《智能化仪器原理及应用》课件第7章.pptx
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1、第7章 智能仪器的设计与调试第7章 智能仪器的设计与调试7.1 智能仪器智能仪器设计方法设计方法7.2 智能仪器智能仪器的硬件设计的硬件设计7.3 智能仪器智能仪器的软件设计的软件设计7.4 智能仪器智能仪器的调试方法的调试方法7.5 智能仪器智能仪器常见故障诊断与处理常见故障诊断与处理7.6 实实训项目七训项目七数字示波器的数字示波器的设计设计第7章 智能仪器的设计与调试 7.1 智能仪器设计方法智能仪器设计方法1.功能及技术指标应满足要求功能及技术指标应满足要求在智能仪器设计中,首先应按照要求的仪器功能和技术指标进行总体设计。常见的仪器功能有:输出功能(如显示、打印)、人机对话功能(如键盘
2、的操作管理、屏幕的菜单选择)、通信功能、出错和超限报警功能等。常见的技术指标有:精度(如灵敏度、线性度、基本误差以及环境参数对测量影响等)、被测参数的测量范围、工作环境(如温度、湿度、腐蚀性等)以及稳定性(如连续工作时间)等。第7章 智能仪器的设计与调试2.具有高可靠性具有高可靠性可靠性就是仪器在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。一般用年均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等指标来表示。实践证明,提高仪器可靠性的关键在于提高产品的可靠性设计水平。因此在设计阶段必须充分考虑可靠性问题,在设计方案、元器件选择、工艺过程以及维护性等方面予以全面的考虑,采用成熟的设计技术以及可靠性分析、试
3、验技术,提高产品的固有可靠性。第7章 智能仪器的设计与调试3.便于操作和维护便于操作和维护在仪器设计过程中,应考虑操作方便,尽量降低对操作人员的专业知识要求,以便产品的推广应用。仪器的控制开关或按键不宜太多、太复杂,操作程序应简单明了,输入输出用十进制数表示,从而使操作者无需专门的训练,便能够掌握仪器的使用方法。智能仪器还应有很好的可维护性,为此仪器结构要规范化、模块化,并配有现场故障诊断程序,一旦发生故障,就能保证有效地对故障定位,以便更换相应的模块,使仪器尽快地恢复正常运行。第7章 智能仪器的设计与调试4.仪器工艺及造型设计要求仪器工艺及造型设计要求仪器工艺流程是影响可靠性的重要因素。要依
4、据仪器工作环境条件是否需要防水、防尘、防爆,是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等要求设计工艺流程。仪器的造型设计也极为重要,总体结构的安排、部件间的连接关系以及面板的美化等都必须认真考虑,一般应由结构专业人员设计。第7章 智能仪器的设计与调试7.1.1智能仪器的设计原则智能仪器的设计原则1.从整体到局部(自顶向下)的设计原则从整体到局部(自顶向下)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顶向下的设计原则。它把复杂的、难处理的问题分为若干个较简单的、容易处理的问题,再逐个地加以解决。开始设计时,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,然后将总任务分解成若干个相互独立的子任务
5、。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高的可靠性组成高一级的模块。子任务完成后,将所有模块有机地集合起来,必要时做些调整,即可完成整体设计任务。第7章 智能仪器的设计与调试2.软件、硬件协调原则软件、硬件协调原则智能仪器的某些功能(如逻辑运算、定时、滤波)既可通过硬件实现,也可通过软件完成。硬件和软件各有特点,使用硬件可以提高仪器的工作速度,减轻软件编程任务。但仪器成本增加,结构较复杂,出现故障的机会增
6、多。以往人们在智能仪器设计中,过多地着眼于降低硬件成本,尽量“以软代硬”。随着LSI(LargeScaleIntegration)芯片功能增强、价格下降,这种情况正在发生着变化。哪些设计子任务应该“以硬代软”,哪些应该“以软代硬”,要根据系统的规模、功能、指标和成本等因素综合考虑。一般的原则是,如果仪器的生产批量较大,应该尽可能压缩硬件投入,用“以软代硬”的办法降低生产成本。此外,凡简单的硬件电路能解决的问题不必用复杂的软件取代;反之,简单的软件能完成的任务也不必去设计复杂的硬件。在具体的设计过程中,为了取得满意的结果,硬件与软件的划分需要多次协调和仔细权衡。第7章 智能仪器的设计与调试3.开
