第17-24講第四章.doc

第17講3.2.3 VXI總線(xiàn)（簡(jiǎn)介）一.發(fā)展簡(jiǎn)介：VME總線(xiàn)是Motorola公司1981年針對(duì)32位微處理器68000而開(kāi)發(fā)的微機(jī)總線(xiàn)。VXI總線(xiàn)是VEM總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)在智能儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，由HP等5個(gè)測(cè)試儀器公司于1987年聯(lián)合推薦，是當(dāng)前儀器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展的一種并行總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。其數(shù)據(jù)速率高達(dá)40Mb/s。二.構(gòu)思：其基本構(gòu)思是將每一種儀器制成一塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸的電路板（共有四種大小不同的標(biāo)準(zhǔn)尺寸），稱(chēng)之為卡式儀器，組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)功能要求選定若干卡式儀器并將其安裝在同一個(gè)機(jī)箱中，并掛接在機(jī)箱背板的高速VXI總線(xiàn)上。即可方便的構(gòu)成不同用途和規(guī)模的VXI總線(xiàn)儀器系統(tǒng)。相當(dāng)于在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)集成了整個(gè)GP-IB儀器系統(tǒng)。這些卡式儀器可以獨(dú)立工作，也可與系統(tǒng)內(nèi)的其它儀器交換數(shù)據(jù)，還可通過(guò)背板總線(xiàn)進(jìn)入遠(yuǎn)程狀態(tài)，與系統(tǒng)外的設(shè)備交換數(shù)據(jù)。三.技術(shù)特點(diǎn)概述：1.定義了四種模板尺寸。（10*16cm2、23.3*16cm2、23.3*34cm2、36.7*34cm2）2.定義了模板與底板總線(xiàn)插接的3個(gè)96針連接器標(biāo)準(zhǔn)（數(shù)量眾多、功能強(qiáng)大）。3.每個(gè)VXI總線(xiàn)儀器系統(tǒng)最多可容納256個(gè)裝置（裝置-講者、聽(tīng)者、控者），每個(gè)裝置都有唯一的地址編碼。可單槽單裝置、一槽多裝置、多槽一裝置。4.建立在IEEE-488.2基礎(chǔ)上的可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SPCI，創(chuàng)造了一個(gè)從程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令、儀器之間信息交換到系統(tǒng)操作運(yùn)行高度統(tǒng)一的軟件環(huán)境。5.當(dāng)一個(gè)機(jī)箱不能容納所有的卡式儀器時(shí)，可利用總線(xiàn)擴(kuò)展器將主機(jī)箱與擴(kuò)展機(jī)箱連接起來(lái)，以構(gòu)成完整的VXI總線(xiàn)儀器系統(tǒng)。6.可通過(guò)不同的接口與多種計(jì)算機(jī)連接，可充分利用各種通用軟件、操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言和軟件工具等。使軟件編程更簡(jiǎn)便。四.應(yīng)用特點(diǎn)及適用領(lǐng)域：1.信息吞吐量達(dá)，傳輸速率高達(dá)40Mb/s2.配置靈活，系統(tǒng)研發(fā)周期短、成本低。3.結(jié)構(gòu)緊湊、儀器體積小。4.可通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊方便的連接其他總線(xiàn)系統(tǒng)（如GP-IB、RS-232C、RS-485等）5.適用于實(shí)驗(yàn)室儀器系統(tǒng)和非大批量?jī)x器系統(tǒng)的研發(fā)。3.3 USB總線(xiàn)技術(shù)通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握USB總線(xiàn)的主要特征。一.什么是USB總線(xiàn)：USB即通用串行總線(xiàn)。它是一種電纜總線(xiàn)，是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入了網(wǎng)絡(luò)的某些技術(shù)，支持主機(jī)與各種“即插即用”外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。多個(gè)設(shè)備按協(xié)議規(guī)定分享USB帶寬，在主機(jī)和總線(xiàn)上的設(shè)備運(yùn)行中，仍允許添加或拆除外設(shè)。