智能仪器课后习题答案

1-1 你在学习和生活中,接触、使用或了解了哪些仪器仪表?它们分别属于哪种类型?指出他们的共同之处与主要区别。选择一种仪器,针对其存在的问题或不足,提出改进设想(课堂作业)。

参考:就测量仪器而言,按测量各种物理量不同可划分为八种:几何量计量仪器、热工量计量仪器、机械量计量仪器、时间频率计量仪器、电磁计量仪器、无线电参数测量仪器、光学与声学测量仪器、电离辐射计量仪器。 1-2 结合你对智能仪器概念的理解,讨论“智能化”的层次。

P2 智能仪器是计算机技术和测量仪器相结合的产物,是含有微型计算机或微处理器的测量(或检测)仪器。由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能,具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等),因而被称为智能仪器。

P5- P6 智能仪器的四个层次:聪敏仪器、初级智能仪器、模型化仪器和高级智能仪器。

聪敏仪器类是以电子、传感、测量技术为基础(也可能计算机技术和信号处理技术)。特点是通过巧妙的设计而获得某一有特色的功能。初级智能仪器除了应用电子、传感、测量技术外,主要特点是应用了计算机及信号处理技术,这类仪器已具有了拟人的记忆、存储、运算、判断、简单决策等功能。模型化仪器是在初级智能仪器的基础上应用了建模技术和方法,这类仪器可对被测对象状态或行为作出评估,可以建立对环境、干扰、仪器参数变化作出自适应反映的数学模型,并对测量误差(静态或动态误差)进行补偿。高级智能仪器是智能仪器的最高级别,这类仪器多运用模糊判断、容错技术、传感融合、人工智能、专家系统等技术。有较强的自适应、自学习、自组织、自决策、自推理能力。

1-3 仪器仪表的重要性体现在哪些方面?P3-5

(1)仪器及检测技术已经成为促进当代生产的主流环节,仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一(2)先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前提,也是创新研究的主题内容之一和创新成就得重要体现形式,科学仪器的创新是知识创新和及时创新的组成部分。(3)仪器是信息的源头技术

总之,科学仪器作为认识世界的工具,是国民经济的“倍增器”、科学研究的“先行官”、现代战争的“战斗力”、法庭审判的“物化法官”,其应用遍及“农轻重、陆海空、吃穿用”。 1-4 简述推动智能仪器发展的主要技术。P8

(1)传感器技术(2)A/D等新器件的发展将显著增强仪器的功能与测量范围(3)单片机与DSP 的广泛应用(4)嵌入式系统和片上系统(SOC )将使智能仪器的设计提升到一个新阶段(5)ASIC 、FPGA/CPLD即使在智能仪器中广泛使用(6)LabVIEW 等图形化软件技术(7)网络与通信技术

1-5 学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础,回顾其主要内容。 1-6 智能仪器有哪几种结构形式?对其做简要描述。P6

从智能仪器的发展状况看来,其结构有两种基本类型,即微机内嵌式和微机扩展式。

微机内嵌式智能仪器是将单片或多片的微处理器与仪器有机的结合在一起形成的单机。(微处理器在其中起控制和数据处理作用。其特点主要是:专用或多功能;采用小型化、便携或手持式结构;干电池供电;易于密封,适应恶劣环境,成本较低。)

微机扩展式智能仪器是以个人计算机(PC )为核心的应用扩展型测量仪器。(PCI 的优点是使用灵活、应用范围广,可以方便的利用PC 已有的磁盘、打印机及绘图仪器等获取硬拷贝。PC 数据处理功能强、内存容量大,因而PCI 可以用于复杂的、高性能的信息处理。) 1-7 智能仪器设计是采用FPGA/CPLD有哪些优点? P12

FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC 芯片,他们除了ASIC 的特点之外,还有以下优点:(1)随着VLSI 工艺的不断提高,FPGA/CPLD的规模也越来越大,所能实现的功能越来越强可以实现系统集成;(2)FPGA/CPLD的资金投入小,研制开发费用低;(3)FPGA/CPLD可反复的编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的EPROM 就可实现不同的功能;(4)FPGA/CPLD芯片电路的实际周期短;(5)FPGA/CPLD软件易学易用,可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。FPGA/CPLD适合于正向设计,对知识产权保护有利。 1-8 为什么说嵌入式系统与片上系统(SOC )将使智能仪器的设计提升到一个新阶段? P11

(1)嵌入式系统的深入发展将是智能仪器的设计提升到一个新的阶段,尤其是能运行操作系统的嵌入式系统平台,由于它具备多任务、网络支持、图形窗口、文件和目标管理等功能,并具有大量的应用程序接口(API ),将会使研制复杂智能仪器变得容易;

(2)在片上系统设计中,设计者面对的不再是电路芯片而是根据所设计系统的固件特性和功能要求,选择相应得单片机CPU 内核和成熟化的IP 内核模块,消除了器件信息故障,加快了设计速度,片上系统将使系统设计发生革命性的变化。

2-1 数据采集系统主要实现哪些基本功能?P15

智能仪器的数据采集系统简称DAS ,是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后,以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。 信号采集、信号调理、模数转换、微机显示数据、处理数据、记录数据和传输数据。 2-2 简述数据采集系统的基本结构形式,并比较其特点。P15-16

(1)集中采集式:

a 分时采集型 特点:多路信号共同使用一个S/H和A/D电路,简化了电路结构,降低了成本。(但对信号的采集式由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换、轮流选通的,因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的,不能获得同一时刻的数据,这样就产生了时间偏斜误差。)

b 同步采集型 特点:在多路转换开关之前给每路信号通路各加一个采样保持器,使多路信号的采样在同一时刻进行,即同步采样。(然后由各自的保持器保持着采样信号的幅值,等待多路转换开关分时切换进入公用的A/D电路将保持的采样幅值转换成数据输入主机。这样可以消除分时采集型结构的时间偏斜误差,这种结构既能满足同步采集的要求,又比较简单。不足之处:在被测信号路数较多的情况下,同步采得的信号在保持器中保持的时间会加长,而保持器会有一些泄露,是信号有所衰减。)

(2)分散采集式:每一路信号一般都有一个S/H和A/D,不再需要模拟多路转换器MNX 。(每一个S/H和A/D之对本路信号进行模数转换即数据采集,采集的数据按一定的顺序或随机地输入计算机,根据采集系统中计算机控制结构的差异可以分为分布式单机采集系统和网络式采集系统。)

2-3 采样周期与那些因素有关,如何选择采样周期?

