智能仪器设计基础第9章　智能仪器设计及实例

第9章　智能仪器设计及实例9.1　智能仪器设计的基本 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 及原则9.2　智能仪器的设计研制过程9.3　智能工频电参数测量仪的设计9.4　基于热电偶的智能温度数显表的设计9.5　智能混合气体识别仪的设计9.1　智能仪器设计的基本要求及原则9.1.1　智能仪器设计的基本要求9.1.2　智能仪器的设计原则9.1.1　智能仪器设计的基本要求1)满足功能及技术指标要求。2)便于操作和维护，既要操作简单，又具有良好的可维护性。3)工艺结构设计合理。4)开放式设计。5)提高仪器的性能价格比。9.1.2　智能仪器的设计原则1.从整体到局部的设计原则2.软、硬件协调原则3.开放式设计思想4. 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化及模块化原则1.从整体到局部的设计原则智能仪器是一个复杂的、综合的系统，设计时应遵循从整体到局部，也就是“自顶向下”的设计原则，把复杂的、总体的问题分为若干较简单的、局部的问题。进行设计时，先要根据要求提出总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，然后分解为相互独立的子任务。仪器的总体由若干子系统构成，分别对子系统进行设计。这样由繁入简，可以提高效率，节省时间。子系统完成后，再进行总体综合，完成总体设计任务。2.软、硬件协调原则智能仪器中既有硬件又有软件，随着智能程度的提高，软件的地位将逐渐增强。因此在设计时必须综合考虑硬件和软件的协调。应该根据算法的复杂性、系统的实时性来选择微处理器。另外仪器的某些功能(如逻辑运算、定时、滤波)既可以通过硬件实现，也可以通过软件实现。使用硬件，可以提高仪器的工作速度，减轻软件编程任务，但使元器件增多，结构较复杂。在不影响仪器的速度和性能的前提下，也可用软件代替硬件完成任务。设计时要综合考虑，根据成本、性能指标对软、硬件进行协调。如果是批量生产，减少硬件而多使用软件可以降低成本。此外，凡是简单的硬件电路能解决的问题不必用复杂的软件取代；反之，简单的软件能完成的任务也不必去设计复杂的硬件。3.开放式设计思想仪器设计时要充分考虑到开放性、兼容性、可扩展性。要尽量选用国际通用 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和标准设计仪器及其接口和总线，保证仪器的开放性和兼容性，这样才能方便地与其他仪器相连，组建自动测试系统或接入网络中，实现系统集成，扩大使用范围。另外这种开放式设计思想方法在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际出发，又留下容纳未来新技术的余地，便于仪器功能的扩展，实现更新换代。4.标准化及模块化原则加强标准化工作，可以保证和促进产品质量的提高，缩短新产品研制和生产周期，保证产品的互换性，便于维修，降低成本。智能仪器的设计应该尽量符合国际和国内的相关标准。模块化是从系统观点出发，以模块为主构成产品。模块化的特点是：特征尺寸模数化、结构典型化、部件通用化、参数系列化和装配组合化。智能仪器在总体设计阶段要进行任务分解和模块划分，要遵循标准化和模块化的原则。9.2　智能仪器的设计研制过程1.根据要求，明确设计任务，确定仪器的功能和技术指标2.论证方案的可行性3.确定仪器的工作框图4.硬件电路和软件的设计5.各部分电路的软、硬件调试6.整机联调1.根据要求，明确设计任务，确定仪器的功能和技术指标根据仪器最终要实现的目标，编写设计任务书。在设计任务书中要明确说明①仪器应该实现的功能、需要完成的测量任务；②被测量的类型、变化范围，输入信号的通道数；③测量速度、精度、分辨率、误差；④测量结果的输出方式及显示方式；⑤输出接口的设置。还要考虑仪器的内部结构、外形尺寸、面板布置、研制成本、仪器的可靠性、可维护性及性能价格比等。2.论证方案的可行性明确了仪器的功能和指标后，就可以拟定设计方案。方案应包括仪器的工作原理、采用的技术、主要元器件等。对关键电路要进行仿真和实际试验，进行可行性验证，通过分析比较确定最佳设计方案。3.确定仪器的工作框图根据拟定的设计方案，设计总体框图。