现代检测技术大作业

11.针对检测系统比较简述通用PC/单片机（MCU)/DSP的特点。他们的开发工具（环境）有什么特点。通用PC的特点：运算速度快；计算精度高；具有强大的记忆功能；具有逻辑判断能力；能实现自动控制。运算速度是计算机最显著的特点之一。计算机的运算速度(也称处理速度)是计算机的一个重要性能指标，通常用每秒钟执行定点加法的次数或平均每秒钟执行指令的条数来衡量，其单位是每秒钟百万条指令。在计算机内部数据采用二进制表示，二进制位数越多表示数的精度就越高。目前计算机的计算精度已经能达到几十位有效数字。从理论上说随着计算机技术的不断发展，计算精度可以提高到任意精度。计算机具有存储和“记忆”大量信息的能力，可以存储计算的原始数据、程序以及最后结果，并可以对记忆的内容随机存取。存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确地存入或取出这些信息。计算机还具有逻辑判断能力，它根据各种条件来进行判断和分析从而决定下一步的执行方法和步骤。计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。只要把包含一连串指令的处理程序输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，直到得出结果为止。单片机（MCU）的特点：集成度高、体积小、可靠性高；控制功能强；低电压、低功耗；具有优异的性价比。单片机把各个功能部件都集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连接，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣的环境下工作。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中有极其丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作以及为处理器功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微型计算机。单片机大量应用于便携式产品和家用消费产品，低电压和低功耗的特点尤为重要。许多单片机已可以在2.3V的电压下运行，有的以突破1.2V或0.9V下工作；功耗至微安级，一个纽扣电池就可以使其长期使用。单片机可以尽可能的应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都集成在一个芯片内，使之成为名副其实的单片机。DSP的特点：微处理器的存储器结构分为两大类：冯•诺伊曼结构和哈佛结构。流水线结构将指令的执行分解为取指、译码、取操作数和执行等几个阶段。在程序运行过程中，不同指令的不同阶段在时间上是重叠的，流水线结构提高了2指令执行的整体速度，有助于保证数字信号处理的实时性。由于DSP任务包含大量的乘法—累加操作，所以DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法，并使用累加器寄存器来处理多个乘积的累加；而且几乎所有DSP指令集都包含有MAC指令。DSP算法的特点之一是主要的处理时间用在程序中的循环结构中，因此多数DSP都有专门支持循环结构的硬件。单片机开发环境：当用户目标设计完成后，用户目标系统不具备自主开发能力，需要借助单片机仿真器（即单片机开发系统）完成。一个典型的单片机系统开发环境组成如下图所示。根据单片机选型的不同，我们搭建的构建环境也不会完全相同，同样的我们所需要的编程语言也不会相同。单片机有JTAG界面仿真开发环境和在线编程（需要IPS下载线及IPS下载软件），如下图所示。单片机系统的编程语言有汇编语言和高级语言两种，高级语言包括Basic语言、PL/M语言和C/C++语言，目前C/C++语言是主流编程语言。对于不同型号的单片机，所用的软件工具不同，如51系列单片机，AVR系列ICCAVR等。3DSP开发环境：DSP应用开发工具如下表所示。开发步骤开发内容开发工具支持硬件支持软件支持1算法模拟计算机C语言、MATLAB等2DSP软件编程计算机文本编辑器3DSP软件调试计算机与DSP仿真器DSP代码生成工具（CCS）4DSP硬件设计计算机电路设计软件（Protel）5DSP硬件调试计算机、DSP仿真器、示波器、信号发生器、逻辑分析仪6系统集成计算机、DSP仿真器、示波器、信号发生器、逻辑分析仪①编译器（Compiler）CCS的C/C++的编译器接收标准的ANSIC/C++源文件（扩展名为c或者cpp）,并将其翻译成C28x的汇编语言源文件。编译器是整个CCS的外壳程序的组成部分之一。。优化器用以对编译生成的汇编代码进行和修改以提高c/c++程序的运行效率，交互列表器用以将C/C++表达式编译后的汇编指令输出，借助这个工具，用户可以查看C/C++语句所对应的汇编语句。②链接器（Linker）将主程序、库函数和子程序等，由汇编器产生的目标文件链接在一起，产生一个可执行的模块，形成DSP目标代码。③硬件仿真器（Emulator）在线仿真工具，它用JTAG接口电缆把DSP硬件目标系统和装有仿真软件/仿真卡的PC接口板连接起来，用PC平台对实际硬件目标系统进行调试，能真实地仿真程序在实际硬件环境下的功能。④汇编器（Assembler）将汇编语言原文件转变为基于公用目标文件格式的机器语言目标文件。4⑤软件模拟器（Simulator）是脱离硬件的纯软件仿真工具。将程序代码加载后，在一个窗口工作环境中，可以模拟DSP的运行程序，同时对程序进行单步执行、设置断点，对寄存器/存储器进行观察、修改，统计某段程序的执行时间等。通常在程序编写完以后，都会在软件仿真器上进行调试，以初步确定程序的可运行性。软件仿真器的主要欠缺是对外部接口的仿真不够完善。2.在计算机系统中（1）什么是缓冲？（2）什么是锁存？（3）总线的三态逻辑是怎么实现的？请给出原理示意图。缓冲：缓冲器多用在总线上，可提高总线驱动能力、隔离前后级起到缓冲作用，缓冲器多半有三态输出功能。锁存：锁存器具有暂存数据的能力，能在数据传输过程中将数据锁住，然后在此后的任何时刻，在输出控制信号的作用下将数据传送出去。三态门是指它的输出既可以是一般二值逻辑电路的正常的“0”状态和“1”状态，访问到哪个端口；CE之类的信号选通三态门。通常在数据总线上接有多个器件。三态电路的输出逻辑状态的控制。当G为低电平输入时，也是一种控制开关。相当于该门和它连接的电路处于断开的状态，研制了相应的逻辑器件称为三态门，那个端口的三态缓冲器才可以转入输出状态，不影响其它器件的工作。三态指其输出既可以是一般二值逻辑电路，即正常的高电平（逻辑1）或低电平（逻辑0），又可以保持特有的高阻抗状态。