7、放式与组合化设计原则开放式与组合化设计原则在科学技术飞速发展的今天,设计智能仪器系统面临三个突出的问题,即产品更新换代快、市场竞争日趋激烈、如何满足用户不同层次和不断变化的要求。针对上述问题,国外近年来在电子工业和计算机工业中推行一种“开放式系统”的设计思想。向未来的VLSI开放,在技术上兼顾今天和明天,既从当前实际可能出发,又留下容纳未来新技术机会的余地;向系统的不同配套档次及用户不断变化的特殊要求开放。设计“开放式系统”的具体方法是,基于国际上流行的工业标准微机总线结构,针对不同的用户系统要求,选用相应的功能模块组成用户应用系统。系统设计者将主要精力放在分析设计目标、确定总体结构、选择系统
8、配件、解决专用软件的开发设计等方面,而不是放在功能模块设计上。第7章 智能仪器的设计与调试开放式体系结构和总线技术的发展,导致了工业测控系统采用组合化设计方法的流行,即针对不同的应用系统要求,选用现成的硬件模块和软件进行组合。组合化设计的基础是软件、硬件功能的模块化。采用组合化设计有以下优点:(1)开发设计周期短。组合化设计采用成熟的软件、硬件产品组合成系统,不需要进行功能模块的设计。因此,相对于传统设计方法,设计简便、设计周期短。(2)结构灵活,便于扩充和更新。使用中,可根据需要更换一些模块或进行局部结构改装来满足不断变化的要求。第7章 智能仪器的设计与调试(3)维修方便快捷。功能模块大量使
9、用LSI和VLSI芯片,在出现故障时,只需要更换IC芯片或功能模块,大大缩短了维修时间。(4)成本低。仪器系统使用的功能模块,一般为批量生产,成本低而且性能稳定,因此组合成的系统成本也较低。第7章 智能仪器的设计与调试7.1.2智能仪器的研制步骤智能仪器的研制步骤设计一台智能仪器的一般过程如图71所示,主要分为三个阶段。第一阶段,确定设计任务,并拟定设计方案;第二阶段,硬件和软件设计;第三阶段,系统调试及性能测试。下面简要介绍各阶段的工作内容和设计任务。第7章 智能仪器的设计与调试图71智能仪器设计的一般过程第7章 智能仪器的设计与调试1.确定设计任务、拟定设计方案确定设计任务、拟定设计方案根
10、据智能仪器最终要实现的目标,编写设计任务书。在设计任务书中,明确仪器应该实现的功能、需要完成的测量任务;被测量的类型、变化范围,输入信号的通道数;测量速度、精度、分辨率、误差;测量结果的输出方式及显示方式;输出接口的设置,如通信接口、打印机接口等。另外,要考虑仪器的内部结构、外形尺寸、面板布置、研制成本、仪器的可靠性、可维护性及性能价格比等。第7章 智能仪器的设计与调试设计任务确定之后,就可以拟定设计方案。设计方案就是对设计任务的具体化。首先根据仪器应该完成的功能、技术指标等,提出几种可能的方案,每个方案,应包括仪器的工作原理、采用的技术、重要元器件的性能等;然后对各方案进行可行性论证,包括对
11、某些重要部分的理论分析、计算及必要的模拟实验;最后再兼顾各方面因素选择其中之一作为仪器的设计方案。在确定仪器总体设计方案时,微处理器的选择非常关键。微处理器是整个仪器的核心部分,应该从功能和性价比等方面认真考虑。第7章 智能仪器的设计与调试当仪器总体方案和选用的微处理器种类确定之后,采用“自顶向下”的设计原则,把仪器划分成若干个便于实现的功能模块。仪器中有些功能模块既可以用硬件实现,也可以用软件实现,设计者应该根据仪器的性能价格比、研制周期等因素对硬件和软件的选择做出合理安排。在对仪器硬件和软件协调之后,作出仪器总体硬件功能框图和软件功能框图。第7章 智能仪器的设计与调试2.硬件和软件的设计硬
12、件和软件的设计在设计过程中,硬件和软件应同步进行。在设计硬件、研制功能模块的同时,即着手进行应用程序的编制。硬件、软件的设计工作要相互配合,充分发挥微机的特长,尽可能地缩短研制周期、提高设计质量。第7章 智能仪器的设计与调试硬件设计的主要工作是根据仪器总体硬件框图设计各单元电路(如输入输出通道、信号调理电路、主机电路、人机接口、通信接口等),并研制相应的功能模块。在功能模块研制完成之后进行组合与装配,即按照硬件框图将各功能模块组合在一起,构成仪器的硬件系统。在硬件设计中还应考虑其他方面的问题。应考虑到将来会出现的修改和扩展,硬件资源需留有足够的余地;为了及时修复仪器出现的故障,需附加有关的监测
