仪器控制系统选择合适硬件总线实现用户交互

最新总线技术在仪器制与连接方面的前景类别：电子综合 阅读：1026
吴康 过去二十多年间，科学家与工程师己在自动化仪器系统中广泛使用EEE 488和通用接口总线GPIB。当大众化电脑技术进入测试与测量领域，并在连接仪器时应用USB、以太网路、与IEEE1394等总线技术时，GPIB接口是否能够在将来成为仪器控制总线接口的首选就成了问题。由于GPIB拥有强大功能与广大的使用者基础，GPIB在未来的许多年仍会继续存在。但是，仪器控制工业很可能将开始进入全球范围内的混合I/O系统的领域。值此,有必要探讨的是GPIB与其他总线组合使用时仪器系统的未来发展，以及在仪器控制中软件“向上兼容”的重要性。 GPIB基础 GPIB是专为仪器控制应用而设计的。在七十年代，IEEE 488标准的诞生致使 1975年产生了GPIB在电气、机械与功能规格方面的标准；在 1987年ANSI/IEEE标准控制器与仪器通过GPIB通讯的方法，使先前的规格更加完备。GPIB是一数字的8位平行通讯界面，传输速率达8Mbyte/S。总线提供的一个控制器在20米的排线长度内最多可连结14个仪器。但使用者若使用GPIB扩增器与延长器便可以突破这两个限制，而GPIB排线与连接器是一种多方面适用并符合工业标准的产品，可在任何环境内使用。 新总线技术的优势 过去的电脑仅提供包括串口（RS-232）与并口，近年来，电脑配备均提供以方网络、 USB随用序列总线）、有时甚至提供 IEEE I394（Firewire）接口。这些新的总线具有许多吸引人的特性一易于使用（USB）、易于连结(以太网络)以及高速（IEEE1394）。 USB USB的设计主要是用来连结外围设备如键盘、扫瞄仪、与磁盘机之类的电脑。苹果电脑率先于1998年使用USB做为其唯一的串口, 在过去数年中电脑工业使用USB连结的装置数目已大大的增加。 以目前的USB1.1规格

智能仪器原理与设计------第6章 总线和通信系统
测试仪器一般需要配置除控者功能(C)外的 其它9种功能，而输 出设备类的信号源、打印
机等就不需要配置控者功能(C)、讲者功能(T)、
源挂钩功能(SH)、服务请求功能(SR)、并行点 名功能(PP)。
接口功能通过接口消息来实现，接口消息
分为单线消息和多线消息。3根挂钩线和5根接 口管理线用来传送单线接口消息，而多线消息
串行通信按照数据流的传送方式可以分为 单工、半双工和全双工，见图6-2。 (1) 单工通信：如图6-2(a)所示，在单工 通信方式中，信号只能在单一通信信道上向同 一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传 送方向。 (2) 半双工通信：如图6-2(b)所示，在半 双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须 交替进行，同一个时刻只能向一个方向传送数 据。
逻辑地 线和屏 蔽线
8
地线和屏蔽线
智能仪器原理与设计------第6章 总线和通信系统
3.三线挂钩原理
图6-3 三线挂钩时序图
智能仪器原理与设计------第6章 总线和通信系统
当控者已经将讲者和若干听者安排就绪后，通信过程如下： ①听者使NRFD为高电平(逻辑0)，表示已经准备就绪，可以接 收数据。 ②讲者检测到NRFD为高电平(逻辑0)后，将数据放到数据线 (DIO1一DIO8)上，并将DAV设置为低电平，表示数据线上的数 据有效。 ③听者检测到DAV为低电平后，首先将NRFD设置为低电平， 表示开始接收数据。 ④听者在读取数据并妥善保存好数据的过程中，一直将NDAC 维持低电平，直到数据收过程结束，才使NDAC为高电平。 ⑤讲者检测到NDAC为高电平后，得知全部听者已经可靠接收 到本次数据，便将DAV设置为高电平，表示数据线上的数据已经 完成任务，不再有效。 ⑥听者检测到DAV为高电平后，得知讲者已经收到收条，本次 收条的任务已经完成，便将NDAC设置为低电平，使收条作废， 然 后 将 NRFD 设 置 为 高 电 平 ， 准 备 接 收 下 一 字 节 的 数 据 。

