朱軍楠

【摘 要】 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單板計算機(jī)隨之出現(xiàn)，采用單板機(jī)設(shè)計的新儀器可以大量存儲測量信息并能對測量結(jié)果進(jìn)行實時分析、綜合和作出各種判斷，即具有智能，被稱為智能儀器。本文提出了利用單片機(jī)進(jìn)行智能儀器設(shè)計的優(yōu)點以及設(shè)計過程，并通過實例說明智能儀器的整體設(shè)計方法和步驟。

【關(guān)鍵詞】 單片機(jī) 智能儀器 應(yīng)用

早期的儀器儀表大多數(shù)采用邏輯電路的設(shè)計方法，主體結(jié)構(gòu)是電子線路，主要用過電磁測量原理或?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行測量，在單片機(jī)出現(xiàn)以后，設(shè)計者對傳統(tǒng)儀器進(jìn)行改造，開始利用智能儀器。智能儀器一般是指以處理器或微電子計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)而設(shè)計制造出來的新一代新型儀器。由于微機(jī)具有數(shù)據(jù)處理能力和很強(qiáng)的控制能力，可大大增強(qiáng)儀器的性能，簡化儀器的硬件電路，從而使儀器的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了根本性的變革。

1 單片機(jī)在智能儀器中應(yīng)用的特點

智能儀器具有自動測量的功能、具有數(shù)據(jù)處理能力、能進(jìn)行自動調(diào)零和單位換算、具有操作面板和顯示器、能進(jìn)行簡單的故障提示，還有簡單的報警功能。單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、可靠性高的特點，所以比較適合做儀器儀表的控制微機(jī)。下面根據(jù)儀器儀表的特點對單片機(jī)在儀器儀表應(yīng)用中的優(yōu)越性進(jìn)行分析。

1.1 高速數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)

一般的儀器儀表在完成一個周期的測量、計算和輸出操作后大概要在0.5s內(nèi)完成。有些儀器儀表的計算較為復(fù)雜，要求有浮點運算能力、有正弦函數(shù)、開平方等計算功能。在智能儀器中對微機(jī)的運算能力和運算速度要求較高。MCS-51的時鐘可以達(dá)到12MHz，具有硬件乘除法指令，運算速度高，這使智能機(jī)器可進(jìn)行高速計算，以完成儀器儀表所需的運算能力。

1.2 控制功能比較強(qiáng)

智能儀器的測量過程和測量電路都由微機(jī)來控制，可以省去常規(guī)儀器中的大量數(shù)字電路和各種開關(guān)。這些控制采用二進(jìn)制的狀態(tài)位來控制，如測量啟動控制位，測量完成檢測位等。而MCS-51具有布爾處理功能，包括一整套微處理器指令和位控制輸入輸出功能，因而特別適用于儀器儀表的控制。

1.3 具有強(qiáng)I/O功能

一臺儀器包括各種功能部件，這些功能可以利用微機(jī)的各種接口芯片來完成，如并行I/O口、計數(shù)器、鍵盤顯示驅(qū)動接口、各種A/D和D/A芯片以及各種通信接口等。如果利用單片機(jī)，由于片內(nèi)具有16-32位I/O線，兩個16位定時計數(shù)器，一個全雙工串行口和RAM等部件，可以大大簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，降低儀器的造價。

2 單片機(jī)在智能儀器方面里的應(yīng)用

智能儀器匯總由于采用了微計算機(jī)，不能再沿用傳統(tǒng)儀器儀表的設(shè)計方法，而應(yīng)該用微計算機(jī)特有的特點進(jìn)行設(shè)計，主要采用新型測量原理、硬件軟件化和增強(qiáng)功能等進(jìn)行設(shè)計。由于微機(jī)具有告訴運算的能力，因此，可以用一臺儀器完成多個功能。

