智能化仪器原理及应用第1章

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1、第1章导论1.1智能仪器概述1.2智能仪器应用实例简介1.3本课程的内容、教学目标及要求思考题与习题1.1智能仪器概述1.1.1智能仪器的发展概况智能仪器是一类新型的、内部装有微处理器或单片机的微机化电子仪器，它是由传统的电子仪器发展而来的，但在结构和内涵上已经发生了本质的变化。回顾电子仪器的发展历程，我们可以发现，从仪器使用的器件来看大致经历了三个阶段，即真空管时代/晶体管时代/集成电路时代。若从仪器的工作原理来看，又可以分为以下几个阶段：第一代，模拟式电子仪器（又称指针式仪器）。这一代仪器应用和处理的信号均为模拟量，如指针式电压表

2、、电流表、功率表及一些通用的测试仪器，均为典型的模拟式仪器。这一代仪器的特点是：体积大、功能简单、精度低、响应速度慢。第二代，数字式电子仪器，如数字电压表、数字式测温仪、数字频率计等。它们的基本工作原理是将待测的模拟信号转换成数字信号并进行测量，测量结果以数字形式输出显示。数字式电子仪器与第一代模拟式电子仪器相比，具有精度高、速度快、读数清晰、直观的特点。其结果既能以数字形式输出显示，还可以通过打印机打印输出。此外，由于数字信号便于远距离传输，因此数字式电子仪器适用于遥测遥控。第三代，智能型仪器。这一代仪器是计算机科学、通信技术、微电子学

3、、数字信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传统电子仪器相结合的产物。智能型仪器的主要特征是仪器内部含有微处理器（或单片机），它具有数据存储、运算和逻辑判断的能力，能根据被测参数的变化自动选择量程，可实现自动校正、自动补偿、自寻故障，以及远距离传输数据、遥测遥控等功能，可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作。也就是说，这种仪器具备了一定的智能，故称为智能仪器。1)硬件结构简单一般要求智能仪器中有大量的I/O口，并且需要有定时或计数功能，有的还需要通信功能，而MCS－51单片机片内具有32根I/O口线、两个16位定时/计数器，还有一个全

4、双工的串行口。这样，在使用MCS－51单片机后可大大简化仪器的硬件结构，降低仪器的造价。2)运算速度高一般仪器仪表均要求在零点几秒内完成一个周期的测量、计算和输出操作，如许多测量仪器都是动态显示的，即要求它们能对测量对象的参数进行实时测量显示。由于人的反应时间一般小于0.5s，故要求在0.5s内完成一次测量显示。如果要求采用多次测量取平均值，则速度要求更高。而不少仪器的计算比较复杂，不仅要求有浮点运算功能，还要求有函数(如正弦函数、开平方等)计算能力，这就对智能仪器中的微处理器的运算能力和运算速度提出了较高的要求。MCS－51单片机的时

5、钟可达12MHz，大多数运算指令执行时间仅1μs，并具有硬件乘法、除法指令，运算速度很高。3)控制功能强智能仪器的测量过程和各种测量电路均由单片机来控制，一般情况下这些控制端都是一根I/O线。由于MCS－51单片机具有布尔处理功能，包括一整套位处理指令、位控制转移指令和位控制I/O功能，这使得它特别适用于仪器仪表的控制。智能仪器一般是指采用了微处理器（或单片机）的电子仪器。由智能仪器的基本组成可知，在物理结构上，微型计算机包含于电子仪器中，微处理器及其支持部件是智能仪器的一个组成部分；但是从计算机的角度来看，测试电路与键盘、通信接口及显

6、示器等部件一样，可看作是计算机的一种外围设备。因此，智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它主要由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量（或开关量）输入输出通道、人—机联系部件与接口电路、串行或并行数据通信接口等，其组成结构如图1-1所示。图1-1智能仪器硬件组成框图智能仪器的主体部分是由单片机及其扩展电路（程序存储器EPROM、数据存储器RAM及输入输出接口等）组成的。主机电路是智能仪器区别于传统仪器的核心部件，用于存储程序、数据，执行程序并进行各种运算、数据处理和实现各种控制功能。输入电路和A/D转换接口构成了

7、输入通道；而D/A转换接口及驱动电路则构成了输出通道；键盘输入接口、显示器接口及打印机接口等用于沟通操作者与智能仪器之间的联系，属于人—机接口部件；通信接口则用来实现智能仪器与其他仪器或设备交换数据和信息。智能仪器的软件包括监控程序和接口管理程序两部分。其中，监控程序主要是面向仪器操作面板、键盘和显示器的管理程序。其内容包括：通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数。通过控制I/O接口电路对数据进行采集；对仪器进行预定的设置；对所测试和记录的数据与状态进行各种处理；以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结

8、果等。接口管理程序主要面向通信接口，其作用是接收并分析来自通信接口总线的各种有关信息、操作方式与工作参数的程控操作码，并通过通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果来响应计算机的远程