第6章 智能仪器可靠性与抗干扰技术

智能仪器的设计与实现技术研究在当今科技飞速发展的时代，智能仪器已经成为了各个领域不可或缺的重要工具。

从工业生产中的质量检测，到医疗领域的疾病诊断，再到科研实验中的数据采集与分析，智能仪器以其高效、精确和智能化的特点，为人们的工作和生活带来了极大的便利。

那么，智能仪器是如何设计与实现的呢？这背后涉及到一系列复杂的技术和原理。

智能仪器的设计首先要明确其应用场景和功能需求。

例如，在工业自动化领域，可能需要一款能够实时监测生产线上温度、压力、流量等参数的智能仪器，并且能够在参数异常时及时发出警报；而在医疗领域，可能需要一款便携式的智能血糖仪，能够快速、准确地测量血糖值，并将数据传输到手机 APP 上供患者和医生查看。

因此，在设计之前，必须对用户的需求进行深入的调研和分析，以确定智能仪器的性能指标、测量范围、精度要求、操作方式等。

确定了需求之后，接下来就是硬件设计。

硬件是智能仪器的物理基础，其性能直接影响着仪器的稳定性和可靠性。

传感器是智能仪器获取外界信息的“眼睛”，它负责将各种物理量（如温度、压力、光强等）转换为电信号。

例如，温度传感器可以采用热电偶、热电阻或半导体温度传感器，根据测量范围和精度要求进行选择。

信号调理电路则对传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、线性化等处理，使其能够被后续的 ADC（模数转换器）准确转换为数字信号。

微控制器（MCU）是智能仪器的“大脑”，它负责控制整个仪器的运行。

常见的微控制器有单片机、ARM 处理器等。

在选择微控制器时，需要考虑其运算速度、存储容量、接口资源等因素。

此外，还需要为智能仪器配备合适的电源电路、通信接口（如USB、蓝牙、WiFi 等）、显示模块（如液晶显示屏、LED 数码管等）以及按键等输入设备。

软件设计是智能仪器实现智能化的关键。

软件通常包括底层驱动程序、操作系统（如果需要）和应用程序。

底层驱动程序负责与硬件进行通信，实现对传感器、ADC、通信接口等的控制和数据读取。

《智能仪器设计》课程教学大纲Design of intelligent Instrument一、课程教学目标1、任务和地位：没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。

要测量就必须有正确的测量方法和先进的仪器仪表。

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都不得发生了巨大变化，形成一种完全突破传统概念的新一代测试仪器——智能仪器。

现在很多厂商、研究所以及高等院校都在研制开发各种智能化测量控制仪表，广大的仪表设计、生产和使用人员都不得迫切希望了解和掌握单片机在测量控制仪表中的应用技术。

为了跟上时代的步伐，本课程是测控专业学生必不可少的一门技术基础课。

2、知识要求：要求必须具备电路、电子仪器与测量技术、汇编原理及单片机原理的学习知识，通过本课程的学习为以后学生出去工作打下基础。

3、能力要求：系统地阐述基于单片机的智能化测量控制仪表的基本原理与设计方法，智能化测量控制仪表的人机接口、过程通道接口、串行和并行通讯接口、硬件和软件抗干扰技术、数据处理技术、仪表硬件及软件的设计方法。

通过课程设计加强学生综合知识的应用能力和设计动手能力。

二、教学内容的基本要求和学时分配2、具体要求：第一章绪论[目的要求]让学生了解智能化测量控制仪表的功能特点、智能化测量控制仪表的设计方法[教学内容]学习智能化测量控制仪表的基本与发展、智能化测量控制仪表的功能特点、智能化测量控制仪表的设计方法[重点难点]智能化测量控制仪表的功能特点[教学方法]板书，以教、学相结合来进行讲解。

