第6章智能儀器的自動測量和自檢技術(shù)

重點：返回1.儀器的自動校準(zhǔn)3.硬件故障自檢2.儀器的自動測量6.1概述

儀器儀表的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在精度和可靠性兩個方面。

傳統(tǒng)儀器測量結(jié)果的精度只能取決于儀表硬件各部分的精密性和穩(wěn)定性水平。

傳統(tǒng)儀器在其部件有故障時往往也給出測量結(jié)果的顯示值或執(zhí)行控制動作，但并不通知使用者這是個錯誤的結(jié)果。

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（1）自動測量功能智能儀器由于具有儀器的自動校準(zhǔn)、零點自動調(diào)節(jié)、觸發(fā)電平自動調(diào)節(jié)、量程自動轉(zhuǎn)換等功能，極大地提高了儀器的測量精度（2）自檢功能

智能儀器如果發(fā)生了故障，需要能自動進(jìn)行故障的檢測和診斷，并提醒操作人員注意，將影響降低到最低限度，以保證整個系統(tǒng)的安全和可靠運行。數(shù)字式儀器儀表具有的功能優(yōu)勢下頁上頁返回6.2儀器的自動校準(zhǔn)

儀器測量參數(shù)的準(zhǔn)確性受到各種因素的影響，如溫度、濕度等。為保證儀器在預(yù)定精度下正常工作，儀器必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)。傳統(tǒng)儀器校準(zhǔn)通過對已知標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)源直接測量，或通過與更高精度的同類儀器進(jìn)行比較測量來實現(xiàn)。 當(dāng)被校準(zhǔn)儀器的測量存在誤差時，需要手動調(diào)節(jié)儀器內(nèi)部的可調(diào)器件（可調(diào)電阻、可調(diào)電容、可調(diào)電感等），使其示值接近標(biāo)準(zhǔn)值。下頁上頁返回6.2儀器的自動校準(zhǔn)

智能儀器內(nèi)含微處理器，可以自動對所得測試結(jié)果與已知標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，將測量的不確定性進(jìn)行量化，驗證測量儀器是否工作在規(guī)定的指標(biāo)范圍內(nèi)。自動校準(zhǔn)包括

內(nèi)部自動校準(zhǔn)

和

外部自動校準(zhǔn)。下頁上頁返回6.2儀器的自動校準(zhǔn)

一、內(nèi)部自動校準(zhǔn)

內(nèi)部自動校準(zhǔn)技術(shù)利用儀器內(nèi)部的校準(zhǔn)源將各功能、各量程按工作條件調(diào)整到最佳狀態(tài)。當(dāng)在環(huán)境差別較大的情況下工作時，內(nèi)部自動校準(zhǔn)實際上消除了環(huán)境因素對測量準(zhǔn)確度的影響，補償工作環(huán)境的變化、內(nèi)部校準(zhǔn)溫度的變化等。 智能儀器采用內(nèi)部自動校準(zhǔn)技術(shù)，可去掉普通的微調(diào)電位器和微調(diào)電容，所有的內(nèi)部調(diào)節(jié)工作都是通過存儲的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、可調(diào)增益放大器、可變電流源實現(xiàn)。下頁上頁返回內(nèi)部自動校準(zhǔn)1．輸入偏置電流的自動校準(zhǔn)在儀器輸入端連接一個帶有屏蔽的10MΩ電阻盒，輸入偏置電流Ib在該電阻上產(chǎn)生電壓降，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后儲存于非易失性校準(zhǔn)存儲器內(nèi)，作為輸入偏置電流的修正值。在正常測量時，微處理器根據(jù)修正值選出適當(dāng)?shù)臄?shù)字量到D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)輸入偏置電流補償電路產(chǎn)生補償電流Ib′，抵消Ib，消除儀器輸入偏置電流帶來的測量誤差。2．零點漂移自動校準(zhǔn)

將校準(zhǔn)源零輸出接到多用表的輸入端，進(jìn)入零點校準(zhǔn)模式，此時多用表將選定功能的某一量程上的零點漂移測出并存入校準(zhǔn)存儲器，正常測量時，只要從存儲器中提取此參數(shù)，并從讀數(shù)中減去就得到了修正。

