第8章智能仪器设计方法.ppt

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1、第八章 智能仪器设计方法,一、智能仪器设计的基本要求,1、功能及技术指标应满足要求 主要技术指标：精度、测量范围、工作环境条 件、稳定性。 应具备的功能：输出、人机对话、通信、 报警提示、仪器状态的自 动调整等功能。,2可靠性要求,硬件 仪器所用器件的质量和仪器结构工艺是影响可靠性的重要因素，故应合理选择元器件和采用在极限情况下进行试验的方法。 合理选择元器件是指在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数应留有一定的余量，并对元器件进行老化和筛选。,老化试验: 完工的电子产品，出货前故意放在高温中，置放一段时问(如7天)，并不断进行仿真工作以测试其功能的变化情形，是一种加速老化试验

2、(Aging Test)，也称为寿命试验。是具可靠度耐用型电子产品出货前必须要进行的工作。,极限情况下的试验是指在研制过程中，一台样机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟雾等试验，以保证其对环境的适应性。,软件 采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。,在仪器设计过程中，应考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。 智能仪器还应有很好的可维护性，为此，仪器结构要规范化、模块化，并配有现场故障诊断程序。,3便于操作和维护,4仪器工艺结构与造型设计要求,首先要依据仪器工作环境

3、条件，是否需要防水、防尘、防爆密封，是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构； 仪器的造型设计亦极为重要。总体结构的安排、部件间的连接关系、面板的美化等都必须认真考虑。,二、智能仪器的设计原则,1、从整体到局部(自顶向下)的设计原则 提出仪器设计的总任务，并绘制硬件和软件总框图(总体设计)。 将任务分解成一批可独立表征的子任务 这些低级子任务可采用某些通用模块，并可作为单独的实体进行设计和调试，从而能够以最低的难度和最高的可靠性组成高一级的模块。,2.较高的性能价格比原则,智能仪器的造价，取决于研制成本、生产成本、使用成本。 样机开发主要的花费在于系统设计、调试和软件开发。 样机投入

4、生产时，生产数量越大，每台产品的平均研制费就越低，生产成本就成为仪器造价的主要因素。显然，仪器硬件成本对产品的生产成本有很大影响。 使用成本，即仪器使用期间的维护费、备件费、运转费、管理费、培训费等。,设计时不应盲目追求复杂、高级的方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单成熟的方案，意味着元器件少，开发、调试、生产方便，可靠性高。,3组合化与开放式设计原则,在科学技术飞速发展的今天，设计智能仪器系统面临三个突出的问题： (1)产品更新换代太快； (2)市场竞争日趋激烈； (3)如何满足用户不同层次和不断变化的要求。 在电子工业和计算机工业中推行一种不同于传统设计思想的所谓“开放系统”的设

5、计思想。,“开放系统”的设计思想,在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术机会的余地； 向系统的不同配套档次开放，在经营上兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社会的公共参与，为发挥各方面厂商的积极性创造条件； 向用户不断变化的特殊要求开放，在服务上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等等。,开放式系统设计的具体方法,基于国际上流行的工业标准微机总线结构，针对不同的用户系统要求，选用相应的有关功能模块组合成最终用户的应用系统。,三、智能仪器的研制步骤,确定设计任务并拟定设计 方案,硬件和软件研制,软硬件综合调试 整机性能测试和评估,三 个 阶 段,1、确定设计任务、拟定设计方

6、案,仪器设计任务书,主要内容 ： a.仪器名称、用途、特点 b.主要技术指标 ; c. 仪器应具备的功能； d仪器的成本预算； e完成期限等。 如果是自主开发产品，应附有市场调研和可行性论证；如果是委托开发，则应与委托方讨论拟制的需求任务书是否满足对方需求。,拟定设计方案,主要内容： 1.技术路线或设计途径； 2.系统体系结构或系统的构成； 3.核心器件选型和加工技术 4.软件平台和开发语言 5.测试条件和测试方法 6.验收标准等,2硬件、软件研制阶段,硬件研制： 采用功能强的芯片以简化电路（选型设计） 修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地 自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路 硬件抗于扰

7、措施 线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排等问题，必须考虑到安装、调试和维修的方便。,如单片机选型： 1.可靠性和抗干扰能力强：Motorola的MC68XX/MC68XXX系列 2.功耗或工作电源有要求：microchip的PIC系列 3.技术支持较好的：MCS-51、PCI 系列和MSP430 4.基于性价比选择：ADI公司的ADuc8xx等CYGNAL公司的C8051系列、TI公司的MSC121X系列,外扩存储器选型设计： 一般不考虑外扩，采用集成了存储器的单片机；如果一定要选用，坚持宁大勿小的原则，一般程序存储器选择28C256/29C256/29C512等FLASHROM 数据S

