1 智能仪表技术

嵌入式系统作为计算机技术的两大分支之一，其发展方向是 更好的嵌入性，更高的可靠性和单芯片化结构，而不是总线速度 的无限提升，存储容量的无限扩大。
二、设计基础
2.机型选择与嵌入式系统
⑶. 微控制器与SOC
单片机(SCM)是寻求最佳单片形态嵌入式系统的最初体系结 构，走出了与通用计算机完全不同的发展与应用道路。为了满 足嵌入式应用的进一步要求，微控制器（MCU）在单片机基础上 扩展了各种外围电路与接口电（CTC,UART,RAM,ROM,I/O），使 其测控能力大幅上升。
SOC（system on chip）是单片机发展的又一趋势，是应用 系统在芯片上的最大化解决(MCU+ AMP +ADC +DAC +WDT+--)。 MCU: 8031,89C51,89S51,SST89E ; SOC: C8051F00* ; AD836(12,24) ;
二、设计基础
3. 总线结构
二、设计基础
3. 总线结构
⑵. I2C总线
I2C总线（Inter IC bus,集成电路芯片间总线） ① I2C总线规范及传输协议 I2C总线实际只有两根信号线，一根是串行数据线SDA，由 当时发送数据的器件使用，另外一根是串行时钟线SCL，由当时 具有最高优先权的主器件占有。如图为I2C总线数据传送图。
3. 总线结构
二、设计基础
⑴. 内总线 用于计算机设备内部板与板之间连接的总线称为内总线。 智能仪表根据需要可采用如下三种内部连接形式。
(1) 单板结构 结构可以简化设计、降低成本、缩小占用的立体空间。 必须合理地布局和走线以减少有害的耦合与发热的影 响； (2) 多板非标准连接 将仪表按功能划分为几种功能模块，每一模块分别设计 制版，然后通过自定义总线装配连接。 (3) 多板标准总线连接 STD , PXI , VXI , PCI ,…… 当仪表功能复杂时，为了避免重复开发设计，宜选用标准总线组 成的多板结构。
和输出。
二、设计基础
3源自文库 总线结构
⑶. SPI接口总线
对于在SCK 的上升沿输入(接收) 数据和在下降沿输出(发送) 数据的器件,模拟串行时钟输出的I/O口的初始状态为1 , 在允许 接口芯片后,其状态为0 。对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿 输出数据的器件,则模拟串行时钟输出的I/O口的初始状态为0 , 在允许接口芯片后,其状态为1 。 如图为SPI接口芯片分别与含有和不含有SPI接口的两种微处 理器的连接方式。
SPI 总线的使用可以简化电路设计，省掉了很多常规电路中的 接口器件，提高设计的可靠性。
二、设计基础
3. 总线结构
⑶. SPI接口总线 一般通过SPI 接口进行数据通迅的逻辑时序如图 1.4 所示（数据读写应在上升沿）
二、设计基础
3. 总线结构
⑶. SPI接口总线
在某些情况，仅仅依靠上述的四根信号线并不能很好的完 成数据传送通信，还可在某些含有SPI 接口总线设备中另外设臵 了一根中断信号线（INT 或INT），其主要功能是： 在数据信息 发送或接收完成、接收到其它外部网络数据信息以及SPI 字节发 送或接收完成时通知主控制器，以便于主控制器作下一步的处理 工作。 对于没有SPI接口的单片机或MCU（如89C51单片机）,可用单片 机的I/O口辅以软件来模拟SPI 的操作,包括串行时钟、数据输入
3. 总线结构
二、设计基础
⑶. SPI接口总线
对具有SPI接口类型的芯片进行编程时，设计人员一般 应注意以下几个问题：（时序问题） 1.SPI接口芯片读入或送出数据发生在时钟信号的上升沿或是 下降沿？在进行编程时应使数据保持稳定后再进行数据的 读写操作； 2.数据需保持的最低有效时间？ 避免在SPI接口芯片未完成 读写数据时即进行下一次的操作； 3.对于从节点主动寻求主动节点服务的接口芯片，应注意SPI 接口芯片发出中断数据请示信号后所需的响应时间， 以避 免出现SPI 接口芯片发出请示服务信号后长时间处于等待 状态而致使数据信息丢失等现象的出现。 4.在进行数据通信时，通信字节位发出的顺序，确定出通信 方式时MSB…LSB 方式还是以LSB…MSB 的方式进行。
⑶. 分类
一、 智能仪表原理
1. 智能仪表原理