按照仪器的工作原理，将仪器分为若干子系统或功能模块，设计每一部分的硬件结构框图和软件流程图。4.硬件电路和软件的设计1)为将来的修改和扩展留有充分余地。2)考虑仪器的可测性，可以对仪器的单元电路进行测试。3)考虑硬件抗干扰措施。4)绘制线路板时注意与机箱、面板的配合及接插件安排等问题。5.各部分电路的软、硬件调试在软硬件设计完成后，先对各个功能模块电路及相应的程序进行调试。若发现软件缺陷，进行及时修改；对硬件故障及缺陷可更换元器件或改进设计方案，进一步完善，直到达到设计指标。6.整机联调各功能模块工作正常后，则将各部分组合在一起，构成一个整体，进行整机功能调试。在调试过程中，还会出现各种问题，需进一步进行改进，直至达到整体设计要求及指标。9.3　智能工频电参数测量仪的设计9.3.1　总体设计及系统工作原理9.3.2　输入电路设计及误差分析9.3.3　CPU及采样保持、A/D转换电路的设计9.3.4　锁相倍频电路的设计9.3.5　RS-485串行通信接口电路设计及通信 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9.3.6　电磁兼容设计9.3.1　总体设计及系统工作原理1.功能及技术指标2.总体设计3.采样测量原理1.功能及技术指标功能：测量三相电流、电压、频率、相位、功率因数、有功和无功功率、电能。测量准确度：0.5级(无功功率、电能2.0级)测量范围：电流0～20A；电压0～220V；频率45～55Hz；功率因数0～1。2.总体设计图9-1　智能工频电参数测量仪原理框图(1)电路设计　仪器主要由信号输入电路、单片机、显示电路、锁相环及N分频器电路、电源监控及看门狗电路、RS-485接口电路等几部分组成。(2)软件设计　智能仪器中的软件非常重要。3.采样测量原理图9-2　系统软件流程框图3.采样测量原理图9-3　硬件同步采样原理框图3.采样测量原理图9-4　电压采样信号示意图3.采样测量原理9.3.2　输入电路设计及误差分析1.电压输入电路设计2.电流输入电路设计3.误差分析1.电压输入电路设计电压输入电路如图9-5所示，电路由电压互感器及高性能运放组成。电压互感器隔离了电网上的各种干扰，对内部电路起保护作用；高性能的运放保证电压取样信号稳定、低噪声、低漂移。2.电流输入电路设计图9-5　电压输入电路2.电流输入电路设计图9-6　电流输入电路3.误差分析(1)比差　设在测量范围内，在一相TA比差的最大值为XP，其他影响量均为理想状态，那么此时功率的测量值为P1。(2)角差9.3.3　CPU及采样保持、A/D转换电路的设计1.CPU的特点2.采样保持及A/D转换电路设计3.电压、电流采样过程4.软件设计1.CPU的特点本仪器选用美国DallasSemiconductor公司出产的DS80C320。它是与80C31/80C32兼容的高速型8位单片机,它是8051的改进产品。实际应用表明，若时钟工作频率相同,并且执行相同的程序代码,DS80C320的执行速度至少为8051的2.5倍。DS80C320与标准80C32引脚和指令系统兼容,并且有兼容的定时器/计数器、串行口和I/O口。2.采样保持及A/D转换电路设计图9-7　采样保持及A/D转换电路2.采样保持及A/D转换电路设计图9-8　MAX197原理框图3.电压、电流采样过程图9-9　采样计算三相有功功率程序框图4.软件设计功率因数、有功和无功功率等参量通过采样计算得到。为此需要编制相应程序，由于篇幅所限，仅给出采样计算三相有功功率程序框图，如图9-9所示。9.3.4　锁相倍频电路的设计图9-10　192倍频电路9.3.5　RS-485串行通信接口电路设计及通信协议1.RS-485串行通信接口电路设计2.通信协议3.软件流程图1.RS-485串行通信接口电路设计在要求通信距离为几十米以上时，经常采用RS-485串行通信接口电路。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器差分接收，将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，因此信号的传输距离可达千米。由于本系统可以和上位机组成主从分布式系统，可以作为前端信号采集器，向主机传送测量信息，因此采用RS-485通信接口，使用MAX1487半双工收发器。