2-4 为什么要在数据采集系统中使用测量放大器?P19

由于电路内有这样或那样的噪声源存在,是的电路在没有信号输入时,输出端仍存在一定幅度的波动电压,这就是电路的输出噪声。把电路输出端测得的噪声有效值V ON 折算到改电路的输入端即除以该电路的增益K ,得到的电平值称为该电路的等效输入噪声V IN ,即。为了不V IN =V ON /K 。如果在高电路输入端的信号幅度V IS 小到比该电路的V IN 还要低,那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”使小信号被淹没,就必须在该电路前面加一级放大器。

2-6 在设计数据采集系统式,选择模拟多路开关要考虑的主要因素是什么? 1隔离作用, 总线要求。 2 输入多选择。

2-7 能否说一个带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制?为什么?P46不能说带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制。

因为在A/D转换器在进行转换时需要一定的时间,在这个转换时间内,被转换的模拟量应基本保持不变,否则转换精度没有保证,甚至根本失去看转换的意义。所以转换时间t c 制约着转换信号的最高频率。f =

max

12

m +1

(式1),进而影响数据采集系统的采样频率

πt c

f s ≥2f max 。在A/D之前加上采样/保持器后f

max

=

12

m +1

πt AP

(式2),t AP 为孔径时间。由于t AP t c ,所以由式2限定的信号频率远远

高于式1限定的频率,采样/保持器扩展了被转换信号的范围,进而扩展了采样频率,但仍受t AP 的限制,不能无限增大。 2-8在为一个数据采集系统选择微机时,主要考虑哪些因素?

(1) 系统的通过速率,即系统速率、传输速率、采样速率或吞吐速率(单位时间内系统对模拟信号的采集次数) (2)系统的分辨率,即数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量

(3)系统的精度,当系统工作在额定速率下,系统采集的数值和实际值的差尽量要小 2-9

2-10 如果一个数据采集系统,要求有1%级精度性能指标,在设计该数据采集系统时,怎样选择系统的各个元器件?P55

通常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大,其他各环节如采样/保持器和A/D转换器等误差,可以按选择元器件精度的一般规则和具体情况而定,选择元器件精度的一般规则是:每一个元器件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的10倍左右。

所以此题中传感器和信号放大电路的总误差可分配成0.9%,A/D转换器和S/H器和多路模拟开关分配0.1%,且每个组件的误差应不大于0.01%。

2-11 一个带有采样/保持器的数据采集系统,其采样频率否太高?P47

f s =100kHZ , FSR =10V , ∆t AP

=3ns , n =8, 试问系统的采样频率是

f max =

1113

==2.07⨯10HZ m +19-9

2π∆t AP 2π⨯3⨯10

f s

2-12 数据采集系统的组成P15

2-13 信号调理电路的组成P17

3-1 键盘有哪几种组成方式?各自有何特点?按键去抖有哪几种方法?

键盘的组成方式及特点P60-P63

(1) 非编码键盘 包括独立连接式非编码键盘(结构简单,但当键数较多时,就要占用多个接口)和矩阵式非编码键盘(可以减少

键盘接口)。非编码键盘处理软件复杂,硬件简单。

(2) 编码键盘 由硬件来识别键闭合、释放状态,由硬件消除键抖动影响以及实现一些保护措施的方法,可以节省CPU 相当多的时

间。这种键盘处理软件简单,但硬件较复杂。 按键去抖动的方法:

硬件方法和软件方法。通常在键的个数较少时可采取硬件措施,即用R-S 触发器或单稳态电路来消除按键抖动。键数较多时,常用软件反弹跳,及采用软件延时法。 3-2 键盘接口主要解决哪些问题?P60

(1) 决定是否有键按下

(2) 如果有键按下,决定是哪一个键被按下 (3) 确定被按键的读书 (4) 反弹跳-按键抖动的消除

(5) 不管一次按键持续的时间多长,仅采样一个数据 (6) 处理同时按键,即同时又一个以上的按键情况 3-3

3-4 LCD 有那两种常用的驱动方式?说明一种驱动方式的工作原理。P65(1)

静态驱动方式

可以看出,当该段两上的电压相位相反显示状态。

A 端接交变的方波信号,B 端接控制该段显示状态的信号。从图中个电极上的电压相同时,电极间的相对电压为0. ,该段不显示;当两极时,两电极间的相对电压为两倍幅值的方波电压,该段显示,即呈黑色(2)

迭加驱动方式(时分割驱动法)

3-5 试述当前集中常见触摸屏的工作原理。P81-P82

(1)电阻式触摸屏 电阻式触摸屏的主要部分是一块玉显示器表面紧密配合的电阻薄膜屏,这是一种多层的复合薄膜,由一层玻璃或有机玻璃作为基层,表面涂有一层叫ITO 的透明导电层,上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮得塑料层,她的内表面也涂有一层导电层,在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点把他们隔开绝缘。当手指触摸屏幕时,两层导电层在触摸点位置就有了一个结束,控制器检测到这个接通点并计算出X 、Y 轴的位置,这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。

