智能仪器技术及其应用

1 绪论

1.1 智能仪器的基本组成

1.2 智能仪器的功能特点

1.3 智能仪器的传统仪表的比较

2 MCS-51单片机简介

2.1 MCS-51单片机的内部机构

2.2 MCS-51单片机的端子及其功能

2.3 MCS-51单片机的存储器结构

2.4 MCS-51单片机的CPU结构

2.5 MCS-51单片机的并口

2.6 MCS-51单片机的串行接口

2.7 MCS-51单片机的定时器/计数器

2.8 MCS-51单片机的指令系统

2.9 MCS-51单片机的指令系统

291 MCS-5l单片机的指令格式29

292 MCS-5l单片机的寻址方式29

293 MCS-5l单片机的指令32

习题39

3 智能仪器的硬件设计41

31 键盘接口技术41

311 键盘接口要解决的问题41

312 非编码键盘42

313 编码键盘43

32 显示器接口技术44

321 七段LED显示器45

322 点阵式LED显示器48

33 8279可编程键盘/显示器芯片接口技术48

331 8279的数据输入、显示输出及命令格式49

332 8031与8279构成编码键盘系统51

34 LCD液晶数码显示接口技术55

341 LCD工作原理和驱动方式55

342 LCD显示器的驱动接口56

343 点阵式LCD液晶显示接口59

35 打印输出接口技术62

351 点阵打印记录62

352 绘图打印记录64

36 模拟信号放大电路68

361 模拟信号放大及集成运放简介69

362 放大电路实例71

37 DAC接口73

38 ADC接口76

381 ADC芯片与微机接口的一般方法76

382 ADC0809与MCS-51单片机的接口78

383 AD574(逐次逼近型)与8031单片机的接口81

39 数据采集83

习题88

4 智能仪器的软件设计90

41 软件设计过程90

411 系统定义90

412 绘制流程图91

413 编写程序92

414 软件测试92

415 文件编制93

416 软件维护93

42 软件设计方法94

421 模块化设计94

422 “自顶向下”设计94

423 结构化设计95

43 监控程序结构96

431 监控程序组成96

432 监控主程序96

44 键盘管理97

441 键值获取方法97

442 一键一义的键盘管理98

443 一键多义的键盘管理99

45 显示管理106

46 中断、时钟管理107

461 中断管理107

462 时钟管理109

47 初始化、自诊断管理110

471 初始化管理110

472 故障自诊断管理111

习题120

5 智能仪器的通信接口技术122

51 串行通信接口122

511 RS-232标准122

512 RS-422标准126

513 RS-485标准127

52 并行通信接口131

521 IEEE-488接口系统的基本特性131

522 IEEE-488总线结构131

523 IEEE-488基本接口功能要素132

524 消息及其编码133

525 接口功能134

526 IEEE-488接口芯片135

53 USB接口135

531 USB的物理接口和电气特性136

532 USB系统组成136

533 USB通信流137

534 USB的传输方式139

535 USB交换的包格式139

536 USB典型器件141

54 现场总线接口146

541 HART协议147

542 PROFIBUS DP协议150

543 PROFIBUS通信接口开发152

544 MODBUS协议156

55 以太网接口162

551 传输通信协议162

552 嵌入式以太网的解决方案163

553 以太网控制器简介164

554 基于RTL8019AS的嵌入式设备网络互联设计方案168

习题169

6 智能控制器及其算法170

61 数字PID控制器170

611 PID算法的程序流程170

612 应用实例172

62 基于复杂算法的控制器174

621 大纯滞后的Smith补偿控制器174

622 前馈控制算法177

623 解耦控制器179

624 差拍控制与Dahlin算法180

63 模糊控制器184

