【正文】 器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器甚至 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的 超大規(guī)模集成電路 芯片 (即 單片機(jī) )出現(xiàn)了。以 單片機(jī) 為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制 技術(shù)結(jié)合在一起，又組成了所謂的 “ 智能化測(cè)量控制系統(tǒng) ” ，也就是智能儀器 。 與傳統(tǒng) 儀器 儀表相比， 智能儀器 具有以下功能特點(diǎn)： ① 操作自動(dòng)化。 儀器 的整個(gè)測(cè)量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動(dòng)閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用 單片機(jī) 或 微控制器 來控制操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程的全部自動(dòng)化。 ② 具有自測(cè)功能，包括自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動(dòng)檢測(cè)出故障 的部位甚至故障的原因。這種自測(cè)試可以在 儀器 啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行，同時(shí)也可在儀器工作中運(yùn)行，極大地方便了儀器的維護(hù)。 ③ 具有數(shù)據(jù)處理功能，這是 智能儀器 的主要優(yōu)點(diǎn)之一。 智能儀器 由于采用了 單片機(jī) 或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測(cè)量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進(jìn)行上述測(cè)量，而且還具有對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行諸如零點(diǎn)平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計(jì)分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來，也有效地提高了 儀器 的測(cè)量精度。 ④ 具有友好的人機(jī)對(duì)話能力。 智能儀器 使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。與此同時(shí)， 智能儀器 還通過顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。 ⑤ 具有可程控操作能力 。一般 智能儀器 都配有 GPIB、 RS232C、 RS485 等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便地與 PC 機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，來完成更復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 8 智能儀器儀表的作用 微型化 微型 智能儀器 指微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)用于儀器的生產(chǎn)中，從而使儀器成為體 積小、功能齊全的智能儀器。它能夠完成信號(hào)的采集、線性化處理、 數(shù)字信號(hào)處理 ，控制信號(hào)的輸出、放大、與其他 儀器 的接口、與人的交互等功能。微型 智能儀器 隨著微電子機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價(jià)格不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。它不但具有傳統(tǒng) 儀器 的功能，而且能在自動(dòng)化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。例如，目前要同時(shí)測(cè)量一個(gè)病人的幾個(gè)不同的參量，并進(jìn)行某些參量的控制，通常病人的體內(nèi)要插進(jìn)幾個(gè)管子，這增加了病人感染的機(jī)會(huì)，微型 智能儀器 能同時(shí)測(cè)量多參數(shù)，而且體積小，可植入 人體，使得這些問題得到解決。 多功能 多功能本身就是智能儀器儀表的一個(gè)特點(diǎn)。例如，為了設(shè)計(jì)速度較快和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)， 儀器 生產(chǎn)廠家制造了具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數(shù)發(fā)生器。這種多功能的綜合型產(chǎn)品不但在性能上（如準(zhǔn)確度）比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測(cè)試功能上提供了較好的解決方案。 人工智能化 人工智能是 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，利用計(jì)算機(jī)模擬人的智能，用于機(jī)器人、醫(yī)療診斷、專家系統(tǒng)、推理證明等各方面 。 智能儀器 的進(jìn)一步發(fā)展將含有一定的人工智能，即代替人的一部分腦力勞動(dòng)，從而在視覺（圖形及色彩辨讀）、聽覺（語音識(shí)別及語言領(lǐng)悟）、思維（推理、判斷、學(xué)習(xí)與聯(lián)想）等方面具有一定的能力。這樣， 智能儀器 可無需人的干預(yù)而自主地完成檢測(cè)或控制功能。顯然，人工智能在現(xiàn)代 儀器 儀表中的應(yīng)用，使我們不僅可以解決用傳統(tǒng)方法很難解決的一類問題，而且可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的問題。 網(wǎng)絡(luò)化 融合 ISP 和 EMIT 技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 儀器 儀表系統(tǒng)的 Inter 接入。