仪器电子技术中的软件与硬件

仪器电子技术课程报告

学生姓名：###

学生学号：###

班级：###

课程题目：现代仪器中软件和硬件技术

学年学期： 2 014—2 015 学年第1学期

指导教师：###

2 0 15 年1 月

目录

1引言 (3)

1.1软件和硬件的定义 (3)

1.2现代仪器的发展 (3)

2软件和硬件在仪器中的作用 (4)

3仪器性能与软件的关系 (6)

3.1仪器的性能 (6)

3.2典型例子（嵌入式门禁系统） (6)

4仪器性能与硬件的关系 (9)

5现代仪器中软件和硬件发展趋势 (12)

5.1软件发展趋势 (12)

5.2硬件发展趋势 (15)

光衰减器

1引言

1.1软件和硬件的定义

软件是能够完成预定功能和性能的可执行的计算机程序，包括使程序正常执行所需要的数据，以及有关描述程序操作和使用的文档。软件是一种逻辑实体，是用户与硬件之间的接口界面。用户主要是通过软件与计算机进行交流。软件是计算机系统设计的重要依据。为了方便用户，为了使计算机系统具有较高的总体效用，在仪器设计过程中，必须全局考虑软件与硬件的结合，以及用户的要求和软件的要求。软件还可以拓宽计算机系统的应用领域，放大硬件的功能。

硬件是客观存在的一种物质实体，比如一台仪器它的外观设计，它使用的芯片或者架构都属于硬件。它是为软件服务的，也是获取软件的途径。

硬件是实在的，有模有样的。软件是程序性的。是一系列的指令。有了软件，硬件才会实现更丰富的功能。也好比人，肢体是硬件的。但思想，思维，你的学识是软件，是灵魂。

1.2现代仪器的发展

众所周知,数字化、智能化和网络化是当今仪器仪表与自动化测试系统的三大发展趋势,并将彻底改变传统仪器仪表与自动化测试系统的概念。在传统概念的测量中,所采用的仪器大多是实物,它们自成体系,具有刻度盘、旋钮、开关等固定的用户界面特征。传统的仪器设备缺乏相应计算机接口,因而配合数据采集与数据处理十分困难。而且传统仪器体积庞大,多种数据测量时常常感到捉襟见肘,手足无措。如常常见到硬件工程师的工作台上,推满了纷乱的仪器、交错的电缆和繁多的待测器件。显然,传统的仪器已经不能满足现代测试的要求。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用,新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现,在许多方面已经冲破了传统仪器的概念,电子测量仪器的功能和作用发生了质的变

化。在这种背景下,80年代末美国研制成功虚拟仪器。现在,在集成的虚拟测量环境中,见到的是整洁的桌面,有序的操作,不但使测量人员从繁杂的仪器堆里解放出来,而且还可实现数据的自动测量、自动记录、自动处理。网络仪器的发展在现代仪器中也非常重要，网络就是仪器的概念确切地概括了仪器的网络化发展趋势以Internet为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不断完善使得计算机网络的规模更大，应用更广。在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域对大范围的网络化测控将提出更迫切的需求。网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用，网络化仪器会很快发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代仪器，即网络化仪器的进步。

2软件和硬件在仪器中的作用

软件相当于人机交互的一种方式，这种方式可以通过编程或算法设计表现出来，比如我们平时用到的C++，MATLAB等等，我们可以通过这些工具对所需要的设计要求进行合理化的编程，从而让计算机识别并实现对硬件设备的控制功能。而硬件可以根据设计要求划分为几个功能模块，通过电路设计来实现。

在信息化建设时期，随着科学技术的高速发展，在现代仪器设计中，软件和硬件的结合尤为重要，关系到每一台仪器的性能。下边通过智能温度显示仪的设计为例说明软件和硬件在仪器中的作用。

本设计要求智能温度显示仪能够将温度传感器输出的（0～5V）电压信号转换成对应温度范围（0～100℃）的整数数值显示，显示器采用4位LED数码管实现，通过键盘实现报警上下限的设置，而且能够在温度变化过程中根据预设的报警值及时地发出报警信号。整体设计结构图如下：

图1 功能结构图

根据工作原理可通过图1所示的结构实现功能。由工作原理可知，传感器的输入信号是0～5V的电压信号，所以不用放大就可以直接接入单片机电路。电压的变化要经过A/D转换才能由数字信号电路处理，采样后要经过一定的数据处理才可以向显示电路输出。另外，由于可实现报警功能，这就需要设计报警值的输入和报警动作的输出电路。最方便的做法是242使用键盘输入报警值，用发光二极管来实现光报警。此外，要求报警值能够一直保存，掉电不会丢失，因此就必须通过非易失性存储器来保存。

要设计上述的电路首先要选择一款单片机，本文选择PIC16F877型号单片机作为控制核心。由于该单片机内部集成了8路EEPROM空间和ADC，所以图1中的存储器和ADC部分就不用再另外选择器件了；键盘电路由4个独立按键组成，分别完成置数位的调整，即减1和加1操作；显示电路选用MAX7219控制数码管的工作，这些都是硬件，没有这些硬件作为载体，仪器就不可能存在。

软件设计要根据设计对象的功能而定，本文设计的智能温度显示仪主要实现以下功能：

1）采样RA0端口的模拟信号，转换成数字信号；

2）将数字信号经标度变换成温度值显示在数码管上；

3）通过按键设定报警的上下限，一个键负责报警位的选择，另外两个键负责实现选中位的加减1；

4）设定的上下限存在于EEFROM中；

5）5秒钟没有按键按下，自动返回采样刷新状态。

通过程序的编写达到设计要求，来控制单片机等硬件的运行和操作，从而实现仪器的设计。从该例子中可以看出在仪器设计中软件和硬件相辅相成，缺一不可。