二.USB總線(xiàn)的主要特征：1.用戶(hù)易用性。連接頭采用單一模型，電氣特性與用戶(hù)無(wú)關(guān)，提供了動(dòng)態(tài)連接、動(dòng)態(tài)識(shí)別等特性。2.應(yīng)用的廣泛性。傳輸速率幾kb/s100Mb/s?？赏瑫r(shí)對(duì)127個(gè)總線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行操作，并在一根電纜上支持同步、異步兩種傳輸模式。3.使用的靈活性。USB總線(xiàn)允許對(duì)設(shè)備緩沖區(qū)大小進(jìn)行選擇，并通過(guò)設(shè)定緩沖區(qū)的大小和執(zhí)行時(shí)間，支持各種數(shù)據(jù)傳輸速率和不同大小的數(shù)據(jù)包。4.容錯(cuò)性強(qiáng)。USB總線(xiàn)在協(xié)議中規(guī)定了出錯(cuò)處理和差錯(cuò)校正的機(jī)制，可以對(duì)有缺陷的設(shè)備進(jìn)行認(rèn)定，對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正或報(bào)告。5.即插即用的結(jié)構(gòu)體系。USB總線(xiàn)具有簡(jiǎn)單而完善的協(xié)議，與現(xiàn)有操作系統(tǒng)相適應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生任何沖突。6.性?xún)r(jià)比較高。具有優(yōu)秀的特性和低廉的價(jià)格。三.應(yīng)用：目前，USB總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，各種PC計(jì)算機(jī)和移動(dòng)式智能設(shè)備普遍配備了USB總線(xiàn)接口，出現(xiàn)了大量的USB外設(shè)。隨著USB接口芯片的普及，在智能儀器中裝備USB總線(xiàn)接口，既可以使其方便地連入U(xiǎn)SB系統(tǒng)，提高智能儀器的數(shù)據(jù)通信能力，又可使智能儀器選用各種USB外設(shè)，增強(qiáng)儀器的功能。教材上P58P61對(duì)USB總線(xiàn)、總線(xiàn)協(xié)議、數(shù)據(jù)流、容錯(cuò)、系統(tǒng)設(shè)置等進(jìn)行了簡(jiǎn)要地介紹，有興趣的同學(xué)可閱讀或參考其他資料，教學(xué)上不做進(jìn)一步的要求。第18講第四章 智能型溫度測(cè)量?jī)x本章重點(diǎn)：.智能型溫度測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理以及儀表的基本功能； .智能型溫度測(cè)量?jī)x的電路結(jié)構(gòu)以及各主要功能部件的電路原理；.智能溫測(cè)儀的軟件結(jié)構(gòu)和各功能軟件的作用，儀表誤差處理的方法；概述：1.智能化測(cè)量?jī)x具有精度高、靈敏度高、測(cè)量速度快、測(cè)量的自動(dòng)化以及多種輸出形式等一系列優(yōu)點(diǎn)，受到科研、工業(yè)界的普遍歡迎。2.熱工測(cè)量（溫度、壓力、流量等）正越來(lái)越廣泛地采用智能化測(cè)量?jī)x；3.智能型溫度測(cè)量?jī)x一般直接配接熱電偶或熱電阻等溫度傳感器，由于溫度傳感器本身的非線(xiàn)性，故儀器內(nèi)部需增加進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)碾娐坊蜍浖?.智能壓力、流量顯示儀，一般配接變送器（傳感器和變送電路一體化的產(chǎn)品），這類(lèi)傳感器的輸出信號(hào)為010mA或420mA的直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（線(xiàn)性很好）。不需進(jìn)行非線(xiàn)性補(bǔ)償，儀表的軟、硬件組成較簡(jiǎn)單。4.1 智能型溫度測(cè)量?jī)x的原理通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生了解智能型溫度測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理及儀表的基本功能。智能溫度測(cè)量?jī)x是一種將溫度傳感器變換所得的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)單片機(jī)等智能芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算等，并以數(shù)字形式顯示測(cè)量結(jié)果或控制其它裝置的智能化儀表。4.1.1 智能型溫度測(cè)量?jī)x的基本功能1.自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)整和滿(mǎn)度校正。（減小測(cè)量誤差）2.自動(dòng)修正各類(lèi)測(cè)量誤差。（如熱電偶的冷端補(bǔ)償和非線(xiàn)性補(bǔ)償）3.