现代仪器系统设计考纲.doc

现代仪器系统设计考纲
现代仪器系统设计考纲
第一讲 现代仪器概述
1.仪器的定义
信息获取、处理、利用的工具，是信息化的重要设备，也是现代工业的核心技术之一。
2.智能仪器的组成，硬件与软件部分
硬件部分：处理器电路、输入通道电路、输出通道电路、人机接口电路、通信接口电路
软件部分：监控程序、接口管理程序、数据处理程序
3.智能仪器的特点
1）功能多样化
2）系统集成化、模块化
3）构成的柔性化：专用与通用
4）网络化、可视化
第二讲 智能仪器设计方法
1.理解智能仪器设计的原则：
从整体到局部、经济性（成本取决于研制成本和生产成本）、易操作性、通用性（指标留有一定余量）、软硬件合理配合、可靠性
2.理解智能仪器设计的一般步骤
1、确定任务、明确目标，拟定总体设计方案
1）确定仪器的功能、技术指标与设计任务（要考虑被测信号的特点、被测量的数量、输入信号的通道数、被测量的类型、变化范围以与测量速度、精度、分辨率和误差等；还要确定测量结果的输出方式、显示器的类型、输出接口的配置。）
2）建模和测控算法的确定
3）智能仪器的总体方案设计
2、硬件和软件设计
1）硬件电路设计和功能模板的研制
2）软件框图的设计和程序的编制
3、系统调试与性能测试
1）硬件电路和软件的调试与性能测试。
2）智能仪器的调试包括硬件电路调试、软件调试和样机调试三部分。
3）智能仪器硬件电路和软件的研制一般独立地平行进行。
4）样机调试是指在硬件电路和软件分别调试完成后，在样机上进行的硬件电路和软件的联调。
3.理解硬件设计的基本要求
1）达到或超过技术指标：定性的功能与定量的技术指标。
2）尽可能提高性价比。
3）适应环境，安全可靠：合理地选择元器件和采用极限情况下试验的方法。
4）便于操作和维护。
4.理解电路设计的一般原则
1）硬件电路结构要结合软件方案一并考虑。（软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件电路。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU时间。因此，考虑到硬件软化方案时，要考虑到这些因素。）
2）尽可能选用典型电路和集成电路，为硬件系统的标准化、模块化打下基础。
3）微机系统的扩展与外围配置的水平应充分考虑测控系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。
4）把设计好的单元电路相连时要考虑是否能直接连接，模拟电路时要不要加电压跟随器进行阻抗隔离，数字电路连接和微机接口电路要不要逻辑电平转换，要不要加驱动器、锁存器和缓冲器等。
5）在模拟信号传送距离较远时要考虑以电流或频率信号传输代替以电压信号传输，如共模干扰大应采用差动信号传送。在数字信号传送距离较远时，要考虑采用“线驱动器”。
6）可靠性设计和抗干扰设计，包括去耦滤波、印制电路板布线、通道隔离等。
5.理解软件设计的一般步骤
1）进行系统定义
2）程序设计
3）编写程序
4）查错和调试
5）文件编制
6）维护和再设计
6.理解软件设计的一般方法：模块化方法
模块不宜分得过大或过小。
模块必须保证独立性。
对每一个模块作出具体定义，定义应包括解决某问题的算法，允许的输入输出值范围以与副作用
对于一些简单的任务，不必企求模块化。
当系统需要进行多种判定时，最好在一个模块中集中这些判定。
7.理解软件测试的基本概念（黑盒、白盒）
黑盒测试：功能测试法也称为“黑盒测试”，并不关心程序的内部逻辑结构，而只检查软件是否符合它预定的功能要求。
白盒测试：程序逻辑结构测试法也称“白盒测试”，是根据程序的内部结构来设计测试用例。用这种方法来发现程序中可能存在的所有错误，至少必须使程序中每种可能的路径都被执行一次。
测试用例应由输入信息、预期处理结果与实际测试结果三部分组成
8.理解智能仪器调试的基本概念（在线、离线）
在线：1）开发系统的基本功能
用户样机硬件电路的检测与诊断
用户样机程序的输入与修改
应用程序的运行、调试、排错、状态查询等功能
应用程序代码固化功能
有较全面的开发软件
有跟踪调试、运行的能力
为了方便模块化软件调试，还应配置软件转储、程序文本打印功能与设备
2）开发系统的组成
主处理机：一般是一个带有监控程序的单板机或一个带操作系统的微处理机
控制台：键盘和显示终端
外存储器
打印机
在线仿真器（ICE）：为用户程序的调试提供运行环境，把目标硬件（用户样机）与开发系统联系起来，使用户可以在开发的实际目标硬件环境下，全面调试用户程序。
编程器（EPROM或FLASH）
开发系统软件：编辑程序、汇编（或编译）程序与动态调试程序