零點偏移校準(zhǔn)前后的輸入/輸出特性下頁上頁返回3．增益自動校準(zhǔn)增益自動校準(zhǔn)原理微處理器通過輸出口控制使儀器輸入端接地，啟動一次測量得到測量值N0，此值便是儀器衰減器、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器等模擬部件所產(chǎn)生的零位輸出值N0。微處理器通過輸出口又控制輸入接基準(zhǔn)電壓VR，測得輸出數(shù)據(jù)為NR，將N0、NR存入RAM的確定單元中；使儀器輸入端接被測信號Vx，此時的測量值為Nx，則測量結(jié)果為下頁上頁返回二、外部自動校準(zhǔn)

外部校準(zhǔn)要采用高精度的外部標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行外部校準(zhǔn)期間，板上校準(zhǔn)常數(shù)要參照外部標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整。一些智能儀器只需操作者按下自動校準(zhǔn)的按鍵，儀器顯示屏便提示操作者應(yīng)輸入的標(biāo)準(zhǔn)電壓，操作者按提示要求將相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電壓加到輸入端之后，再按一次鍵，儀器就進(jìn)行一次測量，并將標(biāo)準(zhǔn)量（或標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)）存入到“校準(zhǔn)存儲器”，然后顯示器提示下一個要求輸入的標(biāo)準(zhǔn)電壓值，再重復(fù)上述測量存儲過程。當(dāng)對預(yù)定的校正測量完成之后，校準(zhǔn)程序還能自動計算每兩個校準(zhǔn)點之間的插值公式的系數(shù)，并把這些系數(shù)也存入“校準(zhǔn)存儲器”，這樣就在儀器內(nèi)部固定存儲

了一張校準(zhǔn)表和一張內(nèi)插公式系數(shù)表。在正式測量時，它們將同測量結(jié)果一起形成經(jīng)過修正的準(zhǔn)確測量值。

下頁上頁返回下頁上頁返回6.3儀器的自動測量通過軟件算法實現(xiàn)原來僅靠硬件難以實現(xiàn)的測量功能，并且提高了測量精度和可靠性，同時儀器操作人員省去了大量繁瑣的人工調(diào)節(jié)。包括：觸發(fā)電平自動調(diào)節(jié)和量程自動轉(zhuǎn)換功能。

下頁上頁返回6.3儀器的自動測量一、觸發(fā)電平自動調(diào)節(jié)

觸發(fā)電平自動調(diào)節(jié)原理輸入信號是經(jīng)過可程控衰減器傳輸?shù)奖容^器，而比較器的比較電平(即觸發(fā)電平)是由微處理器控制、經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換值來設(shè)定的。當(dāng)經(jīng)過衰減器的輸入信號的幅度達(dá)到某一比較電平時，比較器輸出將改變狀態(tài)。觸發(fā)檢測器將檢測到的比較器輸出狀態(tài)送到微處理器，觸發(fā)電平即可被測出。下頁上頁返回6.3儀器的自動測量一、觸發(fā)電平自動調(diào)節(jié)

假設(shè)某智能儀器輸入電路有100V、10V和1V三檔量程。粗調(diào)：確定輸入波形所在量程。

編程使微處理器通過輸出口使衰減器置于最高量程100V檔，然后向D/A轉(zhuǎn)換器輸送不同的數(shù)，逐漸調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，再通過觸發(fā)檢測器檢測比較器輸出是否翻轉(zhuǎn)，以此確定輸入波形幅度是否存在于該量程。若不存在則降檔，則到檢測出為止。細(xì)調(diào)：準(zhǔn)確確定觸發(fā)電平。

向D/A轉(zhuǎn)換器輸送較小間隔的數(shù)字量，以較小步進(jìn)值調(diào)節(jié)觸發(fā)電平。

二、量程自動轉(zhuǎn)換

由于智能儀器中A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓通常為0~10V或-5~5V，若直接用傳感器的輸出電壓作為A/D輸入電壓，往往不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的有效位，影響測量精度。量程自動轉(zhuǎn)換：根據(jù)輸入信號大小，在很短時間內(nèi)自動選定最合理的量程。在測量時先選擇合適的量程，然后再進(jìn)行測量。有兩種途徑實現(xiàn)：選用程控放大器和選用不同量程的傳感器。下頁上頁返回二、量程自動轉(zhuǎn)換