數(shù)據(jù)的處理和通信。（如對(duì)測(cè)量的溫度信息進(jìn)行整理加工、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)字濾波等；實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)控制；與其他儀器或微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng)等）4.多種輸出形式（數(shù)字顯示、打印、聲光報(bào)警）。還可以多點(diǎn)巡回檢測(cè)。5.自診斷（自檢）和斷電保護(hù)。4.1.2 智能型溫度測(cè)量?jī)x的基本結(jié)構(gòu)與工作流程一.硬件結(jié)構(gòu)參照P65圖4-1對(duì)其硬件組成以及各個(gè)主要部件的功能作簡(jiǎn)要介紹。二.系統(tǒng)軟件1.監(jiān)控程序：接收和分析各種指令，管理和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)各程序的執(zhí)行。2.中斷處理程序：用于人-機(jī)聯(lián)系或產(chǎn)生中斷請(qǐng)求后及時(shí)完成實(shí)時(shí)處理任務(wù)。3.實(shí)現(xiàn)各種算法的功能模塊：實(shí)現(xiàn)儀器的數(shù)據(jù)處理和各種控制功能。三.工作流程（注意：不是程序流程圖）智能溫度測(cè)量?jī)x的工作流程如圖4-2所示。結(jié)合此圖，簡(jiǎn)要介紹智能溫度測(cè)量?jī)x的工作流程。注意：教材上P66圖4-2中的“重復(fù)上述工作”應(yīng)回到哪里去？（應(yīng)回到A/D轉(zhuǎn)換之前，輸入信號(hào)處理是連續(xù)的）注意強(qiáng)調(diào)：整機(jī)工作過(guò)程是在系統(tǒng)軟件的控制下進(jìn)行的，明確工作流程是編寫(xiě)系統(tǒng)軟件的前提！作業(yè)：P62 9、P90 1、2第19講4.2 智能型溫度測(cè)量?jī)x的電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，要求達(dá)到以下教學(xué)目的：.掌握智能型溫度測(cè)量?jī)x的電路結(jié)構(gòu)和各主要功能部件的電路原理。.掌握智能型溫度測(cè)量?jī)x各主要功能部件的電路原理。智能型溫度測(cè)量?jī)x的電路主要由主機(jī)電路、溫度檢測(cè)電路、過(guò)程輸入輸出通道、人-機(jī)接口等電路組成。4.2.1 主機(jī)電路智能溫度測(cè)量?jī)x通常以單片機(jī)為核心。國(guó)內(nèi)以MCS-51系列應(yīng)用較多。一.MCS-51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)（復(fù)習(xí)）以AT89C51為例，其片內(nèi)資源為：1.一個(gè)8位的CPU2.1個(gè)直接可以位尋址的布爾處理機(jī)3.4KB的快速閃存（ROM）、128B的RAM4.4個(gè)8位并行I/O口（可位尋址）5.兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器（可編程）6.一個(gè)全雙工異步串行口7.五個(gè)中斷源，分為兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)二.主機(jī)電路：在絕大多數(shù)情況下，上述資源足以滿(mǎn)足智能溫度測(cè)量?jī)x對(duì)主機(jī)電路的要求。（單片機(jī)盡量不要擴(kuò)展使用，首選片內(nèi)資源夠用的型號(hào)）4.2.2 溫度檢測(cè)電路溫度是一個(gè)很重要的物理量（非電量），自然界中任何物理化學(xué)過(guò)程都和溫度緊密相關(guān)，工業(yè)生產(chǎn)和科研也不例外。溫度的測(cè)量與控制直接和產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、節(jié)約能源以及安全生產(chǎn)等重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相聯(lián)系。一.溫度傳感器：常用的溫度傳感器有熱電阻、熱電偶、熱敏電阻和集成T/I（或T/U）變換器。不同的溫度傳感器工作原理與檢測(cè)電路均不同。以電阻溫度傳感器為例，電阻溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高，對(duì)非溫度量不敏感；有較大的測(cè)量范圍，靈敏度高；線(xiàn)性度好。二.測(cè)溫電路：電阻溫度傳感器具有電阻值隨溫度而變化的特點(diǎn)，這樣測(cè)溫變成了測(cè)電阻值。最基本的測(cè)量電阻電路是惠斯登電橋，其測(cè)溫電路原理圖如圖4-5所示。三.電橋電路設(shè)計(jì)：1.根據(jù)測(cè)溫范圍和測(cè)量精度的要求，選擇合適的溫度傳感器。2.確定電橋結(jié)構(gòu)、平衡方式和激勵(lì)源的選擇3.