1、 29第 17 讲3.2.3 VXI 总线（简介）一.发展简介：VME 总线是 Motorola 公司 1981 年针对 32 位微处理器 68000 而开发的微机总线。VXI 总线是 VEM 总线标准在智能仪器领域的扩展，由 HP 等 5 个测试仪器公司于 1987 年联合推荐，是当前仪器系统中得到广泛应用和发展的一种并行总线标准。其数据速率高达 40Mb/s。二.构思：其基本构思是将每一种仪器制成一块标准尺寸的电路板（共有四种大小不同的标准尺寸） ，称之为卡式仪器，组成自动测试系统时，根据系统功能要求选定若干卡式仪器并将其安装在同一个机箱中，并挂接在机箱背板的高速 VXI 总线上。即可方便
2、的构成不同用途和规模的 VXI 总线仪器系统。相当于在一个机箱内集成了整个 GP-IB 仪器系统。这些卡式仪器可以独立工作，也可与系统内的其它仪器交换数据，还可通过背板总线进入远程状态，与系统外的设备交换数据。三.技术特点概述：1.定义了四种模板尺寸。 （10*16cm 2、23.3*16cm 2、23.3*34cm 2、36.7*34cm 2）2.定义了模板与底板总线插接的 3 个 96 针连接器标准（数量众多、功能强大） 。3.每个 VXI 总线仪器系统最多可容纳 256 个装置（装置-讲者、听者、控者） ，每个装置都有唯一的地址编码。可单槽单装置、一槽多装置、多槽一装置。4.建立在 IE
3、EE-488.2 基础上的可编程仪器标准命令 SPCI，创造了一个从程控仪器标准命令、仪器之间信息交换到系统操作运行高度统一的软件环境。5.当一个机箱不能容纳所有的卡式仪器时，可利用总线扩展器将主机箱与扩展机箱连接起来，以构成完整的 VXI 总线仪器系统。6.可通过不同的接口与多种计算机连接，可充分利用各种通用软件、操作系统、高级语言和软件工具等。使软件编程更简便。四.应用特点及适用领域：1.信息吞吐量达，传输速率高达 40Mb/s2.配置灵活，系统研发周期短、成本低。3.结构紧凑、仪器体积小。4.可通过转换模块方便的连接其他总线系统（如 GP-IB、RS-232C、RS-485 等）5.适用
4、于实验室仪器系统和非大批量仪器系统的研发。303.3 USB 总线技术通过本节的学习，要求学生掌握 USB 总线的主要特征。一.什么是 USB 总线：USB 即通用串行总线。它是一种电缆总线，是在传统计算机组织结构的基础上，引入了网络的某些技术，支持主机与各种“即插即用”外部设备之间的数据传输。多个设备按协议规定分享 USB 带宽，在主机和总线上的设备运行中，仍允许添加或拆除外设。二.USB 总线的主要特征：1.用户易用性。连接头采用单一模型，电气特性与用户无关，提供了动态连接、动态识别等特性。2.应用的广泛性。传输速率几 kb/s100Mb/s。可同时对 127 个总线设备进行操作，并在一根
5、电缆上支持同步、异步两种传输模式。3.使用的灵活性。USB 总线允许对设备缓冲区大小进行选择，并通过设定缓冲区的大小和执行时间，支持各种数据传输速率和不同大小的数据包。4.容错性强。USB 总线在协议中规定了出错处理和差错校正的机制，可以对有缺陷的设备进行认定，对错误的数据进行校正或报告。5.即插即用的结构体系。USB 总线具有简单而完善的协议，与现有操作系统相适应，不会产生任何冲突。6.性价比较高。具有优秀的特性和低廉的价格。三.应用：目前，USB 总线技术应用日益广泛，各种 PC 计算机和移动式智能设备普遍配备了 USB 总线接口，出现了大量的 USB 外设。随着 USB 接口芯片的普及，
