智能仪表原理与设计

智能仪表原理与设计任课教师：王久龙江苏技术师范学院电信学院60-321课程的性质：电子与测控、电气类专业课、考查课。学时：40学时。成绩评定：开卷考试等。平时成绩30％+考试成绩70％。教材：智能化测量控制仪表原理与设计第2版课程的作用与任务随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域内的一场新的技术革命。通过它能够很容易地将计算技术与测量控制技术相结合，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。在计算机与仪表一体化设计中具有其他微型计算机无法比拟的优势。适用专业：电子与测控、电气类参考书:1.吕能元等编著，《80C51单片微型计算机原理》，科学出版社，1993年2.赵新民等编著，《智能仪器原理及设计，哈尔滨工业大学出版社，1991年3.杨吉祥编著，《智能仪器》，南京工学院出版社，1986年第一章绪论基本要求：了解智能仪表的组成、发展趋势、主要功能特点及基本设计思想和研制步骤。重点：智能仪表的组成难点：1.智能仪表的功能特点2.智能仪表的设计方法学时：2作业：1教学内容：1.智能仪表的基本组成与发展2.智能仪表的功能特点3.智能仪表的设计方法一、智能化测量控制仪表的概念：以单片机为主体的测量控制仪器仪表。二、智能化测量控制仪表的特点：1.测量过程自动化2.测量结果的数据处理（最突出的特点）a.对随机误差和系统误差进行处理b.数值处理和非数值处理3.多功能如电力需求分析仪，可测量有功功率、电能、频率、功率因素、峰值等，可预置用电需求计划，并有记录、打印、报警、控制等功能。第一章绪论三、功能：数据运算、存储、逻辑判断、命令识别、自诊断自校正、自适应自学习等功能。设计重点从模拟和逻辑电路转向单片机、功能部件、接口电路、输入输出通道设计等。§1.1智能化测量控制仪表的基本组成与发展智能化测量控制仪表的主体：单片机。单片机内部：CPU、存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口甚至A/D等。一、智能化测量控制仪表的基本组成：片外扩展存储器A/D转换接口键盘输入接口D/A转换接口显示器接口被测量面板键盘GPIBRS-232微型打印机CRTLED/LCD控制量图1.1智能化测量控制仪表的基本组成单片机通信接口打印机接口二、智能化测量控制仪表的发展。国内市场上比如：能自动进行差压补偿的智能节流式流量计、能对各种频谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪、能进行程序控温的智能多段式温度控制仪、能实现数字PID控制和各种复杂控制规律的智能式调节器等。其发展速度很快的一个重要因素是集成电路和计算机技术的飞速发展。如80C51、80C552等。DSP芯片如TMS320系列。Computer脉冲发生器数据采集卡脉冲氙灯电源步进电机控制模块步进电机控制模块光栅CCD样品室光栅氙灯光纤荧光光谱仪的结构框图wave相对强度§1.2智能化测量控制仪表的功能特点一、传统测控仪表对输入信号测量的准确性和正确性方面不能保证。被测电压基准电压K滤波器，衰减器放大器A/D转换器参考电压显示器单片机图1.3智能化数字电压表的原理框图K1、准确性：智能化测量控制仪表采用自动校准技术消除零点漂移，用校正算法（自校准）消除系统误差，提供数字滤波算法消除随机误差。被测电压基准电压K滤波器，衰减器放大器A/D转换器参考电压显示器单片机图1.3智能化数字电压表的原理框图K2、正确性：设有自检功能确保对输入信号测量的正确性。被测电压基准电压K滤波器，衰减器放大器A/D转换器参考电压显示器单片机图1.3智能化数字电压表的原理框图K主要功能特点：利用单片机的数据处理能力，可消除随机误差和系统误差。二、其他方面功能：利用数据处理技术对仪表进行非线性特性的校正（线性化）；利用串行和并行通讯接口组成自动测控系统等。GP-IB的接口能力及总线结构图。