第三讲 输入/输出模块设计技术
1.理解输入通道的组成
将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续变化的模拟信号进行放大、滤波、调理等处理，将其转换成计算机能接收的逻辑信号的电路称为模拟量输入通道。
单通道结构、多通道结构（多通道共行结构、多通道共享结构）
2.理解传感器的性能指标
1）线性范围：输出与输入成正比的范围。
2）精度：
3）灵敏度：要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。
4）稳定性：传感器的性能不随使用时间而变化的能力称为稳定性。
5）频率响应特性：传感器的频率响应特性好，则可测量的信号频率范围宽。
3.理解多路开关(MUX)的基本概念
模拟多路开关也称为多路转换器，主要用于信号的切换，是输入通道的重要元件之一。当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常利用模拟多路开关将各路模拟量分时与放大器、A/D转换器等接通。这种利用一片A/D转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件电路的利用率，节省成本。
4. 理解A/D的分类、性能指标与选择原则（怎么选）
1、A/D转换器的类型
1）并联比较型：适用于速度快、分辨率低的场合。
2）逐次逼近型：抗干扰能力较差，在A/D转换器前一般要加采样/保持器锁定电压。
3）双积分型：抗干扰能力强，转换速率慢。
4）Σ-Δ调制型：用速度换取分辨率。
2、A/D转换器的主要性能指标
1）转换精度：
分辨率：衡量ADC能够分辨的输入模拟量的最小变化量的技术指标，是数字量变化一个最小量时对应的模拟信号的变化量。
量化误差：凡不足以引起一个最小数字量变化的模拟量形成的误差称为量化误差。
分辨率常以二进制或十进制的位数表示。BCD码：分辨率为3.5位，分辨率为1/1999
2）转换时间与转换速度：完成一次转换所需的时间，转换速度是转换时间的倒数。
5.A/D转换器的选择原则
1）根据测试系统的总误差要求，确定A/D转换器的精度与分辨率。
2）根据系统应用范围、被测信号的变化率以与转换精度，确定A/D转换器的转换时间。（采样定律）
3）根据计算机接口电路的特征，选择A/D转换器输出状态：并行式、串行式、一体式。
4）根据A/D转换器的工作条件来选择芯片的一些环境参数。
5）要综合考虑成本、资源与芯片的来源等因素。
6.理解开关量的基本概念
开关量信号是指只有开和关、通和断、高和低两种状态的信号，可以用二进制数0和1表示。
当外界开关量信号的电平幅度与单片机I/O端口电平幅度相符时，可直接检测和接收开关量输入信号。但如电平不符，则必须经过电平转换才能输入到单片机的I/O端口。
7.理解D/A的性能指标与应用
1、D/A的主要技术指标
1）转换精度：分辨率，转换误差
2）转换速度
2、D/A的应用
1）阶梯波发生器
2）锯齿波发生器
3）三角波发生器
4）正弦波发生器
8.理解驱动电路的一般概念
1、小功率驱动接口电路
1）常用于小功率负载，如发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件或装置，一般要求系统具有10∽40mA的驱动能力，通常采用小功率三极管（如9012、9013、8050、8550等）和集成电路（如75451，74LS245等）作为驱动电路。
2、中功率驱动接口电路
1）常用于驱动功率较大的继电器和电磁开关等控制对象，一般要求具有50∽500mA的驱动能力 。可采用达林顿管（如MC1412，MC1413，MC1416等）或中功率三极管来驱动。
3、固态继电器输出接口电路，适合控制大功率设备的场合。
固态继电器（SSR）是一种新型无触点功率型电子开关。SSR利用光电隔离技术实现了控制端（输入端）与负载回路（输出端）之间的电气隔离，同时又能控制电子开关的动作。SSR具有开关速度快、体积小、质量轻、寿命长、工作可靠等优点
9.理解数据处理技术、误差来源、误差分类、误差特性与相应的处理方法
数字滤波、标度变换、数值计算、逻辑判断、非线性补偿、压缩、识别等。
10.理解软测量技术的一般概念与主要内容
建立软测量模型以实现辅助变量对主导变量的最佳估计，这类数学模型与相应的计算机软件也被称为软测量器或“软仪表”。
辅助变量的选择、数据处理、软测量模型的建立、软测量模型的在线校正

