智能儀表原理與設計課件

智能儀錶原理與設計

第一章智能儀表原理與設計基礎

一、

智能儀錶原理儀器儀錶概述(Instrument)⑴.定義：對各種變數(shù)（參數(shù)）進行檢測(計量)、計錄、調節(jié)和處理的各種裝置的總稱。（包含了自動化裝置）⑵.感測器(Sensor)區(qū)別(Transducer)

是檢測儀錶的重要組成部分，是資訊獲取的前端。結構：①獨立安裝的，如熱電偶、熱電阻（溫度感測器）；②與儀錶電路一體化的，如壓力變送器；⑶.分類多種分法；如按作用分：測量儀錶（感測器、變送器，――儀、――計、），調節(jié)儀錶，顯示儀錶，執(zhí)行儀錶；1.智能儀錶原理

一、

智能儀錶原理▲

傳統(tǒng)儀錶：性能主要取決於儀錶內部元器件的精密性和穩(wěn)定性，元器件的溫度漂移（包括零點和增益漂移）和時間漂移都會反應到測量結果和儀錶輸出中去。另外，傳統(tǒng)儀錶對其內部故障缺乏診斷和處置能力，往往在故障情況下給出結果，顯然這種結果是不可能正確的?！悄軆x錶原理：應用新的採集技術、處理技術、硬體平臺和人工智慧技術，使儀錶的性能（如精度）、功能、可靠性、可維護性和可測試性都得到了提高。1.智能儀錶原理

一、

智能儀錶原理

工業(yè)自動化儀錶的發(fā)展過程

機械式(基地式)---電動單元組合式(模擬)---微機化(模、數(shù))---智能儀錶（全數(shù)字）

2．智能儀錶產(chǎn)生與發(fā)展模擬式示波器彈簧壓力錶數(shù)字式超聲波探傷儀

一、智能儀錶原理各種智能儀錶的硬、軟體系統(tǒng)差別很大。簡單的只含幾個晶片和少量程式，如井下壓力計、溫度顯示調節(jié)器等；複雜的含大量晶片，豐富的軟體(操作系統(tǒng))和齊全的外設，甚至於使用多個單片機；有的智能儀錶的複雜程度甚至超過通用型個人電腦，如色譜質譜儀。儘管如此，在結構上仍然存在著一些共同之處。

3．智能儀錶的結構與特點井下壓力計溫度顯示調節(jié)器井下壓力計

一、智能儀錶原理精密色譜儀

3．智能儀錶的結構與特點

一、智能儀錶原理如圖為典型智能儀錶結構，由三個層次構成。3．智能儀錶的結構與特點

一、智能儀錶原理

智能儀錶的特點

①可以自動進行量程轉換、零點和增益誤差補償，測量特性的自動校準，按照一定的規(guī)律自動尋找最優(yōu)的演算法參數(shù)，從而極大的提高了儀錶的性能。②按照事先的安排(體現(xiàn)在編制的程式上)可以對儀錶的主要元器件進行自動檢測，對故障進行定位，還可以對故障部分進行隔離或對系統(tǒng)進行重組，大大提高了儀錶的容錯性和可靠性。

③應用模糊識別與模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)路建模與識別、專家系統(tǒng)、多感測器資訊融合處理方法等智能技術。④新工藝，經(jīng)串口或掃描口（JTAG）即可下載和仿真。如：貼片工藝；多層藝；遮罩與防護工藝；ISP與IAP工藝

3．智能儀錶的結構與特點主要內容一、智能儀錶原理

二、設計基礎三、設計原則與設計內容

二、設計基礎⑴．需求分析:

通過需求分析確定智能儀錶任務要求應包括以下幾點①功能要求測量功能：哪些量？有即時線上要求否？什麼輸出形式？（顯示、列印、傳輸、通信……）；控制功能：什麼對象？模型為何？哪些狀態(tài)？需構成什麼系統(tǒng)？（隨動、恒值、串級……控制）；管理功能：操作要求、資料庫要求、列印報表、決策分析、統(tǒng)計分析……。

1.需求分析與方案論證

二、設計基礎

②性能要求

測量範圍測量精度測量靈敏度（解析度）穩(wěn)定性、可靠性要求（MTBF）回應速度動態(tài)特性資料庫流覽（查詢）方式、容量、安全性1.需求分析與方案論證

二、設計基礎③對象特性

輸入輸出關係（傳遞函數(shù)、用戶以往的經(jīng)驗、作法、其他圖紙資料）各變數(shù)的性質（幅度、變化率、分佈性等）生產(chǎn)使用規(guī)律④環(huán)境條件⑤其他:用戶長遠發(fā)展規(guī)劃、擴展、升級的計畫⑥調查研究的結果應形成需求分析報告，以便設計方案。1.需求分析與方案論證

二、設計基礎

⑵.方案論證:

總方案論證包括測量（工作）原理分析、推導，智能儀錶的系統(tǒng)組成說明，總體的硬、軟體結構描述，主要性能、功能的計算、分析和說明等內容。在進行總體方案設計時，既要仔細研究儀錶的功能要求、技術指標、環(huán)境條件等因素，還要與可以達到的技術水準，設備、資金的擁有量，必要的實驗場地，必備的元器件來源，以及投入的人力和規(guī)定的完成時間等條件相比較，在此基礎上確立總體方案的可行性。

1.需求分析與方案論證

二、設計基礎⑴.機型的選擇

首先是指選擇CPU型號，相同CPU內核的單片機很多，根據(jù)性能、資源和熟悉程度選擇

。下表列出幾種常用微處理器和單片機的CPU性能指標。2.機型選擇與嵌入式系統(tǒng)

二、設計基礎

⑵.嵌入式系統(tǒng)（Embeddedsystem）為了區(qū)別於原有的通用電腦系統(tǒng)，人們把嵌入到對象體系中的專用電腦稱為嵌入式電腦系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入性、專用性和計算機系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素。對象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)，如內含嵌入式系統(tǒng)的智能儀錶。

嵌入式系統(tǒng)按其外型分為板級（如嵌入式PC104，PⅢ級嵌入式SBC）和晶片級（如單片機，MCU，SOC），前者主要應用在計算量大，有網(wǎng)路應用或多媒體應用要求的情況，後者主要應用在要求體積小，功耗低，功能相對簡單的情況。嵌入式系統(tǒng)作為電腦技術的兩大分支之一，其發(fā)展方向是更好的嵌入性，更高的可靠性和單晶片化結構，而不是匯流排速度的無限提升，存儲容量的無限擴大。

2.機型選擇與嵌入式系統(tǒng)

二、設計基礎

⑶.微控制器與SOC

單片機(SCM)是尋求最佳單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最初體系結構，走出了與通用電腦完全不同的發(fā)展與應用道路。為了滿足嵌入式應用的進一步要求，微控制器（MCU）在單片機基礎上擴展了各種週邊電路與介面電（CTC,UART,RAM,ROM,I/O），使其測控能力大幅上升。

SOC（systemonchip）是單片機發(fā)展的又一趨勢，是應用系統(tǒng)在晶片上的最大化解決(MCU+AMP+ADC+DAC+WDT+--)。

MCU:8031,89C51,89S51,SST89E;SOC:C8051F00*;AD836(12,24);

2.機型選擇與嵌入式系統(tǒng)

二、設計基礎

匯流排是智能儀錶中單片機與週邊晶片、電路板與電路板、智能儀錶與其它設備之間相互連接的橋樑與紐帶。匯流排有自行定義的非標準匯流排與權威機構規(guī)定的標準匯流排之分。標準匯流排不只是一簇無源導線的簡單彙集，它對於信號根數(shù)、排列方式、連接件形式、信號的名稱、性質及傳送方向、定時關係等都有明確而嚴格的規(guī)定。通常某一標準匯流排規(guī)約需通過相應的邏輯電路或特定的介面晶片來實現(xiàn)。3.匯流排結構