確定模擬通道電壓靈敏度、放大器的電壓放大倍數(shù)以及引線(xiàn)電阻的補(bǔ)償。第20講4.設(shè)計(jì)舉例：測(cè)溫范圍：0200；測(cè)溫距離：100m；電壓靈敏度：UO=10mV/。試設(shè)計(jì)傳感器電路并確定放大器的電壓放大倍數(shù)。.選擇鉑電阻溫度傳感器，查手冊(cè)得其溫度特性曲線(xiàn)如圖4-6所示。由圖可得：t=0時(shí)，R(t)=100；t=200時(shí)，R(t)=150；則R=(150-100)/200=0.25/.電橋結(jié)構(gòu)、平衡方式和激勵(lì)源的選擇.電橋結(jié)構(gòu)：電橋采用圖4-5所示的等臂單電橋。.平衡方式：為了避免電阻溫度傳感器的電阻變化時(shí)，對(duì)橋臂電流產(chǎn)生較大影響，選擇R110R(t)。選取R1=R2=R3=R4=2k（應(yīng)有較大功率容量）；則調(diào)整電橋平衡的可變電阻RwR(t)，選取Rw=200。在0時(shí)調(diào)整Rw，使電橋平衡(UO=0V)。.激勵(lì)源的選擇：a.一般選擇直流電壓源，以避免電橋電抗分量的影響和便于進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。b.電壓的取值較高時(shí)電壓靈敏度也高，但橋路電流大，傳感器本身發(fā)熱影響測(cè)量。選激勵(lì)電壓E=5V，則每臂電流I1為I1=(E/(R1+R2)(R3+R4)/2=(5/(2+2)(2+2)/2=(5/2)/2=1.25mA傳感器功耗為：PC=I12R(t)=0.001252*150=0.23mW（一般不要大于1mW）.確定電壓靈敏度、放大器的電壓放大倍數(shù).電橋輸出的電壓靈敏度UQO：UQO=(R*E)/(4R1)=(0.25*5)/(4*2000)0.156 mV/.放大器的電壓放大倍數(shù)Au：Au=UO/UQO=10/0.15664.1由于電橋是雙端輸出，放大電路應(yīng)使用差動(dòng)放大電路，最好使用儀用放大器。.傳感器引線(xiàn)電阻的補(bǔ)償實(shí)際測(cè)量中，由于被測(cè)溫環(huán)境遠(yuǎn)離控制室（傳感器遠(yuǎn)離電橋），這樣引線(xiàn)電阻必然影響電橋的平衡，例如，200米長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)引入4的引線(xiàn)電阻，會(huì)使測(cè)溫產(chǎn)生約5的誤差，故對(duì)引線(xiàn)電阻必須進(jìn)行補(bǔ)償。注意：這里所說(shuō)的引線(xiàn)電阻補(bǔ)償應(yīng)該是引線(xiàn)電阻變化量的補(bǔ)償（如溫度變化、導(dǎo)線(xiàn)氧化等原因造成的引線(xiàn)電阻變化）。引線(xiàn)電阻如果是恒定的，通過(guò)調(diào)節(jié)Rw就可以使電橋恢復(fù)平衡，不需補(bǔ)償。三線(xiàn)補(bǔ)償法是最常用的引線(xiàn)電阻補(bǔ)償方法。（結(jié)合圖4-8簡(jiǎn)介其補(bǔ)償原理）其本質(zhì)是將等長(zhǎng)的兩根引線(xiàn)電阻分配到電橋的相鄰兩臂上，對(duì)等臂電橋而言，其對(duì)電橋平衡的影響正好相互抵消。此外還有雙電橋電路、有源測(cè)溫電橋電路等，有興趣的可參閱有關(guān)書(shū)籍。作業(yè)：P91 9補(bǔ)4-1.某智能溫度測(cè)量?jī)x，測(cè)溫范圍-200+800；測(cè)溫距離200m；模擬通道電壓靈敏度UO=5mV/。要求傳感器中的電流小于2mA，試設(shè)計(jì)傳感器電路并確定放大器的電壓放大倍數(shù)。第21講4.2.3 過(guò)程輸入輸出通道過(guò)程輸入輸出通道是智能儀器的重要組成部分，溫度傳感器的信號(hào)由輸入通道進(jìn)入智能儀器，而控制信號(hào)則通過(guò)輸出通道傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，故測(cè)量與控制的準(zhǔn)確程度與過(guò)程通道的質(zhì)量密切相關(guān)。一.模擬量輸入通道1.組成：模擬量輸入通道一般由信號(hào)轉(zhuǎn)換、多路開(kāi)關(guān)、放大器、濾波器、采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器等組成。（適用于其他模擬量測(cè)量?jī)x器）由于溫度是個(gè)變化緩慢的物理量，其變換速度遠(yuǎn)低于A(yíng)/D轉(zhuǎn)換的速度，故采樣保持器可以省略。2.結(jié)構(gòu)：.多通道結(jié)構(gòu)：見(jiàn)圖4-9所示。速度快、硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用計(jì)算機(jī)接口多。.單通道結(jié)構(gòu)：見(jiàn)圖4-10所示。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度稍慢，用多路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)分時(shí)使用輸入通道。