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传统仪表：性能主要取决于仪表内部元器件的精 密性和稳定性，元器件的温度漂移（包括零点和 增益漂移）和时间漂移都会反应到测量结果和仪 表输出中去。另外，传统仪表对其内部故障缺乏 诊断和处臵能力，往往在故障情况下给出结果， 显然这种结果是不可能正确的。 智能仪表原理：应用新的采集技术、处理技术、硬 件平台和人工智能技术，使仪表的性能（如精 度）、功能、可靠性、可维护性和可测试性都得 到了提高。
井下压力计
井下压力计
温度显示调节器
一、智能仪表原理
3．智能仪表的结构与特点
精密色谱仪
一、智能仪表原理
3．智能仪表的结构与特点
如图为典型智能仪表结构，由三个层次构成 。
一、智能仪表原理
3．智能仪表的结构与特点
智能仪表的特点
① 可以自动进行量程转换、零点和增益误差补偿，测量特性的 自动校准，按照一定的规律自动寻找最优的算法参数，从而极 大的提高了仪表的性能。 ②按照事先的安排(体现在编制的程序上)可以对仪表的主要元 器件进行自动检测，对故障进行定位，还可以对故障部分进行 隔离或对系统进行重组，大大提高了仪表的容错性和可靠性。 ③应用模糊识别与模糊控制、人工神经网络建模与识别、专家 系统、多传感器信息融合处理方法等智能技术。
智能仪表技术
主要内容
一、智能仪表原理 二、 设计基础 三、 设计原则与设计内容
一、 智能仪表原理
1. 智能仪表原理
仪器仪表概述 (Instrument)
⑴. 定义：对各种变量（参数）进行检测 (计量)、计录、调节和 处理的各种装臵的总称。（包含了自动化装臵）
⑵. 传感器 (Sensor) 区别 (Transducer) 是检测仪表的重要组成部分，是信息获取的前端。 结构：①独立安装的，如热电偶、热电阻（温度传感器）； ②与仪表电路一体化的，如压力变送器； 多种分法；如按作用分： 测量仪表（传感器、变送器，――仪、――计、）， 调节仪表，显示仪表，执行仪表；
二、设计基础
3. 总线结构
⑶. SPI接口总线
在把SPI 与几种不同的串行I/ O 芯片相连时,必须用每个芯片 的允许控制端，可用MCU 的I/O 端口输出线来实现。此时应特别 注意这些串行I /O 芯片的输入输出特性。 ①.输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。平时未选中芯 片的输出端应处于高阻态。若没有三态控制端,应外加三态门。 否则MCU 的MISO 端只能连接1个输入芯片。 ②.输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。即应该只有在 这片芯片允许时, SCK 脉冲才把串行数据移入该芯片; 芯片禁止 时,SCK 对芯片无影响。若没有允许控制端,应在外部用门电路对 SCK 进行控制后, 再加到芯片的时钟输入端,或者SPI接口总线 只连接1个芯片,不能再连接其它输入或输出芯片。
二、设计基础
2.机型选择与嵌入式系统
⑴.机型的选择 首先是指选择CPU型号，相同CPU内核的单片机很多，根据性能、资源和熟 悉程度选择 。下表列出几种常用微处理器和单片机的CPU性能指标。
二、设计基础
2.机型选择与嵌入式系统
⑵.嵌入式系统（Embedded system） 为了区别于原有的通用计算机系统，人们把嵌入到对象体系 中的专用计算机称为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入 性、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。对象系 统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统，如内含嵌入式系统的智 能仪表。 嵌入式系统按其外型分为板级（如嵌入式PC104，PⅢ级嵌入 式SBC）和芯片级（如单片机，MCU，SOC），前者主要应用在计 算量大，有网络应用或多媒体应用要求的情况，后者主要应用在 要求体积小，功耗低，功能相对简单的情况。
总线是智能仪表中单片机与外围芯片、电路板与电 路板、智能仪表与其它设备之间相互连接的桥梁与纽带。 总线有自行定义的非标准总线与权威机构规定的标 准总线之分。标准总线不只是一簇无源导线的简单汇集， 它对于信号根数、排列方式、连接件形式、信号的名称、 性质及传送方向、定时关系等都有明确而严格的规定。 通常某一标准总线规约需通过相应的逻辑电路或特定的 接口芯片来实现。