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 9 伴隨著網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)的飛速發(fā)展， Inter 技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域滲透，實(shí)現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于 Inter 的通訊能力以及對(duì)設(shè)計(jì)好的智能儀器儀表系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)、功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。 在系統(tǒng)編程技術(shù)（ InSystem Programming，簡(jiǎn)稱 ISP 技術(shù)）是對(duì)軟件進(jìn)行修改、組態(tài)或重組的一種最新技術(shù)。它是 LATTICE 半導(dǎo)體公司首先提出的一種使我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣給最終用戶以后，具有對(duì)其器件、電路板或整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時(shí)進(jìn)行組態(tài)或重組能力的最新技術(shù)。ISP 技術(shù)消除了傳統(tǒng)技術(shù)的某些限制和連接弊病，有利于在板設(shè)計(jì)、制造與編程。ISP 硬件靈活且易于軟件修改，便于設(shè)計(jì)開發(fā)。由于 ISP 器件可以像任何其他器件一樣，在印刷電路板（ PCB）上處理，因此編程 ISP 器件不需要專門編程器和較復(fù)雜的流程，只要通過 PC 機(jī)， 嵌入式系統(tǒng) 處理器甚至 INTERNET 遠(yuǎn)程網(wǎng)進(jìn)行編程。 EMIT 嵌入式微型 因特網(wǎng) 互聯(lián)技術(shù)是 emWare 公司創(chuàng)立 ETI（ eXtend the Inter）擴(kuò)展 Inter 聯(lián)盟時(shí)提出的，它是一種將 單片機(jī) 等嵌入式設(shè)備接入 Inter的技術(shù)。利用該技術(shù)，能夠?qū)?8位和 16位 單片機(jī) 系統(tǒng)接入 Inter，實(shí)現(xiàn)基于Inter 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳 /下 載數(shù)據(jù)文件等功能。 目前美國 ConnectOne 公司、 emWare 公司、 TASKING 公司和國內(nèi)的 Pamp。S 公司等均提供基于 Inter 的 Device?Networking 的軟件、固件（ Firmware）和硬件產(chǎn)品。 虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段 測(cè)量 儀器 的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用 PC 機(jī)的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采 集硬件，就可以與 PC 機(jī)組成測(cè)量 儀器 。這種基于 PC 機(jī)的測(cè)量 儀器 稱為虛擬儀器。在虛擬 儀器 中，使用同一個(gè)硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測(cè)量儀器?？梢?，軟件系統(tǒng)是虛擬 儀器 的核心，“ 軟件就是儀器 ” 。 傳統(tǒng)的 智能儀器 主要在儀器技術(shù)中用了某種計(jì)算機(jī)技術(shù) 控制工程網(wǎng) 版權(quán)所有，而虛擬 儀器 則強(qiáng)調(diào)在通用的計(jì)算機(jī)技術(shù)中吸收儀器技術(shù)。作為虛擬 儀器 核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和升級(jí)性，能為用戶帶來極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的 智能儀器 所無法比擬的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 10 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 PWM 波產(chǎn)生 簡(jiǎn)介 PWM 信號(hào)產(chǎn)生芯片采用 KA3525，它是一個(gè)典型的性能優(yōu) 良的開關(guān)電源控制芯片。其內(nèi)部包括誤差放大器、比較器、振蕩器、觸發(fā)器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié)。 KA3525 的 1 和 2 腳是內(nèi)部運(yùn)算放大器的輸入端，系統(tǒng)中單片機(jī)的D/A 轉(zhuǎn)換接口的一個(gè)引腳與 KA3525 的 2腳連接，實(shí)現(xiàn) KA3525 的數(shù)字控制與步進(jìn)調(diào)整。 11 和 14 腳輸出交替的兩路控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路與功率開關(guān)管的門極相連接。本文采用的驅(qū)動(dòng)電路如圖 6所示。當(dāng) 11 腳輸出高電平、 14 腳輸出低電平時(shí)， N P2 導(dǎo)通，耦合變壓器原邊電流流向如圖 6(a)所示。當(dāng) 14腳輸出高電平、11腳輸出低電平時(shí)， N P1 導(dǎo)通，耦合 變壓器原邊電流流向如圖 6(b)所示。圖7為驅(qū)動(dòng)電路耦合變壓器的輸出波形。 圖 1 圖 2 表 1 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 11 經(jīng)過計(jì)算 KA3525的 2腳所需要輸入的電壓并將其轉(zhuǎn)化成單片機(jī)所需要的 10位數(shù)字量，最后 SPCE061A 單片機(jī)將 10 位數(shù)字量左移 6 位寫入 P_DAC1 單元的高 10位，進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的 3525 芯片 2腳給定電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)電源的步進(jìn)調(diào)整。采樣電壓經(jīng) A./D 轉(zhuǎn)換后送 LCD 顯示，顯示精度可達(dá) 。