631 模糊控制系统的基本组成186

632 模糊控制器的实现186

64 神经网络控制器187

641 神经网络的特征和能力187

642 神经网络控制系统的结构187

习题190

7 智能仪器的抗干扰技术191

71 干扰的产生及分类191

711 干扰来源191

712 干扰的耦合方式191

713 干扰的分类192

72 电源抗干扰技术193

721 电源抗干扰的基本方法193

722 电源滤波器的构造及抗干扰特性194

723 电源滤波器的装配布线195

73 接地与隔离技术195

731 接地技术195

732 隔离技术198

74 数字电路的抗干扰技术203

741 TTL电路输出中产生振荡原因及抑制203

742 CMOS电路输出中产生振荡原因及抑制204

75 微处理器的抗干扰技术206

751 系统受到干扰后软件处理方法206

752 系统中各部分的安排及相互连接209

753 电源瞬时变动对系统干扰的抑制211

754 存储器部分产生噪声的抑制212

76 信号在长传输中的抗干扰措施213

761 信号在长传输中共模噪声的抑制213

762 信号在长传输中常模干扰的抑制214

763 传输中的平衡措施215

764 长线传输的反射干扰及其抑制215

77 仪器的防雷技术218

771 雷电的特性218

772 装置内仪器遭受雷击的可能性219

773 雷击防护器的原理219

774 避雷器的选用及设置221

775 防雷接地措施222

78 防辐射技术224

习题225

8 智能仪器中的数据处理及算法226

81 常用算术运算程序226

811 数值之间的转换226

812 二进制算术运算程序230

813 十进制算术运算程序235

82 仪器中常用函数的算法240

821 泰勒公式240

822 三角函数的计算240

823 指数函数的计算241

824 自然对数的计算241

825 平方根的计算242

826 其他几种常用数值计算243

83 测量结果的非数值处理245

831 查找245

832 排序248

84 测量结果的数值处理249

841 克服系统误差的方法250

842 克服随机误差的方法254

843 克服疏忽误差的方法256

85 常用数字滤波处理257

851 算术平均滤波258

852 去极值平均滤波259

853 中位值滤波261

854 递推平均滤波262

855 加权递推平均滤波262

856 一阶惯性滤波263

857 程序判断滤波264

习题265

9 智能仪器设计实例267

91 数字记录仪267

911 系统结构267

912 硬件系统268

913 软件系统268

92 温度测控仪272

921 温度采集智能从站的硬件系统272

922 温度采集智能从站的软件系统276

93 智能IC卡控制阀279

931 系统工作原理279

932 硬件电路原理及功能279

933 软件系统281

94 程控扫频仪284

941 显示器键盘控制电路285

942 幅值控制电路286

943 跟踪滤波器286

944 D/A输出电路287

95 交流电量综合测试仪289

951 算法实现290

952 硬件设计291

953 系统软件296

954 软件设计297

参考文献299 2100433B

本书内容共分9章。第1章绪论主要介绍智能仪器的基本组成及功能特点；第2章介绍MCS"_blank" href="/item/工业以太网/10068744" data-lemmaid="10068744">工业以太网技术。此外，数字信号处理在智能仪器中的应用，智能仪器与过程控制技术的关系，以及抗干扰技术方面都有较多的篇幅。

全书共分6章：第一章智能仪器的概述。主要介绍仪器仪表的发展历程，智能仪器的概念、分类、特点和组成，介绍智能仪器的总体设计原则和步骤；第二章智能仪器的硬件结构。主要介绍智能仪器的输入、输出通道设计、人机接口、通信接口；第三章智能仪器的软件设计。主要介绍智能仪器的测量算法设计、量程设计等；第四章智能仪器的可靠性设计，主要介绍智能仪器的自校准、自检和抗干扰设计；第五章智能仪器的设计实例，主要介绍一些典型的以单片机和DSP为核心的智能仪器设计；第六章介绍智能仪器的最新发展趋势。

