本书系统地阐述了智能仪器的体系结构、原理及设计方法。全书共分10章。第1章为绪论,介绍智能仪器的结构、特点及发展状况; 第2章介绍智能仪器主机电路; 第3章介绍信号输入输出通道的结构、特性及设计; 第4章介绍智能仪器人机接口技术; 第5章介绍智能仪器的标准数据通信接口; 第6章介绍智能仪器抗干扰技术; 第7章介绍智能仪器数据处理及自动化技术; 第8章介绍智能仪器设计方法; 第9章介绍基于电压及频率测量的智能仪器; 第10章介绍虚拟仪器及网络化仪器的结构及设计实例。
本书在着重基本原理和方法的基础上,突出智能仪器的新方法、新技术、新器件。增加了ARM内核、DSP型单片机。∑Δ型ADC、触摸屏、高速数据缓存、通信总线(如PXI、CAN、USB、以太网、蓝牙)、虚拟仪器及网络化仪器等内容。本书加大了应用篇幅,各章节侧重智能仪器功能部件的具体设计方法与技巧,给出了相关设计实例。
本书可作为高等院校电子类、仪器仪表类、控制类等专业的教材或教学参考书,也可供广大从事智能仪器、仪表开发设计的工程技术人员参考。
智能仪器是计算机技术与测量技术、仪器仪表技术相结合的产物。它具有传统仪器无法比拟的优点,在测量精度、速度、可靠性等方面有了根本性的改变。智能仪器广泛应用于测量、控制、通信、医学仪器以及科学研究等各个方面。近年来随着计算机技术、微电子技术的迅速发展,智能仪器又发生了巨大的变化,出现了全新一代智能仪器——虚拟仪器及网络化仪器,仪器硬件趋于采用嵌入式系统、片上系统SoC结构。新结构、新器件的采用极大地提高了智能仪器的品质及开发效率。
本书在系统阐述智能仪器的体系结构、工作原理、软硬件设计方法的基础上力求反映智能仪器中的新思想、新技术、新方法和新器件,同时应用了作者多年来从事智能仪器教学和科研、开发的体会。智能仪器是一门理论性与实践性很强的课程,在编写过程中重视理论与实际结合,在阐述基本原理的基础上,侧重讨论智能仪器设计、开发中的具体方法与技巧,在各章中给出了相应的设计实例。旨在使读者通过智能仪器的学习解决设计、开发中的实际问题。
全书共分10章。第1章为绪论,介绍智能仪器的结构、特点及发展状况。第2章介绍智能仪器主机电路中应用的8051内核、RAM内核及DSP型单片机的结构特性及参数,并以51系列单片机为例介绍主机电路的构成方法。第3章阐述模拟量输入输出通道中功能部件(测量放大器、ADC、DAC、S/H等)的结构及其接口原理;集成数据采集系统及高速数据缓存技术;开关量输入输出通道信号调理及开关量输出信号的驱动方法。第4章介绍键盘、LED/LCD接口技术及可编程芯片的应用以及微型打印机及触摸屏的原理和接口设计。第5章介绍智能仪器通信接口总线(GPIB、RS232、PXI)的特性及接口设计和新型总线(如USB、CAN、以太网、蓝牙技术)的性能及应用。第6章介绍干扰的来源及分类、智能仪器输入输出通道电源、地线系统及CPU的抗干扰技术。第7章阐述消除随机误差及系统误差的有效方法和实现量程变换、标度变换、故障自检的原理及程序设计。第8章主要介绍智能仪器的总体软件、键盘管理程序设计方法及整机调试步骤,并给出一个设计实例。第9章介绍智能DVM、DMM的结构、应用及设计过程,自由轴法RLC测量仪原理及典型产品,智能电子计数器的组成、原理及设计。第10章介绍虚拟仪器及网络化仪器的概念、特点及体系结构,并通过实例阐述虚拟仪器及网络化仪器的设计过程。
本书由长安大学王选民、张利川、张晓博编写,王选民编写第1、3、4、7、8章,张利川编写第2、5章及9.4~9.7节,张晓博编写第6、10章及9.1~9.3节。王选民任主编,负责全书的策划、内容安排、文稿修改及审定工作。
由于作者水平有限,加之编写时间仓促,书中难免存在错误和不足之处,恳请读者批评指正。
第1章绪论