6、在智能仪器中装备 USB 总线接口，既可以使其方便地连入 USB 系统，提高智能仪器的数据通信能力，又可使智能仪器选用各种 USB 外设，增强仪器的功能。教材上 P58P61 对 USB 总线、总线协议、数据流、容错、系统设置等进行了简要地介绍，有兴趣的同学可阅读或参考其他资料，教学上不做进一步的要求。第 18 讲第四章 智能型温度测量仪本章重点：.智能型温度测量仪的测量原理以及仪表的基本功能；31.智能型温度测量仪的电路结构以及各主要功能部件的电路原理；.智能温测仪的软件结构和各功能软件的作用，仪表误差处理的方法；概述：1.智能化测量仪具有精度高、灵敏度高、测量速度快、测量的自动化以及多种输
7、出形式等一系列优点，受到科研、工业界的普遍欢迎。2.热工测量（温度、压力、流量等）正越来越广泛地采用智能化测量仪；3.智能型温度测量仪一般直接配接热电偶或热电阻等温度传感器，由于温度传感器本身的非线性，故仪器内部需增加进行非线性补偿的电路或软件。4.智能压力、流量显示仪，一般配接变送器（传感器和变送电路一体化的产品） ，这类传感器的输出信号为 010mA 或 420mA 的直流标准信号（线性很好） 。不需进行非线性补偿，仪表的软、硬件组成较简单。4.1 智能型温度测量仪的原理通过本节的学习，要求学生了解智能型温度测量仪的测量原理及仪表的基本功能。智能温度测量仪是一种将温度传感器变换所得的模拟量
8、转换为数字量，通过单片机等智能芯片进行数据处理、运算等，并以数字形式显示测量结果或控制其它装置的智能化仪表。4.1.1 智能型温度测量仪的基本功能1.自动零点调整和满度校正。 （减小测量误差）2.自动修正各类测量误差。 （如热电偶的冷端补偿和非线性补偿）3.数据的处理和通信。 （如对测量的温度信息进行整理加工、统计分析、数字滤波等；实现各种自动控制；与其他仪器或微机进行数据通信，构成测控系统等）4.多种输出形式（数字显示、打印、声光报警） 。还可以多点巡回检测。5.自诊断（自检）和断电保护。4.1.2 智能型温度测量仪的基本结构与工作流程一.硬件结构参照 P65 图 4-1 对其硬件组成以及各
9、个主要部件的功能作简要介绍。二.系统软件321.监控程序：接收和分析各种指令，管理和协调整个系统各程序的执行。2.中断处理程序：用于人-机联系或产生中断请求后及时完成实时处理任务。3.实现各种算法的功能模块：实现仪器的数据处理和各种控制功能。三.工作流程（注意：不是程序流程图）智能温度测量仪的工作流程如图 4-2 所示。结合此图，简要介绍智能温度测量仪的工作流程。注意：教材上 P66 图 4-2 中的“重复上述工作”应回到哪里去？（应回到 A/D 转换之前，输入信号处理是连续的）注意强调：整机工作过程是在系统软件的控制下进行的，明确工作流程是编写系统软件的前提！作业：P62 9、P90 1、2
10、第 19 讲4.2 智能型温度测量仪的电路结构及特点通过本节的学习，要求达到以下教学目的：.掌握智能型温度测量仪的电路结构和各主要功能部件的电路原理。.掌握智能型温度测量仪各主要功能部件的电路原理。智能型温度测量仪的电路主要由主机电路、温度检测电路、过程输入输出通道、人- 机接口等电路组成。4.2.1 主机电路智能温度测量仪通常以单片机为核心。国内以 MCS-51 系列应用较多。一.MCS-51 系列单片机的结构与特点（复习）以 AT89C51 为例，其片内资源为：1.一个 8 位的 CPU2.1 个直接可以位寻址的布尔处理机3.4KB 的快速闪存（ROM） 、128B 的 RAM4.4 个
11、8 位并行 I/O 口（可位寻址）5.两个 16 位的定时/计数器（可编程）6.一个全双工异步串行口7.五个中断源，分为两个中断优先级33二.主机电路：在绝大多数情况下，上述资源足以满足智能温度测量仪对主机电路的要求。 （单片机尽量不要扩展使用，首选片内资源够用的型号）4.2.2 温度检测电路温度是一个很重要的物理量（非电量） ，自然界中任何物理化学过程都和温度紧密相关，工业生产和科研也不例外。温度的测量与控制直接和产品质量、生产效率、节约能源以及安全生产等重要经济技术指标相联系。一.温度传感器：常用的温度传感器有热电阻、热电偶、热敏电阻和集成 T/I（或T/U）变换器。不同的温度传感器工作原