第1章绪论1

1.1概述1

1.1.1智能仪器及其特点1

1.1.2智能仪器的组成4

1.1.3智能仪器的工作原理5

1.1.4智能仪器的新发展7

1.2智能仪器设计简介10

1.2.1设计要点10

1.2.2监控程序的结构11

1.2.3程序设计技术11

1.2.4智能仪器的研制步骤13

1.2.5智能仪器设计中应注意的问题16

习题与思考题19

第2章智能仪器的标准数据通信接口20

2.1RS-232标准串行接口总线20

2.2SPI总线标准26

2.2.1SPI总线标准介绍26

2.2.2利用模拟SPI扩展串行E2PROM28

2.3I2C标准总线37

2.3.1I2C标准总线介绍37

2.3.280C51单片机模拟I2C总线应用实例40

2.4USB总线标准46

2.4.1USB总线标准介绍46

2.4.2应用实例49

2.5CAN总线55

2.5.1CAN通信总线原理56

2.5.2常用的CAN通信总线芯片60

2.5.3CAN通信总线硬件设计61

2.6GP-IB接口总线62

2.6.1接口功能要素62

2.6.2接口的基本特性63

2.6.3总线结构63

2.6.4消息及其编码64

2.6.5三线挂钩过程65

2.6.6接口功能设置66

2.7无线数据传输和PTR2000的应用66

2.7.1调制解调器技术简介67

2.7.2PTR2000无线收发MODEM的应用68

习题与思考题71

第3章预处理电路及数据采集72

3.1概述72

3.2传感器及其应用73

3.2.1传感器基础知识73

3.2.2几种常用或新型传感器简介75

3.2.3传感器应用实例79

3.3模拟信号放大电路83

3.3.1模拟信号放大及集成运放简介83

3.3.2放大电路实例85

3.4DAC接口89

3.4.1DAC芯片与微机接口的一般方法90

3.4.2DAC芯片与80C51单片机接口举例93

3.5ADC接口97

3.5.1ADC芯片与微机接口的一般方法97

3.5.2常用的ADC芯片与80C51单片机接口举例101

3.6数据采集系统125

3.6.1数据采集系统结构125

3.6.2模拟开关126

3.6.3采样保持电路128

3.6.4单片数据采集系统130

习题与思考题133

第4章人机接口技术134

4.1键盘接口134

4.1.1键盘简介134

4.1.2非编码键盘136

4.1.3编码键盘143

4.1.4触摸屏技术145

4.2LED显示器接口147

4.2.1七段LED显示器147

4.2.2点阵式LED显示器151

4.3键盘/显示器接口实例153

4.3.1用8155H芯片实现键盘/显示器接口153

4.3.2用51单片机的串行口实现键盘/显示器接口156

4.3.3利用8279专用接口芯片实现键盘/显示器接口158

4.3.4〖CX3〗〖CX〗利用7289串行接口芯片实现键盘/显示器接口169

4.4LCD显示器接口179

4.4.1LCD显示器的基本结构及工作原理179

4.4.2LCD显示器与单片机接口181

4.4.3液晶显示模块的应用187

4.5CRT显示器接口200

4.5.1CRT显示原理200

4.5.2字符显示终端203

4.6微型打印机接口205

4.6.18051与GP16微型打印机的接口205

4.6.28051与PP40绘图打印机的接口210

习题与思考题221

第5章测量算法与系统优化设计222

5.1测量算法222

5.1.1量程选择222

5.1.2极限判断与越限报警223

5.1.3自检算法224

5.1.4标度变换224

5.1.5智能仪器的软件主流程实例227

5.2测量精确度的提高229

5.2.1随机误差与数字滤波229

5.2.2系统误差的处理237

5.3智能仪器的低功耗设计246

5.3.1低功耗设计概述246

5.3.251系列单片机的低功耗运行247

5.3.3存储器的低功耗运行250

5.3.4智能仪器的低功耗设计方案252

5.4智能仪器的抗干扰设计253

5.4.1主要干扰源及相应的抗干扰措施253

5.4.2印制电路板及电路的抗干扰设计257

5.4.3软件抗干扰设计258

习题与思考题265

第6章监控主程序的设计266

6.1直接分析法266

6.1.1用选择结构设计监控主程序266

6.1.2用转移表法设计监控主程序267

6.2状态变量法271

6.2.1状态变量法的实质271

6.2.2状态变量法设计步骤273

6.2.3设计状态图和状态表的原则与技巧276

6.2.4用状态变量法设计监控主程序实例281

习题与思考题284

第7章接口管理程序的设计285

7.1MC68488接口（GPIA）原理285

7.1.1GPIA引出线功能285

7.1.2GPIA内部寄存器功能289

7.280C51单片机与MC68488接口电路设计295

7.2.1时钟信号的产生295

7.2.2读写控制信号296

7.2.3芯片选通控制296

7.3接口管理程序的设计297

7.3.1概述297

7.3.2接口启动程序297

7.3.3接口管理主程序298

习题与思考题300

第8章智能仪器设计实例301

8.1数字频率计的设计301

8.1.1系统组成与设计方案301

8.1.2频率计程序设计302

8.2超声波测距仪的设计306

8.2.1SB5227型超声波测距专用集成电路306

8.2.2超声波测距仪的设计308

8.2.3超声波测距网络系统的构成312

8.3数字多用表的设计312

8.3.1设计任务及要求312

8.3.2设计思路与方案313

8.3.3系统硬件设计313

8.3.4软件设计316

8.4智能型出租车计价器的设计318

8.4.1设计任务与要求318

8.4.2设计方案319

8.4.3系统设计320

8.4.4硬件开发321

8.4.5软件设计323

8.4.6系统调试328

8.4.7指标测试与软件固化329

习题与思考题329

参考文献330"

