《智能儀器技術(shù)及應(yīng)用》A卷答案

《智能儀器技術(shù)及應(yīng)用》A卷答案一、簡(jiǎn)答題（每題4分，共20分）1、敘述智能儀器的基本組成、工作原理及發(fā)展趨勢(shì)？答：智能儀器由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分主要包括主機(jī)電路、模擬量輸入/輸出通道、人機(jī)接口電路、通信接口電路。軟件分為監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。如圖為典型智能儀表結(jié)構(gòu)，由三個(gè)層次構(gòu)成…………1’智能儀器的工作原理：\o"傳感器"傳感器獲取被測(cè)量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬\o"開關(guān)"開關(guān)；由\o"單片機(jī)"單片機(jī)逐路選通模擬開關(guān)將各輸入通道的信號(hào)逐一送入程控增益放大器，放大后的信號(hào)經(jīng)a／d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)后送入單片機(jī)中；單片機(jī)根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理（如\o"非線性"非線性校正等）；運(yùn)算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行\(zhòng)o"顯示"顯示和打?。煌瑫r(shí)單片機(jī)把運(yùn)算結(jié)果與存儲(chǔ)于片內(nèi)flashrom（閃速存儲(chǔ)器）或e2prom（電可擦除存貯器）內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算比較后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)（如報(bào)警裝置觸發(fā)、\o"繼電器"繼電器觸點(diǎn)等）。此外，智能儀器還可以與pc機(jī)組成分布式測(cè)控系統(tǒng)，由單片機(jī)作為下位機(jī)采集各種\o"測(cè)量"測(cè)量信號(hào)與數(shù)據(jù)，通過(guò)串行\(zhòng)o"通信"通信將信息傳輸給上位機(jī)——pc機(jī)，由pc機(jī)進(jìn)行全局管理?！?’智能儀器是計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、人工智能等新興技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)的結(jié)合，逐步實(shí)現(xiàn)微型化，多功能化，人工智能化，隨著專用集成電路、個(gè)人儀器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。可以預(yù)料，各種功能的智能儀器在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)廣泛地使用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域?！?’2、影響測(cè)試精度的因素有哪些？答：（1）算法的精度。…………2’（2）程序本身的精度?！?3、提高智能儀器可靠性的方法有哪些？答：提高硬件可靠性：設(shè)計(jì)可靠的系統(tǒng)方案；元器件的合理選擇；篩選；降額使用；可靠電路的設(shè)計(jì)；冗余設(shè)計(jì)；環(huán)境設(shè)計(jì)；人為因素設(shè)計(jì)；儀器可靠性實(shí)驗(yàn)?！?提高軟件可靠性：認(rèn)真地進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)；可靠的程序設(shè)計(jì)方法；程序驗(yàn)證技術(shù)；提高軟件設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)；消除干擾；增加試運(yùn)行時(shí)間?！?’4、常用的數(shù)字濾波算法有哪幾種？各有什么特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合？（1）算術(shù)平均濾波。算術(shù)平均值法適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近作上下波動(dòng)，此時(shí)僅取一個(gè)采樣值作依據(jù)顯然是不準(zhǔn)確的，如壓力、流量、液平面等信號(hào)的測(cè)量。…………1（2）中值濾波。中值濾波對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈沖干擾比較有效。…………1（3）加權(quán)平均濾波。加權(quán)平均值法適用于系統(tǒng)純滯后時(shí)間常數(shù)τ較大、采樣周期較短的過(guò)程，他給不同的相對(duì)采樣時(shí)間得到的采樣值以不同的權(quán)系數(shù)，以便能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度?！?（4）程序判斷濾波。當(dāng)采樣信號(hào)由于隨機(jī)干擾，如大功率用電設(shè)備的啟動(dòng)或停止，造成電流的尖峰干擾或誤檢測(cè)，以及變送器不穩(wěn)定而引起的嚴(yán)重失真等，可采用程序判斷法進(jìn)行濾波?！?5、什么是專家系統(tǒng)，它有哪些類型？具有什么樣的結(jié)構(gòu)？答：專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量的專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過(guò)程，以便解決需要人類專家處理的復(fù)雜問(wèn)題。簡(jiǎn)而言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。根據(jù)專家系統(tǒng)所面對(duì)的不同任務(wù)（領(lǐng)域），可將其劃分為下面幾大類：（1）解釋類；（2）診斷類；（3）監(jiān)控類；（4）預(yù)測(cè)類；（5）規(guī)劃類；（6）設(shè)計(jì)類?！?第二代專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：…………1’二、論述題（每題10分，共20分）1、試述多單片機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)以及它們之間的區(qū)別。