12、理与检测电路均不同。以电阻温度传感器为例，电阻温度传感器的优点：测量精度高，对非温度量不敏感；有较大的测量范围，灵敏度高；线性度好。二.测温电路：电阻温度传感器具有电阻值随温度而变化的特点，这样测温变成了测电阻值。最基本的测量电阻电路是惠斯登电桥，其测温电路原理图如图 4-5 所示。三.电桥电路设计：1.根据测温范围和测量精度的要求，选择合适的温度传感器。2.确定电桥结构、平衡方式和激励源的选择3.确定模拟通道电压灵敏度、放大器的电压放大倍数以及引线电阻的补偿。第 20 讲4.设计举例：测温范围：0200；测温距离：100m；电压灵敏度：UO=10mV/。试设计传感器电路并确定放大器的电压放大
13、倍数。.选择铂电阻温度传感器，查手册得其温度特性曲线如图 4-6 所示。由图可得：t=0时，R(t)=100；t=200时，R(t)=150；则R=(150-100)/200=0.25/.电桥结构、平衡方式和激励源的选择.电桥结构：电桥采用图 4-5 所示的等臂单电桥。.平衡方式：为了避免电阻温度传感器的电阻变化时，对桥臂电流产生较大影响，选择 R110R(t)。选取 R1=R2=R3=R4=2k（应有较大功率容量） ；则调整电桥平衡的可变电阻 RwR(t)，选取 Rw=200。在 0时调整 Rw，使电桥平衡(U O=0V)。.激励源的选择：34a.一般选择直流电压源，以避免电桥电抗分量的影响
14、和便于进行 A/D 转换。b.电压的取值较高时电压灵敏度也高，但桥路电流大，传感器本身发热影响测量。选激励电压 E=5V，则每臂电流 I1为I1=(E/(R1+R2)(R3+R4)/2=(5/(2+2)(2+2)/2=(5/2)/2=1.25mA传感器功耗为：P C=I12R(t)=0.001252*150=0.23mW（一般不要大于 1mW）.确定电压灵敏度、放大器的电压放大倍数.电桥输出的电压灵敏度U QO：U QO=(R*E)/(4R 1)=(0.25*5)/(4*2000)0.156 mV/.放大器的电压放大倍数 Au：A u=U O/U QO=10/0.15664.1由于电桥是双端输
15、出，放大电路应使用差动放大电路，最好使用仪用放大器。.传感器引线电阻的补偿实际测量中，由于被测温环境远离控制室（传感器远离电桥） ，这样引线电阻必然影响电桥的平衡，例如，200 米长的导线引入 4 的引线电阻，会使测温产生约 5的误差，故对引线电阻必须进行补偿。注意：这里所说的引线电阻补偿应该是引线电阻变化量的补偿（如温度变化、导线氧化等原因造成的引线电阻变化） 。引线电阻如果是恒定的，通过调节 Rw就可以使电桥恢复平衡，不需补偿。三线补偿法是最常用的引线电阻补偿方法。 （结合图 4-8 简介其补偿原理）其本质是将等长的两根引线电阻分配到电桥的相邻两臂上，对等臂电桥而言，其对电桥平衡的影响正好
16、相互抵消。此外还有双电桥电路、有源测温电桥电路等，有兴趣的可参阅有关书籍。作业：P91 9补 4-1.某智能温度测量仪，测温范围-200+800 ；测温距离 200m；模拟通道电压灵敏度U O=5mV/。要求传感器中的电流小于 2mA，试设计传感器电路并确定放大器的电压放大倍数。第 21 讲4.2.3 过程输入输出通道过程输入输出通道是智能仪器的重要组成部分，温度传感器的信号由输入通35道进入智能仪器，而控制信号则通过输出通道传递给执行机构，故测量与控制的准确程度与过程通道的质量密切相关。一.模拟量输入通道1.组成：模拟量输入通道一般由信号转换、多路开关、放大器、滤波器、采样保持器和 A/D