2.通信协议由于本仪器可作为一个数据采集子系统，将测量信息远传，因此采用RS-485串行口，便于多点连接。为做到数据传输的标准化，通信协议采用原电力部颁布的电力行业标准DL/T645-1997《多功能电能表通信规约》的规定。3.软件流程图(1)发送功能实现的流程图　从站收到主站发来的一帧信息后，先要进行判别，如是正常的命令帧或数据帧则发正常应答帧。图9-11　正常应答帧3.软件流程图图9-12　异常应答帧3.软件流程图(2)接收功能实现的软件流程图　接收功能实现的软件流程图如图9-13所示。图9-13　接收功能软件流程图9.3.6　电磁兼容设计1.印制电路板设计2.接地设计3.滤波设计4.瞬间干扰抑制设计1.印制电路板设计在印制电路板布线时，应先确定元器件在板上的位置，然后布置地线、电源线，再布置高速信号线，最后考虑低速信号线。元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组，以免互相干扰。所有连接器应安放在印制电路板的一侧，避免从印制电路板的两侧引出电缆，减少共模辐射。数字电路与模拟电路要分开，数字地和模拟地也要分开。时钟电路和高频电路是主要的干扰源，一定要单独分开，远离敏感电路。电源线、地线应尽量粗。在电路中要加去耦电容和旁路电容，去耦电容用来滤除高速器件在电源板上引起的干扰电流，为器件提供局部电流，减低线路中的电流冲击。旁路电容能消除线路板上的高频辐射噪声。晶振下面和对噪声特别敏感的器件下面不要走线。弱信号电路、低频电路周围地线不要形成电流环路。2.接地设计接地就是为电路或系统提供一个参考的等电位点或面，以及为电流回路提供一条低阻抗路径。本仪器的模拟电路部分的接地采用一点接地方式。而对高频数字逻辑电路必须采用多点接地方式，使干扰减到最小。除了系统内部接地外，还要把装置的外壳与大地相连，以实现装置的安全接地，保护操作人员的人身安全。泄放因静电感应在机箱上所积蓄的电荷，避免由于电荷积累造成内部放电，提高系统工作的稳定性。3.滤波设计本仪器采用电源滤波器、去耦电容滤除噪声干扰。滤波单元在所需的阻带范围内具有良好的抑制特性，在通带内不产生明显的阻尼振荡。4.瞬间干扰抑制设计瞬间干扰包括电弧快速瞬变脉冲群、雷击浪涌和静电放电等。本仪器采用压敏电阻抑制瞬间干扰，在干扰电压超过额定值时，可以进行能量转移。压敏电阻是电压敏感型器件，当加在压敏电阻两端的电压低于标称电压时，它的电阻几乎是无穷大，而稍微超过额定值后，电阻值便急剧下降，反应时间为毫微秒级。采用引线方式安装的压敏电阻的引线感抗作用不可忽视。引线越长，由于引线电感产生的附加感应电压就越大，为了得到满意的干扰抑制效果，压敏电阻的引线应当剪得越短越好。9.4　基于热电偶的智能温度数显表的设计9.4.1　总体设计9.4.2　主要电路设计9.4.3　软件设计9.4.1　总体设计1.传感器的选型2.单片机的选型3.仪器的总体框图1.传感器的选型热电偶属于热电式传感器，热电偶由两种不同的导体材料构成，当两接点温度不同时，在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。本设计采用热电偶作为温度传感器。2.单片机的选型单片机是整个仪器的核心，它负责测量过程的管理和数据处理。本仪器采用Philips公司的P89LPC935单片机，它具有高性能的处理器结构，指令执行时间只需2~4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。它内部有8位逐步逼近式模/数转换模块和SPI、UART串行通信接口，还具有片内上电复位、看门狗定时器复位及掉电中断复位和检测等功能。3.仪器的总体框图图9-14　仪器的总体框图9.4.2　主要电路设计1.信号调理电路2.键盘接口电路3.显示电路4.RS-485通信接口电路的设计5.继电器电路的设计1.信号调理电路图9-15　信号调理电路1.信号调理电路(1)信号放大电路　热电偶的输出电压很小，需要采用高灵敏度运放。1)放大倍数的选择2)R2与C1的选择(2)温度补偿电路　基准节点温度补偿采用温度传感器LM35D。(3)断线检测功能电路　R1是检测传感器断线电阻。2.键盘接口电路图9-16　键盘接口电路3.显示电路图9-17　显示电路4.RS-485通信接口电路的设计在本设计中采用RS-485总线实现与上位机的通信。