§1.3智能化测量控制仪表的设计方法一、智能化测量控制仪表设计的主要内容：1)硬件2)软件3)仪表结构工艺。在设计一台智能仪表时首先应根据仪表要完成的任务确定其具体的功能。1)在硬件设计时首先考虑单片机的选择。选择单片机时应考虑的因素：1.字长用于工业现场的单片机和用于通用计算机系统的微处理器不同。字长为8位、时钟频率为20-30MHZ满足要求。2.寻址能力64K3.指令功能和执行速度111条指令4.中断能力5个基本中断源5.市场上对该单片机的软硬件支持状况80C51其他几种51系列单片机的选择（了解）：1、AT89C52内部有3个定时器T0、T1、T2，6个中断源，有256字节内部RAM可供使用，其中：⑴低128B（00~7FH）可以直接或间接寻址⑵高128B（80~FFH）只能间接寻址⑶特殊功能寄存器只能直接寻址，它与高128BRAM是靠寻址方式不同来区分的2、ADuC831具备AT89C52的全部资源，另外，还有：⑴片内扩展的2KB数据XRAM，占用外部数据存储空间的低2KB空间，必须用MOVX指令访问⑵4KB片内EEPROM数据存储器⑶8通道12位ADC，可247KSPS高速采样，可实现ADC至RAM的DMA控制器⑷2路12位电压输出DAC另外还有：SPI串行接口，看门狗定时器等。3、STC89C54RD+STC89C54RD+单片机在引脚和外形与AT89C52完全兼容，另外扩展了1KB内部XRAM，其地址为000~3FFH，必须使用MOVX指令访问，另有2KBEEPROM数据存储器，可存放非易失性数据。STC单片机可用普通单片机开发装置开发、在线下载，输入输出接口包括：1.A/D接口2.D/A接口3.键盘显示器打印机接口4.通信接口先画电路图，在试验板上调试，PCB板。2)软件设计常用的程序设计方法：1.模块法监控管理程序三大模块：监控主程序接口管理程序命令处理子程序2.自顶向下设计方法3.结构化程序设计结构化程序设计三种基本结构：a.顺序结构b.选择结构c.循环结构：以上三种结构可嵌套任意层数优点：利用该三种结构可构成任意程序。缺点：1.执行速度慢，占用存储器多。2.只采用三种结构，某些复杂任务实现困难。第二章智能化测量控制仪表的专用微处理器基本要求：了解80C51系列单片机的特点和结构。重点难点：1.80C51系列单片机的特点2.80C51系列单片机的结构3.80C51单片机的系统扩展学时：4作业：教学内容：1.80C51系列单片机的特点2.80C51单片机的结构3.80C51单片机的存储器结构4.80C51单片机的CPU时序5.80C51单片机的复位信号与复位电路6.80C51单片机的并行I/O口7.80C51单片机的指令系统8.80C51单片机的汇编语言程序设计与实用子程序9.80C51单片机的定时器/计数器10.80C51单片机的串行口11.80C51单片机的中断系统12.80C51单片机的节电工作方式13.80C51单片机的系统扩展第二章智能化测量控制仪表的专用微处理器很多仪表厂家都采用8位微处理器。单片机在内部集成：CPU、ROM、RAM、定时器/计数器、串行口、并行I/O口、中断系统、时钟电路等。目前市场上单片机的硬件支持芯片及软件应用程序十分丰富，许多仪表厂家都采用80C51系列单片机作为其生产的测量控制仪表的专用微处理器。80C51系列单片机在片内集成了：CPU、并行I/O口、异步串行口、16位定时器/计数器、中断系统、片内RAM、片内ROM等。80C51系列单片机分为无片内ROM型(80C31)和带片内ROM型（80C51、87C51、89C51）。80C51系列单片机在存储器上采用ROM和RAM分开结构；七种寻址方式；111条指令；5个中断源。2.180C51系列单片机的特点2.280C51单片机的结构2.2.1基本组成图2.180C51单片机的基本组成CPU时钟电路中断系统____INT0____INT1定时器/计数器T0T1串行接口TXDRXDRAMROM并行接口P0P1P2P380C51单片机通常采用40引脚双列直插式封装。