答：多單片機(jī)系統(tǒng)指單板（或多板）情況下，多單片機(jī)互聯(lián)通信，交換數(shù)據(jù)，分工協(xié)作完成總體任務(wù)的系統(tǒng)。多單片機(jī)互連形式多種多樣，通信協(xié)議不對(duì)外開放，通信形式與互聯(lián)形式又是密切關(guān)聯(lián)的?！?’計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，就是利用通信設(shè)備和線路將地理位置不同、功能獨(dú)立的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)起來(lái)，以功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，計(jì)算機(jī)是互聯(lián)起來(lái)的，能相互傳遞信息，在一個(gè)區(qū)域乃至全球?qū)崿F(xiàn)資源共享，同時(shí)，各計(jì)算機(jī)又是相互獨(dú)立自治的，可以獨(dú)立自主的進(jìn)行自己的工作。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)建立的主要目的是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源的共享?；ミB的計(jì)算機(jī)是分布在不同的地理位置的多臺(tái)獨(dú)立的“自治計(jì)算機(jī)”。連網(wǎng)的計(jì)算機(jī)既可以為本地用戶提供服務(wù)，也可以為遠(yuǎn)程用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。連網(wǎng)計(jì)算機(jī)之間遵循共同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。…………4’現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成，現(xiàn)場(chǎng)總線用于構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制室、控制系統(tǒng)之間的全分散、全數(shù)字化、智能雙向、多變量、多點(diǎn)、互聯(lián)的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)。通信標(biāo)準(zhǔn)的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設(shè)備間具有互可操作性。功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性。控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性?！?’2、試述相關(guān)流量測(cè)量的原理。答：上圖為理想流體截面上各處的流體是以同一速度，即以流體的的流動(dòng)示意圖，如果暫不考慮流體內(nèi)部存在的粘性阻力及管道內(nèi)壁對(duì)流體的摩擦作用，則可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為，體積平均流速?gòu)慕孛鎍a’流動(dòng)到截面bb’。體積平均流速為顯然，隨著流速的大小不同，流體從截面aa’流動(dòng)到截面bb’所需要的時(shí)間間隔T的長(zhǎng)短也就不一樣。由于截面aa’和bb’紙漿的距離L是已知的，因此，只要能確定時(shí)間間隔T，就可以計(jì)算出流體的體積平均流速于是，流速測(cè)量問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為時(shí)間間隔的測(cè)量問(wèn)題了?！?相關(guān)流量計(jì)的工作原理可以用下圖予以說(shuō)明.上圖用虛線所包圍的，由上、下游傳感器、測(cè)量管道及被測(cè)流體所組成的系統(tǒng)視為一個(gè)信號(hào)系統(tǒng)，且將上游傳感器產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)x(t)作為該系統(tǒng)的的輸入；下游傳感器產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)y(t)作為該系統(tǒng)的輸出。那么，確定流體從截面aa’運(yùn)動(dòng)到截面bb’所需的時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題，就可歸結(jié)為一隨機(jī)信號(hào)通過(guò)給定系統(tǒng)所需時(shí)間的問(wèn)題。由相關(guān)理論可知，將y(t)與x(t)作互相關(guān)運(yùn)算，得到互相關(guān)函數(shù)的圖形。該圖形峰值位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)間位移就是隨機(jī)信號(hào)x(t)在該系統(tǒng)中的傳遞時(shí)間。因此，信號(hào)x(t)在該系統(tǒng)中的傳播速度（通常成為相關(guān)速度）可以按下式計(jì)算：在理想流動(dòng)狀態(tài)下，也就是管道橫截面上各點(diǎn)處流體的速度都相等時(shí)，被測(cè)流體的體積平均流速可以用相關(guān)速度來(lái)表示。即因而，被測(cè)流體的體積流率Q可表示為…………5三、分析題（每題12分，共24分）1、在一個(gè)時(shí)鐘頻率為12MHz的8031系統(tǒng)中接有一片ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器（地址自定），以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單8通道自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)。要求該系統(tǒng)每隔100ms時(shí)間就對(duì)8個(gè)直流電壓源（0～5V）自動(dòng)巡回檢測(cè)一次，測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)存于60H～67H的8個(gè)存儲(chǔ)單元中（定時(shí)采樣可以采用單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器的定時(shí)中斷方法）。試畫出該系統(tǒng)的電路原理圖，并編寫相應(yīng)的控制程序。