并采用MAX485将TTL电平转换为485电平。前面章节有详细设计，在此不重复介绍。5.继电器电路的设计设置直流电磁式继电器功率接口，当温度超限时继电器起动，控制加热装置的关断。继电器的动作由单片机的P1.6端控制，P1.6输出低电平时，继电器K吸合；P1.6输出为高电平时，继电器K释放。9.4.3　软件设计1.程序总体设计2.程序设计1.程序总体设计图9-18　主程序流程图2.程序设计(1)主程序设计　主程序是系统的监控程序。(2)键盘程序的设计　键盘程序的设计包括两部分：键盘中断程序和4个键的管理程序(篇幅有限，程序框图省略)。(3)显示程序的设计　采用带锁存功能的74LS595芯片，可以避免因串行通信而带来的LED显示闪烁的现象。(4)数据处理程序的设计　在本设计中采用去极值平均滤波算法，采用该算法不仅可以提高数据平滑度，而且可以明显地消除脉冲干扰，从而使平均滤波的输出值更接近真实值。9.5　智能混合气体识别仪的设计9.5.1　总体设计9.5.2　电路设计9.5.3　气体识别及检测算法9.5.4　软件设计9.5.1　总体设计1.总体结构2.气体识别方法3.DSP的选择1.总体结构图9-19　智能混合气体识别仪系统框图2.气体识别方法人类具有辨别不同事物的能力，可以根据事物的性质和特征把它们区分开来。例如可以根据人的性别、年龄、肤色、高矮、胖瘦等特征区分不同的人。为了辨别事物必须首先把事物的特征提取出来，然后根据特征进行分类。模式识别就是通过计算机自动地将待识别的模式归入到相应的模式类中，对事物进行分类。电子鼻识别气体就是采用模式识别方法。实现模式识别有各种方法。本仪器利用人工神经网络进行气体识别。人工神经网络模拟人脑神经系统的结构和功能，模仿人的思维。它能通过自学习(训练)建立传感器输出信号与气体种类之间的映射关系，完成气体识别的任务。3.DSP的选择1)控制管理整个测量过程。2)实现数据采集，将传感器信号转换成数字信号，并进行预处理。3)利用模式识别算法识别气体，并对检测到的可燃性气体进行测量。9.5.2　电路设计1.气体传感器2.气体传感器信号采样电路3.DSP数据处理单元4.A/D转换器5.液晶显示模块6.实时时钟模块7.声光报警1.气体传感器气体传感器是气体识别仪的重要组成部分，它的性能指标将直接影响整个仪器。气体识别仪选择日本Figaro公司的TGS203、TGS813、TGS2611和TGS821传感器，它们是SnO2半导体型气体传感器，分别对一氧化碳、各种可燃性气体、天然气(甲烷)和氢气敏感。Figaro公司的TGS系列传感器都具有低功耗，高灵敏度，寿命长，低成本等特点。金属氧化物气体传感器需要在较高温度下工作，传感器内有加热电阻。所以电路要提供稳定的加热电压。2.气体传感器信号采样电路图9-20　分压比较法3.DSP数据处理单元(1)电源部分　F28335内部需要3.3V和1.9V电源。图9-21　F28335外围扩展电路3.DSP数据处理单元(2)时钟部分　F28335内部有振荡电路，只需外加晶体30MHz和两个负载电容(CL2=24pF)即可。(3)JTAG接口部分　F28335支持JTAG在线实时调试功能，JTAG接口包括5个标准的IEEE1149.1信号(TRST、TCK、TMS、TDI、TDO)和两个TI扩展口(EMU0、EMU1)。4.A/D转换器F28335内部有12位ADC，可以满足电子鼻系统的要求。ADC模拟信号输入范围为0~3V，时钟为25MHz，采样率为12.5MSPS(大约80ns高速转换时间)。输入通道共16路分为两组，可对两组中的某一通道进行同步采样。ADC采样启动可以由软件触发，还可以由外设中断触发，增加了软件编程设计的灵活性。参考电压有内部参考电压和外部参考电压(软件可以选择控制)，为了获取良好的增益性能，处理器要求ADCREFP和ADCREFM的电压差为1V，而外部参考电路能够满足ADC的动态和稳定性要求。本仪器共有6个传感器输入信号，除4个气体传感器之外，另外有温度传感器和湿度传感器信号，在程序控制下进行A/D转换后，转换的数字量暂存在ADC内部的结果寄存器中，然后从结果寄存器读取转换结果进行数据处理。温度和湿度传感器数据用于补偿，以提高气体测量的准确度。5.液晶显示模块本仪器选用液晶模块LCM(JM12864M)显示测量结果。