經(jīng)多次測(cè)試，本電源輸出電壓可以 0V～ 40V 連續(xù)調(diào)整，歩進(jìn)值 ， 最大輸出電流可達(dá)I0MAX=，電壓調(diào)整率 Su=%，負(fù)載調(diào)整率 SI=%，效率η =90%，試驗(yàn)結(jié)果表明本數(shù)控電源方案切實(shí)可行。 設(shè)計(jì)要求 現(xiàn)今的可調(diào)式開關(guān)電源通常采用專用芯片，具有開發(fā)時(shí)間短、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)也具有功能受芯片限制等缺點(diǎn)。本文提出的可控式開關(guān)電源方案通過軟件控制改變數(shù)字電位器阻值來改變反激式開關(guān)電源反饋電壓從而改變輸出電壓的大小，使電源的輸出電壓范圍調(diào)整極其方便。本開關(guān)電源輸出電壓可通過按鍵、 USB總線等控制，并且輸出電壓可斷電記憶，控制方式也很容易擴(kuò)展 (如擴(kuò)展 RS 232總線控制方式等 )。輸出電壓范圍 15～ 30V，最大電流可達(dá) 5A，最小調(diào)節(jié)值 1V。 設(shè)計(jì)方案論證 一． DCDC主回路拓?fù)涞姆桨高x擇 DCDC 變換有隔離和非隔離兩種。輸入輸出隔離的方式雖然安全，但是由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會(huì)造成效率的降低，而本題沒有要求輸入輸出隔離，所以選擇非隔離方式，具體有以下幾種方案： 方案一： buck 電路形式。開關(guān)管 V1 受占空比為 D 的 PWM 波的控制，交替導(dǎo)通或截止，再經(jīng) L 和 C 濾波器在負(fù)載 R 上得到穩(wěn)定直流輸出電壓 Uo。只要電感電容選擇合理，能達(dá)到題目要求的 ，且輸出電壓 Uo 呈現(xiàn)連續(xù)平滑的特 性。（見圖 3） 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 12 方案二： boost 電路形式。并聯(lián)開關(guān)電路原理與串聯(lián)開關(guān)電路類似，但此電路為升壓型電路，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感儲(chǔ)能，截止時(shí)電感能量輸出。該電路屬于升壓型電路，達(dá)不到題目要求的 的輸出電壓。（見圖 4） ?方案三：串并聯(lián)開關(guān)電路形式。實(shí)際上此電路是在串聯(lián)開關(guān)電路后接入一個(gè)并聯(lián)開關(guān)電路（ BUCK 結(jié)合 BOOST 實(shí)現(xiàn)既可以升壓又可以降壓）。用電感的儲(chǔ)能特性來實(shí)現(xiàn)升降壓，電路控 制復(fù)雜。（見圖 5） 以上三種方案屬開關(guān)電源。采用純開關(guān)電源（ ACDC 變換器）。開關(guān)穩(wěn)壓電路控制 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 13 功率晶體管或 MOSFET 工作在開關(guān)狀態(tài)，截止時(shí)無電流，導(dǎo)通時(shí)飽和壓降很小，所以管耗也很低，大大提高了電源的效率，其效率可達(dá) 70%~95%。但其紋波電壓較高，控制電路復(fù)雜，制作難度高、周期長。 方案四：使用純線性穩(wěn)壓電源。這種電源的輸出以線性調(diào)整晶體管為基礎(chǔ)，利用晶體 管的電流放大作用增大負(fù)載電流，在電路中引入深度電壓負(fù)反饋，是輸出電壓穩(wěn)定。通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)定參數(shù)使輸出電壓可調(diào)，在次基礎(chǔ)上引入電流設(shè)定和電流反饋電路既可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流功能。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、調(diào)節(jié)方便，但調(diào)整管集電極始終消耗功率。特別是在負(fù)載電流較大且輸出電壓較低時(shí)，調(diào)整管自身的功耗很大、效率很低，既浪費(fèi)能源，又使調(diào)整管產(chǎn)生很高的溫度?？傊?，線性電源調(diào)整管工作在放大狀態(tài)，發(fā)熱量較大，效率 低（ 35%左右），需要加體積龐大的散熱片。 本題只需要降壓，考慮到效率問題，采用開關(guān) buck 穩(wěn)壓電路 ,同時(shí)為了減小紋波可引入線性穩(wěn)壓方法，即采用開關(guān)型穩(wěn)壓電路和線性穩(wěn)壓電路相結(jié)合的方法。直流 電源的前級(jí)采用降壓式開關(guān)電源（ DC— DC 變換器），提高其工作效率 ，后級(jí)采用線性穩(wěn)壓電路以減小紋波電流、提高電路的穩(wěn)定性，而且便于控制。這樣還可以減少設(shè)計(jì)制作難度。 最終確定電路： 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 14 圖 7 硬件設(shè)計(jì)電路 硬件電路由主控單片機(jī)、數(shù)控開關(guān)電路、控制電路、顯示電路組成。 其中主控單片機(jī)使用 AT89c51，轉(zhuǎn)換電路使用 ADC0809,顯示電路使用 LCD液晶屏，其中包括一些簡(jiǎn)單震蕩電路等，基本模電電路。如圖 8 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 15 圖 8 智能儀表綜合課程設(shè)計(jì) 16 主控制器選擇 由于經(jīng)常學(xué)習(xí)并解除 AT89C52 單片機(jī)，對(duì)其有一定了解。因此， 主控器選擇AT89C52 單片機(jī)。 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀 程序存儲(chǔ)器 和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng) ，片內(nèi)置通用 8 位 中央處理器 和 Flash 存儲(chǔ)單元 ， AT89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 顯示電路 圖 9 顯示電路 顯示電路基于 AMP IRE128*64 顯示器。 液晶顯示器件（ LCD）獨(dú)具的低壓、微功耗特性他在單片機(jī)系統(tǒng)中特得到了廣泛的應(yīng)用，常用的液晶顯示模塊分為數(shù)顯液晶模塊、點(diǎn)陣字符液晶模塊和點(diǎn)陣圖形液晶模塊，其中圖形液晶模塊在我國應(yīng)用較為廣泛，因?yàn)闈h字不能像西文