第1章 导论

1.1 智能仪器的组成及特点

1.1.1 智能仪器的基本结构

1.1.2 智能仪器的主要特点

1.2 智能仪器及测试系统的发展

1.2.1 独立式智能仪器及自动测试系统

1.2.2 个人仪器系统及VXI总线仪器系统

1.2.3 软件技术的高速发展及虚拟仪器

1.3 智能仪器设计的要点

1.3.1 设计、研制智能仪器的一般过程

1.3.2 智能仪器主机电路的选择

思考题与习题

第2章 智能仪器模拟量输入/输出通道

2.1 模拟量输入通道

2.1.1 A/D转换器概述

2.1.2 逐次比较式A/D转换器及其接口

2.1.3 积分式A/D转换器及其接口

2.14 Σ△型A/D转换器及其接口

2.2 高速模拟量输入通道

2.2.1 并行比较式A/D转换器原理概述

2.2.2 高速A/D转换器及其接口技术

2.2.3 高速数据采集与数据传输

2.3 模拟量输出通道

2.3.1 D/A转换器概述

2.3.2 D/A转换器与微处理器的接口

2.3.3 D/A转换器应用举例

2.4 数据采集系统

2.4.1 数据采集系统的组成

2.4.2 模拟多路开关及接口

2.4.3 模拟信号的采样与保存

2.4.4 数据采集系统设计举例

思考题与习题

第3章 智能仪器人机接口

3.1 键盘与接口

3.1.1 键盘输入基础知识

3.1.2 键盘接口电路及控制程序

3.1.3 键盘分析程序

3.2 LED显示及接口

3.2.1 LED显示原理

3.2.2 七段LED显示及接口

3.2.3 点阵LED显示及接口

3.3 键盘/LED显示器接口设计

3．3．1 HD 7279A的功能及结构特点

3.3.2 键盘/LED显示器接口设计举例

3.4 CRT显示及接口

3.4.1 光栅扫描字符显示系统

3.4.2 光栅扫描图形显示系统

3.4.3 随机扫描图形显示系统

3.5 微型打印机及接口

3.5.1 TPμP40B/C 微型打印机及其接口

3.5.2 汉字打印技术

3.5.3 微型打印机接口管理程序

思考题与习题

第4章 智能仪器通信接口

4.1 GPIB通用接口总线

4.1.1 GPIB标准接口系统概述

4.1.2 接口功能与接口消息

4.1.3 GPIB标准接口系统的运行

4.2 GPIB接口电路的设计

4.2.1 GPIB接口芯片简介

4.2.2 智能仪器的GPIB接口设计

4.2.3 控制器的GPIB接口设计

4.3 串行通信总线

4.3.1 串行通信基本方式

4.3.2 串行通信协议

4.3.3 RS232C标准

4.4 串行通信接口电路的设计

4.4.1 智能仪器串行通信接口的结构

4.4.2 MCS51系统串行通信设计举例

4.4.3 PC系统与MCS51系统的通信

思考题与习题

第5章 智能仪器典型处理功能

5.1 硬件故障的自检

5.1.1 自检方式

5.1.2 自检算法

5.1.3 自检软件

5.2 自动测量功能

5.2.1 自动量程转换

5.2.2 自动触发电平调节

5.2.3 自动零点调整

5.2.4 自动校准

5.3 仪器测量精度的提高

5.3.1 随机误差的处理方法

5.3.2 系统误差的处理方法

5.3.3 粗大误差的处理方法

5.4 干扰与数字滤波

5.4.1 中值滤波

5.4.2 平均滤波程序

5.4.3 低通数字滤波

5.5 测量数据的标度变换