二、設計基礎⑴.內匯流排

用於電腦設備內部板與板之間連接的匯流排稱為內匯流排。智能儀錶根據(jù)需要可採用如下三種內部連接形式。

(1)單板結構結構可以簡化設計、降低成本、縮小佔用的立體空間。必須合理地佈局和走線以減少有害的耦合與發(fā)熱的影響；

(2)多板非標準連接將儀錶按功能劃分為幾種功能模組，每一模組分別設計製版，然後通過自定義匯流排裝配連接。

(3)多板標準匯流排連接

STD,PXI,VXI,PCI,……

當儀錶功能複雜時，為了避免重複開發(fā)設計，宜選用標準匯流排組成的多板結構。3.匯流排結構

二、設計基礎⑵.I2C匯流排

I2C匯流排（InterICbus,積體電路晶片間匯流排）

①I2C匯流排規(guī)範及傳輸協(xié)議

I2C匯流排實際只有兩根信號線，一根是串行數(shù)據(jù)線SDA，由當時發(fā)送數(shù)據(jù)的器件使用，另外一根是串行時鐘線SCL，由當時具有最高優(yōu)先權的主器件佔有。如圖為I2C匯流排數(shù)據(jù)傳送圖。

3.匯流排結構

二、設計基礎⑵.I2C匯流排②.I2C匯流排應用

I2C匯流排的出現(xiàn)對減少連線，縮小線路板的面積，實現(xiàn)硬體電路的模組化等具有重大的意義，為智能儀錶中微機系統(tǒng)，特別是單片機系統(tǒng)的擴展提供了極大的便利。如圖為I2C匯流排典型應用電路原理圖。

3.匯流排結構

二、設計基礎⑵.I2C匯流排

單片機應用系統(tǒng)中採用I2C匯流排技術將帶來以下好處：

①最大限度的簡化了系統(tǒng)結構。二線制I2C串行匯流排使各電路單元之間只需最簡單的連接，可以簡化電路板上的走線，減少電路板面積，提高可靠性並降低系統(tǒng)成本。

②便於實現(xiàn)電路的標準化、模組化；各標準化模組之間採用I2C匯流排相互連接即可。

③採用I2C匯流排標準模組的組合方式可以大大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)週期。

④I2C匯流排各節(jié)點具有獨立的電氣特性，各節(jié)點單元電路可以在相互不受影響的情況下，甚至在系統(tǒng)供電的情況下，接入或撤除。

⑤I2C匯流排系統(tǒng)結構非常靈活，便於系統(tǒng)改型設計，或對已加工好的電路板擴展功能。

⑥I2C匯流排系統(tǒng)可方便地對某一節(jié)點電路進行故障診斷與跟蹤，有極好的可維護性。

3.匯流排結構

二、設計基礎⑶.SPI介面匯流排

串行外設介面匯流排(SPI)：是一種同步串行介面,用於單片機、MCU與各種外設、介面以串行方式進行高速通信、交換資訊。

SPI串行外設介面由四條信號線組成，這四根信號線分別為：時鐘線（CLK）、數(shù)據(jù)輸入線（SDI）、數(shù)據(jù)輸出線（SDO）、片選線（/CS），其中，/CS的有效與否完全由主控制器決定，時鐘信號也由主控制器發(fā)出。

SPI匯流排的使用可以簡化電路設計，省掉了很多常規(guī)電路中的介面器件，提高設計的可靠性。

3.匯流排結構

二、設計基礎⑶.SPI介面匯流排一般通過SPI介面進行數(shù)據(jù)通迅的邏輯時序如圖1.4所示（數(shù)據(jù)讀寫應在上升沿）

3.匯流排結構

二、設計基礎⑶.SPI介面匯流排在某些情況，僅僅依靠上述的四根信號線並不能很好的完成數(shù)據(jù)傳送通信，還可在某些含有SPI介面匯流排設備中另外設置了一根中斷信號線（INT或INT），其主要功能是：在數(shù)據(jù)資訊發(fā)送或接收完成、接收到其他外部網(wǎng)路數(shù)據(jù)資訊以及SPI位元組發(fā)送或接收完成時通知主控制器，以便於主控制器作下一步的處理工作。對於沒有SPI介面的單片機或MCU（如89C51單片機）,可用單片機的I/O口輔以軟體來模擬SPI的操作,包括串行時鐘、數(shù)據(jù)輸入和輸出。

3.匯流排結構

二、設計基礎⑶.SPI介面匯流排對於在SCK的上升沿輸入(接收)數(shù)據(jù)和在下降沿輸出(發(fā)送)數(shù)據(jù)的器件,模擬串行時鐘輸出的I/O口的初始狀態(tài)為1,在允許介面晶片後,其狀態(tài)為0。對於在SCK的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件,則模擬串行時鐘輸出的I/O口的初始狀態(tài)為0,在允許介面晶片後,其狀態(tài)為1。如圖為SPI介面晶片分別與含有和不含有SPI介面的兩種微處理器的連接方式。

3.匯流排結構

二、設計基礎⑶.SPI介面匯流排

SPI介面匯流排可在軟體的控制下構成各種簡單的或複雜的系統(tǒng),如:1個主MCU和幾個從MCU；幾個從MCU相互連接構成多主機系統(tǒng)(分佈式系統(tǒng))；1個主MCU和1個或幾個從I/O設備。在大多數(shù)應用場合中,使用1個MCU作為主機,它控制數(shù)據(jù)向1個或多個從週邊器件的傳送。從週邊器件只能在主機發(fā)命令時才能接收或向主機傳送數(shù)據(jù)。這種典型的SPI介面匯流排系統(tǒng)結構如圖

3.匯流排結構

二、設計基礎⑶.SPI介面匯流排在把SPI與幾種不同的串行I/O晶片相連時,必須用每個晶片的允許控制端，可用MCU的I/O端口輸出線來實現(xiàn)。此時應特別注意這些串行I/O晶片的輸入輸出特性。①.輸入晶片的串行數(shù)據(jù)輸出是否有三態(tài)控制端。平時未選中晶片的輸出端應處於高阻態(tài)。若沒有三態(tài)控制端,應外加三態(tài)門。否則MCU的MISO端只能連接1個輸入晶片。②.輸出晶片的串行數(shù)據(jù)輸入是否有允許控制端。即應該只有在這片晶片允許時,SCK脈衝才把串行數(shù)據(jù)移入該晶片;晶片禁止時,SCK對晶片無影響。若沒有允許控制端,應在外部用門電路對SCK進行控制後,再加到晶片的時鐘輸入端,或者SPI介面匯流排只連接1個晶片,不能再連接其他輸入或輸出晶片。3.匯流排結構

二、設計基礎⑶.SPI介面匯流排對具有SPI介面類型的晶片進行編程時，設計人員一般應注意以下幾個問題：（時序問題）1.SPI介面晶片讀入或送出數(shù)據(jù)發(fā)生在時鐘信號的上升沿或是下降沿？在進行編程時應使數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定後再進行數(shù)據(jù)的讀寫操作；2.數(shù)據(jù)需保持的最低有效時間？避免在SPI介面晶片未完成讀寫數(shù)據(jù)時即進行下一次的操作；3.對於從節(jié)點主動尋求主動節(jié)點服務的介面晶片，應注意SPI介面晶片發(fā)出中斷數(shù)據(jù)請示信號後所需的回應時間，以避免出現(xiàn)SPI介面晶片發(fā)出請示服務信號後長時間處於等待狀態(tài)而致使數(shù)據(jù)資訊丟失等現(xiàn)象的出現(xiàn)。4.在進行數(shù)據(jù)通信時，通信位元組位發(fā)出的順序，確定出通信方式時MSB…LSB方式還是以LSB…MSB的方式進行。3.匯流排結構