8、RAM一般选62256，数据E2PROM选24C01/02/04/./256系列,外扩ADC选型设计： 一般选用带SPI/I2C总线的ADC芯片，如TI公司的TLC2543，TLV2543/4/8，ADI公司的AD770X/771X系列，MAXIM公司的MAX1245/6/7,MAX1270/1等。,输入、输出线的扩展 使用74LS244/245扩展输入接口，74LS377/373扩展输出接口；还可以用8155、8255等；较流行的是CPLD器件实现。,最小系统设计： 1）基于8031的最小系统,基于89C51的最小系统,基于ADuC812的最小系统 内部集成了RAM、ROM、片上SRAM、A

9、DC、DAC等，再通过扩展基本的人机接口，可以作为数据采集系统、多路数据巡检仪、温度控制器、工业顺序控制器、电脑时钟、家电控制器等,典型单元电路 1)译码电路 译码器主要有74LS138、74LS139、74LS154、CD4028等，译码器输出一般用作IO接口芯片的片选信号,图中Y0-Y7对应的地址空间是：,Y0：B800B8FFH；Y1：B900B9FFH； Y2：BA00BAFFH；Y3：BB00BBFFH； Y4：BC00BCFFH；Y5：BD00BDFFH； Y6：BE00BEFFH；Y7：BF00BFFFH；,通过74LS164每次输出一个字形码，同时控制74LS138的译码器输入

10、端A，B，C的电平状态，即从P10，P11，P12送出相应的电平，译码后使得要显示的对应位数码管共阴极端依次为低电平，即依次选中要显示的位。,典型单元电路 2)简单输入接口扩展电路 常采用74LS244、74LS245、74LS645等进行扩展,3）简单输出接口扩展电路 常采用74LS273、74LS373、74LS573等进行扩展,4）模拟输入滤波电路 a)单级RC滤波电路，适于单端输入方式，R2适于电流/电压转换 b)两级RC滤波电路，适于差动输入方式,5）开关量输入抖动消除电路 利用阻容器件和施密特门电路实现，消除抖动时间由阻容参数决定，对于一般的按键或触点信号，取100K欧和0.1uF

11、即可,6）继电器接口电路,7）SSR接口电路,8）可控硅移相触发接口电路 多用移相触发模块实现，模块以电网相位为同步信号，当改变控制电压大小时，内部产生相对电网180-0度的触发脉冲，通过光电隔离，其输出触发可控硅导通。,9）RS232接口驱动电路 常用芯片有ADM02、MAX232等,10）RS485接口驱动电路 半双工通信，可以在一条串行总线上构成多点通信网络，常用芯片有MAX485、ADM485。 当P20为“1“，发送数据；当P20为“0“，接收数据。,软件设计研制： 软件设计作一个总体规划 程序功能块划分 确定算法 分配系统资源和设计流程图 编写程序 程序调试和纠错以及各部分程序连接

12、及系统总调,程序功能块划分： 1.硬件接口程序：所有与硬件有关的子程序； 2.数据采集程序：直接调用硬件接口子程序对模拟输入、开关量输入、脉冲量、输入等信号进行采集，将结果存储在公共变量，供其他程序存取。 3.数字滤波程序： 4.数据处理程序：标度变换、传感器信号的线性化处理、测量信号的越线报警。 5.实时控制程序：实现PID或其他控制算法、死区控制、输出限幅、控制方式的自动切换。 6.数据输出程序：将算法输出结果送给输出通道，将调用相应硬件接口程序。,7.键值处理程序 8.数据通信程序,3仪器调试及整机性能测试,系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错误，并解决硬件和软件之间的协调问题。,1）功

13、能子函数的调试 通过KEIL C51等模拟调试器，设置相应的入口参数，观测输出参数来进行调试。 已有的子函数或直接引用的子程序不需调试，但需要测试。 2）中断服务程序 类似子函数的调试，不同的是要检查中断的产生，将断点设在中断入口，全速运行程序观察是否产生中断。 按键和显示一般由定时器中断服务子程序完成，如果先调试好按键和显示，可以辅助其他程序的调试，特别是接口的调试，借此可以显示其他程序或接口存在的问题,3）主程序的调试 主程序一般完成单片机的初始化以及循环执行的任务。循环执行的部分任务一般无实时性要求，如键盘键值分析、显示缓存区刷新等，一般通过调用子程序来实现。,性能测试 整机性能测试，需按照设计任务书规定的设计要求拟定一个测试方案，对各项功能和指标进行逐项测试。如果某项指标不符合要求，还得查明原因，作相应调整；直至完全达到设计要求为止。 基于单片机与PC机之间的通信调试要注意在主从多机系统中，每个从机都有惟一的地址和站号，调试通信前，应设置每个系统的地址和通信格式，确保地址惟一，各站的波特率、字符帧格式、数据帧格式和校验格式应完全相同,小结： 1.了解智能仪表设计的基本要求有哪些？ 2.“开放系统”的设计思想 3.智能仪器的研制步骤，硬件调试、软件调试步骤。 4.常用程序模块的划分 5.典型单元电路设计,