智能化测量控制仪表的设计.ppt

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1、第10讲智能仪器的设计设计一台智能仪器时:先按仪器功能要求制定出总体设计方案，并论证方案的正确性，作出初步的评价。然后分别进行硬件和软件的具体设计工作。在硬件设计方面，要选用合适的单片机和其它大规模集成电路，制成功能模板，以满足仪器的各种需要；智能仪器与普通仪器的一个重大区别在于它的性能指标和操作功能的实现，在很大程度上取决于软件的设计。在软件设计方面，包括确定仪器的操作功能、画出仪器监控程序的总体流程、划分功能模块、按模块进行结构化程序设计。由于设计一台仪器要涉及硬件和软件技术，因此设计人员应具有较为广泛的硬件和软件知识和技能

2、，具有良好的技术素质。图1所示为智能仪器的一般设计过程。图1智能仪器的一般设计过程§1智能仪器的总体设计1.从整体到局部(自硕向下)的设计原则在硬件或软件设计时，应遵循从整体到局部也即自项向下的设计原则。它是把复杂的、难处理的问题，分为若干个较简单的、容易处理的问题，再一个个地加以解决。开始时，设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设计的总任务，并绘制硬件和软件总框图。然后将总任务分解成一批可以独立表征的子任务，这些子任务再向下分，直到每个低级的子任务足够简单，可以直接而且容易实现为止。这些低级子任务可用模块方法来实现，可以采用

3、某些通用化的模块(模件)，也可作为单独的实体进行设计和调试。并对它们进行各种试验和改进，直至能够以最低的难度和最大的可靠性组成高一级的模块。将各种模块有机地集合起来便完成了原设计任务。2．经济性要求为了获得较高的性能价格比，设计仪器时不应盲目地追求复杂高级的方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为方案简单意味着元器件少，可靠性高，从而也就比较经济。仪器的造价取决于研制成本和生产成本。研制成本只花费一次，就第一台样机而言，主要的花费在于系统设计、调试和软件研制，样机的硬件成本不是考虑的主要因案。当样机投入生产时，

4、生产数量越大，每台产品的平均研制费用就越低。在这种情况下，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。如果硬件成本比较低，生产量越大，仪器的造价就越低，在市场上就有竞争力(量大优惠)。相反，当仪器产量较小时，研制成本则决定了仪器的造价，在这种情况下，宁可多花费一些硬件开支，也要尽量降低研制经费。在考虑仪器的经济性时，除造价外还应顾及仪器的使用成本，即使用期间的维护费、备件费、运转费、管理费、培训费等，必须综合考虑后才能看出真正的经济效果，从而做出选用方案的正确决策。3．可靠性要求所谓可靠性是指产

5、品在规定的条件厂和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性指标除了可用完成功能的概率表示外，还可用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来表示。对于智能仪器来说，无论在原理上如何先进，在功能上如何全面，在精度上如何高级，如果可靠性差、故障频繁、不能正常运行，则该仪器就没有使用价值，更谈不上生产中的经济效益。因此，在仪器的设计中，对可靠性的考虑应贯穿于每一个环节，采取各种措施提高仪器的可靠性，以保证仪器能长时间地稳定工作。就硬件而言，仪器所用器件质量的优劣和结构工艺是影响可靠性的重要因素，故应合理地选择元、器件和采用极限情况下试

6、验的方法。所谓合理地选择元、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安全量，并对元、器件进行老化和筛选；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、烟雾和其它试验，以证实其对环境的适应性。为了提高仪器的可靠性，还可采用“冗余结构”的方法，即在设计时安排双重结构(主件和备用件)的硬件电路，这样当某部件发生故障时，备用件自动切入，从而保证了仪器的长期连续运行(给存储器加上一个备用电源)。对软件来说，应尽可能地减少故障，采用模块化设计方法，易于编程和调试，可减小故障

7、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。与硬件类似，也要对软件进行各种“应力”试验，例如提高时钟速度、增加中断请求率、子程序的百万次重复等(如程序跑飞现象)，一切可能的参量都必须通过可能的有害于仪器的运行来进行考验。虽然这要付出一定代价，但必须经过这些试验才能证明所设计的仪器是否合适。随着智能仪器在生产中的广泛应用，对仪器可靠性的要求越来越提到重要的位置上来。与此相应，可靠性的评价便不能仅仅停留在定性的概念分析上，而是应该科学地进行定量计算。进行可靠性设计，特别对较复杂的仪器尤为必要。4．操

8、作和维护的要求在仪器的硬件和软件设计时，应当考虑操作方便，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。仪器的控制开关或按钮不能太多、太复杂，操作程序应简单明了，输入输出应用十进制数表示，操作者无需专门训练，便能掌握仪器的使用方法。智能仪器还应有很好的