二、設計基礎⑷.外匯流排

用於設備與設備之間連接的匯流排稱為外匯流排。與內匯流排相比，外匯流排的標準化尤為重要。在智能儀錶領域最流行的外匯流排有如下幾種：

①

IEEE-488並行介面匯流排

IEEE-488匯流排與IEC-625-II統(tǒng)稱通用目的介面匯流排

②

EIARS-232C串行介面匯流排串行通信傳送速度低，但數(shù)據(jù)線根數(shù)少，EIARS-232C是早些年使用最廣泛的串行通信匯流排，它的信號電壓範圍寬，抗干擾能力較強，聯(lián)絡線功能齊全，並可配用數(shù)據(jù)機，使傳送距離達到數(shù)千公里。

③

RS-422、RS-423、RS-485標準

RS-232傳輸距離短，而且最大數(shù)據(jù)傳輸率也受到限制，因此，EIA公佈了適應遠距離傳輸?shù)腞S-422（平衡傳輸）和RS-423（不平衡傳輸）標準。這兩種標準的特點是採用差分接收器接收信號電壓，從而提高了抗雜訊干擾的能力，獲得較長的傳輸距離和較高的數(shù)據(jù)傳輸率。3.匯流排結構主要內容一、智能儀錶原理

二、設計基礎三、設計原則與設計內容

三、設計原則與設計內容

設計智能儀錶與設計傳統(tǒng)儀錶存在許多差別，智能儀錶內藏微處理器（嵌入式系統(tǒng)）是根本原因。

1.根據(jù)設計對象的要求和實際的約束條件列出詳細的設計目標

2.採用自上而下逐級分解的方法形成子任務

3.硬、軟體協(xié)調優(yōu)化設計方案

4.發(fā)揮技術與設備潛力提高設計品質與開發(fā)速度

5.依照產(chǎn)品化規(guī)模確定部件與器件的級別

6.設計自診斷與異常處理功能提高產(chǎn)品的可維護性

7.針對現(xiàn)場極限條件的防範措施與試運行1.設計原則

三、設計原則與設計內容智能儀錶的設計內容主要包括以下幾點：

⑴．硬體設計⑵．軟體設計⑶．工藝設計⑷．外觀設計(面板,介面)⑸．可靠性設計⑹．測試設計2.設計內容

三、設計原則與設計內容⑴．硬體設計

①.專用微機系統(tǒng)設計

②.人機介面設計（在第二章討論）

③.數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)

（在第三章討論）④.過程控制介面設計

⑤.電源設計2.設計內容

時鐘電路設計複位電路設計記憶體設計

I/O介面設計匯流排驅動設計I/O介面編址I/O介面的控制方式I/O介面晶片

三、設計原則與設計內容

⑵．軟體設計

軟體設計是智能儀錶設計的重要內容之一。軟體設計中，一些基本的要求和基本的方法是大家公認的。這裏就幾個主要方面加以說明。

①應用程式的基本要求

●可靠性：儘量把錯誤排除在樣機試製階段

●精度:分為演算法的精度,程式本身的精度

●速度：提高程式執(zhí)行速度的基本方法是改進程式設計

●效率：開發(fā)過程中投入的人力和時間的效率，開發(fā)成果的程式的運行效率

●用戶介面：從用戶角度來考慮和安排各種操作與對話功能

●可讀性和可擴展性：可讀性是指程式結構合理、脈絡清晰、易於閱讀和理解；可擴展性則指程式結構標準化、便於修改和擴充。

2.設計內容

三、設計原則與設計內容⑵．軟體設計

②軟體設計的基本方法--結構化程式設計

結構化編程方法的實施包括如下三個步驟：

ⅰ自上而下的分層設計

ⅱ

模組化編程：(如下圖為同一程式的兩種結構形式)ⅲ結構化編程：三種基本結構2.設計內容順序結構條件結構迴圈結構

三、設計原則與設計內容⑵．軟體設計

②軟體設計的基本方法--結構化程式設計

ⅲ結構化編程：三種基本結構(如下圖)2.設計內容

三、設計原則與設計內容

硬體設計與軟體設計是智能儀錶產(chǎn)品設計的基本內容，其大致設計步驟如下圖所示。圖中的虛線所示為可能出現(xiàn)的迴圈設計過程。

3.產(chǎn)品設計步驟

三、設計原則與設計內容3.產(chǎn)品設計步驟第二章人機介面的設計

人機介面的設計

智能儀錶通過人機介面與系統(tǒng)操作者進行資訊交換和傳輸。人機介面由輸入、輸出設備和相應的連接與控制硬、軟體組成，在實現(xiàn)最基本的資訊交換功能的同時，人機介面在很大程度上也決定了儀錶的可操作性和外觀性能，其相關的程式通常是智能儀錶監(jiān)控程序的主體。

主要內容一、開關及介面二、按鍵、鍵盤及介面三、LED顯示器及介面四、鍵盤、顯示器介面設計五、液晶顯示器(LCD)及其介面

一、開關及介面

開關在智能儀錶中被用來設置工作狀態(tài)和命令，以便選擇不同的功能。開關只有“斷開”與“閉合”兩種穩(wěn)定（由機械保證）的.下圖為一些常用開關的例子。

1.開關的基本形式

一、開關及介面通過簡單的電路可將這兩種狀態(tài)轉換為邏輯電平的“0”與“1”，從而在介面電路的控制下被CPU所檢測。圖2.1是一個簡單的開關介面電路，開關的狀態(tài)直接與I/O端口連接。圖2.2的一些開關的狀態(tài)則通過三態(tài)緩衝器再與微機的匯流排相連接。

1.開關的基本形式

一、開關及介面

互鎖式開關可看作是多個開關的組合，但在任何時刻僅僅只有一個開關閉合或全部斷開，按動某一開關閉合時，則互鎖作用將使原處於閉合的開關斷開。互鎖式開關的外部結構通常為琴鍵式或波段旋鈕式的結構，前者可自由地從一個位置切換到另一個位置;而後者則只能按旋轉方向順序選擇，且有暫態(tài)選擇輸出，在軟體處理上應加以注意?；ユi式開關多用於控制程式流向，完成不同功能的選擇。圖2.3所示的是互鎖式開關的一個應用實例。

2.互鎖式開關

一、開關及介面數(shù)字撥碼盤是一種數(shù)據(jù)輸入器件，其外型如圖2.4(a)所示，在圓形輪盤上標有0～9十個數(shù)字;按動一次“+”按鈕，輪盤轉動，數(shù)字加1，按動一次“-”按鈕則數(shù)字減1;數(shù)字撥碼盤的內部是一個8、4、2、1碼的四位組合開關，其電路可等效為圖2.4(b)所示的四位開關組合，但開關的閉合狀態(tài)則以BCD碼對應於輪盤所顯示的數(shù)字。在圖2.4(b)中，若以1表示開關閉合，0表示斷開，則撥出數(shù)字5所對應的開關S3、S2、S1、S0輸出為0101.

