智能仪器典型处理功能.

第5章智能仪器典型处理功能5.1硬件故障的自检5.2自动测量功能5.3仪器测量精度的提高5.4干扰与数字滤波第5章智能仪器典型处理功能智能仪器的主要特征是以微处理器为核心进行工作，因而智能仪器具有强大的控制和数据处理功能，使测量仪器在实现自动化，改善性能，增强功能以及提高精度和可靠性方面发生了较大的变革。本章侧重讨论一般智能仪器都具有的典型处理功能。智能仪器的这些功能是通过执行某种专门程序所规定的测量算法来实现的。所谓算法即计算方法，它是为了使计算机获得某种特定的计算结果而制定的一套详细的计算方法和步骤，一般表现为数学公式或操作流程。测量算法则是指直接与测量技术有关的算法。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自检软件所谓自检就是利用事先编制好的检测程序对仪器的主要部件进行自动检测，并对故障进行定位。自检功能给智能仪器的使用和维修带来很大的方便。为什么要测试ROM和RAM，怎么测试呢？普遍的看法是：由于担心ROM和RAM芯片损坏，在出厂和使用前应该校验这两种芯片的好坏。测试RAM的方法是写读各个内存单元，检查是否能够正确写入；测试ROM的方法是累加各存储单元数值并与校验和比较。这种认识不能说错，但有些肤浅，照此编出的测试程序不完备。一般来说，ROM和RAM芯片本身不大会被损坏，用到次品的概率也比较小，真正出问题的，大都是其他硬件部分，此醉翁之意不在酒。ROM测试测试ROM的真正目的是保证程序完整性。嵌入式软件和启动代码存放在ROM里，不能保证长期稳定可靠，因为硬件注定是不可靠的。以flashROM为例，它会由于以下两种主要原因导致程序挥发：1）到辐射。本身工作在辐射环境里/运输过程中受到辐射（如过海关时被X光机检查）。2）长时间存放导致存储失效，某些0、1位自行翻转。RAM测试测试RAM的真正目的是保证硬件系统的可靠性。RAM真的是太不容易坏了，我至今还没有看见过一起因为RAM损坏导致的系统不正常现象。不过大部分问题却可以通过RAM测试反映出来。仔细想想，当硬件被生产出来/被插到背板上究竟会发生什么错误呢！是不是感到自己做的板子出问题的可能性更大！请考虑如下几点：1）生产工艺不过关，过孔打歪了，与临近信号线距离不满足线规甚至打在了线上。2）由于搭锡引起的信号线粘连。5.1.1自检方式（1）开机自检。开机自检在仪器电源接通或复位之后进行。自检中如果没发现问题，就自动进入测量程序，如果发现问题，则及时报警，以避免仪器带病工作。开机自检是对仪器正式投（2）周期性自检。周期性自检是指在仪器运行过程中，间断插入的自检操作，这种自检方式可以保证仪器在使用过程中一直处于正常状态。周期性自检不影响仪器的正常工作，因而（3）键盘自检。具有键盘自检功能的仪器面板上应设有“自检”按键，当用户对仪器的可信度发出怀疑时，便通过该5.1.1自检方式自检过程中，如果检测仪器出现某些故障，应该以适当的形式发出指示。智能仪器一般都借用本身的显示器，以文字或数字的形式显示“出错代码”，出错代码通常以“ErrorX”字样表示，其中“X”为故障代号，操作人员根据“出错代码”，查阅仪器手册便可确定故障内容。仪器除了给出故障代号之外，往往还给出指示灯的闪烁或者音响报警信号，以提醒操作人员注意。一般来说，自检内容包括ROM、RAM、总线、显示器、键盘以及测量电路等部件的检测。仪器能够进行自检的项目越多，使用和维修就越方便，但相应的硬件和软件也越复杂。5.1.2自检算法由于ROM中存在着仪器的控制软件，因而对ROM的检测是至关重要的。ROM故障的测量算法常采用“校验和”方法，具体作法是：在将程序机器码写入ROM的时候，保留一个单元（一般是最后一个单元），此单元不写程序机器码而是写“校验字”，“校验字”应能满足ROM中所有单元的每一列都具有奇数个１。自检程序的内容是：对每一列数进行异或运算，如果ROM无故障，各列的运算结果应都为“１”，即校验和等于FFH。