(2)红外线式触摸屏 红外线式触摸屏以光束阻断技术为基础,不需要在原来的显示器表面覆盖任何材料,而是在显示屏幕四周安放一个光点距架框,在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管,一一对应形成横竖交叉的红外线组成的栅格。当有任何物体进入这个栅格的时候,就会挡住经过该位置的横竖两条红外线,在红外线探测器上会收到变化的信号,因而可以判断出触摸点在屏幕的位置,经由控制器将触摸的位置坐标传递给操作系统。

(3)电容式触摸屏 把人体当作一个电容元件的电极使用,是利用人体的电流感应进行工作的。电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏。当手指触摸在金属层上时,由于人体电场,当用户和触摸屏表面耦合出足够量的电容时,对于高频电流来说,电容是直接导体,于是手指从接触点吸走一个很小的电流,这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出,并且流经这4个电极的电流与手指到四角的距离成正比,控制器通过对这四个电流比例的精确计算,得出触摸点的位置,

(4)表面声波式触摸屏 通过屏幕纵向和横向边缘的压电换能器发射超声波来实现。在各自对面的边缘装有超声波传感器,屏幕表面形成纵横交错的超声波栅格。当收获触摸笔接近屏幕表面,接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口,计算缺口的位置既是触摸坐标。

3-6 什么是同步通信方式和异步通信方式?与RS-232标准相比,RS-422/485标准有何优点?请说明RS-422/485标准为何有这样的优点。

同步通信方式:在数据开始传送前用同步字符来指示,并由时钟来实现发送端和接收端同步,字符与字符间没间隙;异步通信方式:数据时一帧一帧(包括字符代码或一字节数据)传送的。

P88 优点:RS-232存在数据传输速率慢和传送距离短的缺点。RS-422/485标准传输速率快,传送距离远。

因为RS-232发送器驱动电容负载的最大能力为2500pF ,这就限制了信号线的最大长度。RS-232

规定的逻辑电平与一般处理器的逻

图3-8

辑电平不一致,须与转换电平芯片连接,通信距离小,传输速率小。而RS-422/485的信号传输是利用信号导线之间的电相位差,传输距离远,速率高。

3-7 两台智能仪器均以51系列单片机为主构成去内部的微机系统,当两台智能仪器采用RS-232标准仅用TXD 、RXD 信号进行通信时,试设计从一个仪器到另一个仪器之间利用串行通信的所有电路的原理图。设两台仪器均只提供+5V电源。

P88图3-31

3-8 画出将3-7题的通信标准换成RS-485后的电路连线图。

P92 图3-36、图3-37

3-9 简述USB 总线的特点及优越性。 P92-P93

特点:(1)USB 接口统一了各种接口设备的连接头 (2)即插即用,并能自动检测与配置系统的资源 (3)具有“热插拔”的特性

(4)USB 最多可以连接127个接口设备

(5)USB1.1的接口设备采用两种不同的速度:12Mbit/s(全速)和1.5Mbit/s(慢速)。USB2.0的传输速度最高可达到480Mbit/s。 优势:(1)简化外部接口设备与主机之间的连线,并用一条传输缆线来串接各类型的接口设备 (2)可以在不需要重新开机的情况下安装硬件 3-10 USB 的基本框架包含那几部分? P 93

(1) USB 主机控制器/根集线器 (2) USB 集线器 (3) USB 设备

3-11 USB有几种传输模式?试简述各种传输方式的特性。P97

(1)控制传输 是USB 中最重要的传输,唯有正确的执行完控制传输才能进一步执行其他传输模式。需以双向传输达到这个请求。能自定义请求来为任何目的而发送或接收数据块。所有USB 设备必须支持控制传输。

(2)中断传输 它是为那些必须快速接收到主机或设备的数据而准备的。是低速设备可以传输数据的唯一方法。中断传输仅是一种“轮询”的过程,如果因为错误而发生传送失败,可以在下一轮询的期间重新发送一次。

(3)批量传输 它是针对未使用到的USB 带宽来向主机提出请求的。须根据目前总线的拥挤状态,以所有可使用的带宽为基础,不断调整本身的传输速率,因此没有设置轮询时间间隔。若因某些错误而发生传送失败,就重新传送一次。

(4)等时传输 采用了预先与PC 机主机协议好的固定带宽,以保证发送端与接收端的速度能相互吻合,不支持有错误的数据重新发送,相对就须牺牲一些小错误的发生。

3-12 USB有几种描述符?其中哪几种是必须要设置的? P96

(1)设备描述符 必须设置 (2)配置描述符 必须设置 (3)接口描述符 必须设置 (4)端口描述符 必须设置

3-13 以你的观点解释设备列举的含义? P96

当USB 设备第一次连接到USB 总线时,USB 主机就会对此设备做出列举检测的动作。此时,主机会负责检测与设备所有连接至根集线器的设备,而辨识与设置一个USB 外围设备的程序,称之为设备列举。若以USB 通信协议的观点来看,设备列举就是通过一连串介于主机与设备之间的控制传输来辨识与设置一个刚连上USB 的设备程序。而进一步的解释设备列举,也即是操作系统可以辨识一个新的硬件设备连接上总线以及决定其特定的需求,然后加载适当的驱动程序,并且给予新的硬件设备一个新的地址 3-14 简述无线数据传输的原理及特点。 P105

无限数据传输的核心技术是调制解调技术。调制过程是在发送端吧数字信号变换成能被模拟信道传输的模拟信号,经传输通道传至接收端,接收端通过解调过程把接收到的模拟信号转换成数字信号,完成了无线数据传输的任务。

特点:(1)工频为国际通用的数据传输频段433MHz ,无需申请 (2)易于采集运动信号,不受电缆的约束 3-15

4-1 与硬件滤波器相比,采用数字滤波器有何优点?P111

(1)数字滤波只是一个计算过程,无需硬件,因此可靠性高,并且不存在阻抗匹配、非一致性等问题; (2)模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题,不会出现在数字滤波器的实现过程中;