答：電路圖如下：ADC0809與80C51的接口電路…………6’由電路圖可以知道：1.ADC0809的地址是70FFh2.ADC0809的8個(gè)模擬通道所對(duì)應(yīng)的口地址是78FFh~7FFFh3.采樣的開始，只要對(duì)模擬通道對(duì)應(yīng)的地址寫入一個(gè)數(shù)即啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。4.由P1.0查詢ADC0809的EOC信號(hào)，即可確定轉(zhuǎn)換是否完成5.8個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果依次放入60H～67H存儲(chǔ)單元中org0000hmovr1,#20hmovr2,#8h;channelnumber!movtl0,#0hmovth0,#0b8h;movtmod,#1hclret0setbtr0movscon,#40hmovdptr,#78ffhloop:mova,r2subba,r1jnzloop2movr1,#0hmovdptr,#78ffhmovr1,#0hmovdptr,#78ffhloop1:jnbtf0,loop1clrtf0movtl0,#0hmovth0,#0b8hloop2:movx@dptr,a;startA/Dloop3:jbp1.0,loop3loop4:jnbp1.0,loop4;checkflagmovxa,@dptr;readresultmov@r1,a;saveresultincdph;nextchannelincr1ljmploopend…………6’2、參考下圖所示的微處理機(jī)控制的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。試分析，在軟件控制雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，（1）儀器軟件如何判斷輸入電壓Ui的極性？如何根據(jù)Ui的極性選擇UR的極性？答：在第一次積分結(jié)束時(shí)，可以通過(guò)讀取比較器的輸出狀態(tài)來(lái)判定輸入電壓Ui的極性，如：當(dāng)比較器輸出為高電平，說(shuō)明輸入的電壓為正極性，因此積分器應(yīng)在第T2時(shí)期加入負(fù)基準(zhǔn)電壓，即接通S3；反之，應(yīng)接通S2?！?’（2）儀器軟件如何判斷積分器輸出的過(guò)零點(diǎn)？答：每當(dāng)微處理器的計(jì)數(shù)器加1就檢測(cè)一次積分器輸出是否過(guò)零。…………2’（3）如何體會(huì)軟件程序代替硬件邏輯？以軟件代硬件的優(yōu)點(diǎn)是什么？局限性是什么？答：軟件程序是利用CPU內(nèi)部定時(shí)機(jī)構(gòu)，運(yùn)行軟件編程，循環(huán)執(zhí)行一段程序而產(chǎn)生的等待延時(shí)，主要用于短時(shí)延時(shí)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需增加硬件設(shè)備，只需編制相應(yīng)的延時(shí)程序以備調(diào)用。缺點(diǎn)是CPU執(zhí)行延時(shí)等待時(shí)間增加了CPU的時(shí)間開銷，延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，這種等待開銷越大，降低了CPU的效率，浪費(fèi)CPU的資源。并且，軟件延時(shí)的時(shí)間隨主機(jī)頻率不同而發(fā)生變化，即定時(shí)程序的通用性差。硬件邏輯不占用CPU的時(shí)間，定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，使用靈活。尤其是定時(shí)準(zhǔn)確，定時(shí)時(shí)間不受主機(jī)頻率的影響，定時(shí)程序具有通用性。…………6四、設(shè)計(jì)題（每題18分，共36分）1、以MCS-51（AT89C52）系列單片機(jī)為核心部件，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的多功能溫濕度顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有日歷時(shí)鐘、溫濕度顯示、切換、復(fù)位、校對(duì)、調(diào)整、報(bào)警等功能。答：系統(tǒng)構(gòu)成：本系統(tǒng)基于AT89C52單片機(jī)為核心，用DS18B20溫度傳感器和HS1101電容式濕度傳感器分別測(cè)量環(huán)境溫濕度，使用12MHz的晶振構(gòu)成的震蕩電路作為單片機(jī)的外部時(shí)鐘電路，進(jìn)行時(shí)間的計(jì)時(shí)，6個(gè)七段LED顯示器進(jìn)行時(shí)間、溫度、濕度的顯示，用按鍵進(jìn)行溫濕度、時(shí)間的切換，以及時(shí)間的復(fù)位、校對(duì)、調(diào)整，采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警?！?’硬件電路：(1)DS18B20溫度傳感器電路該型號(hào)的溫度傳感器可以將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并直接與單片機(jī)通信。電路圖如下：…………3’ (2)HS1101濕度傳感器電路濕度的變化可以轉(zhuǎn)化為頻率的變化，濕度越高，頻率越小，外加一個(gè)555定時(shí)器便可以將電容的變化轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率的變化，產(chǎn)生一定頻率的方波，直接與單片機(jī)的定時(shí)器1相連，便可以測(cè)出方波的頻率，進(jìn)而便可以得到濕度值。電路圖如下： …………3’(3)單片機(jī)復(fù)位系統(tǒng)及外部時(shí)鐘電路…………3’ (4)單片機(jī)復(fù)位系統(tǒng)及外部時(shí)鐘電路 …………3’(5)蜂鳴器報(bào)警電路…………3’2、針對(duì)校園存在嚴(yán)重的自行車、電動(dòng)車等車輛的被盜現(xiàn)象，試設(shè)計(jì)一套校園車輛防盜系統(tǒng)，要求成本低、可靠性高、易實(shí)現(xiàn)。答：本系統(tǒng)由ID卡和刷卡器兩部分組成，有自行車的同學(xué)可到相關(guān)部門現(xiàn)場(chǎng)采集個(gè)人照片和自行車照片，有管理人員將其添加到ID卡對(duì)應(yīng)的個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)中，每當(dāng)有人騎自行車出/入校門時(shí)必須到終端刷卡器上刷一次卡，顯示屏幕將顯示完整的個(gè)人信息，這時(shí)可由保安人員來(lái)查看顯示