智能儀器設計基礎

《智能儀器設計基礎》在講述智能儀器工作原理的基礎上，介紹智能儀器的設計方法。主要內容有智能儀器的輸入輸出通道、外設及其控制技術、通信介面等。以提高學生設計能力為目標，介紹智能儀器總體設計、電路設計及實現、軟體設計、抗干擾措施及減少測量誤差的設計方法。《智能儀器設計基礎》介紹智能儀器的一些新技術，理論聯繫實際，實用性強。

《智能儀器設計基礎》是測控技術與儀器、自動化及相關專業本科生教材，也可供測控技術、自動化、電子、電力、機電一體化、計算機應用等領域的工程技術人員參考。

前言

第1章 緒論1

1.1 概述1

1.1.1 儀器儀錶的重要性1

1.1.2 從傳統儀器到智能儀器1

1.2 智能儀器的結構和特點2

1.2.1 智能儀器的結構2

1.2.2 智能儀器的主要特點3

1.3 智能儀器的發展5

1.3.1 智能儀器的發展趨勢5

1.3.2 促進智能儀器發展的新技術6

1.3.3 基於知識的高級智能儀器9

思考題與習題10

第2章 智能儀器中的微處理器11

2.1 智能儀器中微處理器的選擇11

2.2 MCS-51系列單片機11

2.2.1 基本型單片機12

2.2.2 精簡型單片機12

2.2.3 精簡增強型單片機13

2.2.4 高檔型單片機14

2.3 PIC系列單片機15

2.4 68系列單片機17

2.5 MSP-430系列單片機17

2.6 ARM單片機18

2.6.1 AT91系列ARM單片機19

2.6.2 LPC2100/LPC2200系列ARM單片機19

2.6.3 EP系列ARM單片機20

2.6.4 ARM單片機的選擇21

2.6.5 ARM單片機的應用21

2.7 數字信號處理器22

2.7.1 DSP的特點22

2.7.2 TI公司的TMS320系列DSP23

2.7.3 TMS320C2000系列DSP簡介24

2.7.4 DSP在智能儀器中的應用24

思考題與習題25

第3章 數據採集技術26

3.1 概述26

3.2 測量放大器28

3.2.1 基本要求28

3.2.2 通用測量放大器29

3.2.3 可編程測量放大器30

3.2.4 隔離放大器30

3.2.5 放大器的設置31

3.3 模擬多路轉換器MUX33

3.3.1 模擬多路轉換器的功能33

3.3.2 模擬多路轉換器的配置33

3.3.3 常用的半導體多路轉換器晶元34

3.3.4 多路測量通道的串音問題37

3.4 採樣保持電路38

3.4.1 採樣保持器設置原則38

3.4.2 採樣保持器工作原理39

3.4.3 常用採樣保持器晶元40

3.4.4 保持電容器的選擇42

3.5 A/D轉換器（ADC）及其介面設計42

3.5.1 ADC的主要技術指標42

3.5.2 與單片機介面的考慮43

3.5.3 ADC的選擇44

3.5.4 抑制系統誤差的方法45

3.6 逐次逼近型A/D轉換器及其介面47

3.6.1 逐次逼近型A/D轉換器的基本原理47

3.6.2 TLC2543介紹及其與微機的介面47

3.7 雙積分A/D轉換器及其介面53

3.7.1 雙積分A/D轉換器的原理53

3.7.2 ICL7135硬體描述與輸出波形55

3.7.3 ICL7135與MCS-51單片機I/O直接連接介面56

3.8 Σ-Δ型A/D轉換器及其介面59

3.8.1 Σ-Δ型A/D轉換器的工作原理59

3.8.2 Σ-Δ式AD7703介紹62

3.8.3 AD7703與單片機的介面64

3.9 數據採集系統設計66

3.9.1 數據採集系統的特性66

3.9.2 數據採集系統誤差分析67

3.9.3 數據採集系統的誤差分配舉例69

思考題與習題73

第4章 模擬量與控制信號輸出系統74

4.1 概述74

4.1.1 輸出通道的結構74

4.1.2 輸出通道的特點75

4.2 模擬量輸出與介面75

4.2.1 D/A轉換器原理75

4.2.2 技術特性76

4.3 集成DAC及其應用77

4.3.1 DAC的分類77

4.3.2 單片集成DAC舉例77

4.3.3 DAC的應用80

4.4 數字量輸出與介面83

4.4.1 光耦合器及其介面83

4.4.2 繼電器及其介面86

思考題與習題90

第5章 智能儀器外設處理技術92

5.1 鍵盤處理技術92

5.1.1 按鍵類型92

5.1.2 鍵抖動、鍵連擊及串鍵的處理92

5.1.3 鍵盤處理步驟93

5.1.4 鍵盤的組織形式和工作方式94

5.1.5 非編碼鍵盤的處理94

5.1.6 編碼鍵盤的處理98

5.2 LED顯示處理技術98

5.2.1 LED數碼顯示器結構與原理98

5.2.2 硬體解碼與軟體解碼100

5.2.3 靜態顯示與動態顯示100

5.3 通用鍵盤/顯示器介面晶元HD7279A102

5.3.1 引腳功能、串列介面及其電特性102

5.3.2 HD7279A的時序103

5.3.3 HD7279A的控制指令105

5.3.4 HD7279A的應用與注意事項108