3.數(shù)字撥碼盤BCD撥碼盤

一、開關及介面①.無條件方式：在需要開關狀態(tài)資訊時就讀開關狀態(tài)，其他時間的開關狀態(tài)改變，系統(tǒng)不會回應，直到下一次讀開關時才會被檢測到。這種方式不需要額外的軟、硬體開銷，可看作是即時處理。

②.查詢方式：在CPU讀開關狀態(tài)前，給出提示資訊，要求操作者檢查開關設置是否正確或重新設置開關狀態(tài)，操作者在完成開關操作後，回饋給CPU一個開關設定完畢的資訊，CPU再讀開關狀態(tài)。需要顯示輸出設備和軟體的配合。③.中斷方式：若操作者希望系統(tǒng)立即回應對開關的操作，則需要採用中斷方式。在硬體處理上通常要增加一個按鍵以產(chǎn)生中斷信號。

4.開關介面的工作方式主要內容一、開關及介面二、按鍵、鍵盤及介面三、LED顯示器及介面四、鍵盤、顯示器介面設計五、液晶顯示器(LCD)及其介面

二、按鍵、鍵盤及介面

與開關一樣，按鍵也具有“斷開”和“閉合”兩種狀態(tài)，通過介面電路對應於0和1兩個邏輯電平;不同之處在於，按鍵的“閉合”是暫態(tài)，當操作者停止按壓時，按鍵即恢復到“斷開”狀態(tài)，因此，按鍵適用於連續(xù)快速的輸入操作。但按鍵不像開關對輸入的狀態(tài)具有保持作用，按鍵通常與輸出顯示配合使用，利用顯示輸出對按鍵操作給予回饋。另外，開關是各狀態(tài)設置好後再輸入的，而按鍵則是在操作中輸入的（動態(tài)），因此，按鍵需解決抖動和單次鍵入的問題，以協(xié)調操作的機械過程慢與CPU讀入判斷過程快之間的矛盾。

1、按鍵及其介面按鍵鍵盤鍵盤二、按鍵、鍵盤及介面⑴.按鍵的去抖動

按鍵從最初按下到穩(wěn)定接觸要經(jīng)過數(shù)毫秒的抖動過程，按鍵鬆開時也存在同樣的問題，如圖2.5所示。對於高速運行的微機系統(tǒng)，這數(shù)毫秒的抖動將引起多次讀數(shù)的誤動作，因此，按鍵必須進行去抖動處理，去抖動通常有硬體（互鎖）和軟體（延時）兩種方案?，F(xiàn)在基本都用軟體方法。

1、按鍵及其介面二、按鍵、鍵盤及介面⑵.按鍵的單次鍵入操作者按下鍵、觀察到系統(tǒng)回應、再鬆開按鍵的一次按鍵操作過程的時間量為秒級，會造成按鍵單次鍵入而CPU卻多次回應的問題。通常仍採用軟體的方法來解決按鍵單次鍵入的問題，即當CPU測得按鍵按下的信號時，不立即轉入處理程式，而是反復檢測按鍵的狀態(tài)，直到按鍵被鬆開才認為一次按鍵操作有效。圖2.7和圖2.8分別為軟體方式去抖動示意圖和按鍵單次鍵入的程式流程圖。

1、按鍵及其介面二、按鍵、鍵盤及介面⑶.串鍵處理當多個按鍵並列使用時，因操作因素可能將雙鍵或多鍵同時按下，此時程式應考慮對串鍵的處理。對串鍵最簡單的處理是做無效輸入而不予理睬。也可採用雙鍵鎖定的原則，即串鍵時不判斷鍵值，只到按著僅剩的一個鍵時，才判斷鍵值。⑷.按鍵介面的工作形式

對按鍵的處理應具有即時性，CPU處理按鍵的方式可採用中斷或定時查詢的方式。

1、按鍵及其介面二、按鍵、鍵盤及介面⑴.矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤又稱行列式鍵盤，在結構上由m行n列的線構成矩陣，在每個行、列線的空間交叉接點上可跨接一個按鍵，則構成m×n個按鍵的鍵盤。按壓鍵判斷是矩陣式鍵盤的中心問題，通?？蓲裼弥鹦袙呙璺ê涂诰€反轉法進行按壓鍵的判斷。⑵.逐行掃描法圖2.10所示的是4×4鍵盤與MCS-51單片機P1口的介面電路，設P1.0～P1.3為行輸出口線，P1.4～P1.7為列輸入口線(說明:對於矩陣式鍵盤，行、列只是個相對概念，但為了與“逐行掃描法”的名稱對應，我們固定稱掃描輸出為行、狀態(tài)輸入為列)

2、鍵盤及其介面二、按鍵、鍵盤及介面⑶.口線反轉法口線反轉法鍵值判斷快，程式較簡單，但要求與鍵盤矩陣介面的端口為可編程的輸入/輸出端口，在端口設置靈活的單片機系統(tǒng)中，這一要求易於滿足。口線反轉法在智能儀錶中的應用不如逐行掃描法廣泛。圖2.11用口線反轉法的鍵盤電路

2、鍵盤及其介面二、按鍵、鍵盤及介面⑷.鍵盤電路的優(yōu)化

如何在使用統(tǒng)一I/O線數(shù)量和不斷增加硬體的前提下，設計更多的按鍵是硬體工程師不斷追求的目標。如8線準矩陣式鍵盤電路可以比矩陣掃描式鍵盤具有更多的按鍵。⑸.按鍵和鍵盤的具體組成形式

●有可動觸點的（彈性膜片）按鍵

●無可動部件的（導電橡膠）按鍵●觸摸屏

2、鍵盤及其介面主要內容一、開關及介面二、按鍵、鍵盤及介面三、LED顯示器及介面

四、鍵盤、顯示器介面設計五、液晶顯示器(LCD)及其介面

三、LED顯示器及介面

圖2.15(a)所示的是最常見的七段數(shù)碼顯示器的示意圖，顯示器主體由七個條形LED（發(fā)光二極體）組成，分別被稱做a、b、c、d、e、f、g七段，點亮不同的段，可組成數(shù)字0～9和一些英文字母及特殊的符號。一般在右下角還有一圓形LED用於顯示小數(shù)點，稱做dp段（共8段）。在實際應用中，顯示器的每一段都應接一限流電阻，以保護各段對應的LED，限流電阻阻值R可按如下公式計算:Vcc為接入顯示器的驅動電壓；Vd、Id分別是段LED的壓降和工作電流。R取值以適中最好，過大則顯示器亮度不足;過小則Id過大，LED進入發(fā)光的飽和區(qū)，亮度提高不大卻降低了器件的使用壽命。一般每段10mA左右。

1.LED數(shù)碼顯示器三、LED顯示器及介面

●

分類：一般，高亮，超高亮；（現(xiàn)用得較多的是高亮。）

●

在選用LED數(shù)碼顯示器時，有共陰、共陽的極性選擇；（如下圖）

●

還有器件幾何尺寸的選擇，如0.5”

、0.3”、1”等；不同尺寸器件的引腳排列區(qū)別很大；如下圖

●

超大尺寸顯示器內的一段是由多個LED共同組成的，要求的驅動電壓較高。

1.LED顯示器三、LED顯示器及介面

①.數(shù)碼顯示器的段解碼為了在七段顯示器上顯示數(shù)字或字元，需要將數(shù)字或符號轉換為對應的顯示器的LED段碼，這一過程稱段解碼。段解碼有硬體解碼和軟體解碼兩種方法。

●硬體解碼例如CD4511：輸入BCD碼，輸出段碼；

●軟體解碼查表：數(shù)字\符號——段碼字；（PC機字形檔）②.顯示器的驅動形式分為靜態(tài)驅動和動態(tài)驅動兩種形式。

●靜態(tài)驅動：如圖2.16所示的是一個鎖存器（可硬解碼、也可軟解碼）對應一位顯示器的介面形式，稱之為靜態(tài)顯示，只要將顯示資訊送入鎖存器中，顯示器就將持續(xù)顯示該資訊，顯示亮度易於保證，軟體編程也只是外設的寫操作。其缺點是當顯示器位數(shù)較多時，需要較多的鎖存器、限流電阻等硬體，不但成本高，功耗也大。

2、LED數(shù)碼顯示器與CPU的介面三、LED顯示器及介面●靜態(tài)驅動：2、LED數(shù)碼顯示器與CPU的介面三、LED顯示器及介面●

動態(tài)驅動：當顯示器位數(shù)較多時，宜採用動態(tài)顯示驅動方式。動態(tài)顯示的原理是利用人生理上的視覺殘留現(xiàn)象，使各顯示器輪流通電點亮，當每個顯示器點亮的通電頻率在50Hz以上時，人眼就不會感到顯示器的閃動了。如圖2.17所示，通過控制兩鎖存器的內容按一定時序迴圈，可實現(xiàn)動態(tài)顯示。2、LED數(shù)碼顯示器與CPU的介面主要內容一、開關及介面二、按鍵、鍵盤及介面三、LED顯示器及介面四、鍵盤、顯示器介面設計