17、转换器等组成。 （适用于其他模拟量测量仪器）由于温度是个变化缓慢的物理量，其变换速度远低于 A/D 转换的速度，故采样保持器可以省略。2.结构：.多通道结构：见图 4-9 所示。速度快、硬件结构复杂、占用计算机接口多。.单通道结构：见图 4-10 所示。结构简单、速度稍慢，用多路开关实现各个测温点分时使用输入通道。 （对温度测量更适用） 。3.标度变换.问题的提出：假设某智能温度测量仪的测温范围是-100+1500，当 tmin=-100时，放大器输出电压 Umin=0V，对应的 A/D 转换值为 Nmin=0；当 tmax=+1500时，放大器输出电压 Umax=1.6V，对应的 A/D 转
18、换值为 Nmax=16000。该如何处理A/D 转换的结果，使仪器显示正确的温度值？.什么是标度变换：把 A/D 转换后的数字量转换成有量纲的被测量值的过程称为标度变换。.标度变换的方法：.模拟量转换：在传感器电路或放大电路中采取措施，使当 tmin=-100时，放大器输出电压 Umin=-0.1V，对应的 A/D 转换值为 Nmin=-1000；当 tmax=+1500时，放大器输出电压 Umax=1.5V，对应的 A/D 转换值为 Nmax=15000。则 A/D 转换的结果可以直接送显示器，仅需要将小数点前移一位即可。此方法的优点是简单可靠，缺点是使仪器的通用性大受限制。如当更换传感器或
19、改变测量范围，均需要改变模拟电路的结构或参数。.数字量转换：由软件算法来实现（应用更广泛） 。变换公式为 t= 1N+ 0上式中，t 为测量温度值； 1为比例系数； 0为取决于零位值得常数。由于当 tmin=-100时，N min=0；代入上式得： 0=-100由于当 tmax=+1500时，N max=16000；代入上式得： 1=(tmax- 0)/Nmax=0.1由此得到具体的变换公式为：t=0.1N-100（）由单片机通过一定的软件算法进行标度变换，可以节省硬件电路的成本，提36高仪器的通用性，当更换传感器或改变测量范围时，仅需改变公式中的系数即可。4.放大电路的设计.应选择漂移小、噪
20、声低的 IC 运放构成放大电路。.电路结构形式取决于与传感器电路的配合。 （如热电阻单电桥测温电路，应选择差放，集成 T/I（或 T/U）变换器应选择同相或反相放大电路等）.要在模拟电路部分实现标度变换、非线性校正的，需特殊设计，难度较大。5.A/D 转换器的选择：.转换精度与速度应高于测温精度与速度的要求。.应便于与微机接口.常用集成转换器的特点：.逐次逼近型：速度快、精度高、抗干扰能力差、价格高。.双积分型：速度慢、精度高、抗干扰能力强、价廉。二.模拟量输出通道模拟量输出通道一般由 D/A 转换器、多路模拟开关和保持器等组成。1.多通道：电路结构见图 4-12 所示。复杂。需大量接口，速度
21、快，输出稳定。2.单通道：电路结构见图 4-13 所示。结构简单，需多路开关转换轮流刷新保持器，且每个通道要有足够的接通时间，以保证有稳定的输出。速度慢。注意：模拟量输出通道并不是所有智能温度测量仪必需的组成部分第 22 讲4.2.4 人-机接口部件作用：接受人对仪器的各种命令和数据，向人们给出运算和处理的结果。组成：一般由键盘接口、显示器借口和打印机接口等组成一.键盘接口：键盘接口通常包括硬件（键盘的结构及其与主机的连接方式）和软件（对按键的识别与分析-键盘管理程序）两部分。1.键盘管理程序的任务.识键：判断是否有键按下（有-译码；无-等待或转去做其他工作） 。.译键：识别哪一个键被按下（并
