1、 仪器电子技术课程报告 学生姓名： # 学生学号： # 班 级： # 课程题目： 现代仪器中软件和硬件技术 学年学期： 2 014 2 015 学年第 1 学期 指导教师： # 2 0 15 年 1 月 目录 1 引言 . 3 1.1 软件和硬件的定义 . 3 1.2 现代仪器的发展 . 3 2 软件和硬件在仪器中的作用 . 4 3 仪器性能与软件的关系 . 6 3.1 仪器的性能 . 6 3.2 典型例子（嵌入式门禁系统） . 6 4 仪器性能与硬件的关系 . 9 5 现代仪器中软件和硬件发展趋势 .12 5.1 软件发展趋势 .12 5.2 硬件发展趋势 .15 光衰减器 1 引言 1.1
2、 软件和硬件的定义 软件是能够完成预定功能和性能的可执行的计算机程序，包括使程序正常执行所需要的数据，以及有关描述程序操作和使用的文档。软件是一种逻辑实体，是用户与硬件之间的接口界面。用户主要是通过软件与计算机进行交流。软件是计算机系统设计的重要依据。为了方便用户，为了使计算机系统具有较高的总体效用，在仪器设计过程中，必须全局考虑软件与硬件的结合，以及用户的要求和软件的要求。 软件还可以拓宽计算机系统的应用领域，放大硬件的功能。 硬件是 客观存在的 一种物质实体，比如 一台仪器它的外观设计，它使用的芯片或者架构都属于硬件。它是为软件服务的，也是获取软件的途径。 硬件是实在的，有模有样的。软件是
3、程序性的。是一系列的指令。有了软件，硬件才会实现更丰富的功能。也好比人，肢体是硬件的。但思想，思维，你的学识是软件，是灵魂。 1.2 现代仪器的发展 众所周知 ,数字化、智能化和网络化是当今仪器仪表与自动化测试系统的三大发展趋势 ,并将彻底改变传统仪器仪表与自动化测试系统的概念。在传统概念的测量中 ,所采用的仪器大多是实物 ,它们自成体系 ,具有刻度盘、旋钮、开关等固定的用户界面特征。传统的仪器 设备缺乏相应计算机接口 ,因而配合数据采集与数据处理十分困难。而且传统仪器体积庞大 ,多种数据测量时常常感到捉襟见肘 ,手足无措。如常常见到硬件工程师的工作台上 ,推满了纷乱的仪器、交错的电缆和繁多的
4、待测器件。显然 ,传统的仪器已经不能满足现代测试的要求。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用 ,新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现 ,在许多方面已经冲破了传统仪器的概念 ,电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在这种背景下 ,80 年代末美国研制成功虚拟仪 器。现在 ,在集成的虚拟测量环境中 ,见到的是整洁的桌面 ,有序的操作 ,不但使测量人员从繁杂的仪器堆里解放出来 ,而且还可实现数据的自动测量、自动记录、自动处理。 网络仪器的发展在现代仪器中也非常重要，网络就是仪器的概念确切地概括了仪器的网络化发展趋势以 Inte
5、rnet 为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不断完善使得计算机网络的规模更大，应用更广。在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域对大范围的网络化测控将提出更迫切的需求。网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用，网络化仪器会很快发展并成熟起来，从而有力 地带动和促进现代仪器，即网络化仪器的进步。 2 软件和硬件在仪器中的作用 软件 相当于人机交互的一种方式，这种方式可以通过编程或算法设计表现出来，比如我们平时用到的 C+， MATLAB 等等，我们可以通过这些工具对所需要的设计要求进行合理化的编程，从而让计算机识别并实现对硬件设备的控制功能。而硬件可以根据设计要求划分为几个功能模块，通
6、过电路设计来实现。 在信息化建设时期，随着科学技术的高速发展，在现代仪器设计中，软件和硬件的结合尤为重要， 关系到每一台仪器的性能。下边通过 智能温度显示仪的设计为例 说明软件和硬件在仪器中的作用 。 本设计要求智能温度显示仪能够将温度传感器输出的（ 0 5V）电压信号转换成对应温度范围（ 0 100 ）的整数数值显示，显示器采用 4 位 LED 数码管实现，通过键盘实现报警上下限的设置，而且能够在温度变化过程中根据预设的报警值及时地发出报警信号。整体设计结构图如下： 图 1 功能结构图 根据工作原理可通过图 1 所示的结构实现功能。由工作原理可知，传感器的输入信号是 0 5V 的电压信号，所
