智能儀器技術(shù)第八章智能儀器設(shè)計方法課件

1、智能儀器第八章 智能儀器設(shè)計方法本章知識點智能儀器設(shè)計方法智能儀器的硬件設(shè)計智能儀器的軟件設(shè)計智能儀器的調(diào)試基本要求熟悉智能儀器的基本設(shè)計思想掌握智能儀器的硬件設(shè)計方法掌握智能儀器軟件構(gòu)成與設(shè)計方法掌握智能儀器的動、靜態(tài)調(diào)試技術(shù)能力培養(yǎng)目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在了解智能儀器設(shè)計思想與流程的基礎(chǔ)上，具備進(jìn)行智能儀器設(shè)計的基本能力。通過智能儀器的硬件設(shè)計流程及微處理器選擇、模塊化軟件設(shè)計方法、系統(tǒng)調(diào)試的方法相關(guān)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的實踐能力。通過動、靜態(tài)調(diào)試及整機(jī)調(diào)試過程的分析，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維與設(shè)計能力，適應(yīng)現(xiàn)代測控儀器發(fā)展的要求。8.2 智能儀器的硬件設(shè)計8.1 智能儀器設(shè)計方法8.

2、4 智能儀器的調(diào)試8.3 智能儀器軟件設(shè)計目錄（1）功能指標(biāo)（2）性能指標(biāo)（3）人性化指標(biāo)（4）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)8.1 智能儀器設(shè)計方法-8.1.1 智能儀器設(shè)計原則1.儀器的設(shè)計指標(biāo)（1）采用從宏觀到微觀，閉環(huán)反饋式的設(shè)計方法。（2）組合化與開放式設(shè)計原則8.1 智能儀器設(shè)計方法-8.1.1 智能儀器設(shè)計原則2.智能儀器的設(shè)計思想8.1 智能儀器設(shè)計方法-8.1.2 智能儀器設(shè)計步驟1.確定任務(wù)、擬定總體方案2.完成總體設(shè)計、選擇確定硬件類型和數(shù)量3.硬件和軟件的研制4.儀器總調(diào)、性能測試階段8.2 智能儀器硬件設(shè)計-8.2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計1.單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）單片機(jī)系統(tǒng)包括基本部分和擴(kuò)

3、展部分（2）信號測量功能模塊是測量對象與單片機(jī)相互聯(lián)系的不可缺少的部分。（3）信號控制功能塊是單片機(jī)與控制對象相互聯(lián)系的重要部分。（4）人機(jī)對話功能模塊包括鍵盤、顯示器（LED、LCD或CRT）打印機(jī)及報警系統(tǒng)等部分。（5）遠(yuǎn)程通訊功能模塊，擔(dān)負(fù)著單片機(jī)間信息交換的功能。8.2 智能儀器硬件設(shè)計-8.2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計2.多微處理機(jī)系統(tǒng)設(shè)計（2）并行分布式結(jié)構(gòu) 并行分布式結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)內(nèi)各微機(jī)之間無固定的主從關(guān)系，例如微機(jī)既可作主處理機(jī)，也可作從處理機(jī)，各微機(jī)之間是對等的關(guān)系，需要時可以互相通信。并行分布式系統(tǒng)，微機(jī)的互連結(jié)構(gòu)有多種，如通用總線連接式、環(huán)型連接式、星形聯(lián)接式、點到點連接式、

4、樹型連接式，還有立方體連接式等。這種互連模式各有其優(yōu)缺點，衡量的標(biāo)準(zhǔn)主要是傳輸能力、延遲時間、通路數(shù)目、故障影響系統(tǒng)的重構(gòu)能力等。8.2 智能儀器硬件設(shè)計-8.2.2 器件的選擇 智能儀器的核心部件包括微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器和可編程邏輯器件，它們對智能儀器的性能指標(biāo)影響很大。在選取智能儀器中的專用單片機(jī)芯片時，80C51系列單片機(jī)是優(yōu)先考慮的機(jī)種。在設(shè)計時只要根據(jù)所選擇的單片機(jī)存取數(shù)據(jù)的時間和儀器存儲程序和數(shù)據(jù)的容量來選擇存儲器。8.3 智能儀器軟件設(shè)計 智能儀器的核心部件包括微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器和可編程邏輯器件，它們對智能儀器的性能指標(biāo)影響很大。在選取智能儀器中的專用單片機(jī)芯片時，80C5

5、1系列單片機(jī)是優(yōu)先考慮的機(jī)種。在設(shè)計時只要根據(jù)所選擇的單片機(jī)存取數(shù)據(jù)的時間和儀器存儲程序和數(shù)據(jù)的容量來選擇存儲器。8.3 智能儀器軟件設(shè)計-8.3.1 軟件設(shè)計方法結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法的核心是“一個模塊只有一個入口，也只有一個出口”。1. 結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法圖8-5 同一程序的兩種結(jié)構(gòu)8.3 智能儀器軟件設(shè)計-8.3.1 軟件設(shè)計方法2. 模塊化程序結(jié)構(gòu) 模塊化程序設(shè)計是把一個長的復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)分成若干個模塊，以便分別進(jìn)行獨立設(shè)計、編程、測試查錯工作，最終配置在一起，由主模塊控制。由于每個模塊在邏輯復(fù)雜性上都相對簡化，程序縮小，又可分散給各個程序員分別設(shè)計，因而可以顯著地簡化程序設(shè)計，提高編程效率，便于