[作业]课后复习思考题[课时]0.5学时第二章智能化测量控制仪表中专用微处理机[目的要求]让学生掌握MCS－51系列单片机的结构、MCS－51单片机的指令系统[教学内容]介绍了MCS－51系列单片机的特点、 MCS－51系列单片机的结构、CHMOS型单片机的节电工作方式、MCS－51单片机的指令系统[重点难点]MCS－51系列单片机的结构、CHMOS型单片机的节电工作方式、MCS －51单片机的指令系统[教学方法]板书，以教、学相结合来进行讲解。

智能仪表期末复习题精品⽂档⼀、简答题1、串模⼲扰的来源有哪些？主要有哪些硬件防⼲扰措施？主要来⾃于⾼压输电线、与信号线平⾏敷设的输电线以及⼤电流控制线所产⽣的空间电磁场。

措施：①利⽤双端不对地输⼊的运算放⼤器作为输⼊通道的前置放⼤器②⽤变压器或光电耦合器把各种模拟负载与数字信号源隔离开来③采⽤浮地输⼊双层屏蔽放⼤器来抑制共模⼲扰2、常⽤的数字滤波⽅式是什么？（1）克服⼤脉冲⼲扰的数字滤波法㈠.限幅滤波法㈡.中值滤波法（2）抑制⼩幅度⾼频噪声的平均滤波法㈠．算数平均㈡．滑动平均㈢．加权滑动平均㈣⼀阶滞后滤波法（3）复合滤波法程序判断，中位值滤波，算术平均滤波，递推平均滤波，加权递推平均滤波，⼀阶惯性滤波和复合滤波等。

3、简述智能仪器设计的基本原则？1、从整体到局部（⾃顶向下）的设计原则2、经济性要求、3、可靠性要求4、操作和维护的要求5、实时性要求4、简述有哪⼏种现场总线？基⾦会现场总线FF、FF总线不附属任何⼀个企业或国家、提供了H和H两种21物理层标准、过程现场总线Profibus、LonWorks、CAN、HART5、简述程序跑飞的原因及其处理⽅法？原因：⼲扰信号已通过某种途径作⽤到了CPU上，CPU就不能按正常状态执⾏程序，从⽽引起混乱。

统受到某种⼲扰后,程序计数器PC的值偏离了给定的唯⼀变化历程,导致程序运⾏偏离正常的运⾏路径。

处理办法：1）最简单的是使CPU复位，让程序从头开始重新运⾏。

2）采⽤指令冗余、软件陷阱以及“技术。

6、逐次⽐较式A/D，积分式A/D的原理及各⾃优缺点？逐次⽐较式：当启动信号作⽤后，时钟信号先通过逻辑控制电路是N位寄存器的最⾼位D(N-1)位1，以下各位为0，这个⼆进制代码经A/D转换器转换成电压U0，送到⽐较器与输⼊的模拟电压Ux⽐较。

若Ux.>Uo，则保留这⼀位，；若Ux积分式：先⽤积分器把输⼊模拟电压转换成中间量，再把中间量转换成数字。

优缺点：逐次⽐较式A/D转换器的转换时间与转换精度⽐较适中，转换时间⼀般在us级，转换精度⼀般在0.1%左右，适⽤于⼀般场合。

第六章: 智能仪器可靠性与抗干扰技术一、判断题：(1) 智能仪器的可用性是指仪器能按要求正常工作的概率，也就是仪器的使用效率。

[ ](2) 可靠率是指在规定条件下智能仪器完成所规定任务的成功率。

[ ](3) 智能仪器可靠的电路设计包括采用简化设计，采用标准器件，增加瞬态及过应力保护、减少电路设计中的误差和错误等内容。

[ ](4) 消除干扰是提高智能仪器软件可靠性的一种方法，有平滑滤波、脉冲宽度识别、设置软件陷阱等方法[ ](5) 智能仪器中的噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果。