1.采用程控放大器

程控放大器量程轉(zhuǎn)換原理圖轉(zhuǎn)換從最大量程開始，逐級比較，直至選出最合適的量程為止。 對幅值小的信號采用大增益，對幅值大的采用小增益，使A/D轉(zhuǎn)換器信號滿量程達(dá)到均一化。

下頁上頁返回示波器基本結(jié)構(gòu)

示波器基本組成框圖

作業(yè)(下周一)下頁上頁返回智能電壓表如圖，程控衰減器分1、0.1兩檔，程控放大器增益分100、1000兩檔，A/D輸入電壓0～5V，分辨率5mV/bit；①該電壓表能顯示的最小和最大電壓值各是多少？電壓表量程可分為幾檔？

10、100、1000②寫出各檔電壓量程范圍并編寫量程切換子程序流程圖。0~0.5V、0~0.05V\0~0.005V程控衰減器程控放大器A/D單片機不同傳感器的量程轉(zhuǎn)換原理圖

2.自動切換不同量程的傳感器1#傳感器的最大量程范圍為M1，2#傳感器的最大量程范圍為M2，且M1>M2，設(shè)它們的滿量程輸出是相同的。測量時，總是1#傳感器先投入工作，2#處于過載保護(hù)狀態(tài)，待軟件判別確認(rèn)量程后，再置標(biāo)志位，選取量程M1或M2。此方案適合傳感器價格便宜的測量儀器。下頁上頁返回6.4硬件故障自檢下頁上頁返回為了提高系統(tǒng)的可靠性，降低故障率，需要對系統(tǒng)本身的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督和檢查，以保證系統(tǒng)的安全和可靠運行。自檢就是自動開始或人為觸發(fā)開始執(zhí)行事先編制好的檢測程序的自我檢驗過程，能對系統(tǒng)出現(xiàn)的軟硬件故障進(jìn)行自動檢測，并且給出相應(yīng)提示（代碼提示、燈光閃爍、聲響報警等）。常見的自檢有開機自檢、周期性自檢和鍵控自檢。6.4硬件故障自檢1．開機自檢

當(dāng)儀器接通電源或復(fù)位后，儀器進(jìn)行一次自檢，在以后的測控過程中不再進(jìn)行。2．周期性自檢大多數(shù)智能儀器在運行過程中，要不斷地、周期性地插入自檢操作。這種自檢完全是自動進(jìn)行的，并且是在測量工作的間歇期間完成的，不干擾正常測控任務(wù)。