6、利用成熟的軟件包。3. 層次模塊程序結(jié)構(gòu)8.3 智能儀器軟件設(shè)計-8.3.2軟件構(gòu)成與設(shè)計圖8-10 智能儀器系統(tǒng)軟件組成框圖8.3 智能儀器軟件設(shè)計-8.3.2軟件構(gòu)成與設(shè)計1.監(jiān)控主程序8.3 智能儀器軟件設(shè)計-8.3.2軟件構(gòu)成與設(shè)計2.鍵盤管理8.3 智能儀器軟件設(shè)計-8.3.2軟件構(gòu)成與設(shè)計3.中斷管理及處理（1）必須暫時保護(hù)程序計數(shù)器的內(nèi)容，以便使CPU在需要時能回到它產(chǎn)生中斷時所處的狀態(tài)。（2）將中斷服務(wù)程序的地址送入程序計數(shù)器。這個服務(wù)程序能準(zhǔn)確地完成引起中斷的設(shè)備所要求的操作（3）在中斷服務(wù)程序開始時，必須將服務(wù)程序需要使用的CPU寄存器(如累加器、標(biāo)志寄存器、專用的暫存器等

7、)內(nèi)容暫時保護(hù)起來，并在服務(wù)程序結(jié)束時再恢復(fù)其內(nèi)容。否則，當(dāng)服務(wù)程序由于自身的目的，可能會改變這些寄存器內(nèi)容，那CPU返回到被中斷的程序時就會發(fā)生混亂。（4）對于引起中斷而將INT設(shè)為低電平的設(shè)備，微處理器必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎笽NT再次變?yōu)楦唠娖?。?）如果允許發(fā)生中斷，則須將允許中斷觸發(fā)器再次置位。（6）執(zhí)行完中斷服務(wù)程序時，需恢復(fù)程序計數(shù)器原先保存的內(nèi)容，以便返回到被中斷的程序。8.3 智能儀器軟件設(shè)計-8.3.2軟件構(gòu)成與設(shè)計4.子程序模塊算術(shù)邏輯運算模塊，包括雙精度加/減法、單精度乘/除法、雙精度乘/除法、BCD與二進(jìn)制轉(zhuǎn)換、比較、求極值、搜索等；測量算法模塊，包括數(shù)字濾波、標(biāo)度變換

8、、非線性校正等；過程通道模塊，包括A/D采樣、多通道切換、D/A輸出、開關(guān)量輸入輸出等；控制算法模塊，包括PID算法、串級，比值，純滯后算法、上、下限比較及報警、輸出限幅等；人機(jī)對話模塊，包括鍵盤管理、參數(shù)設(shè)置及修改、顯示管理、打印管理等；實時時鐘模塊8.4 智能儀器的調(diào)試圖8-13 智能儀器調(diào)試流程圖8.4 智能儀器的調(diào)試8.4.1智能儀器調(diào)試方法1、常見硬件故障（1）線路錯誤（2）元器件失效（3）可靠性差 (4) 電源故障2、硬件電路的調(diào)試故障（1）線路、器件連接檢查（2）電位檢查（3）信號輸入測試3、常見軟件故障（1） 程序失控（2） 中斷錯誤（3） 輸入輸出錯誤8.4 智能儀器的調(diào)試8

9、.4.2智能儀器硬件調(diào)試1. 靜態(tài)測試（1）在儀器加電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電氣原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查儀器線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應(yīng)特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯誤，并重點檢查擴(kuò)展系統(tǒng)總線（地址總線、 數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互間的短路或與其他信號線的短路，同時要仔細(xì)檢查插件插入的位置和引腳是否正確。 （2）加電后檢查各插件引腳的電位，仔細(xì)測量各點電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機(jī)的插座上的各點的電位，若有高壓，聯(lián)機(jī)時將會損壞仿真器。此外，如果發(fā)現(xiàn)某器件太熱、 冒煙或電流太大等現(xiàn)象，應(yīng)馬上切斷電源，重新查找故障。 為慎重起見，器件的插入可以分批進(jìn)行，逐步插入，以避免大面積損壞器件。 （3）在不加電的情況下，除單片機(jī)以外，插上所有的元器件，用仿真頭將儀器的單片機(jī)插座和仿真器的仿真接口相連， 這樣便為聯(lián)機(jī)調(diào)試作好了準(zhǔn)備。 8.4 智能儀器的調(diào)試8.4.2智能儀器硬件調(diào)試2. 聯(lián)機(jī)仿真器調(diào)試（1） 測試擴(kuò)展RAM存儲器（2） 測試I/O口和I/O設(shè)備（3） 測試晶振和復(fù)位電路8.4 智能儀器的調(diào)試8.4.3智能儀器軟件調(diào)試1. 智能儀器常見軟