5.5.1 线性标度变换

5.5.2 智能仪表中采用的线性标度变换公式

5.5.3 非线性参数的标度变换

思考题与习题

第6章 基于电压测量的智能仪器

6.1 智能DVM原理

6.1.1 概述

6.1.2 输入电路

6.1.3 智能DVM中的A/D转换技术

6.1.4 典型智能DVM介绍

6.2 智能DMM原理

6.2.1 概述

6.2.2 交直流转换器

6.2.3 其他模拟转换技术

6.2.4 典型智能DMM介绍

6.3 智能化LCR测量仪器原理

6.3.1 概述

6.3.2 自由轴法测量原理

6.33 LCR测量仪电路分析

6.3.4 典型智能LCR测量仪介绍

思考题与习题

第7章 信号发生器

7.1 信号发生器的分类、性能和组成

7.1.1 信号发生器的分类及性能

7.1.2 通用信号发生器的组成

7.1.3 合成信号发生器的组成

7.2 锁相频率合成信号发生器

7.2.1 锁相环的基本形式

7.2.2 通用型集成锁相环频率合成器

7.2.3 合成信号发生器频率合成单元的组成

7.2.4 典型合成信号发生器分析

7.3 直接数字频率合成信号发生器

7.3.1 直接数字频率合成技术概述

7.3.2 基于DDS芯片的频率合成信号发生器的设计

7.3.3 典型DDS合成信号发生器简介

思考题与习题

第8章 智能电子计数器

8.1 概述

8.1.1 电子计数器组成及测量原理

8.1.2 通用计数器测量误差

8.1.3 多周期同步测量技术

8.1.4 模拟内插扩展技术

8.2 典型部件的分析

8.2.1 输入通道

8.2.2 计数器电路

8.2.3 单片通用计数器

8.3 智能电子计数器的设计

8.3.1 以ICM 7226为基础的智能频率计

8.3.2 等精度频率计的设计实例

8.4 典型智能计数器产品介绍

8.4.1 仪器的原理与组成

8.4.2 仪器键盘操作与分析

8.4.3 仪器的软件系统

思考题与习题

第9章 数字示波器

9.1 概述

9.1.1 数字示波器的组成原理

9.1.2 数字示波器的主要技术指标及分析

9.1.3 数字示波器的特点

9.2 数字示波器的采样方式

9.2.1 实时采样方式原理及实现

9.2.2 顺序采样方式原理及实现

9.2.3 随机采样方式原理及实现

9.3 数字示波器组成原理

9.3.1 现代数字示波器的一般组成

9.3.2 输入通道电路

9.3.3 数据采集与存储电路

9.3.4 触发电路系统

9.3.5 显示系统

9.3.6 波形参数的测量与处理

9.4 数字示波器的设计

9.4.1 简易数字示波器的设计

9.4.2 顺序采样方式数字示波器的设计

9.4.3 智能超声波测厚仪介绍

思考题与习题

第10章 智能仪器的新发展

10.1 个人仪器及系统

10.1.1 个人仪器及发展

10.1.2 PCDAQ形式个人仪器的组成原理

10.1.3 DVM个人仪器的设计实例

10.1.4 HPPC 仪器系统介绍

10.2 VXI 总线仪器系统

10.2.1 VXI 总线仪器系统概述

10.2.2 VXI总线仪器系统软件

10.2.3 VXI总线仪器系统的组建

10.3 虚拟仪器及系统

10.3.1 虚拟仪器及系统概述

10.3.2 LabVIEW 虚拟仪器开发系统介绍

10.3.3 虚拟仪器系统设计的实例

10.3.4 虚拟仪器的发展

思考题与习题

参考文献