五、液晶顯示器(LCD)及其介面

四、鍵盤、顯示器介面設計

如圖所示，動態(tài)顯示介面，但掃描要消耗單片機的資源1.由I/O端口支持的鍵盤、顯示器介面電路四、鍵盤、顯示器介面設計⑴.8279晶片簡介圖(a)所示的是8279晶片的引腳圖，該晶片為40腳引線雙列直插式，單+5V供電，可接16個LED顯示器，64個按鍵，自動去抖，可中斷申請。圖(b)所示的為其功能邏輯圖。8279的功能強，應用靈活多樣，相應的控制字和命令較多。2.鍵盤顯示器專用介面晶片8279四、鍵盤、顯示器介面設計⑵.8279晶片的命令格式與命令字

8279晶片內部空間由地址線A0分成兩部分，即命令空間和數(shù)據(jù)空間，A0=1為對命令寄存器操作，寫入的為命令字，讀出的為FIFO狀態(tài)字;A0=0為對數(shù)據(jù)寄存器操作，通過送入不同的控制字，CPU可寫入、讀出顯示RAM數(shù)據(jù)和讀出FIFO的數(shù)據(jù)。⑶.8279晶片應用設計①電路構成圖2.20所示的是由8279構成的鍵盤、顯示器電路與MCS-51介面的實際應用電路圖，電路中有6位LED數(shù)碼顯示器和3×8矩陣鍵盤，所以8279工作在編碼方式，配合外電路3～8解碼器（74HC138）生成硬體形式的鍵盤與顯示器動態(tài)掃描信號。

2.鍵盤顯示器專用介面晶片8279四、鍵盤、顯示器介面設計

2.鍵盤顯示器專用介面晶片82798279構成的鍵盤顯示模組四、鍵盤、顯示器介面設計②.消隱問題

8279的內部時序為動態(tài)顯示提供了消隱信號,在顯示RAM更新數(shù)據(jù)、掃描線切換的時刻，顯示器的顯示內容是不確定的，在這一時刻BD線上輸出為低電平以供消隱（動態(tài)顯示消隱信號）。實踐表明，8279提供的消隱信號必須使用，否則顯示將非常模糊。③.8279晶片應用的程式舉例

8279晶片是比較典型的可編程晶片，在實際使用可編程晶片時，應注意其上電複位的時間可能比CPU複位時間要慢的問題，所以程式中在對8279晶片初始化之前，需一個約10ms的延時。

初始化：工作方式、時鐘設定、清除命令；

隨時控制：先寫（送）命令、再寫（送）數(shù)據(jù)（顯示RAM），先寫（送）命令、再讀（?。?shù)據(jù)（鍵值）；2.鍵盤顯示器專用介面晶片8279四、鍵盤、顯示器介面設計⑴.zlg7289晶片簡介

zlg7289A是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司自行設計的具有SPI串行介面功能的可同時驅動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED管）的智能顯示驅動晶片。該晶片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示﹑鍵盤介面的全部功能。zlg7289A還具有多種控制指令如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。zlg7289A具有片選信號，可方便地實現(xiàn)多於8位的顯示或多於64鍵的鍵盤介面。（內部有89c2051單片機）。特點：●

SPI串行介面，無需週邊元件可直接驅動LED

●各位獨立控制解碼/不解碼及消隱和閃爍屬性

●迴圈左移/迴圈右移指令

●具有段尋址指令，方便控制獨立LED管

●64鍵鍵盤控制器，內含去抖動電路3.鍵盤顯示器專用介面晶片zlg7289四、鍵盤、顯示器介面設計⑵.SPI串行介面zlg7289A採用串行方式與微處理器通訊，串行數(shù)據(jù)從DATA引腳送入晶片，並由CLK端同步。當片選信號變?yōu)榈碗娖结幔珼ATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入zlg7289A的緩衝寄存器。（如圖為串行介面的時序圖）3.鍵盤顯示器專用介面晶片zlg7289四、鍵盤、顯示器介面設計⑵.SPI串行介面

zlg7289A的指令結構有三種類型：①.不帶數(shù)據(jù)的純指令指令的寬度為8個BIT，即微處理器需發(fā)送8個

CLK脈衝。②.帶有數(shù)據(jù)的指令寬度為16個BIT，即微處理器需發(fā)送16個CLK脈沖。③.讀取鍵盤數(shù)據(jù)指令寬度為16個BIT，前8個為微處理器發(fā)送到

zlg7289A的指令，後8個BIT為zlg7289A返回的鍵盤代碼。執(zhí)行此指令時，zlg7289A的DATA端在第9個CLK脈衝的上升沿變?yōu)檩敵鰻顟B(tài)，並與第16個脈衝的下降沿恢復為輸入狀態(tài)，等待接收下一個指令。3.鍵盤顯示器專用介面晶片zlg7289四、鍵盤、顯示器介面設計⑶.應用設計：下圖為zlg7289A的典型應用圖

3.鍵盤顯示器專用介面晶片zlg7289四、鍵盤、顯示器介面設計⑶.應用設計：zlg7289A應連接共陰式數(shù)碼管，應用中，無需用到的數(shù)碼管和鍵盤可以不連接。如果不用鍵盤，則典型電路中連接到鍵盤的8只10K電阻和8只100K下拉電阻均可以省去。如果使用了鍵盤，則電路中的8只10K電阻和8只100K下拉電阻均不得省略，除非不接數(shù)碼管，否則串入DP及SA-SG連線的8只電阻均不能省去。因為採用迴圈掃描的工作方式，如果採用普通的數(shù)碼管，亮度有可能不夠，採用高亮或超高亮的型號，可以解決這個問題。數(shù)碼管的尺寸，也不宜選的過大，一般字元高度不超過1英寸，如使用大型的數(shù)碼管，應使用適當?shù)尿寗与娐贰lg7289A需要一外接晶體振盪電路供系統(tǒng)工作。其典型值分別為F=16MHz，C=15P，如果晶片無法正常工作，請首先檢查此振盪電路。在印刷電路板佈線時，所有元件，尤其是振盪電路的元件應儘量靠近zlg7289A，並儘量使電路聯(lián)線最短。注意：如果有2個鍵同時按下，zlg7289A將只能給出其中一個鍵的代碼，因此zlg7289A不適於應用在需要2個或2個以上鍵同時按下的場合。

3.鍵盤顯示器專用介面晶片zlg7289四、鍵盤、顯示器介面設計⑷.介面程式：下麵給出PHILIPS公司的P87LPC762與zlg7289A連接的介面實例。程式所完成的功能為等待鍵盤輸入，然後將所讀到的鍵盤碼轉換成十進位後，送回zlg7289A顯示，同時將前面的顯示內容左移，並使當前按鍵值閃爍。硬體連接如圖2.23所示。P87LPC762無SPI介面，因此用端口進行模擬。

3.鍵盤顯示器專用介面晶片zlg7289主要內容一、開關及介面二、按鍵、鍵盤及介面三、LED顯示器及介面四、鍵盤、顯示器介面設計五、液晶顯示器(LCD)及其介面

液晶顯示器(LCD)及其介面

液晶顯示器(LCD)是一種功耗極低、體積小、重量輕的顯示器件，是袖珍儀錶和低功耗系統(tǒng)中的首選器件。隨著製造技術的發(fā)展，液晶顯示器的性能價格比不斷提高，在智能儀錶中的應用日益廣泛。

五、液晶顯示器(LCD)及其介面液晶顯示器正是利用液晶分子排列結構的可極化性和旋光特性工作的。如圖，器件由偏振方向垂直的上、下偏振片、反光片、上下電極和封於上下電極之間的液晶材料組成。液晶分子平行排列，上下扭轉90，具有旋光效應。常態(tài)下，外部光線通過上偏振片後形成偏振光，該偏振光通過分子平行排列的液晶材料後被旋轉90，就可以通過下偏振片，再被反射回來，器件看起來是“亮”的透明狀態(tài)。反之器件呈“暗”的黑色。根據(jù)需要，將電極做成字段、圖形、或點陣，即可構成段碼式、字元點陣式和圖像點陣式等各種液晶顯示器。