2.2.2引脚功能2.380C51单片机的存储器结构80C51单片机的存储器结构组成：四个存储器空间：64K内部ROM64K外部ROM128B内部RAM64K外部RAM80C51单片机特殊功能寄存器一览表：工作寄存器组选择由程序状态字寄存器PSW中的两位RS0和RS1决定。RS1、RS0与工作寄存器组的关系：2.480C51单片机的CPU时序CPU执行一条指令所需的时间以机器周期为单位，80C51单片机的一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状态：S1~S6。指令的执行速度与其需要的机器周期数有关，机器周期数越少速度越快。2.580C51单片机的复位信号与复位电路80C51单片机在启动时需要复位，使CPU和系统的各个部件处于一种确定的状态。80C51单片机复位电路有上电自动复位电路和按键手动复位电路。复位以后不影响片内RAM内容。80C51单片机有4个并行I/O口：P0、P1、P2、P3，每个口都有8根引脚，都是双向通道，每个引脚都能独立地用作输入或输出。2.680C51单片机的并行I/O口80C51单片机并行I/O口一位的逻辑图：80C51单片机并行I/O口一位的逻辑图：P0、P2口用作地址/数据总线，P3口用其第二功能，可以对外形成地址、数据和控制三总线。在利用三总线时需在P0口加接一地址锁存器，而P2口不用。单片机与外部存储器、I/O端口的连接：2.7.1指令和助记符2.780C51单片机的指令系统2.7.2指令的字节数指令是一组二进制代码。助记符一般采用英文单词缩写。一条指令通常由操作码和操作数组成。1）单字节指令2）双字节指令3）三字节指令2.7.3寻址方式寻址：寻找操作数的地址。1.寄存器寻址2.直接寻址3.立即寻址4.寄存器间接寻址5.变址寻址6.相对寻址7.位寻址可以位寻址的SFR：2.880C51单片机的汇编语言程序设计2.8.1汇编语言格式与伪指令汇编语言源程序转换为目标程序称为汇编。1.设置程序起始地址－ORGORGnnnn2.定义字节－DB标号：DB项或项表3.定义字－DW标号：DW项或项表4.保留存储器空间－DS标号：DS表达式5.为标号赋值－EQU字符名EQU表达式设计应用程序时首先要确定算法。一般先编写一个主程序框架，再编写各个功能子程序。2.8.2应用程序设计6.源程序结束－ENDEND2.980C51单片机的定时器/计数器方式控制寄存器TMOD的控制字格式：2.9.1定时器/计数器的控制寄存器与逻辑结构80C51单片机内部有两个16位定时器/计数器：T0和T1。定时器/计数器在硬件上由双字节加法计数器TH和TL组成。定时器/计数器的工作方式由TMOD和TCON编程决定。运行控制寄存器TCON的控制字格式：1）方式0和方式1以定时器/计数器T1为例，方式0为13位定时器/计数器，由TL1的低5位和TH1的8位构成。方式1为16位定时器/计数器，TL1和TH1均为8位。定时器T1方式0和方式1逻辑结构：2）方式2定时器T1方式2逻辑结构：3）方式3定时器T0方式3逻辑结构：T2CON控制字格式：80C52：T2，其控制寄存器T2CON地址为C8H。T2定时器操作方式：1）常数自动装入方式当T2工作于此方式时，由TL2和TH2构成16位计数器，RCAP2L和RCAP2H组成16位常数寄存器。常数自动重新装入方式时定时器T2的逻辑结构：3）串行口波特率发生器方式2）16位捕捉方式捕捉方式时定时器T2的逻辑结构：80C51定时/计数器在进行定时或计数之前要初始化，初始化步骤：1.确定工作方式，即给TMOD写入控制字。2.设置初值，将初值写入寄存器TL0、TH0或TL1、TH1。3.对中断控制寄存器IE置初值，即决定是否开放定时器中断。4.使TCON中TR0或TR1置位，以启动定时/计数器。2.9.2定时器/计数器应用举例2.1080C51单片机的串行口异步通信字符格式：80C51单片机在与外设或其他计算机之间交换信息时，通常采用并行通信和串行通信方式。2.10.1串行通信方式与串行口控制寄存器1.异步串行