智能仪器设计基础试题一、判断题（每题 2 分,共 20 分）1. 因中值滤波满足比例不变性,所以是线性(de)滤波器.（）2. 基准电压Vr (de)精度和稳定性影响零位误差、增益误差(de)校正效果.（）3. 测量获得一组离散数据建立近似校正模型,非线性校正精度与离散数据精度无关,仅与建模方法有关.（）4. RS232 通信采用(de)是TTL电平,因此它(de)传输距离比485 短.（）5. USB协议为设备定义了2种供电模式:自供电和总线供电.在自供电模式下,USB设备不需要任何外接电源设备.（）6. LCD显示器有静态驱动和叠加驱动两种驱动方式,这两种驱动方式可在使用时随时改变. （）7. 智能仪器中(de)噪声与干扰是因果关系,噪声是干扰之因,干扰是噪声之果. ( )8. 软件开发过程(de)三个典型阶段是定义、开发和测试.（）9. RAM 测试方法中,谷值检测法无法检测“ 粘连” 及“ 连桥” 故障.（）10.曲线拟合要求 y=f（ x ）(de)曲线通过所有离散点（ x i , y i ）.（）二、选择题（每题 2 分,共 20 分）1. 多通道数据采集系统(de)框图如下图所示.其中（ 1 ）~（ 4 ）各部分(de)组成为:( )A. 放大器、A/D 转换器、D/A 转换器、计算机B. 多路开关、放大器、A/D 转换器、计算机C. 多路开关、放大器、D/A 转换器、计算机D. 放大器、多路开关、A/D 转换器、D/A 转换器2. 仪器采集数据中存在随机误差和系统误差,基本数据处理顺序是:( )A. 系统误差消除→数字滤波→标度变换B. 数字滤波→系统误差消除→标度变换C. 标度变换→系统误差消除→数字滤波D. 数字滤波→标度变换→系统误差消除3. 设采集数据由信号加噪声构成,应根据( )确定滤波算法A. 噪声统计规律B. 信号特征和噪声统计规律C. 信号特征D. 只能用多种滤波算法试验,由处理效果确定.4. 采样保持器(de)作用是( )A. 提高系统(de)采样速率B. 保持系统(de)数据稳定C. 保证在A/D转换期间ADC前(de)模拟信号保持不变D. 使A/D 转换器前信号能跟上模拟信号(de)变化5. 采集数据中含有脉冲性干扰,信号为直流,则应选择( )滤波算法.A. 算数平均法B. 加权平均法C. 限幅滤波法D. 去极值平均法6. 在开发USB系统(de)时候,首要(de)任务是利用( )实现设备(de)枚举过程,提供各种设备信息.A. 中断传输B. 控制传输C. 同步传输D. 批量传输7．若非编码矩阵键盘(de)列线外接下拉电阻,该矩阵(de)扫描码应是( ).A．行线输出高电平B．列线输出高电平C．行线输出低电平D．列线输出低电平8．在智能仪智中,A/D 转换(de)抗干扰技术包括( ).A. 对差模干扰(de)抑制B. 对共模干扰(de)抑制C. 采用软件方法提高A/D抗干扰能力D. 以上三种都包括9．在进行数字电路(de)可测试性设计时,下面说法错误(de)是( ). A．设计上应避免“线或”逻辑B．所有不同相位和频率(de)时钟都应来自单一主时钟C．数字电路应设计成主要以异步逻辑电路为基础(de)电路D．电路应初始化到一明确(de)状态,以便确定测试(de)方法10．下面( )调试方式在目标机不存在(de)情况下也可以进行代码(de)调试.A．ROM 仿真器B．在线仿真器C．片上调试D．JTAG三、填空（每空2分,共20分）1．假设一 12 位(de) A/D 转换器,其满量程电压为 10V ,则它(de)分辨率是_____ .2．某仪器(de)非线性采用分段线性插值法进行校正,设段数为4,最少需要_____对（X i ,Y i ）已知实验数据.3．利用 8 片模拟多路开关 CD4051 设计 64 路(de)输入通道.已知CD4051 (de)漏电流为 20nA ,开关导通电阻300Ω ,设信号源内阻1000 Ω .则多路开关漏电流和导通电阻产生(de)误差大小为_____ .如果采用级连方式连接,则需要多路开关_____片.用级连方式连接电路产生(de)误差大小为_____ .4．某智能温度测量仪采用 8 位ADC ,测量范围为10 ～100 ℃,仪器采样数据经滤波和非线性校正后(de)数字量为0028H .A0=10 ℃,Am=100 ℃,Nm=FFH=255 ,Nx=28H=40 .则对应(de)实测温度是_____ .5. 设在某数据采集系统中,对正弦信号 U=（U msin ω t ）/2 采样.采/保(de)孔径时间 tAP=20ns , A/D 转换器(de)位数为 12 位,求采样精度达到 1LSB (de)最高信号频率是_____ .若 S/H (de)捕捉时间tAC=3 μs ,稳定时间ts=2 μs , A/D 转换时间tCONV=40 μs ,输出时间tOUT=4 μs 则通道(de)吞吐率是_____ .6．检测直流电压信号由于50Hz 工频干扰使测量数据呈现周期性波动.设采样周期Ts=1ms ,采用算数平均滤波算法,消除工频干扰.选择平均点数 _____.7．某种仪器 100 台,工作 1000h ,假设有 2 台发生故障,则这种仪器(de)千小时(de)可靠率为_____ .四、简要回答下列问题（ 25 分）1. 简述推动智能仪器发展(de)主要技术.2. 