13、报警电路;在硬件设计时还需考虑硬件抗干扰措施和是否需要设置RAM的掉电保护措施等;绘制印制电路板时,需注意与机箱、面板的配合,接插件安排等问题。第7章 智能仪器的设计与调试3.系统调试和性能测试系统调试和性能测试在完成仪器系统硬件及软件设计之后,需要进行硬件及软件的调试,硬件和软件调试通过后还要进行硬件和软件的联调。在仪器硬件调试中,一部分硬件电路的调试可以采用某种信号作为激励,通过检查电路能否得到预期的响应来检测电路是否正常。但大多数硬件电路的调试需要微处理器的配合,通常采用的方法是编制一些小的调试程序,分别对各硬件单元电路的功能进行检查。而整机硬件功能需要通过总体软件进行调试。第7章 智能
14、仪器的设计与调试软件调试的方法是先对每一个功能模块进行调试,调试通过后,将各模块连接起来进行总调。由于智能仪器的软件不同于一般的计算机管理软件,它和仪器的硬件是一个密切相关的整体,因此只有在相应的硬件系统中调试,才能最后证明其正确性。硬件及软件分别调试合格后,就要对硬件和软件进行联合调试,即系统调试。系统调试通常利用微机开发系统来实现。系统调试中可能会遇到各种问题,若属于硬件故障,应修改硬件电路的设计;若属于软件问题,应修改相应程序;若属于系统问题,则应对硬件、软件同时给以修改。如此往返,直至合格。第7章 智能仪器的设计与调试在系统调试中,还必须对设计所要求的全部功能及技术指标进行测试和评价,
15、以确定仪器是否达到预定的设计目标,若发现某一功能或指标达不到要求,则应修改硬件或软件,并进行重新调试直至满意为止。设计、研制一台智能仪器大致需要经过上述几个阶段,实际设计时,阶段不一定要划分得非常清楚,视设计内容的特点,有些阶段的工作可以合并进行。第7章 智能仪器的设计与调试7.2智能仪器的硬件设计智能仪器的硬件设计7.2.1硬件体系结构的设计硬件体系结构的设计智能仪器系统硬件体系结构的选择,主要是根据应用系统的规模大小、控制功能性质及其复杂程度、实时响应速度及检测控制精度等专项指标和通用指标决定。首先根据系统规模及可靠性要求考虑,对于普通要求规模较小的应用系统,可采用单机系统;对于高可靠性系
16、统,即使系统规模不大,但为了可靠,也常采用双机系统。第7章 智能仪器的设计与调试1.单机系统结构设计单机系统结构设计用单片机进行适当的扩充接口,即可满足一般智能仪器的需要。单片机技术的发展,在许多方面都展示出它的优越性。其优越性主要表现在:芯片集成度高、可靠性高、芯片种类多,体积、质量小。单片机应用系统中包括单片机系统、信号测量功能模块、信号控制功能模块、人机对话功能模块和远程通信功能模块。其中,单片机系统包括单片机基本系统和扩展部分。单片机系统的扩展包括存储器扩展和接口扩展。第7章 智能仪器的设计与调试单片机应用系统中的信号测量功能模块,是测量对象与单片机相互联系不可缺少的部分,不同传感器输
17、出的信号,经过放大、整形、转换(电流电压转换、模数转换、频率电压转换)后输入单片机,如果要进行巡回检测,还需在信号检测部分装多路选择开关、多路放大器。若使用多个放大器,则各放大器应放在多路选择开关之前;若使用单个放大器,放大器应放在多路选择开关之后,详见4.2.3节电路图49和图410所示。控制信号功能模块是单片机与控制对象相互联系的重要部分。信号控制功能模块由单片机输出的数字量、开关量或频率量转换(模数转换、频率电压转换)后,再由各种驱动回路来驱动相应执行器实现控制功能。人机对话功能模块包括键盘、显示器(LED、LCD或CRT)、打印机及报警系统等部分。第7章 智能仪器的设计与调试为实现它与
18、单片机的接口,采用专用接口芯片或通用串并行接口芯片。远程通信功能模块,担负着单片机间信息交换的功能。在具有多个单片机的应用系统中,各单片机有时相距很远,采用并行通信,投资成本会急剧增加,技术上也不能实现。采用串行通信方式时,可以用单片机的串行接口,也可以使用可编程串行接口芯片。距离较远时,还要增加调制解调器等。另外,传感器、各功能模块和单片机系统要统HJ2mm一考虑,软、硬件要有几套方案进行比较,按经济、技术的要求从中选择最佳方案。各功能模块、单片机系统硬件电路要尽可能选用标准化器件,模块化结构的典型电路要留有余地,以备扩展之用,尽可能采用集成电路,减少接插件相互间连线,降低成本,提高可靠性。
19、此外,要切断来自电源、传感器、测量信号功能模块、控制信号功能模块部分的干扰。硬件、软件设计要合理、可靠、抗干扰、模块化等。第7章 智能仪器的设计与调试2.多微机系统结构设计多微机系统结构设计对于一些大型复杂的测控对象,用一台微机无法实现复杂的任务及对众多的对象进行测控时,可组成多微机仪器系统或网络化仪器系统。多微机系统具有速度快、性能/价格比高、系统可靠,易于扩充和改进等优点。多微机系统从它们相互之间的联系所达到的目的和要求,可以分为两种类型,即计算机局域网和分布式(或集散式)微机测控系统。二者因地域分散的不同,应用目的不同,导致在结构设计上的差异。第7章 智能仪器的设计与调试7.2.2器件的