22、求出该键的键值） 。.键值分析：根据键值，找出对应处理程序的入口并运行之。372.硬件.按键开关：常用的有机械触点式、导电橡胶式和柔性按键等三种。.原理上分为编码式和非编码式两种。.编码式：由键盘和键盘编码器（识键、译键）组成（硬件复杂、软件简单） 。.非编码式：由软件识别（硬件简单、成本低、软件复杂，智能仪器中最常用）.连接方式分为独立式和矩阵式.独立式：一键一线一口，见识别易，占用口线多，适用于 8 键以下（图 4-14） 。.矩阵式：占用口线少，键越多优势越明显。适用于 8 键以上。3.消除键抖动.硬件实现：每键增加一个单稳态触发器（适合按键较少的场合） 。.软件实现：软件延时（约 10
23、mS)后再确认。二.显示器接口（数码显示器）由于点阵显示器显示器件多、成本高、译码和驱动复杂（显示数码无优势） ，智能仪器主要显示测量结果-数码，故基本都采用 7 段数码显示器。1.液晶显示器（LCD）：电致变色器件。耗电微、交直流均可驱动（常用低频正负对称方波驱动，此时对比度、功耗均较优，驱动电路稍复杂） 、体薄物轻、机械强度较差，适合便携式仪器使用（有兴趣的同学请参阅参考书 1） 。2.发光二极管（LED）:电发光器件，耗电小、寿命长、成本低、工作温度范围宽、机械强度高、亮度适中、工作电压低（便于和数字电路连接） 。智能仪器中广泛采用。LED 在数字电路、单片机等课程均讲过，在此简单总结、
24、复习如下。.LED 数码管有共阳极和共阴极两种结构，见图 4-16 所示（图中不应有电阻） 。选用时主要考虑驱动电路的驱动特性（输出高/低电平时的电流负载能力） 。.LED 是恒压元件，正向导通电压约为 UD=1.22.4V，工作电流约为ID=510mA，应调整限流电阻 R，使 ID正常。R=(V CC-UD-UMDL)/ID3.LED 与单片机的接口.软件译码与硬件译码（两者应用都很普遍）.硬件译码：电路稍复杂，软件简单。常用译码驱动芯片有74LS47、CD4511、MC14513 等（BCD 码7 段码） 。38.软件译码：电路简单、软件稍复杂。.静态显示与动态显示.静态显示：亮度好、软件
25、简单、占用 CPU 时间很少；占用口线多、硬件成本高，适合数码管位数较少的场合。.动态显示：占用口线少、硬件简单、成本低；占用 CPU 时间很长、软件较复杂，注意：欲获得与静态显示同样的亮度，驱动电流需增大 n 倍（n 为 LED 位数） ，故不适用于显示位数过多的场合（如 8 位以上）.“动静结合”：MC14499 是串行输入 BCD 码7 段码译码驱动芯片，可自控动态扫描驱动 4 位 LED，兼备了静态显示亮度好、软件简单、占用 CPU 时间很少的优点和占用口线少、硬件简单的优点。很实用（参阅参考书 1、2） 。.组合方案：.软件译码动态显示：硬件最简、软件最繁，占用口线较少，占 CPU
26、时间最长；.硬件译码动态显示：硬件较简、软件较繁，占用口线最少，占用 CPU 时间长；.软件译码静态显示：占用口线最多，占用 CPU 时间很短：.硬件译码静态显示：占用口线较多，占用 CPU 时间最短。方案选择主要考虑：a.占用 CPU 时间的长短；b.占用口线的多少；c 硬件成本；d.软件编程的方便程度，平衡上述 4 者的关系，找出最适合本仪器的方案。三.打印机接口：（单片机课程已经详细介绍过，不再重复讲解）4.2.5 智能仪器的硬件抗干扰电路（并入 7.3.2 讲授）作业：P90 3、4、5、7补 4-2.设计某智能仪器的 4 位 LED 数码显示电路时，要求尽量少占用 CPU 的时间、不考虑占用口线的数量，应采用哪种 译码、 驱动显示方案？若同 时要求占用口线数量最少，可以选择哪种译码、驱动显示方案？第 23 讲4.3 软件结构和程序框图通过本节的学习，要求达到以下教学目的：.掌握智能型温度测量仪的软件结构和各功能软件的作用；.初步掌握智能仪器误差处理的方法。