(3)只要适当的改变数字滤波器在程序中的有关参数,就能方便的改变滤波特性,因此数字滤波使用灵活方便。 4-2 常用的数字滤波算法有哪些,说明各种滤波算法的特点和使用场合。

(1)克服脉冲干扰的数字滤波法:包括限幅滤波法、中值滤波法、基于拉依达准则的奇异数据滤波法(剔除粗大误差)、基于中值数绝对偏差的决策滤波器。

特点:克服由仪器外部环境偶然因素引起的突变性扰动或仪器内部不稳定等引起误码等造成的尖脉冲干扰 场合:有尖脉冲干扰的场合

(2)抑制小幅度高频噪声的平均滤波法:为抑制电子器件热噪声、A/D量化噪声等小幅度高频电子噪声,通常采用具有低通特性的算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动加权平均滤波法等线性滤波器。

特点:算术平均滤波法可有效消除随机干扰,采样次数越大,滤波效果越好,但系统灵敏度要下降,只适用于慢变信号;滑动加权平均滤波法对周期信号有良好的抑制作用,平滑度高,灵敏度低,对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差;加权平均滤波法系统对当前采样值的灵敏度高。

场合:有小幅度高频噪声的场合 (3)复合滤波器:

特点:既能抑制随机干扰,又能滤除明显的脉冲干扰。

场合:随机扰动不是单一的场合,既要消除大幅度的脉冲干扰,又要使数据平滑的场合 4-3 各种常用的滤波算法能组合使用吗?若能,请举例说明;若不能,请说明理由。P115

能组合使用。在实际应用中,所面临的随机扰动往往不是单一的,有时既要消除大幅度的脉冲干扰,又要做数据平滑,因此常用两种以上的滤波算法结合使用。

例如:去极值平均值滤波算法。特点:先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰,然后把剩余的各采样值进行平均。去极值平均值滤波算法的算法为:连续采样N 次,剔除其中的最大值和最小值,再求余下N-2个采样值的平均值。显然,这种方法既能抑制随机干扰,又能滤除明显的脉冲干扰。 4-4 4-5 4-6

4-7 中值数绝对偏差决策滤波器与中值滤波器有哪些特点? P113

中值数绝对偏差决策滤波器特点:这种决策滤波器能够判别出奇异数据,并以有效性的数据来取代。具有比例不变性、因果性、算法快捷等特点,实时的完成数据净化。

中值滤波器:运算简单,在滤除脉冲噪声的同时可以很好的保护信号细节信息。中值滤波器是一种常用于净化奇异数据的非线性滤波器,它对奇异数据的敏感度远低于标准偏差,存在“根信号”用于单调性数据的滤波,而非点到信号采用中值滤波净化数据表现过于主动进取

4-8 什么是系统误差?有哪几种类型?简要说明系统误差与随机误差的根本区别。P117

系统误差是只在相同条件下,多次测量同一量时其大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。分为恒定系统误差和变化系统误差。

系统误差与随机误差的根本区别:系统误差不能依靠概率统计方法消除,可掌握、控制、消除,具有规律性,产生在测量开始之前,与测量次数无关。随机误差不能掌握、控制、消除,具有随机性,产生在测量过程中,与测量次数有关。 4-9 产生零位误差的原因有哪些?产生增益误差的原因有哪些?简述校正方法。P117

由于传感器、测量电路、放大器等不可避免的存在温度漂移和时间飘移,所以会给仪器引入零位误差和增益误差,这类误差均属于系统误差。

零位误差校正方法:在每一个测量周期或中断正常的测量过程中,把输入接地(即使输入为零),此时包括传感器在内的整个测量输入通道的输出即为零位输出(一般其值不为零)N 0;再把输入接基准电压V r 测得数据N r ,并将N 0和N r 存于内存;然后输入接V x ,

测得N x ,则测量结果可用下式计算V x 而实现零位校正。

=

V r

(N x -N 0),即在正常的测量过程中,均从采样值中减去原先存入零位输出值,从

N r -N 0

增益误差的自动校正方法:开始工作后或每隔一定时间去测量一次基准参数,然后建立误差校正模型,确定并存储校正模型参数。在正式测量时,根据测量结果和校正模型求取校正值,从而消除误差。

4-10 基准电压V r 的精度和稳定性是否会影响零位误差、增益误差的校正效果?P117

会影响。

零位误差、增益误差的校正结果都与基准电压有关系。对于零位校正,测量结果为V x

=

V r

(N x -N 0);对于增益校正,

N r -N 0

校正方程为Y

=A 1X +A 0,其中A 1=V r /(X 1-X 0),A 0=V r X 0/(X 0-X 1)

4-11 简述系统非线性误差校正的思路与方法。P118

思路:采用各种非线性校正算法(校正函数法、线性插值法、曲线拟合法等)从仪器数据采集系统输出的与被测量呈非线性关系的数字量中提取与之相对应的被测量。

方法:校正函数法、代数插值法(线性插值、抛物线插值、分段插值)、曲线拟合(连续函数拟合、分段拟合)

4-12 通过测量获得一组反映被测值的离散数据,欲建立一个反映被测量值变化的近似数学模型,请问有哪些常用的建模方法?