液晶模块JM12864M包括液晶显示屏和控制器/驱动器ST7920芯片，显示屏可显示4行×8个汉字及图形，内置8192个中文汉字。F28335通过电平转换芯片74ALVC164245和74HC07与LCM的控制器/驱动器连接，ST7920芯片与液晶显示屏连接，根据F28335发出的信号对液晶显示器进行控制和驱动，显示测量结果。DSP利用数字I/O对液晶显示器进行间接访问，通过软件编程控制DSP的I/O口来实现与液晶显示器的时序匹配。6.实时时钟模块电子鼻系统需要将数据采集的发生时间以及何时发生报警等实时信息记录下来。采用美国DallasSemiconductor公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片DS1302，可提供秒、分、时、日、星期、月和年等信息。它采用SPI三线接口与DSP进行同步通信,将DS1302显示的实时信息、气源浓度信息以及温湿度等信息一并在液晶屏上显示，构成了便携式电子鼻系统的实时显示硬件电路。7.声光报警当各种气体浓度超界之后(设定各种气体浓度报警阈值)，电子鼻系统具有声光报警功能，通过蜂鸣器以及LED发出警报信号，提醒用户。9.5.3　气体识别及检测算法混合气体识别仪对传感器阵列检测的信号进行调理后，在DSPTMS320F28335中对信号进行信息处理，识别气体的种类，检测气体的浓度。气体识别属于模式识别，现在国内外学者研究各种不同方法，以提高气体识别的准确率和实时性。本仪器利用人工神经网络识别气体，利用两级B-P神经网络，第一级识别气体的种类，第二级检测气体浓度。9.5.4　软件设计1.传感器信号采样及A/D转换2.气体识别及浓度检测子程序3.温度、湿度检测以及补偿程序4.串行口通信5.液晶驱动程序9.5.4　软件设计图9-22　主程序框图1.传感器信号采样及A/D转换A/D转换子程序主要控制ADC完成数/模转换任务。主要工作有：设置ADC时钟为25MHz；选择外部参考信号源；设置ADC的采样方式、级联排序器工作方式和输入通道；最后采用软件方式启动采样。为了消除外界干扰影响，除了在硬件上采取一定的降噪措施外，还利用软件进行数字滤波。本仪器采用中位值平均滤波法对采样数据进行滤波，减小环境干扰。最后将A/D转换输出的数字信号暂存在ADC内部的结果寄存器中，DSP从结果寄存器读取数据再进行信号处理。2.气体识别及浓度检测子程序气体浓度检测程序是整个软件系统的关键部分，本仪器利用人工神经网络对气体进行识别和测量。人工神经网络训练可在PC机上进行，根据气体识别的训练样本利用Matlab进行仿真，分析气体识别的准确率和检测误差的大小，得到效果优良的识别算法。然后将Matlab语言形式改写成C语言代码，烧写在DSP中构建便携式实时检测系统。F28335处理器具有32位单精度浮点运算单元，在程序设计的时候无需考虑小数的溢出问题，使得复杂的理论算法转为C代码显得较为容易。由于识别算法及其实现较复杂，本书不作详细介绍。3.温度、湿度检测以及补偿程序由气体传感器的工作原理可知，温、湿度对气体传感器测量结果的影响是不容忽视的，因此必须解决温、湿度对电子鼻系统带来的影响。为消除温、湿度的影响，采用温、湿度补偿方法。通常采用的方法有两种：一是硬件补偿，在气体传感器测量电路中设计补偿电路，当环境温、湿度变化时，气敏传感器电阻发生变化，补偿电路元件的阻值向反方向变化，从而消除或者减小了环境温、湿度的影响。在实际测量系统中，这种方法很难完全消除温、湿度的影响。4.串行口通信仪器与上位机之间的通信通过F28335内部SCI模块实现。对人工神经网络的训练可以在上位机完成的，利用通信接口将训练后的参数传入仪器中。SCI串口通信支持状态查询和中断两种方式，本仪器采用查询方式，主要通过检测发送寄存器的状态标志位(SCICTL2.bit.TX_EMPTY)是否清零来判断发送器的工作状态。5.液晶驱动程序F28335利用数字I/O输出显示命令和数据，按JM12864M的使用说明，对液晶显示器模块进行读写。F28335通过电平转换74ALVC164245和74HC07，控制和驱动液晶显示屏，显示出气源种类、浓度、温湿度信息及测量时间等信息。JM12864M具有中文字库，可以通过编程方便地调用。关于液晶模块的有关功能的具体操作指令请参考说明书，本书不作详细介绍。