[ ](6) 根据产生干扰的物理原因，干扰可以分为内部干扰和外部干扰两种类型。

[ ](7) 从干扰表现形式分类，主要有差模干扰和共模干扰两种。

[ ](8) 消除或抑制噪声源，是最积极主动的措施，它能从根本上消除或减小干扰。

[ ](9) 电磁屏蔽是用来防止低频电磁场对智能仪器的影响，采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频电磁场对金属屏蔽层的作用，在屏蔽金属内产生电涡流，由涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而达到屏蔽的目的。

[ ](10) 负载干扰主要是指负载电路在接通或断开瞬间产生的大冲击电流和高冲击电压，形成电磁辐射干扰和传导干扰，它会影响智能仪器系统的正常工作。

[ ]二、选择题：(11) 智能仪器出现故障率平均最小的时期是：____错误！未找到引用源。

A、早期故障期 B、偶然故障期错误！未找到引用源。

C、耗损故障期 D、不确定(12) 下列概念不属于智能仪器可靠性的是：___错误！未找到引用源。

A、可靠率和失效率 B、平均修复时间和可用性C、平均故障间隔时间D、智能性(13) 要提高智能仪器的可靠率，必须采取各种措施，下列给出的措施中 ____是十分重要的。

错误！未找到引用源。

A、提高和改善元器件的可靠性 B、设计合理方案错误！未找到引用源。

C、提高整机工艺 D、注意保养(14) 影响智能仪智能器硬件可靠性的因素是：____错误！未找到引用源。

智能仪器考试试题一、选择题（每题 3 分，共 30 分）1、智能仪器的核心部件是（）A 传感器B 微处理器C 显示器D 执行机构2、以下哪种通信方式常用于智能仪器的数据传输（）A 并行通信B 串行通信C 蓝牙通信D 以上都是3、智能仪器中的模拟信号转换成数字信号通常使用（）A ADC 转换器B DAC 转换器 C 计数器D 定时器4、以下哪项不是智能仪器的特点（）A 高精度B 高可靠性C 高成本D 多功能5、智能仪器的软件通常包括（）A 系统软件B 应用软件C 驱动软件D 以上都是6、在智能仪器的误差处理中，常用的方法不包括（）A 软件滤波B 硬件滤波C 校准D 忽略误差7、智能仪器的人机交互界面不包括（）A 键盘B 触摸屏C 指示灯D 电源开关8、以下哪种编程语言常用于智能仪器的软件开发（）A C 语言B Java 语言C Python 语言D 以上都是9、智能仪器的自诊断功能主要是为了检测（）A 硬件故障B 软件故障C 人为操作错误D 以上都是10、以下关于智能仪器的发展趋势，说法错误的是（）A 小型化B 单一功能化C 智能化D 网络化二、填空题（每题 3 分，共 30 分）1、智能仪器通常由_____、＿____和_____三大部分组成。

2、传感器的作用是将_____转换成_____。

3、微处理器在智能仪器中的主要作用是进行_____和_____。

4、智能仪器的显示方式有_____、＿____和_____等。

5、数据采集系统中，采样保持器的作用是_____。

6、智能仪器的抗干扰技术包括_____、＿____和_____等。

7、智能仪器的通信接口常见的有_____、＿____和_____。

8、智能仪器的软件设计原则包括_____、＿____和_____。

9、智能仪器的可靠性指标通常用_____和_____来衡量。

10、智能仪器的校准方法有_____和_____。

三、简答题（每题 10 分，共 20 分）1、简述智能仪器的工作原理。

仪器仪表的可靠性分析及抗干扰设计仪器仪表在各种工业领域中起着至关重要的作用，它们用于测量、监控和控制各种物理量，如温度、压力、流量等。

在实际应用中，仪器仪表的可靠性和抗干扰性是至关重要的。

本文将对仪器仪表的可靠性分析及抗干扰设计进行详细讨论。

一、仪器仪表的可靠性分析仪器仪表的可靠性是指在一定时间范围内，仪器仪表在规定工作条件下正确、稳定地执行指定功能的能力。

通常用以下指标来评价仪器仪表的可靠性：(1) 平均无故障时间（MTBF）：指仪器仪表在一定时间内的平均故障间隔时间。

(3) 故障率（λ）：指单位时间内仪器仪表出现故障的概率。

在进行仪器仪表的可靠性分析时，可以采用以下方法：(1) 故障模式与效应分析（FMEA）：通过识别仪器仪表的故障模式和可能的影响，评估各种故障对系统性能的影响，并确定适当的纠正措施。