校正函数法、代数插值法(线性插值、抛物线插值、分段插值)、曲线拟合(连续函数拟合、分段拟合) 4-13 什么事代数插值法?简述线性插值和抛物线插值是如何让进行的。P119-P121

所谓代数插值,就是用一个次数不超过n 的代数多项式P n (x ) =a n x 处满足P n (x i ) =

n

+a n -1x n -1+... +a 1x +a 0去逼近f (x ) ,使P n (x ) 在节点

f (x i ) =y i ,i =0,1,..., n

线性插值过程:从一组数据

(x i , y i )中选取两个有代表性的点(x 0, y 0)和(x 1, y 1),然后根据插值原理,求出插值方程

,a 0

P 1(x )=

x -x 0y -y x -x 1

y 0+y 1=a 1x +a 0,其中待定系数a 1和a 0为a 1=10

x 0-x 1x 1-x 0x 1-x 0

=y 0-a 1x 0

三个点,相应的插值方程为

抛物线插值过程:在一组数据中选取

(x 0, y 0)

(x 1, y 1)

(x 2, y 2)

x -x 1)(x -x 2)x -x 0)(x -x 2)x -x 0)(x -x 1)(((P 2(x )=y 0+y 1+y 2 x 0-x 1x 0-x 2x 1-x 0x 1-x 2x 2-x 0x 2-x 14-14 什么是线性拟合法?如何利用最小二乘法来实现多项式拟合。P122- P123 4-15

4-16 举例说明标度变换的概念。P126

测量机械压力时,常利用压力传感器,当压力变化为0~100 能显示或打印输出,这种转换就是工程量变换,又称标度变换

N 时,压力传感器输出的电压为0~10mV,放大为0~5V后进行A/D转

换,得到00H~FFH的数字量这些数码并不等于原来带有量纲的参数值,它仅仅对应于参数的大小,必须把它转换成带有量纲的数值后才

5-1 什么是软件工程?软件工程是如何克服软件危机的?P131-P132

软件工程是由硬件和系统工程派生出来的。它包含四个关键元素:方法、语言、工具和过程,是工程学的原理和方法在软件设计和生产中的应用。

随着软件在计算机中的比重的增大,传统的软件生产方式已不能适应发展需要,出现了软件危机。软件工程将软件生产划分为几个阶段,每个阶段都有严格管理和质量检验,设计和生产过程有共同的准则。 5-2 什么是基于裸机的软件设计?其设计步骤分为那几步?P141

基于裸机的软件设计是指以“空白”的微处理器/控制器为基础,完成全部的软件设计,没有将系统软件和应用软件分开处理,其实时性和可靠性与设计人员的水平密切相关,适用于功能较简单的智能仪器。

步骤:(1)设计任务书的编写(2)硬件电路的设计(3)软件任务分析(4)数据类型和数据结构规划(5)资源分配(6)编程与调试(7)编程语言和编程环境的选择

5-3系统监控程序的作用是什么?常用的结构有哪几种?P147-P148

系统监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序。它完成人机对话和远程控制等功能,是系统按照操作者的意图或遥控命令来完成指定的作业。它是单片机系统的框架。监控程序的任务有:完成系统自校、初始化,处理键盘命令,处理接口命令,处理条件触发并完成显示功能。

常用结构:作业顺序调度型、作业优先调度型、键码分析作业调度型 5-4 根据你的理解谈谈什么是嵌入式系统,它有什么特点?

嵌入式系统是指操作系统和功能软件集于计算机硬件系统之中。

特点:功能单一、简单,兼容性要求不高,软件代码小,高度自动化,响应速度快,适合于要求实时的和多任务的体系。 5-5 嵌入式应用程序的开发分为那几个阶段?P154

(1)应用软件的生成阶段 (2)应用软件的调试阶段 (3)应用软件的固化运行阶段

5-6 嵌入式软件的开发方法有哪几种?各有什么特点?P156

(1) (2)

交叉开发 崩溃与烧制的调试方法无法进行程序调试,效率低下,开发系统建立在PC (或工作站)上,应用程序的编辑、编译、链接等过程在宿主机上完成,而最终运行平台为嵌入式设备。

ROM 监控程序法 改变崩溃和烧制方法才来的缺陷,将一段程序固化在目标机上。该程序与宿主机端程序一起完成对应用程序的调试。

5-7 什么是软件测试,其作用是什么(发现程序错误)?P157

软件测试就是在软件投入运行前,对软件需求分析,设计规格说明和编码的最终复查,是软件质量保证的关进步骤。 定义1:软件测试时为了发现错误而执行程序的过程。

定义2:软件测试时根据软件开发各阶段规格说明和程序的内部结构而精心设计一批测试用例(即输入数据及预期的输出结果),并利用这些测试用例去运行程序,以发现程序错误的过程。

6-1 可靠率、失效率是如何定义的?仪器失效率服从什么样的规律?P169

可靠率是指在规定条件下和规定时间内仪器完成所规定的任务的成功率。

失效率优势也称瞬时失效率或故障率,是指仪器运行到t 时刻后单位时间内发生故障的仪器台数与t 时刻完好仪器台数之比。

仪器系统失效率曲线(新浴盆曲线):图6-1

6-2 有1000台仪器,要求其MTBF=1000h。若对其进行1000h 的实验运行,最多允许多少台仪器出现故障?P171

解:平均故障间隔时间MTBF 得1000h 仪器可靠率为R

=-t ln -1⎡⎣R (t )⎤⎦

(1000)=e -1,又R (t )=e -λt ,λ=γ/T

=106;γ

指仪器失效数

T 为运行台数和运行时间的乘积,T 得到1000λ

=1,λ=10-3

仪器失效数为γ=λT =1000,即最多允许有1000台仪器出现故障。

6-3 影响仪器可靠性的因素有哪些?有哪些措施可以提高仪器硬件可靠性?P174- P177

影响仪器可靠性的因素有:元器件的可靠性、工艺、电路结构、环境因素、人为因素。 提高仪器可靠性的措施:

(1)合理地选择元器件(电阻器、电容器、集成电路芯片)(2)筛选,把所选的合适元器件的特性测试后,对这些元器件施加外应力,过一段时间再重新特性测试(3)元器件降额使用(4)可靠的电路设计(5)冗余设计,包括并联系统和串联系统(6)环境设计,包括温度保护、冲击振动保护、电磁干扰保护(7)人为因素设计(8)对仪器进行可靠性试验 6-4 若三个可靠度为0.9的仪器部件串联构成系统,系统的可靠度为多少?P78 (与书中公式不一样,我觉得书中公式有错误)

R s =∏R i =0.93=0.729

i =1

m

若这三个可靠度为0.9的仪器部件并联冗余构成系统,系统的可靠度为多少?

