现代仪器系统设计考纲

现代仪器系统设计考纲

第一讲现代仪器概述

1.仪器的定义

信息获取、处理、利用的工具，是信息化的重要设备，也是现代工业的核心技术之一。

2.智能仪器的组成，硬件与软件部分

硬件部分：处理器电路、输入通道电路、输出通道电路、人机接口电路、通信接口电路

软件部分：监控程序、接口管理程序、数据处理程序

3.智能仪器的特点

1）功能多样化

2）系统集成化、模块化

3）构成的柔性化：专用与通用

4）网络化、可视化

第二讲智能仪器设计方法

1.理解智能仪器设计的原则：

从整体到局部、经济性（成本取决于研制成本和生产成本）、易操作性、通用性（指标留有一定余量）、软硬件合理配合、可靠性

2.理解智能仪器设计的一般步骤

1、确定任务、明确目标，拟定总体设计方案

1）确定仪器的功能、技术指标及设计任务（要考虑被测信号的特点、被测量的数量、输入信号的通道数、被测量的类型、变化范围以及测量速度、精度、分辨率和误差等；还要确定测量结果的输出方式、显示器的类型、输出接口的配置。）

2）建模和测控算法的确定

3）智能仪器的总体方案设计

2、硬件和软件设计

1）硬件电路设计和功能模板的研制

2）软件框图的设计和程序的编制

3、系统调试及性能测试

1）硬件电路和软件的调试及性能测试。

2）智能仪器的调试包括硬件电路调试、软件调试和样机调试三部分。

3）智能仪器硬件电路和软件的研制一般独立地平行进行。

4）样机调试是指在硬件电路和软件分别调试完成后，在样机上进行的硬件电路和软件的联调。

3.理解硬件设计的基本要求

1）达到或超过技术指标：定性的功能与定量的技术指标。

2）尽可能提高性价比。

3）适应环境，安全可靠：合理地选择元器件和采用极限情况下试验的方法。

4）便于操作和维护。

4.理解电路设计的一般原则

1）硬件电路结构要结合软件方案一并考虑。（软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件电路。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU时间。因此，考虑到硬件软化方案时，要考虑到这些因素。）

2）尽可能选用典型电路和集成电路，为硬件系统的标准化、模块化打下基础。

3）微机系统的扩展与外围配置的水平应充分考虑测控系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。

4）把设计好的单元电路相连时要考虑是否能直接连接，模拟电路时要不要加电压跟随器进行阻抗隔离，数字电路连接和微机接口电路要不要逻辑电平转换，要不要加驱动器、锁存器和缓冲器等。

5）在模拟信号传送距离较远时要考虑以电流或频率信号传输代替以电压信号传输，如共模干扰大应采用差动信号传送。在数字信号传送距离较远时，要考虑采用“线驱动器”。

6）可靠性设计和抗干扰设计，包括去耦滤波、印制电路板布线、通道隔离等。

5.理解软件设计的一般步骤

1）进行系统定义

2）程序设计

3）编写程序

4）查错和调试

5）文件编制

6）维护和再设计

6.理解软件设计的一般方法：模块化方法

模块不宜分得过大或过小。

模块必须保证独立性。

对每一个模块作出具体定义，定义应包括解决某问题的算法，允许的输入输出值范围以及副作用

对于一些简单的任务，不必企求模块化。

当系统需要进行多种判定时，最好在一个模块中集中这些判定。

7.理解软件测试的基本概念（黑盒、白盒）

黑盒测试：功能测试法也称为“黑盒测试”，并不关心程序的内部逻辑结构，而只检查软件是否符合它预定的功能要求。

白盒测试：程序逻辑结构测试法也称“白盒测试”，是根据程序的内部结构来设计测试用例。用这种方法来发现程序中可能存在的所有错误，至少必须使程序中每种可能的路径都被执行一次。

测试用例应由输入信息、预期处理结果与实际测试结果三部分组成

8.理解智能仪器调试的基本概念（在线、离线）

在线：1）开发系统的基本功能

用户样机硬件电路的检测与诊断

用户样机程序的输入与修改

应用程序的运行、调试、排错、状态查询等功能

应用程序代码固化功能

有较全面的开发软件

有跟踪调试、运行的能力

为了方便模块化软件调试，还应配置软件转储、程序文本打印功能及设备

2）开发系统的组成

主处理机：一般是一个带有监控程序的单板机或一个带操作系统的微处理机

控制台：键盘和显示终端

外存储器

打印机

在线仿真器（ICE）：为用户程序的调试提供运行环境，把目标硬件（用户样机）与开发系统联系起来，使用户可以在开发的实际目标硬件环境下，全面调试用户程序。

编程器（EPROM或FLASH）

开发系统软件：编辑程序、汇编（或编译）程序及动态调试程序

第三讲输入/输出模块设计技术

1.理解输入通道的组成

将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续变化的模拟信号进行放大、滤波、调理等处理，将其转换成计算机能接收的逻辑信号的电路称为模拟量输入通道。

单通道结构、多通道结构（多通道共行结构、多通道共享结构）

2.理解传感器的性能指标

1）线性范围：输出与输入成正比的范围。

2）精度：

3）灵敏度：要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。

4）稳定性：传感器的性能不随使用时间而变化的能力称为稳定性。

5）频率响应特性：传感器的频率响应特性好，则可测量的信号频率范围宽。

3.理解多路开关(MUX)的基本概念

模拟多路开关也称为多路转换器，主要用于信号的切换，是输入通道的重要元件之一。当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常利用模拟多路开关将各路模拟量分时与放大器、A/D转换器等接通。这种利用一片A/D转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件电路的利用率，节省成本。

4. 理解A/D的分类、性能指标与选择原则（怎么选）

1、A/D转换器的类型

1）并联比较型：适用于速度快、分辨率低的场合。

2）逐次逼近型：抗干扰能力较差，在A/D转换器前一般要加采样/保持器锁定电压。

3）双积分型：抗干扰能力强，转换速率慢。

4）Σ-Δ调制型：用速度换取分辨率。

2、A/D转换器的主要性能指标

1）转换精度：

分辨率：衡量ADC能够分辨的输入模拟量的最小变化量的技术指标，是数字量变化一个最小量时对应的模拟信号的变化量。

量化误差：凡不足以引起一个最小数字量变化的模拟量形成的误差称为量化误差。

分辨率常以二进制或十进制的位数表示。BCD码：分辨率为3.5位，分辨率为1/1999

2）转换时间与转换速度：完成一次转换所需的时间，转换速度是转换时间的倒数。

5.A/D转换器的选择原则

1）根据测试系统的总误差要求，确定A/D转换器的精度及分辨率。

2）根据系统应用范围、被测信号的变化率以及转换精度，确定A/D转换器的转换时间。（采样定律）

3）根据计算机接口电路的特征，选择A/D转换器输出状态：并行式、串行式、一体式。

4）根据A/D转换器的工作条件来选择芯片的一些环境参数。

5）要综合考虑成本、资源及芯片的来源等因素。

6.理解开关量的基本概念

开关量信号是指只有开和关、通和断、高和低两种状态的信号，可以用二进制数0和1表示。

当外界开关量信号的电平幅度与单片机I/O端口电平幅度相符时，可直接检测和接收开关量输入信号。但如电平不符，则必须经过电平转换才能输入到单片机的I/O端口。

7.理解D/A的性能指标与应用

1、D/A的主要技术指标

1）转换精度：分辨率，转换误差

2）转换速度

2、D/A的应用

1）阶梯波发生器