第四讲 人机交互接口设计技术
1.理解键盘接口的处理方式（去抖动）
硬件处理：利用RS触发器的互锁功能去抖动，可以得到理想的按键输出波形，一般只用于按键数目较少的场合。
软件处理：当CPU首次检测到按键按下或松开信息时，延时一段时间后，再次判断按键的状态，读取这一次的信息，确定是否按下。
2.简要理解各种LCD显示方式的异同点（课件红字部分）
1）段码式LCD
静态驱动、动态驱动
2）点阵式LCD
专用的接口控制芯片
LCD模块：将LCD点阵、控制芯片和接口电路集成
字模软件
3）图形式LCD
TFT模块
GUI软件： GUI 是 Graphical User Interface 的简称，即图形用户接口

第五讲 通信接口设计技术
1.理解并行接口的一般概念
并行接口，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。接口特性可以从两个方面加以描述：1.数据通道的宽度，也称接口传输的位数；2. 用于协调并行数据传输的额外接口控制线或称交互信号的特性。
2.理解RS232与RS485的异同点（3线制 通讯参数）
通讯协议的重要参数：数据的传输速率、数据位、起始位与停止位、校验位的检查。
RS-232-C接口标准：全双工。传输速率较低。通信距离短。使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。点对点通信方式。
RS485接口标准：半双工，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。多点通信。传输速度快。通信距离为几十米到上千米，采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。主从通信方式。
RS232数据通讯不正常（包括无数据与出错的情况）原因：传输速率不匹配，校验位、起始位或停止位、发送单位不匹配，传输距离限制，强电磁干扰，端口已被其他程序占用，串口线问题（断了或者使用型号不同的线）、系统BIOS中串口被Disable了、延长线与交叉线使用错误、发送和接受方的时钟不匹配。
三线接法：

引脚序号
信号名称
符号
功 能
2
接收数据
RXD
DTE接收串行数据
3
发送数据
TXD
DTE发送串行数据
5
信号地
GND
信号地

3.理解USB接口的一般特点与供电模式
USB的硬件结构：主机、集线器、功能设备
使用方便、速度快、连接灵活、独立供电、支持多媒体
USB的供电模式有两种：总线供电与自供电。USBVI100是采用总线供电模式。
4.简要理解现场总线的概念
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

第六讲 自动校准和抗干扰技术
1.智能仪器自动校准的概念
智能仪器可以自动对所得测试结果与已知标准进行比较，将测量的不确定性进行量化，验证测量仪器是否工作在规定的指标范围内。分为内部自动校准和外部自动校准。为了保证仪器在预定精度下正常工作，仪器必须定期进行校准。
内部自动校准技术利用仪器内部的校准源将各功能、各量程按工作条件调整到最佳状态。当在环境差别较大的情况下工作时，内部自动校准实际上消除了环境因素对测量准确度的影响，补偿工作环境的变化、内部校准温度的变化和可能影响测量的其他因素的变化。输入偏置电流、零点漂移、增益自动校准。
外部自动校准技术要采用高精度的外部标准。在进行外部校准期间，校准常数要参照外部标准来调整。
校准存储器可以采用EEPROM或FLASH，以确保断电后数据不丢失。

2.智能仪器自检的一般概念
包括开机自检、周期性自检、键控自检，内容针对：RAM、ROM、键盘显示器、输入输出通道、总线。
3.智能仪器故障检测与故障诊断的异同点
故障检测的作用是回答系统是否发生故障；故障诊断的作用是回答系统中哪里发生了故障。
4.可靠性的基本指标
可靠度是指产品或系统在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。
失效率又称为故障率，是指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。
平均无故障工作时间又称为平均寿命，是产品寿命的平均值。
5.理解硬件可靠性设计方法
1）元器件级的可靠性措施
严格管理元器件的购置和储运
老化、筛选、测试
降额使用
选用集成度高的元器件
2）部件与系统级的可靠性措施
冗余技术、电磁兼容设计、信息冗余技术、故障自动检测与诊断技术、失效保险
6.理解软件可靠性设计方法
时间冗余技术、指令冗余技术、软件陷阱技术
看门狗技术：看门狗技术是一种计算机程序监视技术，防止程序由于干扰等原因而进入死循环，一般用于计算机控制系统。
　　原理：是不断监测程序循环运行的时间，一旦发现程序运行时间超过循环设定的时间，就认为系统已陷入死循环，然后强迫程序返回到已安排了出错处理程序的入口地处，使系统回到正常运行。
　　它可用软件或硬件方法实现。