①最大限度的简化了系统结构。二线制I2C串行总线使各电路单元之间只需 最简单的连接，可以简化电路板上的走线，减少电路板面积，提高可靠性并 降低系统成本。 ②便于实现电路的标准化、模块化；各标准化模块之间采用I2C总线相互连 接即可。 ③采用I2C总线标准模块的组合方式可以大大缩短新产品的开发周期。 ④I2C总线各节点具有独立的电气特性，各节点单元电路可以在相互不受影 响的情况下，甚至在系统供电的情况下，接入或撤除。 ⑤I2C总线系统结构非常灵活，便于系统改型设计，或对已加工好的电路板 扩展功能。 ⑥I2C总线系统可方便地对某一节点电路进行故障诊断与跟踪，有极好的可
一、 智能仪表原理
2．智能仪表产生与发展
工业自动化仪表的发展过程
机械式(基地式)---电动单元组合式(模拟)---微机化(模、 数)---智能仪表（全数字）
弹簧压力表
模拟式示波器
数字式超声波探伤仪
一、智能仪表原理
3．智能仪表的结构与特点
各种智能仪表的硬、软件系统差别很大。
简单的只含几个芯片和少量程序，如井下压力计、温度显示调节器等； 复杂的含大量芯片，丰富的软件(操作系统)和齐全的外设，甚至于使用多个 单片机；有的智能仪表的复杂程度甚至超过通用型个人计算机，如色谱质谱 仪。 尽管如此，在结构上仍然存在着一些共同之处。
二、设计基础
1. 需求分析与方案论证
②性能要求 测量范围 测量精度 测量灵敏度（分辨率） 稳定性、可靠性要求（MTBF） 响应速度 动态特性 数据库浏览（查询）方式、容量、安全性
二、设计基础
1. 需求分析与方案论证
③对象特性
输入输出关系（传递函数、用户以往的经验、作法、 其它图纸资料） 各变量的性质（幅度、变化率、分布性等） 生产使用规律
二、设计基础
3. 总线结构 ⑵. I2C总线
②. I2C总线应用
I2C总线的出现对减少连线，缩小线路板的面积，实现硬件 电路的模块化等具有重大的意义，为智能仪表中微机系统，特 别是单片机系统的扩展提供了极大的便利。如图为I2C总线典型 应用电路原理图。
二、设计基础
3. 总线结构
⑵. I2C总线
单片机应用系统中采用I2C总线技术将带来以下好处：
维护性。
二、设计基础
3. 总线结构
⑶. SPI接口总线
串行外设接口总线 (SPI)：是一种同步串行接口,用于单片机、 MCU 与各种外设、接口以串行方式进行高速通信、交换信息。 SPI串行外设接口由四条信号线组成，这四根信号线分别为： 时钟线（CLK）、数据输入线（SDI）、数据输出线（SDO）、片 选线（/CS），其中，/CS的有效与否完全由主控制器决定，时钟 信号也由主控制器发出。
二、设计基础
3. 总线结构
⑶. SPI接口总线
SPI 接口总线可在软件的控制下构成各种简单的或复杂的系统, 如: 1个主MCU和几个从MCU；几个从MCU 相互连接构成多主机系 统( 分布式系统)；1个主MCU 和1 个或几个从I/O 设备。 在大多数应用场合中, 使用1个 MCU 作为主机,它控制数据向1 个或多个从外围器件的传送。从外围器件只能在主机发命令时才 能接收或向主机传送数据。这种典型的SPI接口总线系统结构如 图
④新工艺，经串口或扫描口（JTAG）即可下载和仿真。 如：贴片工艺；多层艺； 屏蔽与防护工艺；ISP与IAP工艺
主要内容
一、智能仪表原理 二、 设计基础 三、 设计原则与设计内容
二、设计基础
1. 需求分析与方案论证
⑴．需求分析: 通过需求分析确定智能仪表任务要求应包括以下几点 ①功能要求
测量功能：哪些量？有实时在线要求否？什么输出形式？ （ 显示、打印、传输、通信……）； 控制功能：什么对象？模型为何？哪些状态？需构成什么系统？ （随动、恒值、串级……控制）； 管理功能：操作要求、数据库要求、打印报表、决策分析、统计 分析……。
④环境条件 ⑤其它:
用户长远发展规划、扩展、升级的计划
⑥调查研究的结果应形成需求分析报告，以便设计方 案。
二、设计基础
1. 需求分析与方案论证 ⑵. 方案论证:
总方案论证包括测量（工作）原理分析、推导， 智能仪表的系统组成说明，总体的硬、软件结构描述， 主要性能、功能的计算、分析和说明等内容。 在进行总体方案设计时，既要仔细研究仪表的功 能要求、技术指标、环境条件等因素，还要与可以达到 的技术水平，设备、资金的拥有量，必要的实验场地， 必备的元器件来源，以及投入的人力和规定的完成时间 等条件相比较，在此基础上确立总体方案的可行性。