1.1智能仪器的诞生
1.2智能仪器的结构及特点
1.2.1智能仪器的结构
1.2.2智能仪器的特点
1.3智能仪器的发展
1.3.1独立式智能仪器及GPIB自动测试系统
1.3.2个人仪器系统
1.3.3VXI总线仪器系统
1.3.4虚拟仪器
1.3.5网络化仪器
思考题与习题
第2章智能仪器的主机电路
2.1单片机概述
2.1.1单片机的总线结构
2.1.2指令系统及CPU架构
2.1.3几类应用广泛的单片机
2.2基于 80C51内核的单片机
2.3基于ARM内核的单片机
2.3.1ARM简介
2.3.2ARM内核的单片机
2.4DSP型单片机
2.5带有不同专用接口的单片机
2.5.1具有USB接口的单片机
2.5.2具有以太网接口的单片机
2.5.3具有CAN接口的单片机
2.680C51单片机构成的主机电路
2.6.1主机电路概述
2.6.280C51系列单片机构成的主机电路
思考题与习题
第3章智能仪器的信号输入输出通道
3.1测量放大器
3.1.1测量放大器原理
3.1.2测量放大器的使用
3.1.3集成测量放大器
3.2程控增益放大器
3.2.1基本程控增益放大器
3.2.2应用测量放大器实现的程控增益放大器
3.2.3集成程控增益放大器
3.3模拟量输入通道
3.3.1模拟量输入通道的结构
3.3.2A/D转换器的性能指标
3.3.3逐次比较型ADC与微机的接口
3.3.4积分式ADC与微机的接口
3.3.5∑△型ADC及其与微机的接口
3.3.6模拟量输入通道的其他器件
3.3.7模拟量输入通道设计
3.4模拟量输出通道
3.4.1模拟量输出通道的结构
3.4.2D/A转换器的特性
3.4.3D/A转换器与微机的接口
3.4.4数字波形合成技术
3.5数据采集系统
3.5.1数据采集系统集成电路
3.5.2高速数据缓存技术
3.6开关量输入通道
3.6.1开关量输入通道的结构
3.6.2开关量输入信号的调理
3.7开关量输出通道
3.7.1开关量输出通道的基本组成
3.7.2开关量输出驱动电路
思考题与习题
第4章智能仪器人机接口技术
4.1键盘接口技术
4.1.1键抖动、键连击及串键的处理
4.1.2键盘的结构及控制方式
4.1.3非编码式键盘接口
4.1.4编码式键盘接口
4.2LED显示器接口技术
4.2.1七段LED显示器及接口
4.2.2点阵式LED显示器及接口
4.3可编程键盘/显示器接口电路
4.3.1可编程键盘/显示器接口电路8279
4.3.2串行接口LED驱动器MAX7219
4.4LCD显示器接口技术
4.4.1液晶显示器的原理及驱动方式
4.4.2段式LCD显示器接口
4.4.3点阵式LCD显示器接口
4.5微型打印机接口技术
4.5.1TPμP40B的性能及接口信号
4.5.2TPμP40B字符代码及打印命令代码
4.5.3TPμP40B接口方法及管理程序
4.6触摸屏技术
4.6.1触摸屏的结构及特点
4.6.2触摸屏控制器ADS7843及其与微机的接口
思考题与习题
第5章智能仪器的标准数据通信接口
5.1GPIB通用并行接口总线
5.1.1GPIB接口总线概述
5.1.2总线结构
5.1.3三线联络过程
5.1.4基本接口功能
5.1.5接口消息及其编码
5.2GPIB接口设计
5.2.1可编程GPIB接口芯片TMS9914A
5.2.2应用TMS9914A进行接口设计
5.3PXI总线技术
5.3.1PXI总线概述
5.3.2PXI总线系统的规范
5.4串行通信总线
5.4.1串行通信的基本方式
5.4.2RS232C串行通信总线标准
5.5串行通信接口设计
5.6其他总线技术
5.6.1以太网接口
5.6.2现场总线CAN
5.6.3蓝牙技术
5.6.4USB总线