2.1 選擇單片機(jī)作為智能儀器中的微處理器

由于微處理器和存貯器的配置，儀器不僅僅用來獲取數(shù)據(jù)，并且需要具有一定的計算機(jī)功能可以對數(shù)據(jù)做一定程度的處理和應(yīng)用，這樣才能給測量者提供更多準(zhǔn)確的信息。在智能儀器儀表中，目前的技術(shù)是選擇單片機(jī)作為微處理器，即將CPU、RAM、EPROM、中斷系統(tǒng)等集成在一個芯片上，構(gòu)成簡單的單片計算機(jī)，這樣使得智能儀器中的微型計算機(jī)系統(tǒng)十分簡單。

隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的十分迅速，價格也正在降低，但是單片計算機(jī)的功能和用途不斷增多，越來越適應(yīng)于智能儀器儀表行業(yè)、各種測試系統(tǒng)和工業(yè)控制。單片機(jī)憑借著小巧的體積、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)而逐步取代之前非Z80單板機(jī)。此外，智能機(jī)中采用單片機(jī)作為微處理器，不僅有助于擴(kuò)展儀器的測量功能，而且有助于增加儀器的自檢能力，不斷豐富自檢內(nèi)容，給儀器的使用和維修都帶來了幾大方便，在儀器自檢過程中它可以不影響正常的測量操作。

2.2 利用單片機(jī)進(jìn)行智能儀器設(shè)計、調(diào)試

智能儀器以微處理器為核心、其中軟件設(shè)計、接口電路的工作占很大比重?；驹O(shè)計步驟和調(diào)試過程遵循一點原則。智能儀器的設(shè)計首先要明確設(shè)計對象的要求和最終要達(dá)到的目標(biāo)，并根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求擬定設(shè)計的計劃來優(yōu)先選擇微處理器、輸入輸出方式、測試原理或者操作過程，以及為新產(chǎn)品的可靠性和可維修性設(shè)計的自檢和故障診斷方法。然后是軟件和硬件的設(shè)計，對完成設(shè)計要求進(jìn)行方案的論證，最后應(yīng)當(dāng)提出軟件和硬件的設(shè)計框圖作為總體設(shè)計階段的結(jié)束。

在智能儀器設(shè)計時要處理好軟件和硬件的協(xié)調(diào)，一般在選擇單片機(jī)后，就要考慮設(shè)計方法。通常采用自頂向下或分解設(shè)計方法，將設(shè)計對象分為若干個可以相互獨立的子任務(wù)，確定完成的先后順序，在硬件設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮智能儀器設(shè)計的體積和成本，并使得各種指標(biāo)具體化，這將會在開發(fā)過程中多次反復(fù)修改，逐步深入。通常在沒有特殊要求的情況下，盡量用軟件來實現(xiàn)各部分所要求達(dá)到的目的，一時的智能儀器設(shè)計更加靈活、修改時候方便，成本也隨之降低。軟件的設(shè)計主要要考慮兩個方面：首先是自上而下的總體軟件計劃，其次是硬件的指標(biāo)，這是軟件設(shè)計計劃必備的基礎(chǔ)。最后，軟硬件要做統(tǒng)一聯(lián)調(diào)，包括在開發(fā)系統(tǒng)上對軟件做仿真調(diào)試，在樣機(jī)上做電路仿真調(diào)試等。

3 結(jié)語

智能儀器結(jié)合了人工智能、計算機(jī)科學(xué)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、電子學(xué)、VLSI等新興技術(shù)，這些新興技術(shù)與傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)想結(jié)合，使得智能儀器的發(fā)展進(jìn)入了新的時期。專用集成電路和個人儀器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展促使智能儀器在更寬廣的領(lǐng)域得以應(yīng)用，作為智能儀器核心部件的單片計算機(jī)技術(shù)正是推動智能機(jī)器向小型化、靈活性化和多功能化轉(zhuǎn)變的動力和核心技術(shù)。從智能機(jī)發(fā)展的歷程來看，各種功能的智能儀器在不久的將來會應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)的各個領(lǐng)域。

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