第七讲 虚拟仪器技术
1.理解虚拟仪器的定义
所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。
2.理解虚拟仪器的层次结构
硬件系统：虚拟仪器采集与控制硬件、接口硬件与计算机硬件平台三部分。
软件系统：I/O接口软件、仪器驱动程序、应用软件
3.理解虚拟仪器的硬件设计方法
自顶向下，技术评审，设计准备工作，电路设计与计算，试验板制作，试验板调试，编写调试程序，利用开发系统调试电路板，制作印制电路板，调试印制电路板，硬件软件联调。
4. 理解虚拟仪器的固件设计方法
模块化设计一般原则：1、模块不宜过大或过小；2、模块必须保证独立性；3、对每一个模块作出具体定义；4、对于一些简单的任务，不必企求模块化；5、当系统需要多种判定时，最好在一个模块中集中这些判定。
一般固件程序要涉与的内容：1、总流程图2、程序的功能说明3、所有参量的定义清单4、存储器的分配图5、完整的程序清单和注释6、测试计划和测试结果说明。
软件测试的目的：为了发现软件中存在的问题，而不去解决。软件测试的人员：编程者以外的人。
两种软件测试方法：1、功能测试法，也称“黑盒测试”，完全根据软件的功能来设计的。2、程序逻辑结构测试法，也称“白盒测试”，是根据程序的内部结构来设计测试用例。
固件设计开发环境：Keil uVision集成开发环境IDE是一个基于Windows的软件开发平台，有功能强大的编辑器、项目管理器和制作工具。
5. 理解虚拟仪器的驱动程序设计方法
1）虚拟仪器驱动程序设计原则：
所有仪器函数必须包含一个返回状态值。
所有仪器函数名不能超过31个字符。
尽量避免引出全局变量，避免声明大型数组结构，避免声明复杂的数据类型（如类、结构、联合等），不采用键盘/屏幕标准输入/输出方式。
仪器函数应避免包括高级的、复杂的数学分析与运算函数，而将复杂的运算与分析工作交与上层应用程序来完成。
仪器函数应具有较强的内聚力，尽量做到一个仪器函数完成一个独立的仪器功能，实现有效的功能分配。
仪器驱动程序中各函数之间尽量提高各自的独立性，减少彼此的耦合度。函数之间必要的耦合采用数据耦合方式，而尽量避免采用功能耦合方式，从而有效地控制仪器函数个数与规模。

在USB设备驱动程序中，URB（USB Request Block）是USB请求块的缩写。IRP（IO Request Package）是IO请求包的缩写。
驱动程序是一个函数库，不能独立运行。
理解USB设备驱动程序、EASYUSB.DLL、USBVI100Driver.DLL各自的层次与作用。
Win32API，在Win32系统中，把每一个设备都抽象为文件，此时的应用程序只需通过几条简单的文件操作API函数，就可以实现与驱动程序中某个设备通信。EasyUSB动态库，使用户可以不了解复杂的USB协议也可快速完成USB驱动程序的应用。
USBVI100Driver.dll就是基于EasyUSB动态库之上的仪器驱动程序。所有的操作是基于采样通道、采集频率等概念，无论是采用USB接口还是采用串行接口。并不需要理解USB的端点与管道等概念。针对特定的虚拟仪器的设计，进一步简化仪器用户的使用，是更上一层的仪器驱动程序。
6. 理解虚拟仪器的应用程序的开发环境
理解可视化编程环境与图形化编程软件平台的异同点：
所谓可视化编程，就是指在软件开发过程中，用直观的具有一定含义的图标按钮、图形化的对象取代原来手工的抽象的编辑、运行、浏览操作，软件开发过程表现为鼠标单击按钮和拖放图形化的对象以与指定对象的属性、行为的过程。（Visual Basic、PowerBuilder、C++Builder/Delphi、Visual C++、Java编程工具）

