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1、气象仪器,主讲人：,第二章 智能仪器基础,2019/11/11,2,2019/11/11,3,2.1 概述,随着微电子技术的不断发展以及单片机的问世，以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。,操作自动化,具有自测功能,具有数据处理功能,具有友好的人机对话能力,具有可程控操作能力,智能仪器的功能特点,智能仪器发展趋势,1 微型化 2 多功能 3 人工智能化 4 融合ISP和EMIT技术，实现仪器仪表系统的Internet接入（网络化） 5 智能仪器发展的新阶段 -虚拟仪器,第二章 智能仪器基础,2019/11/11,5,2.2
2、传感器与信号调理,2019/11/11,6,Text 4,结构型,物理型,能量转化型,能量控制型,传感器的分类,按被测物理量,按传感器与被测量 间能量转换关系,2.2.1 传感器,2019/11/11,7,Text 3,按传感器工作或 信号转换原理,力、速度、温度传感器等,传感器的选择,2019/11/11,8,1)测量对象与测量环境 2)灵敏度 3)频率响应特性 4)线性范围 5)稳定性 6)精度,合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。,2.2.2 信号
3、调理信号调理,2019/11/11,9,信号调理,滤波,放大,去噪,主要针对前置放大器部分加以阐述,传感器输出的信号不可避免的包含杂波信号，幅度也不一定适合直接进行数模（A/D）转换，需要将传感器的信号进行调理。 完成滤波、幅度变换等调理功能的电路称为信号调理电路。,仪用放大器,2019/11/11,10,仪用放大器是一种具有精密差动电压增益的器件。由于其具有高共模抑制比、高稳定增益、高输入阻抗、低输出阻抗、低温漂、低失调电压等优点，因此，非常适合于微弱信号的放大，以及有较大共模干扰的场合。,为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，电路采用上、下对称结构 ,仪用放大器的闭环增益为,集成仪
4、用放大器,2019/11/11,11,美国AD公司提供的AD521/522、AD612/605等测量放大器；BB公司的INA114/118；Maxim公司的MAX4195/4196/4197等。,管脚OFF SET(4,6脚)脚用来调节放大器的零点，调整方法是将这两个端子接到一个10 电位器的固定端，电位器的滑动端接到负电源上，如图2-2（b）所示，放大器的放大倍数A：,程控增益放大器,2019/11/11,12,1）程控同相放大器 信号从同相端输入，电阻网路接在运放反相端与输出端之间，当CD4051的端接通时，电路是一个跟随器，当其他端如第j端接通时，电路增益为,2）程控反相放大器 结构简单
5、，电阻网络接在运放的反相输入端与输出端之间，输入电阻不随增益的变化而变化。缺点是模拟开关的导通电阻及其漂移会影响增益的精度。,（a）同相程控增益放大器,(b)程控反相增益放大器,隔离放大器,2019/11/11,13,隔离放大器将输入、输出及电源在电流和电阻上进行隔离，使之没有直接耦合的测量放大器。主要用于要求共模抑制比高的、模拟信号的传输放大中， 可在模拟信号进入采集系统之前，用隔离放大器进行隔离放大。 特点 (1)能保护系统元器件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。 (2)泄漏电流低，对于测量放大器的输入端，无需提供偏流返回通路。 (3)共模抑制比高，能对直流和低频信号（电
6、压或电流）进行准确、安全的测量。,第二章 智能仪器基础,2019/11/11,14,2.3 模/数转换技术,由于实际测量对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、等)，要让微处理器识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号，也就是模/数（A/D）转换。 通常A/D转换的过程包括采样、保持和量化、编码两大步骤。 采样：是指周期地获取模拟信号的瞬时值，从而得到一系列时间上离散的脉冲采样值。 保持：是指在两次采样之间将前一次采样值保存下来，使其在量化编码期间不发生变化。 量化：将采样保持电路输出的模拟电压转化为最小数字量单位整数倍的转化过程。 编码：把量化的结果用代码(如二进制数码、
7、BCD码等)表示出来的过程。,2.3.1 A/D转换器的主要技术指标,2019/11/11,16,A/D转换器的主要技术指标,分辨率 是指输出数字量变化一个最小单位(最低位的变化)，对应输入模拟量需要变化的量。 通常以输出二进制码的位数表示分辨率。 转换误差 通常以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。 转换时间 是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。,输入电压范围、功率损耗等,分辨率,2.3.2 几种常见的A/D转换器原理,2019/11/11,17,并行比较型,逐次比较型,双积分型,型,并行比较
8、型A/D转换器,2019/11/11,18,由电阻分压器、电压比较器、数码寄存器及编码器4个部分组成。 优点是转换速度快，其转换时间只受电路传输延迟时间的限制，最快能达到低于20ns。 缺点是随着输出二进制位数的增加，器件数目按几何级数增加。一个n位的转换器，需要2n-1个比较器。一个n位的转换器，需要2n-1个比较器。例如，n=8时，需要28-1=255个比较器。 适用于要求转换速度高、但分辨率较低的场合。,3位并行比较型A/D转换器,逐次比较型A/D转换器,2019/11/11,19,由控制逻辑电路、时序产生器、移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。 原理：将输入模拟信号与不同的参考电