7、以不用放大就可以直接接入单片机电路。电压的变化要经过 A/D 转换才能由数字信号电路处理，采样后要经过一定的数据处理才可以向显示电路输出。另外，由于可实现报警功能，这就需要设计报警值的输入和报警动作的输出电路。最方便的做法是 242 使用键盘输入报警值，用发光二极管来实现光报警。此外，要求报警值能够一直保存，掉电不会丢失，因此就必须通过非易失性存储器来保存。 要设计上述的电路首先要选择一款单片机，本文选择 PIC16F877 型号单片机作为控制核心。由于该单片机内部集成了 8 路 EEPROM 空间和 ADC，所以图1 中的存储器和 ADC 部分就不用再另外选择器件了；键盘电路由 4 个独立按
8、键组成，分别完成置数位的调整，即减 1 和加 1 操作；显示电路选用 MAX7219 控制数码管的工作，这些都是硬件，没有这些硬件作为载体，仪器就不可能存在。 软件设计要根据设计对象的功能而定，本文设计的智能温度显示仪主要实现以下功能： 1）采样 RA0 端口的模拟信号，转换成数字信号； 2）将数字信号经标度变换成温度值显示在数码管上； 3）通过按键设定报警的上下限，一个键负责报警位的选择，另外两个键负责实现选中位的加减 1； 4）设定的上下限存在于 EEFROM 中； 5） 5 秒钟没有按键按下，自动返回采样刷新状态。 通过程序的编写达到设计要求，来控制单片机等硬件的运行和操作，从而实现仪器
9、的设计。从该例子中可以看出在仪器设计中软件和硬件相辅相成，缺一不可。 3 仪器性能与软件的关系 3.1 仪器的性能 衡量仪器 性能的主要技术指标有精确度、灵敏度、响应时间等。 精确度表示仪器 测量结果与被测量真值的一致程度。仪器的精确度常用精确度等级来表示，例如 0.1 级、 0.2 级、 0.5 级、 1.0 级、 1.5 级等。 0.1 级表仪表总的误差不超过 1.0%范围。精确度等级数小，说明 仪器 的系统误差和随机误差都小，也就是这种 仪器 精密。 灵敏度表示当被测 的量有一个很小的增量时与此增量引起仪表示值增量之比，它反映仪表能够测量的最小被测量。 响应时间是指仪表输入一个阶跃量时，
10、其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，一般规定以到达稳定值的 95%时的时间为准。 此外，还有重复性、线性度、滞环、死区、漂移等性能技术指标。 而对于仪器而言 ，其性能指标又会对应各个不同的协议，因此软件是影响仪器性能的一个关键因素。 3.2 典型例子 （嵌入式门禁系统） 随着计算机和微电子技术的飞速发展 ,嵌入式系统作为计算机应用的一个重要领域 ,已深入到社会的方方面面。近年来 ,嵌入式系统在工业控制领域的应用也越来越广泛。嵌入式软件开发主要分如下步骤：在 PC 机开发程序、建立交叉编译环境、交叉编译和链接，应用程序的移植。其在嵌入式门禁系统中的应用如下： 网络通信程序是由两个部分组
11、成的：客户端和服务器端。它们的建立步骤一般是： 服务器端 ： socketbindlistenaccept 客户端 ： socketconnect 服务器端与客户端通过以上过程建立通信连接之后就可以进行数据的发送和接收了。 图 3.1 门禁控制器的主控流程图 嵌入式门禁控制器是门禁系统的核心控制部分。它完成所有的门禁管制逻辑业务。门禁系统的稳定性、可靠性、高效性取决于门禁控制器的合理设计。控制器的主流程图如图 3.1 所示。 系统加电启动之后，从本机数据库读取各个端口的属性数据并配置，初始化各个端口设备，完成系统的初始化设置。之后启动后台通信线程，负责通信模块处理，主控流程则开始对门禁管制区域
12、进行监控。系统正常启动后，首先检测各个端口状态，如有异常则报警并记录事件，并执行相应的 I/O 处理。同时检测是否有定时开关门事件，是否有用户刷卡动作，是否满足自动报警条件，并进 行相关模块的处理。 系统启动之后，首先必须初始化输入输出端口设备，并进行网络的设置和读卡器的配置。 设备端口的初始化模块 InitIo( )：即打开各个驱动设备文件句柄，主要包括输入和输出设备句柄，输入设备包括门磁、防拆除、开关按钮。输出设备主要是继电器设备（控制门锁和报警输出信号），设备的句柄打开之后，即可如对文件操作一样，对各个设备文件进行控制。 网络配置模块 InitIP( )：需从控制器基本参数数据库 tbl