R p =1-∏(1-R i ) =1-(1-0.9) 3=0.999

i =1

m

若这三个部件并联构成3取2的表决系统,系统的可靠度又为多少(忽略表决器的影响)?

6-5 软件可靠性的预估有哪几种模型?试分析你所了解的模型的优缺点。P180 (1)时间模型

可靠性增长模型:此模型需要确定在调试前软件的故障数目,这是一项困难的任务。 公理模型:该模型预测的故障数与实际的故障数之比为0.8 (2)数据模型:由于输入集E 的不同,软件表现出的可靠度不同。 6-6 叙述提高仪器软件可靠性的方法。P181

(1)认真的进行规范设计(2)可靠的程序设计方法(3)程序验证技术(4)提高软件设计人员的素质(5)消除干扰(6)增加试运行时间 6-7

6-8 说明仪器的可靠性设计进程P172图6-3

系统设计进程 可靠性考虑 6-9 什么是仪器的干扰和抑制?抑制的任务和手段是什么?P186

干扰:相对有用信号而言,只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作,才能形成干扰。 抑制:消除或减少干扰

抑制的任务:从根本上消除或减少干扰

抑制电磁干扰源、切断电磁干扰耦合途径、降低电磁敏感装置的敏感性

抑制的手段:屏蔽、接地、浮置、对称电路、隔离技术、滤波、脉冲电路的噪声抑制 6-10 按产生干扰的物理原因,通常可将干扰分为那几类?分别采取什么措施进行抑制? (1) 机械干扰 采取减震措施来解决

(2) 热干扰 通常采用热屏蔽、恒温措施、对称平衡结构、温度补偿元器件等措施来抑制。 (3) 光干扰 采用光屏蔽来一直 (4) 化学干扰 密封和保持清洁 (5)

电和磁干扰 屏蔽(包括静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽)、接地(包括安全接地、信号源接地、信号地线、负载地线、机

壳接地)、浮置、对称电路、隔离技术(包括电磁隔离、光隔离和隔离放大器)、滤波(包括电源滤波、信号滤波和有源滤波)、脉冲电路(包括积分电路、脉冲干扰隔离门和削波器) (6) 射线辐射干扰

6-11 研究形成干扰作用的三要素的目的是什么?P188

噪声形成干扰必须同时具备三要素:噪声源、对噪声敏感的接收电路、两者之间的耦合通道。研究三要素的目的是从这三要素出发,设计抑制干扰的基本方法和措施。

6-12 试分析接通电容性负载及断开电感性负载形成干扰的原因,并举例说明干扰的大小。P188

接通电容性负载时,由于两个电路之间存在寄生电容,是的一个电路的电荷变化影响到另一个电路,形成干扰。 断开电感性负载时,由于两点路之间存在互感,是的当一个电路的电流变化时,通过磁链影响到另一个电路,形成干扰。 6-13 干扰主要通过什么途径传播?如何采取措施加以抑制?P188 (1) 电容性耦合 尽量减小寄生电容 (2) 电感性耦合 减小互感值

(3) 共阻抗耦合 减小电源内阻压降、减小地线压降、减小输出阻抗 (4) 漏电耦合 (5) 传导耦合 (6) 辐射电磁场耦合

6-14 屏蔽为什么能达到抗干扰的目的?静电屏蔽及电磁屏蔽的原理是什么?为了使它们能达到很好的效果,应采取什么措施?P192

用低电阻材料或高磁导率材料将需要防护的部分屏蔽起来,将电力线或磁力线的影响限定在某个范围或阻止它们进入某个范围,隔断场的耦合,能抑制各种场的干扰

静电屏蔽的原理:由于处于静电平衡状态下的导体内部,各点等电位,即内部无电力线,所以静电场的电力线就在接地的金属导体处中断,从而起到隔离静电场的作用。为了达到很好的效果,采用驱动屏蔽。

电磁屏蔽的原理:电磁屏蔽是采用良好的金属材料做成屏蔽层,利用高频电磁场对金属屏蔽层的作用,在屏蔽金属内产生电涡流,由涡流产生磁场抵消或减弱干扰磁场的影响,从而达到屏蔽的目的。为了达到很好的效果,所选用的屏蔽层材料必须是良导体,当必须在屏蔽层上开孔或开槽时,必须注意孔或槽的位置和方向,应不影响或尽量减少影响电涡流的路径,以免影响屏蔽效果。

7-1 什么是可测试性?智能仪器中引入可测试性设计有什么优点?

P206 可测试性是指产品能够及时准确地确定其自身状态(如可工作、不可工作、性能下降等)和隔离其内部故障的设计特性。可测试性包括三个基本要素:可控制性、可观测性和可预见性。

P208 优点:(1)提高故障检测的覆盖率(2)缩短仪器的故障时间(3)可以对仪器进行层次化的逐级测试:芯片级、板级、系统级

(4)降低仪器的维护费用

7-2 什么是固有测试性?固有测试性设计的主要内容包括哪几个方面?P209

固有测试性是指仅取决于产品硬件设计,不依赖于测试激励和响应数据的测试性。

固有测试性设计主要从硬件设计和与外部测试设备的兼容性考虑。在设计硬件时,尽量把每个功能划分为一个单元。在结构上要便于故障的隔离和单元的更换。在电器上要尽量减少各可更换单元之间的连线和信息的交叉。在元器件和部件的选择上,应优先选择具有良好可测试特性和故障模式已有充分描述的集成电路或组件。模块和组件的接口要便于测试控制和观测。被测单元和外部设备之间,应具有良好的兼容性。被测单元在结构和电气上都应和外部测试设备保持兼容,减少专用接口设备。