图形化编程软件平台的编程方法是一种面向对象的编程思想，用户只需描述任务，然后类似作语法分析，把主语、谓语(动作)、宾语(目标)、定语(条件)、状语(条件)区分开，分别对应于具体的图形化控件，把它们用数据线或顺序线按流程连接即可。（NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE）
组态软件：组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
图形化平台的语法基础：数据流语言。节点与边：程序以有向图表示，节点代表数据处理函数。数据通过节点间相互连接的边传入传出函数。
7. 理解虚拟仪器的应用程序软面板的设计方法
虚拟仪器软面板是一个仪器级的测试应用程序，它为虚拟仪器模块提供一个替代前面板的控制接口。该控制接口在计算机显示器上，可用交互方法控制虚拟仪器模块。
虚拟仪器软面板与仪器驱动程序一样，是一个独立的软件模块，它作为一个独立运行的可执行文件运行，开发环境可以选择具有良好可视化用户界面的VB、VC、Delphi语言开发平台等，也可以选择LabVIEW等图形化平台。
在系统集成中，虚拟仪器软面板用于检验仪器的通讯，并测试仪器的各类操作。当对用户仪器进行编程时，可以通过观察面板上的指示器和显示器来检验仪器设置是否正确。当系统集成完成之后，软面板可通过面板上的控制器来执行仪器功能，以便使用户熟悉仪器的功能和特性。软面板采用图形用户接口（GUI）技术显示等效的旋钮、按键与控制器。用户通过鼠标或计算机键盘操作这些控制器。图形显示具有同传统的前面板方式相似的测量结果和仪器状态，从而让用户以熟悉的方法控制仪器。
虚拟仪器软面板实例功能：
系统功能：仪器复位、仪器自检、仪器版本号读取、仪器标定
仪器功能：单通道单点A/D采样、单通道多点A/D采样、多通道多点A/D采样、固定通道D/A输出、方波输出、频率计算
帮助功能：系统帮助、关于
8. 理解虚拟仪器的应用程序的设计方法

第八讲 虚拟仪器系统设计
1.理解虚拟仪器系统的构成

2.理解虚拟仪器集成步骤，并能灵活应用
1、虚拟仪器系统分析
1）首先对问题进行识别，提出所集成的系统总的设计目标，列举出系统的功能要求与具体技术性能指标，给出系统运行的环境限制要求，并提出系统可靠性要求、安全性要求、用户界面需求、资源使用需求、成本消耗与开发进度需求等。
2）第二步是进行问题分析与方案综合，分析员逐步细化系统的功能与性能指标，将虚拟仪器系统分解为硬件结构与软件结构，赋予硬件结构与软件结构的各自作用范围，提出结构之间与结构内部的接口模式，找出系统各元素之间的联系、接口特性和设计上的限制，最终综合成系统的解决方案，给出目标系统的基本模型。
3）第三步是编制系统分析的文档，并对系统作进一步分析。
4）最后一步是对系统分析进行评审，对系统的功能与性能的正确性、完整性和清晰性等需求进行评价。
2、虚拟仪器系统硬件结构设计
1）选择或设计系统控制器
2）主机箱的选择
3）仪器模块的选择与设计
需要指出的是，众多的虚拟仪器系统并不一定是VXI仪器系，即并不需要有系统控制器与主机箱，但一定会包括仪器模块。同样，对于一个系统而言，也并不一定组成的仪器模块都是同一种仪器类型。
3、虚拟仪器系统软件结构设计
1）软件结构是指软件的总体组成结构与系统结构化的集成方法。
2）从抽象意义上说，软件结构包括系统中所含元件描述、元件间的相互关系以与系统元件的组织范式三部分，设计一个系统的软件结构，往往先选择好符合系统需求的系统元件的组织范式，再自上而下地细化设计各个元件与其相互间的关系，在软件设计中关系即为软件接口。一个合理的组织范式的选定，为系统有效的集成提供了基础，也为系统级的软件重用（Software Reusability）提供了可能，也是进行软件系统设计的首要步骤。
4、虚拟仪器系统测试
1）硬件结构测试：
逻辑错误、电源故障、接口错误、元器件失效、可靠性差
2）软件结构测试：
程序失控、中断错误、输入/输出错误、通讯协议或命令数据格式错误
19 / 19