13、_controller 读取网络参数，并进行网络配置。例如，读取网络参数后，要激活的网络 IP 地址为“ 192.168.0.100 ” ，则 需 执 行 一 个 系 统 调 用 函 数 system(“ifconfig eth0 192.168.0.100”)。读卡器的配置模块InitCom( )：本次系统设计使用的读卡器有韦根读卡器和 485RFID 读卡器，每个门可配置其中某一型号的读卡设备。系统读卡器的配置过程如下：首先从读卡器数据库 tbl_reader 读取相应的数据，根据相应的配置参数进行读卡方式的设置，并打开相应的读卡设备句柄。 用户刷卡处理是门禁系统的主要功能模块，用户刷卡处
14、理流程为：用户 刷卡，系统判断是否为多卡开门，如为多卡开门进行多开开门处理。如为单卡开门。系统进行权限验证，如为有效卡，则置相应标志位，并发出开门信号，如为非法卡则报警，刷卡处理流程如图 3.2 所示。 图 3.2 用户刷卡处理流程 权限验证子模块流程为用户刷卡，应用程序读取系统时间，检查卡是否过期，是否是挂 失卡或者暂停卡。卡片合法，如为巡更卡，则记录巡更事件。如为普通卡则进行节假日管制、时段管制判读，并将处理结果作为开关门信号的依据。 对门禁系统进行软件测试，测试中发现的问题： （ 1）读卡故障，读卡器不能正常读卡 ： 检测读 卡器与控制器的连线是否正确，如果是 485RFID 读卡，必须
15、保证读卡器的地址拨码与控制器的软件配置相符。用上位机门禁管理软件查看读卡器的配置是否正确，如有错误，重新配置读卡器。 （ 2）不能正常开关门，用户刷卡或者按下按钮，门锁无反应：检测电源是否连接正常；用上位机门禁管理软件查看门对应的输入输出端口配置是否正确，或者直接查看门属性数据库 tbl_door，查看门所对应的开关按钮输入端口号是否与硬件连接的端口号匹配，输出端口号是否与硬件连接的端口匹配，该门是否设置了互锁条件等。 从测试结果及设计过程可以看出软 件编写的是否严谨会影响系统或者仪器设备的正常工作。 4 仪器性能与硬件的关系 科学技术的进步不断对仪器仪表提出更高更新的要求。仪器仪表的发展趋势
16、是不断利用新的工作原理和采用新材料及新的元器件，例如利用超声波、微波、射线、红外线、核磁共振、超导、激光等原理和采用各种新型半导体敏感元件、集成电路、集成光路、光导纤维等元器件。其目的是实现仪器仪表的小型化，减轻重量、降低生产成本和更便于使用与维修等。另一重要的趋势是通过微型计算机的使用来提高仪器仪表的性能，担高仪器仪表本身自动化、智能化程度和数据处理能力。仪器仪表不仅供单项使用，而且可能过标准接口和数据通道与电子计算机结合起来，组成各种测试 控制管理综合系统，满足更高的要求。 仪器的可靠性是指仪器在规定的使用条件下和规定的时间内完成所规定功能的能力 ,它是衡量仪器质量优劣的重要技术指标 ,仪
17、器的可靠性是由硬件可靠性和软件可靠性两个方面决定的 ,一般来说 ,仪器的软件可靠性比较高 ,所以仪器的可靠性主要由硬件可靠性所决定。构成仪器的硬件包括构成仪器的各种芯片、元器件及各种部件 ,主要有微处理器及周边电路、 IC 电路芯片、电阻、电容、电感、晶体管、继电器、插头、插座、印刷电路板、按键、引线、焊点等。 下边以基于DSP 平台的机器视觉系统为例说明硬件对仪器性能的影响。 首先说一下硬件优化的意义： DSP 在实时系统中应用非常普遍，在这种应用环境中，计算的及时性、准确性和工作中的抗干扰性相当重要。在基于 DSP 的机器视觉图像处理系统中，需要对采集到的图像进行实时处理。由于需要对物体的
18、形状，状态，及背景进行准确的识别，算法复杂度高，运算量相当大。由此可见，从系统设计的一开始到结尾都必须贯穿优化思想，提高系统工作效率，以达到预定目标。其系统结构框图如图 4.1 所示： 图 4.1 系统结构框图 在高速电路板中，由于电路的高频特性，开关的电磁辐射和线路噪音都会干扰到电路器件电压，即器件的实际工作电压。而现今的低电压、低功耗、高性能的芯片，如 DSP 芯片等对工作电压的要求非常高，一般都要求电压偏差不超过5%，我们的芯片的供电电压为 3.3V，即电压偏差不能超过 0.165V。否则，一旦工作电压超出这个范围，长时间工作容易缩短寿命甚至于烧毁。因此，在电路中需要通过电压监控电路来实现对电压的实时监控，以期电源能够为芯片提供合格而稳定的电压。