一、ROM或EPROM的检测一、ROM或EPROM的检测表5-1校验和算法ROM地址ROM中的内容011010010110011001200111100311110011410000001500011110610101010701001110(校验字)11111111(校验和)理论上，这种方法不能发现同一位上的偶数个错误，但是这种错误的概率很小，一般可以不予考虑。若要考虑，须采用更复杂的校验方法。二、RAM的检测上述检验属于破坏性检验，一般用于开机自检。若RAM中已存有数据，若要求在不破坏RAM中原有内容的前提下进行检验就相对麻烦一些。数据存储器RAM是否正常的测量算法是通过检验其“读/写功能”的有效性来体现的。常选特征字55H和AAH，分别对RAM中的每一个单元进行先写后读的操作。判别读/写内容是否相符的常用方法是，把该单元的内容求反并与原码进行“异或”运算，若结果为FFH，表明正常。三、总线的自检所谓总线的自检是指对经过缓冲器的总线进行检测。由于总线没有记忆能力，因此需要设置了两组锁存触发器，分别记忆地址总线和数据总线上的信息。这样，只要执行一条对存储器或I/O设备的写操作指令，地址线和数据线上的信息便能分别锁存到这两组触发器中，我们通过对这两组锁存触发器分别进行读操作，便可判知总线是否存在故障。实现原理如图5-2所示。具体做法是：使被检测的每根总线依次为1态，其余总线为0态。如果某总线停留在0态或1态，说明有故障存在。三、总线的自检四、显示与键盘的检测智能仪器显示器、键盘的检测往往采用与操作者合作的方式进行。检测程序的内容为：先进行一系列预定的操作，然后操作者对这些操作的结果进行验收，如果结果与预先的设定一致，就认为功能正常，否则，应对有关通道进行检修。键盘检测的方法是：CPU每取得一个按键闭合的信号，就反馈一个信息。如果按下某单个按键后无反馈信息，往往是该键接触不良，如果按某一排键均无反馈信号，则一定与对应的电路或扫描信号有关。5.1.2自检算法四、显示与键盘的检测显示器的检测一般有两种方式：第一种方式是：让显示器全部发亮，即显示出888……，当显示表明显示器各发光段均能正常发光时，操作人员只要按任意键，显示器应全部熄灭片刻，然后脱离自检方式进入其他操作。第二种方式是：让显示器显示某些特征字，几秒钟后自动进入其他操作。5.1.2自检算法上述各自检项目一般应分别编成子程序，以便需要时调用。设各段子程序的入口地址为TSTi（I=0，1，2…），对应的故障代号为TNUM（0，1，2…）。编程时，由序号通过表所示的测试指针表（TSTPT）来寻找某一项自检子程序入口，若检测有故障发生，便显示其故障代号TNUM。5.1.3自检软件表52测试指针表测试指针入口地址故障代号偏移量TST00TST11TSTPTTST22偏移=TNUMTST33…………一个典型的含有自检在内的智能仪器程序流程图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5.2自动测量功能智能仪器通常都含有自动量程转换、自动零点调整、自动校准功能，有的仪器还能进行自动触发电平调节。这样，仪器操作人员就省去了大量烦琐的人工调节，同时也提高了测试精度。不同仪器的自动测量功能及性能差别很大，本节仅讨论几种带有共同性的问题。5.2.1自动量程转换自动量程转换可以使仪器在很短的时间内自动选定在最合理的量程下，从而使仪器获得高精度的测量，并简化了操作。许多智能仪器，例如数字示波器、智能电桥、数字多用表等都设置有自动量程转换功能。例如：某数字电压表共有0.4V，4V，40V，400V四个量程，这些量程的设定是由CPU通过特定的输出端口送出量程控制代码来实现的，这些代码就是控制量程转换电路各开关（如继电器）的控制信号，送出不同的控制代码就可以决定开关的不同的组态，使电压表处于某一量程上。该数字电压表自动量程转换的操作流程如图5-5所示。自动判别由最大量程开始，逐级比较，直至选出最合适量程。