9、压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。 特点：转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在级，转换精度一般在0.1%以下，是目前集成A/D转换器产品中使用较为普遍的一种。,4位逐次逼近型A/D转换器的原理图,双积分型A/D转换器,2019/11/11,20,双积分型AD转换器属于间接型AD转换器，它把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如，时间T或频率F。然后再对中间变量量化编码，得出转换结果。 与逐次逼近型AD转换器相比,双积分型AD转换器工作性能稳定、抗干扰能力强、电路结构简单。但转换速度较慢，一般一次转换时间在1-2ms，而逐次比较型AD转换器可达到1s
10、。,双积分式A/D基本原理,型A/D转换器,2019/11/11,21,型A/D转换器以很低的采样分辨率（1位）和很高的采样速率将模拟信号数字化。 原理：通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后对A/D转换器输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率，实现A/D转换。 近年来, 型A/D转换器以其分辨率高、线性度好、成本低等特点，得到越来越广泛的应用，特别在既有模拟又有数字信号处理场合。,型转化器结构图,第二章 智能仪器基础,2019/11/11,22,2.4 微控制器(MCU),2019/11/11,23,习惯上称智能仪器中的微处理器为微控制器或单片机。 它将CPU、存储器、
11、定时计数器、I/O接口、甚至A/D转换器、D/A转换器、监视定时器电路等集成在一块集成电路上，构成了一个完整的微型计算机系统。 采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。 在硬件设计时应首先考虑选择单片机，然后确定与之配套的外围芯片。在选择单片机时，要考虑的因素有字长、寻址能力、指令功能、执行速度、中断能力以及市场对这种单片机的软、硬件支持状态等。,2019/11/11,24,常见的单片机有两种体系结构，即复杂指令集（CISC）结构和精简指令集（RISC）结构。,2.4.1 单片机概述,CISC结构 即冯诺伊曼结构这种结构的单片机指令丰富功能较强，
12、可应用于控制关系复杂的场合，但其数据线和指令线分时复用，取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。 Intel的8051系列、Motorola的M68HC系列、Atmel的AT89系列、华邦Winbond的W78系列和Philips的P80C51系列等,RISC结构 即哈佛结构。这种结构的单片机数据线和指令线分离，取指令和取数据可以同时进行，执行效率更高速度更快，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化设计。 TI的MSP430、各公司的ARM单片机、Microchip的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、三星KS57C系列4位单片机和义隆的EM78
13、系列等,2.4.2 MCS-51系列单片机,MCS-51系列单片机最初由Intel公司在研制成功，现在以8051技术核心为主导的微控制器技术已被、Philips 、Atmel等公司继承，并在原有基础上又进行了新的开发，形成功能更加强劲的、兼容51的多系列化单片机。 MCS-51单片机分51和52子系列，并以芯片型号的末位数字加以标识。51子系列是基本型，52子系列是增强型。,MCS-51系列单片机的主要硬件特性表,2.4.3 PIC系列单片机,PIC系列单片机由美国Microchip半导体公司为要求高性能而低价格的用户设计的。 率先采用了精简指令集（RISC）结构，可以实现单周期指令，功耗低，
14、这一系列单片机最大的特点是不搞单纯的功能堆积，从实际出发，重视产品的性能与价格比。 目前已有初档8位单片机、中档8位单片机 、高档8位单片机等。 此外，PIC单片机还有高性能PIC18CXXX系列单片机，是集高性能、CMOS、全静态、模/数转换器于一体的16位单片机，内含灵活的OTP存储器带有先进的模拟和数字接口，可用做片上系统，具有嵌入控制分层控制能力，为用户提供了完善的片上系统解决方案。,2.4.4 MSP-430系列单片机,MSP-430系列单片机是TI公司推出的超低功耗、功能集成度高的16位单片机，其电源电压采用的是1.83.6V 电压。 由于具有超低的功耗，内核指令均为单周期指令，功
15、能强运行的速度快等特性， 此系列单片机不仅可以应用于许多传统的如仪器仪表、自动控制以及消费品领域，更适用于一些用电池供电的低功耗产品，如能量表（水表、电表、气表等）、手持式设备、智能传感器等，以及需要较高运算性能的智能仪器设备。,2.4.5 基于ARM 内核的单片机,ARM架构是ARM公司面向市场设计的第一款低成本RISC微处理器。它具有极高的性价比、代码密度，以及出色的实时中断响应和极低的功耗，并且占用硅片的面积极少。 RM公司开发了很多系列的ARM处理器核，应用比较多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM10系列、ARM11系列，Intel的XScale系列和MPCore系列；还有针对低端
16、8位MCU市场最新推出的Cortex-M3系列，其具有32位CPU的性能、8位MCU的价格。 其应用范围非常广泛，比如手机、 PDA、MP3/MP4、和种类繁多的便携式消费产品。,第二章 智能仪器基础,2019/11/11,29,2.5 人机接口,2019/11/11,30,显示器接口技术,键盘接口技术,触摸屏技术,打印机接口技术,人机接口,键盘是一组按压式或触摸式开关（按键）的集合，是智能仪器常见的输入设备。操作者可以通过键盘输入数据、参数和操作指令等，实现人机对话。,-在智能仪器中，有时不仅要求系统具有显示功能，还要求系统将有关数据、表格或曲线打印出来。,显示器是智能仪器重要的输出设备，是人机交互的重要工具，其主要功能是接受主机信息，以光的形式将文字和图形显示出来。,触摸屏是一种新型的智能仪器仪表输入设备，具有简单、方便、自然的人-机交互方式。,2.5.1 显示器接口技术,2019/11/11,31,发光二极管LED是七段或八段数