20、选择器件的选择1.单片机芯片的选择单片机芯片的选择微型计算机是智能仪器的核心器件,它对智能仪器的性能指标影响很大。单片机品种多、特点突出、功能强、体积小、价格便宜,是专供嵌入式应用的微型计算机。目前,我国的单片机应用领域中8位机仍为主流,因此在选取智能仪器中的专用单片机芯片时MCS51系列仍是优先考虑的机种。需要指出的是,随着微控制器(MicroControllerUnit,MCU)及片上系统(SystemonChip,SoC)的推出,8位单片机的功能更强大,可供选择的范围也更大。第7章 智能仪器的设计与调试2.可编程逻辑器件可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice,PL
21、D)包括可编程阵列逻辑(ProgrammableArrayLogicDevice,PAL)、通用阵列逻辑(GenericArrayLogicDevice,GAL)、现场可编程门阵列(FieldProgrammingGateArray,FPGA)以及复杂可编程逻辑器件(ComplicatedProgrammableLogicDevice,CPLD)等。可编程逻辑器件可以实现原来由众多中、小规模集成电路芯片构成的电路系统的功能,且可以重新定义逻辑功能、反复修改电路连接关系。具有集成度高、体积小、保密性强、便于系统调试、电路扩充和修改方便等优点,成为硬件系统(尤其是数字逻辑系统)发展的重要方向。第7
22、章 智能仪器的设计与调试FPGA器件的集成度高,单片等效逻辑门数从1200门到几万门,甚至达到十几万门,并已形成系列化产品。在一片FPGA芯片内,可以组成复杂的逻辑电路系统,代替几十片、上百片现有的中、小规模集成电路(如74LS系列、CD4000系列)芯片。此外,FPGA应用系统的整个设计过程均可采用最先进的电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation,EDA)技术,一次性成功率很高。设计后可以在开发系统上仿真,反复进行修改,反复使用。第7章 智能仪器的设计与调试FPGA内部结构类似门阵列,而逻辑功能的实现又与微处理器相仿,由程序驱动。FPGA器件内部大多不是简单的逻辑
23、门,而是可构造单元,即可构造的逻辑模块。这些逻辑功能模块由芯片内部分布式构造存储器阵列单元中所存储的构造程序控制和驱动。FPGA内部的布线和布局可在现场完成,表现出很大的自由度和灵活性。设计开发FPGA需要专门的开发系统。FPGA开发系统通常包括“逻辑设计”和“物理实现”两大模块。FPGA的开发过程在电路设计和版图设计两个阶段交替进行,可能要反复几次才能完成。一般设计过程如下。第7章 智能仪器的设计与调试(1)设计输入。此阶段的任务是将所设计的电路功能和外部连接关系输入到开发系统中。可以输入利用电子线路设计CAD软件(如AltiumDesigner)绘制的电路原理图,也可以输入用布尔方程描述的
24、电路功能表达式,或用状态机的语言描述。开发系统将这些输入形式转化成相应的网表。目前,VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)在电子工程领域已成为事实上的通用硬件描述语言,主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口,不仅含有许多具有硬件特征的语句,而且与计算机高级语言的描述风格与句法十分类似。第7章 智能仪器的设计与调试(2)设计实现。此阶段将已输入的电路设计映射到FPGA中进行布局和布线,产生构造逻辑单元阵列所需的构造数据位码流。(3)设计验证。此阶段对所设计(已完成布局布线)的FPGA应用系统进行电路模拟
25、验证。电路模拟包括功能模拟和时间模拟,功能模拟用于检查逻辑设计的正确性,不提供时间信息;时间模拟则专门用来检验所设计电路的工作速度。如果验证结果不满足设计要求,需要进一步修改电路设计,修改版图的布局布线。除了上述设计验证之外,一般还需要在实际电路应用中进行实时验证。第7章 智能仪器的设计与调试3.数字信号处理器(数字信号处理器(DSP)在数字通信、语音或图像处理以及智能仪器等领域的信号处理中,常需要进行数字滤波、FFT、相关、卷积等复杂运算。如果用微型计算机软件完成这类运算,将占用微处理器大量时间,不能满足实时处理的要求。由于此类运算大都是由迭代式的乘法和加法运算组合而成,人们设想用专门的数字
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