1.液晶顯示器的原理五、液晶顯示器(LCD)及其介面

液晶顯示器以被動的方式進行顯示，需要在外界光線的作用下才能有顯示作用，如果要在光線不足的環(huán)境中使用液晶顯示器，則需採用背光型LCD顯示器，背光型LCD顯示器自身提供背景光源。LCD顯示器的視角相對小一些。選用LCD器件時還應根據(jù)使用的環(huán)境溫度，相應地選擇常溫型、寬溫型、特寬溫型等種類。（如下圖為背光LCD）

1.液晶顯示器的原理五、液晶顯示器(LCD)及其介面段碼式LCD每個字的電極配置與七段數(shù)碼管相似，通常由多位字元構成一塊液晶顯示片，其驅動方式有靜態(tài)驅動和時分割驅動兩種，不同的驅動方式對應不同的電極引線連接方式。⑴.靜態(tài)驅動方式對於段碼式LCD，如果每一個顯示段對應的電極均引出，則應採用靜態(tài)驅動方式，即一個段對應一個驅動器，顯然對於3位半、4位半這類顯示段數(shù)較少的器件，適宜於採用靜態(tài)驅動方式。（如下圖對LCD某一字段進行靜態(tài)驅動的原理圖和波形圖）2.段碼式液晶顯示器五、液晶顯示器(LCD)及其介面圖2.26所示的是採用液晶驅動器件CD4543和CD4054構成的3位半LCD靜態(tài)顯示電路。CD4543是具有鎖存功能的BCD七段解碼液晶驅動電路，用於驅動低三位數(shù)字;CD4054是4位鎖存液晶驅動器，用於驅動高位的1兩段和小數(shù)點;多諧振蕩器CD4047提供液晶驅動必需的方波信號;對於8位寬度的數(shù)據(jù)匯流排，該電路佔用兩個I/O空間，為配合CPU的寫入時序，使用與非門74HC02生成CD4543和CD4054的鎖存脈衝。2.段碼式液晶顯示器五、液晶顯示器(LCD)及其介面⑵.時分割法驅動方式當顯示字段增多時，為減少引出線和驅動電路，需要採用時分割驅動法。時分割驅動方式通常採用電壓平均化法，其占空比有1/2、1/8、1/11、1/16、1/32、1/64等，偏比有1/2、1/3、1/4、1/5、1/7、1/9等。如圖所示的為8位計算器LCD電極引線及1/3偏置時分割驅動波形。2.段碼式液晶顯示器五、液晶顯示器(LCD)及其介面要進行較多資訊的顯示時，可採用字元點陣式。點陣式液晶的電極數(shù)目較多，顯示控制和驅動較為複雜，普通用戶可選用標準化的點陣式LCD模組，這些模組集LCD控制器和驅動器於一體，對用戶來說相當於一個可編程的顯示模組，軟體工作只是送入適當?shù)目刂谱趾惋@示數(shù)據(jù)，其餘的工作由模組內置的控制器完成，該控制器是一個專用的單片機晶片。由此可見，點陣式LCD模組相當於可編程智能模組。（下麵以圖2.28所示的16×2字元點陣式LCD為例介紹對點陣式LCD的應用）3.字元點陣式液晶顯示器及其介面五、液晶顯示器(LCD)及其介面

⑴.圖形顯示原理

圖形點陣式LCD的整個顯示區(qū)域為統(tǒng)一的點陣，用戶可隨意地控制每個點陣的明暗，組成需要的顯示資訊。顯示幕上的像素通過控制器與顯示RAM的數(shù)據(jù)對應，一個像素對應於數(shù)據(jù)的一位，通常約定“1”為顯示，“0”為不顯示，有些控制器晶片已集成了與其控制能力匹配的顯示RAM。（如圖所示的為放大的在左上角顯示字元“A”的螢幕。）4.圖形點陣式液晶顯示器五、液晶顯示器(LCD)及其介面

⑵.曲線顯示和坐標系如下圖所示例子為根據(jù)採集的數(shù)據(jù)顯示其變化曲線的例子，圖形顯示坐標系與屏的物理像素坐標系不一致:

顯示坐標系的縱軸方向與像素的相反;其原點與屏的左邊框和底邊框分別有X0個和Y0個像素的距離(圖中X0=10，Y0=10)，空白處用於標注顯示坐標系或顯示提示資訊。

4.圖形點陣式液晶顯示器五、液晶顯示器(LCD)及其介面

⑵.曲線顯示和坐標系在本例中，顯示坐標系縱軸的最大標注為100，而屏的最大像素座標為63，所以取顯示座標的縱軸單位以2∶1的關係與像素對應，橫軸仍為1∶1的對應關係。則T時刻採樣數(shù)據(jù)Y對應於顯示坐標系的點的位置和顯示數(shù)據(jù)可按如下步驟求得:a求（63-Y0-Y/Ny）/8的商和餘數(shù)，商對應顯示點頁號，餘數(shù)對應顯示數(shù)據(jù)置“1”的數(shù)據(jù)位，Ny是縱軸對應關係。如本例的A點:(63-10-50/2)/8＝4餘6則A點對應的點在第4頁，顯示數(shù)據(jù)40H.b求T/Nx＋X0，其值對應顯示點的列號，即某一頁的顯示RAM地址，Nx是橫軸對應關係。如本例A點:25／1＋10＝35，則A點的顯示數(shù)據(jù)40H應送入第4頁的地址為35的顯示RAM中。4.圖形點陣式液晶顯示器第三章

數(shù)據(jù)采集技術與輸入輸出接口主要內容一、概述二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式

一、概述

1.測量儀錶用於獲取事物變化的資訊，其他儀錶也需要輸入介面；2．應明確資訊、數(shù)據(jù)、信號三者的關係；明確信號採樣，數(shù)據(jù)採集的含義和區(qū)別．數(shù)據(jù)採集卡一、概述3．採樣（數(shù)字）數(shù)據(jù)採集包含模擬信號量化過程。數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在數(shù)值上也是離散的。類似於從總體中抽樣研究分佈，故稱採樣。量化精度取決於最小量化單位，稱為量化當量δ，它是二進位數(shù)碼最低有效位所對應的模擬信號數(shù)值。例如δ=1mV，即數(shù)字量的最低有效位對應於1mV。因此量化當量越小，量化的精度愈高。4．採樣頻率為了不丟失被採樣信號所攜帶的資訊，即時採樣的採樣頻率應滿足採樣定理（香農定理）的要求，當採樣頻率不滿足採樣定理時將產(chǎn)生信號混迭現(xiàn)象，使採樣後波形中增加了額外的低頻成分，造成失真，引起誤差。在工程上採樣頻率應取被採樣信號所含最高頻率的K倍，通常K≥10～20。還應在A/D轉換之前加入抗混迭模擬濾波器AF，濾掉多餘的高頻分量。一、概述

一、概述

(推薦)工業(yè)過程變數(shù)採樣週期：

流量≤0.5s

壓力≤1s

液位≤2s

溫度≤5s一、概述

智能儀錶的數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)硬體由兩部分組成，一是信號的濾波、放大、採樣、保持、轉換部分；二是微機及其介面部分。介面程式的任務為:對接口初始化，確定採樣通道、採樣頻率、中斷方式,啟動A/D,讀取結果,作前期數(shù)據(jù)處理，存入指定單元等；如圖所示。二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計

被測變數(shù)多種多樣，相應的感測器千差萬別，感測器的輸出信號不盡一樣，要搞好信號採集，必須先弄清檢測信號的類型，並針對性地採用性質優(yōu)良的放大器進行信號調理。熱電偶二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計