简述智能仪器设计(de)基本原则.3. 简述 USB 既插既用机制实现(de)原理.4. 可靠性是智能仪器中一个重要(de)技术指标.请写出智能仪器中常用(de)提高硬件和软件可靠性(de)方法.5. 什么是可测试性智能仪器设计中引入可测试性设计有什么优缺点五、设计题（15分）试设计一温度检测系统.要求系统能检测 8 路温度信号（假设温度传感器(de)输出信号幅度 0~25mV ）,测试(de)温度范围为0~500 ℃,温度分辨率为℃.测试(de)最终结果用 LCD 显示器或 LED 显示器显示出来.对多通道(de)测量信号要有自动巡回检测(de)功能和选择某一通道进行单一测量(de)功能.若采用自动巡回检测方式,要求每一通道每秒钟检测 100 次.仪器要具有与其它仪器或微机进行通讯(de)能力.画出仪器(de)硬件框图,并说明每部分(de)参数及其选择原则.（1）根据设计要求,放大器(de)放大倍数至少应为多少（2） A/D 转换器至少应选择多少位(de)（3） A/D 转换器(de)速率至少为多少（4）根据设计要求,如果选用 LED 显示器,至少应用几位 LED 显示（5）测试系统与外界(de)通讯如选用串行通信,你准备选择哪种总线它(de)最远传输距离是多少（6）如果系统用 89C51 单片机做控制器,用字符式 LCD 显示模块做显示器,请画出图 2 中单片机与显示模块(de)三根控制线 RS 、 R/W 和 E (de)接口电路.这三根控制信号(de)时序图如图 1 ,它们(de)功能为：RS ：寄存器选择输入线.当其为低电平时,选通指令寄存器；高电平时选通数据寄存器.R/W ：读/ 写信号输入线.低电平为写入,高电平为读出.E ：使能信号输入线.读状态下,高电平有效；写状态下,下降沿有效.图 1图 2答案：答案：一、否、是、否、否、否、否、是、否、否、否二、B 、 B 、 B 、 C 、 D 、 B 、 A 、 D 、 C、 B 三、1．2. 53. ,9,；4. 245．,；6. 207.四、1．传感器技术：信号检测是通过传感器实现(de),为适应智能仪器发展(de)需要,各种新型传感器不断涌现.A/D 等新器件(de)发展显着增强了仪器(de)功能与测量范围.DSP (de)广泛应用：由于 DSP 芯片是通过硬件来完成上述乘法和加法运算,因此,采用DSP 芯片可大大简化具有此类数字信号处理功能(de)智能仪器(de)结构并提高其相应(de)性能,极大地增强了智能仪器(de)信号处理能力.ASIC 、FPGA ／CPLD 技术在智能仪器中(de)广泛使用：使仪器(de)可靠性、成本、速度等方面有提高.LabVlEW 等图形化软件技术.网络与通信技术：智能仪器要上网,完成数据传输、远程控制与故障诊断等；构建网络化测试系统,将分散(de)各种不同测试设备挂接在网络上,通过网络实现资源、信息共享,协调工作,共同完成大型复杂系统(de)测试任务.2．从整体到局部（自顶向下）(de)设计原则：这种设计原则(de)含义是,把复杂(de)、难处理(de)问题分为若干个较简单、容易处理(de)问题,然后在一个个地加以解决.较高(de)性能价格比原则：在满足性能指标(de)前提下,应尽可能采用简单(de)方案,因为方案简单意味着元器件少,开发、调试、方便,可靠性高.组合化与开放式设计原则：开放系统是指向未来(de) VLSI 开放,在技术上兼顾今天和明天,既从当前实际可能出发,又留下容纳未来新技术机会(de)余地；向系统(de)不同配套档次开放,为发挥各方面厂商(de)积极性创造条件；向用户不断变化(de)特殊要求开放,在服务上兼顾通用(de)基本设计和用户(de)专用要求等等. .3．即插即用技术包含 2 个技术层面,既热插拔和自动识别配置.热插拔(de)关键技术在于电路接插件插、拔期间强电流(de)处理.USB 在电缆以及接插件(de)设计上充分考虑了这一点,使得这个瞬时(de)强电流被安全地吸收,从而使 USB 设备实现了热插拔.系统设备(de)自动识别是通过在 USB 主机或 Hub (de)下行端口信号线上接有下拉电阻和在设备端(de)信号线上连接上拉电阻来实现(de).既当 USB 主机或 Hub (de)下行端口处于断开状态时,信号线电平将恒为 0 .当 USB 设备连接上(de)瞬间,会造成 USB 主机或 Hub 端信号线(de)上冲,这样当 USB 主机或 Hub 检测到这个上冲过程, USB 主机可认定有一设备接入.4．提高硬件可靠性：元器件(de)选择；筛选；降额使用；可靠电路(de)设计；冗余设计；环境设计；人为因素设计；仪器可靠性实验；提高软件可靠性：认真地进行规范设计；可靠(de)程序设计方法；程序验证技术；提高软件设计人员(de)素质；消除干扰；增加试运行时间.5．可测试性（ Testability ）是指产品能够及时准确地确定其自身状态（如可工作,不可工作,性能下降等）和隔离其内部故障(de)设计特性.智能仪器设计中引入可测试性设计(de)优点1．提高故障检测(de)覆盖率；2．缩短仪器(de)测试时间；3．可以对仪器进行层次化(de)逐级测试：芯片级、板级、系统级；4．降低仪器(de)维护费用；缺点：1．额外(de)软/硬件成本；2．系统设计时间增加.五、放大器(de)增益 200 ； ADC (de)分辨率 12 位；； 4 位。