7-3 结合书中所学知识谈谈你对BIT 技术的理解。P216

传统的测试技术主要是利用外部的测试仪器对被测设备进行测试,但随着复杂系统维修性要求的提高,迫切需要复杂系统本身具备检测、故障隔离的功能以缩短维修时间。所以BIT 在测试研究当中占据了越来越重要的地位,成为维修性、测试性领域邪恶重要研究内容。BIT 是指系统、设备内部提供的检测、隔离故障的自动测试能力。BIT 技术是改善系统或设备测试性与诊断能力的的重要途径,是测试和维修的重要手段,简化了设备维护,降低了总体费用,它使得传统测试中用手工完成的绝大多数测试实现了自动化。

7-4 常用的BIT 技术有哪些?各有什么特点?P217

(1) 通用BIT 技术:测试点的选择直接影响被测系统的测试性。包括余度BIT 技术、环绕BIT 技术、并行测试技术。

(2) 数字BIT 技术:包括板内ROM 式BIT 技术、微处理器BIT 、微诊断法、RAM 测试、定时监控测试等。

(3) 模拟电路BIT 技术:包括比较器方法和电压求和方法。由于模拟器件的故障模式很多,模拟电路会有容差故障,所以模拟电路

BIT 技术很难发展。

7-5 常规BIT 技术有哪些缺陷?如何解决这些问题?P223

常规BIT 技术缺陷:功能相对简单,诊断技术单一、诊断能力差,虚报警率高。

解决方法:把神经网络、专家系统和模糊逻辑等智能理论和方法应用于BIT 的故障诊断之中,将其与计算机技术、大规模集成电路技术结合,从根本上解决BIT 的虚报警问题,提高了BIT 的诊断能力。

8-1 简述智能仪器设计的基本要求。P231

(1) 功能及技术指标应满足要求

(2) 可靠性要高

(3) 便于维护和操作

(4) 仪器工艺结构与造型设计要求

8-2 智能仪器设计时一般应遵循的基本原则。怎样理解“组合化与开放式设计思想”?P231-P232

基本原则:(1)从整体到局部(自顶向下)的设计原则

(2)较高的性能价格比原则

(3)组合化与开放式设计原则

开放式设计思想: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开放,兼顾设计周期和产品设计,并着眼于社会的公共参与,为发挥各方面厂商的积极性创造条件; 向用户不断变化的特殊要求开放,兼顾通用的基本设计和用户的专用要求。

组合化设计思想:开放式体系结构和总线系统技术发展,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,选用成熟的现成硬件模板和软件进行组合。组合化设计的基础是模块化(又称积木化) ,硬、软件功能模块化是实现最佳系统设计的关键。优点:现成的功能模块,简化设计并缩短设计周期。结构灵活,便于扩充和更新,使系统的适应性强。维修方便快捷。功能模板可以组织批量生产,使质量稳定并降低成本。

8-3 智能仪器中微机系统有哪几种构成方式?分别试用于哪些场合?

8-4 总结目前市场流行的单片机型号、特点。

(1) MicroChip 单片机:MicroChip 单片机的主要产品是PIC16C 系列和17C 系列8位单片机,CPU 采用RISC 结构。运行速度快,低

工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积。适用于量大,档次低,价格敏感的产品。在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛应用。

(2) 51系列拥有基于复杂指令集(CISC )的单片机内核,虽然其速度不快,12个振荡周期才能执行一个单周期指令,但其端口结构

为准双向并行口,可兼有外部并行总线,故使其扩展性能非常强大。51的内部硬件预设,可用特殊功能寄存器对其进行编辑。

(3) AVR 单片机高速RISC (精简指令集):主频最高达20MHz ;低功耗,宽电压:1.8V-5.5V ,最低全速运行功耗

能力强:推拉电流能力均达30mA ,可以直接驱动蜂鸣器、继电器等;片内资源丰富:外部中断、定时/计数器、UART 、SPI 、IIC 、ADC 、模拟比较器型号齐全,而且40脚一下点的AVR 均具有DIP 的封装形式。

(4) MSP430单品级的特点

MSP430系列单片机的迅速发展和应用的范围的不断扩大,主要取决于一下的特点。强大的处理能力MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用了精简指令集(RISC )结构,具有丰富的寻址方式(7中源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简介的27条内核指令以及大量的魔力指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有搞笑的查表处理敕令,有较高的处理速度,在8MHz 晶体驱动下指令周期为125ns 的指令周期。16位的数据宽度、125ns 的指令周期一节多功能的硬件乘法器(能实现加乘)相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如FFT 等)。MSP430系列单片机的终端源较多,并且可以任意嵌套,使用灵活方便。当系统处于省电的备用状态时,用终端请求将它唤醒只用6us 。超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

8-5 TMS320系列DSP 中,有哪些芯片适合智能仪器,概括其主要性能特点。

8-6 简述《仪器设计任务书》的主要内容、主要作用和编写注意事项。P232-P233

主要内容:(1)仪器名称、用途、特点及简要设计思想

(2)主要技术指标,包括:精度、被测参数名称及测量范围和工作环境、稳定性等。

(3)仪器应具备的功能,包括:输出功能、人机对话功能、运算功能、出错或超限报警提示功能以及诸如仪器检测状态的自动调整功能。

(4)仪器的设备规模

(5)系统的操作规范

主要作用:(1)作为用户(或委托方)和研制单位之间的合约附件或研制单位仪器设计的立项基础。

(2)反映仪器的结构、规定仪器的功能指标,是研制人员的设计目标。

(3)作为研制完毕进行项目验收的依据。

编写注意事项:

(1) 设计任务书应由项目主持人编写,力求简明,切勿陷入具体细节设计,但是要从总体上考虑实现总目标所必须经历的研究途径

和实施方法。

(2) 填写《仪器功能说明书》中有关技术指标的具体数据是要非常慎重。应结合实际通盘考虑,切忌苛求高指标,避免技术指标在

有限的人力和财力条件下难以实现。

8-7 智能仪器设计时如何考虑硬件和软件之间的关系。P233

智能仪器设计时两者紧密协调、不可分离。系统完成的某些功能(例如逻辑运算、定时或延时功能以及串行接口等),从原则上既可以以硬件为主实现,又可以以软件为主实现。一般的,利用硬件的方法,必须配置相应的外围芯片,它基本上不占用CPU 的运行时间,但硬件多了,不仅增加成本,且系统的故障的机会也相应增多。利用软件方法,可以使硬件配置最省,其实质是以时间取代空间。软件执行过程需要时间,系统实时性会下降。但在实时性要求不高的系统,“以软代硬”是很合算的。例如:触电去抖动的软件延时法和软件低通滤波方法通常指的采用。

总之,硬件和软件的划分,要根据系统的规模、功能、指标和成本等因素综合考虑。一般原则是:如果仪器的生产批量很大,则应尽量压缩硬件投入,用以软代硬的方法降低成本,且能提高系统的可靠性。然而,硬件和软件的划分一般不可能一步到位,在具体的设计过程中,为取得较为满意的结果,软件和硬件的划分往往需要多次协调、折中和仔细权衡。

8-8 简述微处理器内嵌式智能仪器硬件设计时应注意哪几方面的问题。P233-P234

(1) 要求硬件设计人员对所需硬件芯片的性能有充分的了解并尽可能采用功能强的芯片以简化硬件电路

(2) 在设计时要考虑到可能会有修改和扩展,因此,设计时硬件资源须留有足够的余地

(3) 为使智能仪器具有自诊断功能,需附加设计有关的监测报警电路

(4) 考虑硬件干扰措施和是否需设置RAM 的掉电保护

(5) 绘制线路板时,尚需注意与机箱、面板的配哈,接插件安排等问题,必须考虑到安装、调试和维修的方便

8-9 简述智能仪器软件调试、综合调试、整机性能测试的一般方法。

软件调试:从不需要调用其他子程序的最初子程序入手,然后逐级向上一级模块程序(测试软件)扩展,最后才是监控程序。 综合调试:在完成了样机的硬件组装和软件设计后,就可着手系统调试,以排除硬件故障和纠正软件错误,并解决硬件和软件之间的协调问题。

整机性能测试:需按照设计任务书规定的设计要求拟定一个测试方案,对各项功能和指标进行逐项测试,如果某项指标不符合要求,还得查明原因,作相应调整,直至完全达到设计要求为止。

8-10 画出相关处理的快速算法流程。概述相关检测的主要应用。P247图8-17

相关检测的主要应用:相关检测是利用相关原理对某些物理量进行检测。两个信号的互相关函数是个有用的统计量,他可以用来了解两个信号的相似程度,或者两个信号之间的时间关系。对两个信号进行时差调整,就可以求得相关函数的最大值,从而了解他们之间的相似程度。如果已知这两个信号时相似的,则这个时差就等于他们之间的时间延迟。

8-11 自选仪器设计题目,提出设计方案。

9-1 与传统仪器相比,虚拟仪器有哪些特点?P253

(1) 软件是VI 的核心

(2) VI 具有良好的人机界面

(3) VI 性价比高

(4) VI 具有和其他设备互联的能力

9-2 在仪器开发中为什么要用虚拟仪器软件开发平台?请举例说明优越性。P257

VI 应用软件具有被其他可复用源码模块继承性调用能力,从而减低测试成本。而且,由于VI 是基于模块化软件标准的开放式系统,用户可以选择合适于自己应用要求的任何测试软件。例如,用户完全可以定义最合适与自己生产线上涌的低成本测试系统,或为研究与开发项目设计高性能的测试系统,而这些系统的软件或硬件平台可能是相同或兼容的。简而言之,采用基于VI 的统一测试策略将有助于你面对当今的测试挑战而在积累的竞争中处于优势地位。

9-3 比较基于PCI 总线(内插DAQ 卡)的数据采集系统和基于USB 总线的数据采集系统的优缺点。P251

PCI 利用PC 软硬件资源,是仪器设计灵活快捷,计算机的软硬件的到了充分的利用,但是,他需要打开机箱,携带也不方便,USB 总线的出现,克服了PC 插卡式仪器不能热插拔以及外接式专用PC 仪器的吞吐率受总线速度限制等缺点,这种仪器能够实现即插即用,方便灵活。

9-4 两种虚拟仪器专用总线VXI 和PXI 有何异同?

与VXI 相比,PXI 具有更高的性价比,其坚固紧凑的形状特保证在恶劣的工业环境中应用时的可靠性,还通过增加更多的仪器模块扩展槽以及高级触发、定时、和高速通信性能,更好的满足用户的需要。

9-5 labview 软件开发平台有哪些主要特点?简述采用labview 进行虚拟仪器软件开发的方法和步骤。

主要特点:(1)图形化的编程界面,采用“所见即可得”的可视化编程技术

(2)内置程序编辑器,采用编译方式运行32位应用程序,速度快

(3)具有灵活的调试手段,可设置断点,单步运行程序

(4)集成了大量的函数库

(5)支持多中系统工作平台

(6)开放式开发平台,提供DDL ,OLE 等支持

(7)支持网络功能

方法和步骤:系统需求分析-结构设计阶段-细节设计阶段-编写代码阶段-程序测试阶段-软件维护阶段

9-6 随着网络技术、计算机技术、微电子技术和为传感器技术等现代信息技术的发展,请展望测控仪器的未来。


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