本例各量程可使用同一个判断依据，即A/D转换的数据应落在3999≥N≥399之间。5.2.2自动触发电平调节示波器、通用计数器等仪器触发电平的设定是很重要的。一般情况下，触发电平应设定在波形的中点。有时为了满足其他测量的要求，例如测定波形上升时间或下降时间时，又需要将触发点设定在波形的10％或90％处。过去，要迅速而准确地自动找到理想的触发点是困难的，然而借助微处理器，并辅以一定硬件支持，就可以很好地实现这项功能。调节原理如框图示。输入信号经过可程控衰减器传输到比较器，而比较器的比较电平（即触发电平）由D/A转换器设定。5.2.3自动零点调整仪器零点漂移的大小以及零点是否稳定是造成零点误差的主要来源之一。消除这种影响最直接的方法是选择优质输入放大器和A／D转换器，但这种方法代价高，而且也是有限度的。智能仪器的自动零点调整功能，可以较好地解决这个问题。接着微处理器通过输出口控制继电器释放，使仪器输入端接被测信号，此时的测量值Uox应是实际的测量值与Uos之和。最后微处理器做一次减法运算，使Ux=Uox-Uos，并将此差值作为本次测量结果加以显示。很显然，上述测量过程能有效地消除硬件电路零点漂移对测量结果的影响。首先控制继电器吸合使仪器输入端接地，启动一次测量并将测量值存入RAM中。此值便是仪器衰减器、放大器、A/D转换器等模拟部件所产生的零点偏移值Uos。5.2.4自动校准为保证仪器精度，仪器必须定期进行校准。传统仪器校准是通过对已知标准校准源直接测量，或通过与更高精度的同类仪器进行比较测量来实现。这种校准过程必须由专业人员操作，仪器校准后，有时还需要根据检定部门给出的误智能仪器能提供自动校准方式。自动校准时，操作者按下自动校准的按键后，仪器显示屏便会提示相应的操作信息,操作者按提示进行相应操作，仪器便自动完成了仪器的校准校准存储器法动态自动校准法校准存储器法：操作者按下自动校准的功能键后，仪器显示屏便提示操作者应输入的标准电压；操作者按提示要求将相应标准电压加到输入端之后，再按一次键，仪器就进行一次测量并将标准量(或标准系数)存入到“校准存储器”。然后显示器提示输入下一个的标准电压值，再重复上述测量存储过程。当预定的校正测量完成之后，校准程序还能自动计算每两个校准点之间的插值公式的系数，并把这些系数存入“校准存储器”。正式测量时，它们将同测量结果一起形成经过修正的准确测量值。动态自校法：这种方法的优点是不需要采用EEPROM或非易失性RAM，而在内部设置基准电压，使上述校准过程全部自动地进行。然而内部基准也需要定期校准，因此，这种方法还不属于校准的范畴，动态自校主要解决由衰减器、放大器、D／A转换器等模拟部件不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智能仪器的主要优点之一是利用微处理器的数据处理能力可以减小测量误差，提高仪器测量的精确度。测量误差按其性质和特性可分为随机误差、系统误差、粗大误差3随机误差是由于测量过程中一系列随机因素的影响而造成的。就一次测量而言，随机误差无一定规律；当测量次数足够多时，测量结果中的随机误差服从统计规律，而且大多数按正态分布。因此，消除随机误差最为常用的方法是取多次测量结果的算术平均值，即（式５.１）5.3.1随机误差的处理方法上式中的N为测量次数，很显然，N愈大，x就愈接近真值，但所需要的测量时间也就愈长。为此，智能仪器常常设定专用功能键来输入具体的测量次数N。测量时，根据实际情况自动变动N值。例如，某具有自动量程转换功能的电压表，N1iixx某数字电压表设置了由小到大的六挡量程，其编号分别为1，2，…，6。当工作于最低挡即第１挡量程时，被测信号很弱，随机误差的影响相对较大，取N=10，第２挡，随机误差影响相对小，因而取N=6。同理，第３挡取N=4；第４挡取N=2；第５挡和第６挡只作单次测量处理，取N=1。上述过程可以有效地克服仪器随机误差的影响，同时对随机干扰也有很强的抑制作用。因而这一过程可以理解为一个