1．檢測信號的形式

信號種類舉例性質直流電壓/電流

uV,mV熱電偶，赫爾元件，pH計，電磁流量計，心電動勢等醫(yī)用信號，PN結感測器信號等

不適於直接遠距離傳送，多數(shù)需要進行放大處理

nA,uA放射性檢出器，光二極體，光電管等感測器信號

不適於直接長距離傳送，要用同軸電纜與放大器處理

mA過程測量（變送器）與控制用統(tǒng)一信號可以直接長距離傳送V放大器輸出，測速發(fā)電機，電位計式、變壓器式感測器可以直接長距離傳送二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計信號種類舉例性質交流/頻率

直流～數(shù)kHz溫度，壓力，流量，液位等過程檢測信號，用直流電壓表測定的信號數(shù)Hz～數(shù)kHz音響信號、振動測量信號，調製式感測器信號要求寬頻帶頻率特性，防止電力線的感應噪音特定頻率電磁流量計，差動變壓器，民用電源信號，靜電電容式等感測器信號頻帶濾波，同步整流

1．檢測信號的形式

二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計信號種類舉例性質信號源低內阻熱電偶

即使是毫伏級，也可以遠距離傳送

高內阻pH計、電磁流量計、靜電容式檢出器傳送距離有限，要求嚴格遮罩含共模電壓的信號心電計，電磁流量計，熱電偶使用隔離放大器由於通過檢測電路可將交流信號轉變?yōu)橹绷餍盘?，而電流信號也可以在檢測電路中轉換成電壓信號，因此對智能儀錶而言，檢測信號可轉換為直流電壓信號和頻率相位信號兩種。

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．檢測信號的形式

二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計已有信號--------[信號調理]---------ADC接受信號（電壓、電流、頻率、相差）（濾波、放大、整形等）（例如要求0---5V）

一般感測器或檢測電路輸出的直流電壓信號幅值較小，有些甚至很微弱，不適合直接進入A/D轉換器，常常需要先進行放大等處理。

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．檢測信號的形式

所謂數(shù)據(jù)放大器就是一種性能優(yōu)良，適合在數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)中應用的放大器。它應該具有很強的共模抑制能力，很高的輸入阻抗，很好的線性度，很好的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。把弱小的直流電壓信號放大到與A/D轉換器輸入電壓相匹配（例如，把0～40mV的熱電偶信號放大為0～5V的信號），是數(shù)據(jù)採集經(jīng)常會遇到的問題。除了一般通用運算放大器，這裏再簡單介紹一些特殊集成運算放大器。掌握這些放大器的特點，就可以正確選擇集成運算放大器器件，並構成數(shù)據(jù)放大器電路。二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計2、集成運算放大器選擇

溫度漂移係數(shù)（μV/℃，溫度每變化1℃所引起的變化折合到輸入端的電壓漂移信號）是運算放大器的一個重要指標，對於直流電壓放大情況尤其重要。通用運算放大器的溫度漂移係數(shù)一般在10～300μV/℃範圍內。而低溫度漂移運算放大器的溫度漂移係數(shù)僅1μV/℃左右。IMP公司生產(chǎn)的OP系列運算放大器中OP-07是最典型的低溫度漂移運算放大器。OP-07又是超低失調電壓運算放大器，具有極低失調電壓（10μV）和偏置電流（±0.7nA)，其溫度漂移係數(shù)僅為0.2μV/℃左右，長時間的穩(wěn)定指標為0.2μV/每月。二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計(1).超低溫漂放大器（OP07；AD707）2、集成運算放大器選擇

二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計OP-07管腳（與mA741同、符合標準）

OP-07特性參數(shù)

參數(shù)符號OP-07AOP-07～E～C單位說明開環(huán)增益AVD5.0×106

5.0×1065.0×106

4.0×106

倍數(shù)RL≥2KΩ,V0=10V開環(huán)輸出電阻Z0

60606060Ω頻率回應:頻帶BW上升率

SR

0.60.30.60.30.60.30.60.3MHzV/μs放大倍數(shù)=1,RL=10kΩ

二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計

參數(shù)符號OP-07AOP-07～E～C單位說明輸入失調電壓:內部失調VIO

溫漂TCVOS

100.2300.3300.3600.5μVμV/℃長期穩(wěn)定性:VOS/Time0.30.40.50.2μV/月輸入阻抗:差動輸入ZID共模輸入ZIC80200602005016033120MΩMΩ偏置電流IB

±0.7±1.0±1.2±1.8nA輸入雜訊:峰-峰電壓值enp-p0.350.350.35.038μV輸入電壓範圍：共模輸入電壓VICR共模抑制比CMRR±14126±14126±14123±14120VdBVCMVR最大工作溫度範圍:-55～125-55～1250～+700～+70℃二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計(2).測量放大器（INA101、114、118、128；

AD521、621）

測量放大器又稱儀錶放大器、數(shù)據(jù)放大器。工業(yè)過程測量感測器經(jīng)常在很惡劣的環(huán)境下工作，它的兩輸出端難免帶有很大的干擾信號，且多數(shù)為共模干擾信號，例如熱電偶就是如此。如用普通放大器放大這樣的感測器輸出信號，由於共模干擾信號不能直接加到運算放大器的兩個輸入端(+IN和-IN)，放大器對干擾的抑制作用將很弱。測量放大器結構如下頁圖所示。測量放大器的差動輸入端(+IN和-IN)，分別是兩個運算放大器的同相輸入端，因此輸入阻抗很高，由於採用對稱結構且信號直接加到輸入端，因此有很高的抑制共模干擾能力。二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計

測量放大器的運算放大器和連接薄膜電阻均在單一基片上生成，同時還採取了其他一些先進工藝措施（很對稱），使得整個放大器的溫度漂移係數(shù)很低，放大倍數(shù)很穩(wěn)定，可達1000倍。測量放大器

AD521、AD522都是AD公司生產(chǎn)的集成測量放大器，晶片為14腳雙列直插管殼封裝結構，下圖所示的是它們的管腳功能。

二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計INA101和INA128則是BB公司提供的兩種高精度測量放大器，其主要特性指標均超過AD521、AD522.INA101的主要性能指標：溫度漂移係數(shù)±0.25μV/℃失調電壓±25μV非線性≤0.002%雜訊13nV/Hz共模抑制比>106dB輸入阻抗1010Ω工作電流±6.7mAINT101二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計(3).隔離放大器（ISO100系列；AD202,260、277、284、289、290）

來自現(xiàn)場感測器的檢測信號不可避免會夾雜有形形色色的干擾和雜訊。如果能對檢測信號進行放大，又不和感測器產(chǎn)生電的聯(lián)繫，顯然對於消除干擾的影響，提高智能儀錶的可靠性是非常有意義的。

隔離放大器表示方法隔離放大器通過光耦合或磁耦合的辦法實現(xiàn)信號的聯(lián)繫，完成放大的功能，而輸入、輸出電路沒有直接的電耦合，因此可實現(xiàn)電路隔離，故也叫線性隔離器。它的表示符號如左圖所示。放大器分為(A)和(B)兩個獨立供電回路。二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計

隔離放大器一般包括如下四個部分：a高性能差分式輸入、輸出放大器、b調製和解調器、c耦合器、d漂移補償放大器。目前AD公司已生產(chǎn)出幾種型號的隔離放大器，如277、284/286、289、290/292等。下頁圖所示的為277結構示意圖。其輸入回路由精密運算放大器A1組成，其6、8、7腳用於調零，放大器的輸出端引到2腳，供組成各種回饋放大器的外電路使用。3、4腳是輸入放大器的差動輸入端。直流信號經(jīng)放大後由調製器轉變?yōu)榻涣餍盘枺ㄟ^耦合變壓器輸給輸出部分。輸出部分的解調器（相敏式）把輸入信號轉變?yōu)橹绷餍盘?，並經(jīng)濾波後送到輸出放大器A2，在輸出放大器的10和12腳之間串接不同的電阻可得到不同的閉環(huán)增益。13腳的1MΩ電阻用於調零，無須調零時應將它接地。輸出放大器的同相輸入端11腳必須與外接的電源地（16腳）相連。輸入電路部分不需另外設置電源，全由逆變器提供，其交流信號用於調製器，直流穩(wěn)壓輸出電壓（±15V）除供輸入運算放大器用外，還可供感測器使用。二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計放大器的功能引腳和內部結構（磁遮罩）