5.3.5 HD7279A的介面程序設計實例109

5.4 LCD顯示處理技術111

5.4.1 LCD顯示器結構與原理112

5.4.2 LCD顯示器驅動方式112

5.4.3 段碼式LCD顯示器的靜態和動態驅動介面114

5.4.4 字元點陣式LCD顯示器介面116

5.5 列印處理技術125

5.5.1 點陣式微型印表機的工作原理125

5.5.2 GP-16微型印表機及其應用126

5.6 觸摸屏處理技術129

5.6.1 觸摸屏的結構及特點129

5.6.2 觸摸屏控制器ADS7843132

5.6.3 ADS7843介面方法135

5.6.4 實際應用時應注意的問題136

思考題與習題136

第6章 智能儀器中的通信介面技術138

6.1 數據通信基礎138

6.1.1 數據通信的基礎知識138

6.1.2 差錯控制技術140

6.1.3 通信規程與同步技術141

6.2 串列通信介面143

6.2.1 串列通信基本概念143

6.2.2 RS-232C標準串列介面143

6.2.3 RS-422A與RS-423A標準串列介面146

6.2.4 RS-485標準串列介面147

6.2.5 智能儀器間串列通信實例149

6.3 并行通信介面153

6.3.1 Centronics標準并行介面153

6.3.2 GP-IB（IEEE-488）匯流排153

6.4 USB通用串列匯流排156

6.4.1 USB的特點156

6.4.2 USB的系統描述156

6.4.3 USB匯流排協議157

6.4.4 USB數據流158

6.4.5 USB的容錯性能158

6.4.6 USB設備159

6.4.7 USB系統設置159

6.4.8 USB系統中的主機160

6.4.9 基於USB匯流排的數據採集設備的設計實例160

6.5 其他通信介面技術161

6.5.1 乙太網介面技術161

6.5.2 現場匯流排CAN165

6.5.3 藍牙介面技術166

思考題與習題166

第7章 智能儀器的自檢與抗干擾技術167

7.1 硬體故障的自檢167

7.1.1 自檢方式167

7.1.2 自檢演演算法167

7.1.3 自檢軟體169

7.2 常見干擾源分析171

7.2.1 串模干擾、共模干擾及電源干擾171

7.2.2 數字電路的干擾172

7.3 智能儀器硬體抗干擾技術174

7.3.1 串模干擾的抑制174

7.3.2 共模干擾的抑制176

7.3.3 輸入/輸出通道干擾的抑制177

7.3.4 匯流排的抗干擾設計180

7.3.5 地線干擾的抑制181

7.4 智能儀器軟體抗干擾技術182

7.4.1 CPU抗干擾技術182

7.4.2 輸入/輸出的抗干擾技術186

7.4.3 系統的恢復187

思考題與習題189

第8章 數據處理及程序設計190

8.1 測量數據的非數值處理190

8.1.1 數據結構190

8.1.2 線性表查表技術191

8.1.3 鏈表的插入、刪除和查找195

8.1.4 排序198

8.2 系統誤差的數據處理201

8.2.1 系統誤差模型的建立201

8.2.2 系統誤差的標準數據校正法205

8.2.3 非線性校正206

8.2.4 零位誤差和增益誤差的校正209

8.2.5 溫度誤差的補償210

8.3 數字濾波技術210

8.3.1 限幅濾波210

8.3.2 中位值濾波211

8.3.3 算術平均值濾波212

8.3.4 滑動平均值濾波213

8.3.5 低通數字濾波215

8.4 量程自動轉換216

8.4.1 一般要求216

8.4.2 自動量程轉換電路舉例216

8.4.3 量程自動轉換電路的控制217

8.4.4 量程自動轉換電路的保護218

8.5 智能儀器系統軟體的組成與設計220

8.5.1 監控主程序220

8.5.2 鍵盤管理221

8.5.3 中斷管理及處理222

8.5.4 子程序模塊223

思考題與習題224

第9章 智能儀器設計及實例226

9.1 智能儀器設計的基本要求及原則226

9.1.1 智能儀器設計的基本要求226

9.1.2 智能儀器的設計原則226

9.2 智能儀器的設計研製過程227

9.3 智能工頻電參數測量儀的設計228

9.3.1 總體設計及系統工作原理228

9.3.2 輸入電路設計及誤差分析231

9.3.3 CPU及採樣保持、A/D轉換電路的設計233

9.3.4 鎖相倍頻電路的設計235

9.3.5 RS-485串列通信介面電路設計及通信協議236

9.3.6 電磁兼容設計237

9.4 基於熱電偶的智能溫度數顯表的設計238

9.4.1 總體設計238

9.4.2 主要電路設計239

9.4.3 軟體設計242

9.5 智能混合氣體識別儀的設計243

9.5.1 總體設計243

9.5.2 電路設計244

9.5.3 氣體識別及檢測演演算法246

9.5.4 軟體設計246

思考題與習題248

參考文獻249