高阻态相当于隔断状态（电阻很大，相当于开路）。高阻态是一个数字电路里常见的术语，指的是电路的一种输出状态，既不是高电平也不是低电平，如果高阻态再输入下一级电路的话，对下级电路无任何影响，和没接一样，如果用万用表测的话有可能是高电平也有可能是低电平，随它5后面接的东西定。处于高阻抗状态时，输出电阻很大，相当于开路，没有任何逻辑控制功能。高阻态的意义在于实际电路中不可能断开电路。三态电路的输出逻辑状态的控制，是通过一个输入引脚实现的。三态门都有一个EN控制使能端，来控制门电路的通断。可以具备这三种状态的器件就叫做三态器件。当EN有效时，三态电路呈现正常的“0”或“1”的输出；当EN无效时，三态电路给出高阻态输出。三态门在双向端口中运用时，如上图所示，设置Z为控制项，当Z=1时，三态门呈高阻状态，上面线路不通，只能输入，当Z=0时，三态门呈正常高低电平的输出状态，可输出，即O路通。三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关，主要用于总线的连接，因为总线只允许同时只有一个使用者。通常在数据总线上接有多个器件，每个器件通过OE/CE之类的信号选通。如器件没有选通的话它就处于高阻态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的工作。3.请以针对AT89C51为例说明什么是哈佛体系结构？AT89C51的存储器配置方式常用的微机系统不同，属哈佛结构，它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。具体地说，有各自的操作指令。程序存储器（ROM或Flash）用于存放程序和常数；数据存储器（RAM）用于存放程序运行数据和结果。89C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：64KB程序存储器（ROM），包括片内ROM和片外ROM；64KB外部数据存储器（外RAM）；256B内部数据存储器（内RAM），包括特殊功能寄存器。6哈佛体系结构的特点是：使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理；具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输；两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。从指令流的定时关系也可看出冯.诺依曼结构与哈佛结构处理方式的差别。举一个最简单的对存储器进行读写操作的指令，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯.诺依曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。如果采用哈佛结构处理以上同样的3条存取数指令，由于取指令和存取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线，使得各条指令可以重叠执行，这样，也就克服了数据流传输的瓶颈，提高了运算速度。哈佛结构强调了总的系统速度以及通讯和处理器配置方面的灵活性。4.在现代检测系统中V/F和F/V变换的作用是什么？如何实现（请给出电路原理框图）?V/F（电压/频率）转换器能将输入信号电压转换成频率信号。它的输出信号的频率与输入信号的电压值成正比，故又称为电压控制振荡器（VCOVoltage-ControlledOscillator压控振荡器）。F/V变换作用是将频率转换为电压。当用频率/电压转换器时(V/F)，其输出频率为电压精确地正比于输入频率的脉冲链。以LM331为例：LM331内部电路由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动管、复7位晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL或CMOS等不同的逻辑电路。V-F转换：Vi输入正电压→输入比较器输出高电平→使R-S触发器置位→Q输出高电平→输出驱动管导通→输出端fo为逻辑低电平→同时，电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电。此时由于复零晶体管截止，电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端充电电压大于Vcc的2/3时→定时比较器输出高电平→使R-S触发器复位→Q输出低电平，输出驱动管截止→输出端fo为逻辑高电平→复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管迅速放电→同时，电流开关打向左边，电容CL对电阻RL放电。当电容CL放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R-S触发器置位，如此反复循环构成自激振荡。t1为电容CL的充电时间。IR由内部基准电压源供给的1.9V参考电压和外接电阻Rs决定：IR=1.9/Rs。01iLRVfRIt8F-V转换：输入脉冲fi经R1和C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc/3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。当输入脉冲下降沿到来时，经微分电路R1和C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的Vcc上，当负向尖脉冲大于Vcc/3时,输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电，同时因复零晶体管截止而使电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端电压达到2Vcc/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL放电，同时，复零晶体管导通，定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。电容CL的充电时间由定时电路Rt、Ct决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容CL上积累的电荷就越多输出电压(电容CL两端的电压)就越高，实现了频率-电压的变换。5.什么是前向通道？什么是后向通道？简述前向通道和后向通道光电隔离（耦合）的