(2) 可靠性增长分析（RGA）：通过分析历史故障数据，评估设备的可靠性增长趋势，预测未来的可靠性水平。

(3) 可靠性块图分析（RBD）：将仪器仪表系统分解为若干可靠性块，分析各块之间的关联性，评估整个系统的可靠性。

3. 仪器仪表可靠性改进措施(1) 优化设计：在设计阶段充分考虑可靠性因素，选择可靠性较高的元器件和材料，设计合理的散热结构和布线，以减少故障发生的可能性。

(2) 定期维护：定期进行仪器仪表的维护保养和检查，及时发现和修复潜在故障。

(3) 多重备份：对关键部件和重要参数进行多重备份，在发生故障时能够快速切换到备用部件，保证系统的正常运行。

二、仪器仪表的抗干扰设计1. 干扰源分析仪器仪表在实际应用中常受到各种外部环境和工作条件的干扰，包括电磁干扰、振动干扰、温度变化等。

需要对各种干扰源进行充分的分析和评估。

(1) 电磁干扰源：如电力系统的电磁场、电磁辐射等都会对仪器仪表的准确性和稳定性造成影响。

(2) 振动干扰源：在工业场景中，常常会受到各种机械振动的影响，对仪器仪表的稳定性产生不利影响。

智能化仪器的设计与开发研究在当今科技飞速发展的时代，智能化仪器已经成为各个领域不可或缺的重要工具。

从医疗保健到工业生产，从环境监测到科学研究，智能化仪器以其高效、精准和便捷的特点，为我们的生活和工作带来了巨大的改变。

本文将深入探讨智能化仪器的设计与开发，包括其基本原理、关键技术以及未来的发展趋势。

一、智能化仪器的基本概念智能化仪器是指将计算机技术、传感器技术、通信技术等多种先进技术融合在一起，能够自动采集、处理、分析和传输数据的仪器设备。

与传统仪器相比，智能化仪器具有更高的精度、更强的适应性和更便捷的操作方式。

它能够根据不同的测量任务自动调整测量参数，对测量数据进行实时处理和分析，并通过网络将数据传输到远程终端，实现远程监控和管理。

二、智能化仪器的设计原则1、准确性原则准确性是智能化仪器设计的首要原则。

仪器的测量结果必须准确可靠，能够满足实际应用的要求。

为了保证准确性，在设计过程中需要选择高精度的传感器、优化测量电路、采用先进的信号处理算法等。

2、可靠性原则可靠性是智能化仪器长期稳定运行的保障。

仪器应具备良好的抗干扰能力，能够在恶劣的环境条件下正常工作。

同时，仪器的硬件和软件应经过严格的测试和验证，确保其稳定性和可靠性。

3、便捷性原则便捷性是提高用户体验的关键。

智能化仪器应具有简洁直观的操作界面，方便用户进行操作和设置。

此外，仪器的维护和维修也应简单便捷，降低使用成本。

4、开放性原则开放性是指智能化仪器应具备良好的兼容性和扩展性。

能够与其他设备进行无缝连接，方便数据共享和系统集成。

同时，仪器的软件和硬件应支持升级和扩展，以满足不断变化的需求。

三、智能化仪器的关键技术1、传感器技术传感器是智能化仪器的核心部件，它负责将物理量、化学量等转换成电信号。

目前，各种新型传感器不断涌现，如微机电系统（MEMS）传感器、光纤传感器、生物传感器等，这些传感器具有体积小、精度高、响应快等优点，为智能化仪器的发展提供了有力支持。