医疗仪器设备中的智能控制系统设计与优化随着科技的不断发展，智能控制系统在医疗仪器设备中的应用日益广泛。

智能控制系统可以提供更为精准、高效的控制和监测，有效提高医疗仪器设备的性能和安全性。

在本文中，将就智能控制系统的设计与优化进行探讨。

一、智能控制系统设计的基本原则1. 功能需求分析：在设计智能控制系统之前，首先需要明确设备的功能需求。

通过深入理解设备的工作原理和目标，将智能控制系统的功能应用于医疗仪器设备的各个方面，以实现更高效、便捷、稳定的控制和监测。

2. 系统架构设计：根据功能需求，设计合理的系统架构是智能控制系统设计的重要环节。

系统架构的合理性直接关系到系统的性能和效能。

在设计过程中，需要考虑系统的安全性、可扩展性、稳定性等因素。

3. 控制算法的选择：智能控制系统中的控制算法是实现高效控制的核心。

根据设备的控制需求，选择合适的控制算法，并根据实际应用场景进行优化。

常用的控制算法包括PID控制、自适应控制、模糊控制等。

4. 传感器与执行器的选择：智能控制系统的性能很大程度上依赖于传感器和执行器的准确性和可靠性。

在选择传感器和执行器时，需考虑其应用范围、精度、稳定性、成本等因素，以保证系统的可靠性和稳定性。

5. 通信与数据处理：智能控制系统通常需要与其他设备进行通信，并处理大量的数据。

因此，通信模块的选择和数据处理方法的设计非常重要。

在考虑通信模块时，需考虑通信的速度、稳定性以及数据的安全性。

6. 界面设计与人机交互：智能控制系统的界面设计直接关系到用户的使用体验和操作效率。

合理的界面设计和友好的人机交互方式可以提高医疗工作者的工作效率，降低错误操作的风险。

二、智能控制系统的优化方法1. 算法优化：优化控制算法可以提高控制系统的精确度和响应速度。

例如，针对PID控制算法，可以通过参数优化和自适应调整等方法来改善系统的性能。

2. 传感器优化：提高传感器的精度和稳定性可以提高智能控制系统的准确性。