思考题与习题
第6章智能仪器抗干扰技术
6.1干扰的来源及分类
6.1.1干扰的来源
6.1.2干扰的传播途径
6.2串模及共模干扰的抑制
6.2.1串模及共模干扰
6.2.2串模干扰的抑制
6.2.3共模干扰的抑制
6.3信号输入输出通道干扰的抑制
6.3.1干扰隔离器件
6.3.2信号输入输出的隔离
6.4电源系统干扰的抑制及仪器接地技术
6.4.1电源所致干扰的抑制
6.4.2接地技术
6.5CPU抗干扰技术
6.5.1软件陷阱技术
6.5.2“看门狗”技术
思考题与习题
第7章智能仪器的数据处理与自动化技术
7.1随机误差的校正
7.1.1消除脉冲干扰的数字滤波法
7.1.2抑制小幅度高频噪声的数字滤波法
7.1.3复合滤波法
7.1.4数字低通滤波法
7.1.5自相关滤波及互相关滤波
7.2系统误差的校正
7.2.1利用误差模型校正系统误差
7.2.2利用校准数据表校正系统误差
7.2.3利用校正函数校正系统误差
7.2.4利用代数插值法校正系统误差
7.2.5利用最小二乘法校正系统误差
7.3量程自动转换技术
7.3.1量程自动转换原理
7.3.2量程上、下限的确定
7.3.3量程自动转换性能的提高
7.4测量数据的标度变换
7.4.1线性标度变换
7.4.2非线性标度变换
7.5故障自检技术
7.5.1故障自检方式
7.5.2自检项目
7.5.3自检软件
思考题与习题
第8章智能仪器的设计
8.1智能仪器的设计原则
8.1.1智能仪器设计的基本要求
8.1.2智能仪器的设计原则
8.2智能仪器的研制步骤
8.2.1确定设计任务、拟定设计方案
8.2.2硬件和软件的设计
8.2.3系统调试和性能测试
8.3智能仪器的软件设计
8.3.1智能仪器的软件设计方法
8.3.2智能仪器的软件结构
8.3.3监控主程序
8.3.4键盘管理程序
8.4智能仪器的调试
8.4.1调试过程
8.4.2硬件静态调试
8.4.3软件调试
8.4.4动态在线调试
8.5智能仪器设计实例
8.5.1检测系统总体设计
8.5.2硬件电路设计
8.5.3软件设计
思考题与习题
第9章基于电压和频率测量的智能仪器
9.1智能数字电压表的结构及实例
9.1.1智能数字电压表的结构及技术指标
9.1.2智能数字电压表实例
9.2智能数字多用表原理
9.2.1智能数字多用表的结构
9.2.2交流/直流转换器
9.2.3欧姆转换器及电流转换器
9.3智能数字多用表设计
9.3.1智能数字多用表组成结构
9.3.2电压、电流、电阻量程转换电路
9.3.3软件流程
9.4智能RLC测量仪原理及实例
9.4.1自由轴法测量原理
9.4.2正弦信号源与相敏检波器
9.4.3智能RLC测量仪实例
9.5通用电子计数器测量原理及组成
9.5.1通用电子计数器测量原理
9.5.2通用电子计数器的基本组成
9.6提高频率测量精度的方法
9.6.1多周期同步测量技术
9.6.2内插扩展技术
9.7智能电子计数器的设计
9.7.1ICM7226芯片介绍
9.7.2应用ICM7226设计智能频率计
思考题与习题
第10章虚拟仪器及网络化仪器
10.1虚拟仪器概述
10.1.1虚拟仪器的基本概念
10.1.2虚拟仪器的发展过程
10.1.3虚拟仪器的特点
10.2虚拟仪器的组成
10.2.1虚拟仪器的硬件
10.2.2虚拟仪器的软件
10.3应用LabVIEW进行虚拟仪表设计
10.3.1LabVIEW基本概念
10.3.2LabVIEW的数学分析与信号处理
10.3.3虚拟仪器设计实例
10.4网络化仪器
10.4.1网络化仪器的诞生
10.4.2网络化仪器的体系结构
10.4.3网络化仪器的两种组建模式
10.4.4网络化虚拟仪器的开发实例
思考题与习题
参考文献