波高质量集成稳压电路。

每个稳压电路单独对电压过载进行保护，因此不会因某个电路出现故障而使整个系统遭到破坏。

而且也减少了公共阻抗的互相耦合，从而使供电系统的可靠性大大提高。

（2）采用直流开关电源直流开关电源是一种脉宽调制型电源。

它甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高、电网电压范围宽、变化时不易输出过电压和欠电压，在计算机应用系统中应用非常广泛。

这种电源一般都有几个独立的电压输出，如±5V，±12，±24V等，电网电压波动范围可达～220V 的＋10%至－20%，同时直流开关电源还具有较好的初、次级隔离作用。

（3）采用DC－DC变换器如果系统供电电网波动较大，或者精度要求高，可以采用DC－DC变换器。

DC－DC变换器的特点是，输入电压范围大、输出电压稳定且可调整、效率高、体积小、有多种封装形式。

近年来在单片机应用系统中获得了广泛的应用。

11.2.2 地线干扰及其抑制在计算机应用系统中，接地是一个非常重要的问题。

接地问题处理的正确与否，将直接影响系统的正常工作。

一、一点接地和多点接地的应用在低频电路中，布线和元件间的寄生电感影响不大，因而常采用一点接地，以减少地线造成的地环路。

在高频电路中，布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的耦合，影响比较突出，此时应采用多点接地。

通常，频率小于1MHz时，采用一点接地；频率高于10MHz时，采用多点接地；频率处于1至10MHz时，若采用一点接地，其地线长度不应超过波长的二十分之一。

否则，应采用多点接地。

二、数字地与模拟地的连接原则Ø数字地是指TTL或CMOS芯片、I/O接口电路芯片、CPU芯片等数字逻辑电路的接地端，以及A/D、D/A转换器的数字地。

Ø模拟地是指放大器、采样保持器和A/D、D/A中模拟信号的接地端。

Ø在单片机系统中，数字地和模拟地应分别接地。

即使是一个芯片上有两种地也要分别接地，然后在一点处把两种地连接起来，否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。

三、印刷电路板的地线分布原则（1）TTL、CMOS器件的接地线要呈辐射网状，避免环形；（2）板上地线的宽度要根据通过的电流大小而定，最好不小于3mm。

在可能的情况下，地线尽量加宽；（3）旁路电容的地线不要太长；（4）功率地通过电流信号较大，地线应较宽，必须与小信号地分开。

四、信号电缆屏蔽层的接地信号电缆可以采用双绞线和多芯线，又有屏蔽和无屏蔽两种情况。

双绞线具有抑制电磁干扰的作用，屏蔽线具有抑制静电感应干扰的作用。

对于屏蔽线，屏蔽层最佳的接地点是在信号源侧（一点接地）。

11.2.3其它提高系统可靠性的方法一、使用微处理器监控电路为了提高系统的可靠性，许多芯片生产厂商推出了微处理器监控芯片，这些芯片具有如下功能：Ø上电复位；Ø监控电压变化；ØWatchdog功能；Ø片使能；Ø备份电池切换开关等。