3．鍵控自檢有些儀器是在面板上設(shè)置一個自檢按鍵，由操作者控制用來啟動自檢程序。下頁上頁返回當(dāng)程序投入運行之前，檢查其能否正確寫入和讀出數(shù)據(jù)。一般先將檢查字“AAH”寫入RAM單元，然后按所寫的單元地址逐字節(jié)讀出，檢查是否全為“AAH”；再寫入檢查字“55H”，同樣以所寫單元地址逐字節(jié)讀出，檢查是否全為“55H”。檢查字“AAH”和“55H”均為相鄰位電平相反，且“AAH”和“55H”互為反碼。循環(huán)一遍即可實現(xiàn)各位寫“0”、讀“0”和寫“1”、讀“1”的操作。一、RAM的自檢情況一下頁上頁返回RAM的自檢流程一下頁上頁返回Uint32memfill32(Uint32start,Uint32len,Uint32val)//內(nèi)存填充{Uint32i,end=start+len,errorcount=0;/*WritePattern*/for(i=start;i<end;i+=4)*(volatileUint32*)i=val;/*ReadPattern*/for(i=start;i<end;i+=4){if(*(volatileUint32*)i!=val){errorcount++;break;}}returnerrorcount;}256M字節(jié)DDR2內(nèi)存自檢程序Uint32memaddr32(Uint32start,Uint32len){Uint32i;Uint32end=start+len;Uint32errorcount=0;/*WritePattern*/for(i=start;i<end;i+=4){*(volatileUint32*)i=i;}/*ReadPattern*/for(i=start;i<end;i+=4){if(*(volatileUint32*)i!=i){errorcount++;break;}}returnerrorcount;}Uint32meminvaddr32(Uint32start,Uint32len){Uint32i;Uint32end=start+len;Uint32errorcount=0;/*WritePattern*/for(i=start;i<end;i+=4){*(volatileUint32*)i=~i;}/*ReadPattern*/for(i=start;i<end;i+=4){if(*(volatileUint32*)i!=~i){errorcount++;break;}}returnerrorcount;}Uint32memaddr32(Uint32start,Uint32len){Uint32i,end=start+len,errorcount=0;/*WritePattern*/for(i=start;i<end;i+=4) *(volatileUint32*)i=i;/*ReadPattern*/for(i=start;i<end;i+=4){if(*(volatileUint32*)i!=i){errorcount++;break;}}returnerrorcount;}InttestDDR(void){Uint32errors=0,ddr_base,ddr_size;/*--------DataLineTest-------------------*/ddr_base=0x80000000;ddr_size=0x4000000;if(memfill32(ddr_base,ddr_size,0xaaaaaaaa))errors+=0x01;if(memfill32(ddr_base,ddr_size,0x55555555))errors+=0x02;

if(memaddr32(ddr_base,ddr_size))errors+=0x04;returnerrors;}當(dāng)程序投運之后，作為數(shù)據(jù)區(qū)的RAM已存放有一定的信息，檢查程序絕對不能破壞原有的內(nèi)容，因此上述方法已不再適用。情況二可采用“異或”的辦法進(jìn)行檢查，即先從被檢查的RAM單元中讀出信息，求反后再與原單元內(nèi)容進(jìn)行一次異或運算，若其結(jié)果為全“1”，表明該單元工作正常，否則應(yīng)給出錯誤指示。下頁上頁返回下頁上頁返回RAM的自檢流程一二、ROM的自檢校驗和法：將調(diào)試好的程序向ROM中固化時，保留一個單元(一般是程序結(jié)束后的后繼單元)不寫程序而寫入檢驗字。校驗字的狀態(tài)應(yīng)使ROM中每一列具有奇數(shù)(或偶數(shù))個1，從而使校驗和為全“1”(或全“0”)。

ROM地址ROM中內(nèi)容備注011111110

111000110

210101010

301111110

401010101

510001101

600000000

711001011校驗字

11111111校驗和設(shè)計思想ROM自檢數(shù)據(jù)下頁上頁返回ROM的自檢流程下頁上頁返回三、鍵盤與顯示器的自檢

診斷程序進(jìn)行一系列預(yù)定的I/O操作，操作者對這些I/O操作的結(jié)果進(jìn)行驗證，如果一切都與預(yù)定的結(jié)果一致，則認(rèn)為功能正常。如果不能完成某些預(yù)定的I/O操作或有差錯，則應(yīng)對有關(guān)的I/O通道進(jìn)行檢修。下頁上頁返回三、鍵盤與顯示器的自檢

CPU每取得一個按鍵閉合的信號，就反饋一個信息（最常用的反饋信息是聲光輸出），如果反饋信息與預(yù)先設(shè)定的一致，就認(rèn)為功能正常。

如果按下某鍵無反饋信息，往往是該鍵接觸不良；如果按某一排鍵均無反饋信號，則與對應(yīng)的電路或掃描信號有關(guān)；如果所有鍵均無反饋信息，則鍵盤掃描系統(tǒng)已經(jīng)癱瘓或者監(jiān)控程序已被破壞。鍵盤的自檢下頁上頁返回另一種是顯示某些特征字符，一般是控制系統(tǒng)的名稱或代號，持續(xù)一段時間自動消失，進(jìn)入其它初態(tài)或某種操作狀態(tài)。

顯示裝置的檢查方式一讓顯示器的所有字段都發(fā)光，然后再使所有字段都不發(fā)光，以檢查顯示器及相應(yīng)接口電路是否處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)表明工作正常