二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計(4).可編程增益放大器（LH0084；PGA103、PGA203和AD600）

當測量範圍很寬時，感測器輸出信號的變化範圍也可能很大，為了提高低量程靈敏度，不得不將整個測量範圍分成幾段；在多通道檢測系統(tǒng)中，各通道的檢測信號不可能一樣大；要把這些信號放大到與A/D轉換輸入電壓相匹配（例如0～5V)，以往要使用放大倍數(shù)不同的多個放大器。結果使得儀器儀錶的造價上升，結構趨於複雜。二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計

可編程增益放大器的放大倍數(shù)可根據(jù)需要用程式控制進行改變，很容易使各種滿量程信號達到與A/D匹配的要求?？删幊谭糯笃鞯脑砣鐖D所示。通過改變輸入的數(shù)字量，可以改變閉合的開關。這些開關成對動作，每一時刻僅有一對開關接通，以便對稱地產(chǎn)生輸入級的不同的回饋電阻，從而改變放大器的放大倍數(shù)。顯然LH0084可編程增益放大器的基本結構屬於測量放大器的形式。PGA103、PGA203和AD600都是可編程增益放大器積體電路晶片。二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計(5).可編程模擬電路（IMP50E10）指電可編程模擬電路（EPAC-ElectricallyProgrammableAnalogCircuit）。例如IMP50E10就是IMP公司系列產(chǎn)品中的一種，44腳封裝，單電源5V工作，內置許多電可編程功能模組，如多路轉換器、可編程放大器、濾波器、D/A轉換器和驅動器等。可編程功能包括：增益（0.5～10八檔）、極性、偏置、速度、功耗、內部各種連接等。編程在forWindows的AnalogMagicEPAC系列開發(fā)系統(tǒng)上實現(xiàn)，所配置數(shù)據(jù)存放晶片內部的EEPROM中，任何時間一經(jīng)上電，晶片能自動恢復確定的配置。該電路輸入信號電平範圍：VSS-0.2V<VIN<VPP+0.2V，信號帶寬：0～125kHz（濾波器斷開），無須外部元器件，睡眠方式工作電流小於40μA.

二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計除了上述五種特殊的集成運算放大器之外，還有：（1）高速高阻集成運算放大器（例如AD8011頻帶超過340MHz），（2）極低功耗集成運算放大器（例如TLC2245運行電流小於0.01mA），（3）單電源滿幅集成運算放大器等也屬於比一般通用運算放大器性能優(yōu)異的集成運算放大器。

（4）

FPGA等。

二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計

數(shù)據(jù)放大器的性能首先取決於放大器電路原理、結構，也與所選擇的集成運算放大器，以及其他元件的參數(shù)計算和選型有重要關係，因此在設計數(shù)據(jù)放大器的時候應全面進行分析、計算和設計，並運用PSPICE對設計結果進行仿真。3、數(shù)據(jù)放大器的設計二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計例1

下圖所示數(shù)據(jù)放大器用於放大—差動式光電感測器的弱信號，可以消除共模干擾，獲得穩(wěn)定的高增益。由於它不同於測量放大器，因此不能用一個測量放大器晶片，而要選用三個低溫漂的集成運算放大器晶片構成；另外，電路中的電阻Ri與電阻Ri’不僅額定值要一樣，而且應實測配對或選用精密電阻。

二、檢測信號與數(shù)據(jù)放大器設計例2

考慮到AD公司和BB公司的隔離放大器都比較昂貴，也可以用線性光耦設計一種隔離放大器，如下圖所示。放大電路中輸入電路用電源，而輸出電路用VDD電源，兩部分之間無電的連接，全靠線性光耦晶片TLE300通過光的耦合將輸入與輸出信號聯(lián)繫起來，實現(xiàn)1:1的傳輸功能。該電路能滿足大多數(shù)情況下的隔離傳輸與放大要求。

三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式（1）數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)構成：信號調理，採樣保持，ADC，微機介面，程式。

（2）實現(xiàn)方法：單片，多片，SOC（3）技術要求：解析度、精度、速度、抗干擾性能。

三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式

1、多晶片構成數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的幾種形式(1).無採樣保持器共用A/D轉換器的形式直流信號和低頻信號可以不用採樣保持器，但此時輸入模擬信號（電壓）的最大變化率與A/D轉換時間應滿足如下關係：（條件）

式中，tconv為A/D轉換時間；

VFS為A/D轉換器的滿刻度電壓值；

n

為A/D轉換的二進位位數(shù)。當VFS=5V,n=11,tconv=0.1s時，輸入信號的最大變化率不能大於24mV/s。當VFS=5V,n=8,tconv=0.0001s時，輸入信號電壓的最大變化率只要不大於195mV/ms即可。（與解析度的關係）

三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式

因此採集多個過程緩變參數(shù)時，常用多路開關而不帶採樣保持器的系統(tǒng)結構，如下圖所示。如果各路信號不是標準的A/D轉換電壓，可在多路開關後設置一可編程增益放大器。對各路信號進行調整。

無採樣保持器共用ADC的結構形式(2).共用採樣保持器和A/D轉換器的形式三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式這種形式如下圖所示，是結構簡單、價格低廉、應用較多的一種形式。每個通道的採樣時間由多路開關時間，採樣保持器的採樣時間和建立時間，以及A/D轉換器的轉換時間決定。可用下式表示：模擬輸入電壓的最大變化率取決於採樣保持器的斷開時間toff，即三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式

三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式(3).各帶採樣保持器共用A/D轉換器的形式

上述形式的系統(tǒng)無法在同一時刻對各輸入信號進行數(shù)據(jù)採集。當要採集同一時刻的多變量進行運算處理或校正處理時，可採用下圖所示的形式，也就是在每個通道上均設置一個採樣保持器，用同一個控制信號去控制它們在同一時刻進行採樣和保持，即可達到同步數(shù)據(jù)採集的效果。各採樣保持器共用ADC的結構(4).多個A/D轉換器的形式

三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式

某些情況下，所測各變數(shù)變化速率相差甚大，而對緩慢變化信號的A/D轉換解析度要求高，對變化快的要求低，如果多通道共用A/D轉換器，勢必要設置既解析度高，又速度快的器件，這將使得成本大幅度上升。若改成低速高解析度A/D轉換器和高速8位A/D轉換器並用的形式，性能價格比可以顯著提高。

三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式2、單片數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)

將多路開關、放大器、採樣保持器、A/D轉換器以及緩衝介面全集成在一塊晶片上，即構成單片數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)。無疑，它使用起來非常方便。

下頁表列舉了幾種微機相容式單片數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)和混合組裝電路數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的主要特性。MAX197引腳圖

三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式型號提供單位通道數(shù)Ａ／Ｄ轉換解析度秘時間/μs結構其他AD7581AD88數(shù)十CMOS單片28腳雙端口RAM

AD363(AD364)AD16(差分8)125(採集10μs)兩片兩片（32+28）SP8480SIPEX8128(採集2μs)單片28腳採樣速率為100kHz可與微機匯流排連接MAX197MAXIM8126單片28腳有內部基準源和內部時鐘HS9410SIPEX81225單片28腳可單極性或雙極性輸入，可擴展為16路單端輸入DAS1128161210混合組裝模組76×117×9.5mm372腳解析度、傳輸率、輸出碼制、輸入範圍等均可調或選擇

三、數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)的結構形式

AD363(AD364)是由兩片獨立的功能模組組成的數(shù)據(jù)採集系統(tǒng)。其模擬輸入