典型产品如美国MAXIM公司推出的MAX690A/MAX692A，MAX703～MAX709/813L，MAX791等。

美国IMP公司生产的IMP706等。

X25045。

这些产品功能及原理相似，使用方法可查阅有关资料。

X25045的功能X25045三种常用的功能：看门狗定时器，电压监视和E2PROM。

（1）看门狗看门狗定时器对微处理器提供独立的保护系统.它提供了三种定式时间,可编程选择200ms,600ms和6.4,,在设定的时间内如果没有对X25045进行访问,则看门狗以RESET信号做输出响应,即变为高电平,延时约200ms以后RESET有高电平变为地电平.（2）电压监控上电时,电源电压超过.4.5V经过200MS的稳定事件后RESET 由高电平变为低电平.掉电时,电源电压低于4. 5V时, RESET信号立刻变为高电平并一直保持到电源恢复到稳定为止.(3).EEPROM存储器X25045的存储部分是COMS的4096位串行.EEPROM,他在内部按512*8来组织.采用三用总线工作的串行接口一次最多可写4个字节.2、特点:●可编程的看门狗定时器●低Vcc检测●直至Vcc=1V复位信号有效●1MHz时钟速率●512×8位串行E2PROM──4字节页方式●2.7V至5.5V电源电压●低功耗CMOS──10μA等待电流──3mA工作电流●块锁定(Block Lock TM)──保护1/4，1/2或整个E2PROM阵列●片内偶然性的写保护──上电/掉电保护电路──写锁存──写保护引脚●高可靠性──可擦写次数：10万次──数据保存期：100年──ESD保护：所有引脚2000V●8引脚小型DIP、SOIC、14引脚TSSOP封装●温度范围：民用、工业、军品级2．硬件连接X25045的硬件连接图如图4.6所示，设计时将/CS与P1.4相连，SO与P1.5相连，/WP与+5V相连，不进行写保护。

因为在使用时要在X25045内写入仪表系数。

10K的电阻为复位输出的上来电阻。

二、软件抗干扰措施（1）输入/输出抗干扰Ø对于开关量的输入，在软件上可以采取多次（至少两次）读入的方法，几次读入经比较无误后，再行确认。

Ø开关量输出时，可以对输出量进行回读，经比较确认无误后再输出。

Ø对于按钮及开关，要用软件延时的办法避免机械抖动造成的误读。

Ø在条件控制中，对于条件控制的一次采样、处理、控制输出，应改为循环地采样、处理、控制输出。

避免偶然性的干扰造成的误输出。

Ø对于可能酿成重大事故的输出，要注意设置人工干预措施。

Ø当单片机输出一个控制命令时，相应的执行机构就会动作，此时可能伴随火花、电弧等干扰。

这些干扰可能会改变端口状态寄存器中的内容。

对于这种情况，可以在发出输出命令后，执行机构动作前调用保护程序。

保护程序不断地输出状态表的内容到端口状态寄存器，以维持正确的输出。

示例程序如下：ORG 8000HMOV R3，#NUMBL ；取保护次数PRTRUT：MOV R2，#NUMB ；取端口个数MOV DPTR，#8100H ；送输出端口地址MOV A，#00HADD A，#0AHLOOP：PUSH ACCMOVC A，@A+PC ；取输出状态码MOVX @DPTR，A ；输出状态码送端口INC DPTR ；端口加1POP ACCINC A ；状态码加1DJNZ R2，LOOP ；所有输出端口是否输出一次DJNZ R3，PRTRUT ；保护次数是否完成RETSTATBL：DB 09H，08H，07H，06H，…PORT：EQU 9000HNUMBL：EQU 30HNUMB：EQU 32H（2）避免系统“死机”的方法除了采用硬件Watchdog外，还可以设立软件陷阱防止系统失控。

办法是在未用到的中断矢量区及其它未使用的EPROM区设置如下指令：…NOPNOPLJMP 0000H11.3 智能仪表设计实例——多路智能可燃性气体监测仪14.3.1 主要技术指标Ø输入信号：4～20mA，0～10mA。

Ø输入通道：1路～6路。

Ø精度：±0.2%。

Ø掉电保护：报警仪掉电时由备用电池供电，保证所有记录数据及组态信息不会因掉电而丢失。

Ø供电：交流220±10%，50H。

ZØ频率信号：高频0.5～3KH。

ZØ工作温度：0～55℃。

Ø工作湿度：15～85RH%。

11.3.2 仪表系统结构设计11.3.3前向通道的设计一、传感器或变送器传感器把被测的物理量（如温度、压力等）作为输入参数转换为电量（电流、电压、电阻等）输出。

物理量性质和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。

通常，传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。

当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。