（對(duì)溫度測(cè)量更適用）。3.標(biāo)度變換.問(wèn)題的提出：假設(shè)某智能溫度測(cè)量?jī)x的測(cè)溫范圍是-100+1500，當(dāng)tmin=-100時(shí)，放大器輸出電壓Umin=0V，對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值為Nmin=0；當(dāng)tmax=+1500時(shí)，放大器輸出電壓Umax=1.6V，對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值為Nmax=16000。該如何處理A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，使儀器顯示正確的溫度值？.什么是標(biāo)度變換：把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成有量綱的被測(cè)量值的過(guò)程稱(chēng)為標(biāo)度變換。.標(biāo)度變換的方法：.模擬量轉(zhuǎn)換：在傳感器電路或放大電路中采取措施，使當(dāng)tmin=-100時(shí)，放大器輸出電壓Umin=-0.1V，對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值為Nmin=-1000；當(dāng)tmax=+1500時(shí)，放大器輸出電壓Umax=1.5V，對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值為Nmax=15000。則A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以直接送顯示器，僅需要將小數(shù)點(diǎn)前移一位即可。此方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，缺點(diǎn)是使儀器的通用性大受限制。如當(dāng)更換傳感器或改變測(cè)量范圍，均需要改變模擬電路的結(jié)構(gòu)或參數(shù)。.數(shù)字量轉(zhuǎn)換：由軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)（應(yīng)用更廣泛）。變換公式為t=1N+0上式中，t為測(cè)量溫度值；1為比例系數(shù)；0為取決于零位值得常數(shù)。由于當(dāng)tmin=-100時(shí)，Nmin=0；代入上式得：0=-100由于當(dāng)tmax=+1500時(shí)，Nmax=16000；代入上式得：1=(tmax-0)/Nmax=0.1由此得到具體的變換公式為：t=0.1N-100（）由單片機(jī)通過(guò)一定的軟件算法進(jìn)行標(biāo)度變換，可以節(jié)省硬件電路的成本，提高儀器的通用性，當(dāng)更換傳感器或改變測(cè)量范圍時(shí)，僅需改變公式中的系數(shù)即可。4.放大電路的設(shè)計(jì).應(yīng)選擇漂移小、噪聲低的IC運(yùn)放構(gòu)成放大電路。.電路結(jié)構(gòu)形式取決于與傳感器電路的配合。（如熱電阻單電橋測(cè)溫電路，應(yīng)選擇差放，集成T/I（或T/U）變換器應(yīng)選擇同相或反相放大電路等）.要在模擬電路部分實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換、非線(xiàn)性校正的，需特殊設(shè)計(jì)，難度較大。5.A/D轉(zhuǎn)換器的選擇：.轉(zhuǎn)換精度與速度應(yīng)高于測(cè)溫精度與速度的要求。.應(yīng)便于與微機(jī)接口.常用集成轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：.逐次逼近型：速度快、精度高、抗干擾能力差、價(jià)格高。.雙積分型：速度慢、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)廉。二.模擬量輸出通道模擬量輸出通道一般由D/A轉(zhuǎn)換器、多路模擬開(kāi)關(guān)和保持器等組成。1.多通道：電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-12所示。復(fù)雜。需大量接口，速度快，輸出穩(wěn)定。2.單通道：電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-13所示。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需多路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換輪流刷新保持器，且每個(gè)通道要有足夠的接通時(shí)間，以保證有穩(wěn)定的輸出。速度慢。注意：模擬量輸出通道并不是所有智能溫度測(cè)量?jī)x必需的組成部分第22講4.2.4 人-機(jī)接口部件作用：接受人對(duì)儀器的各種命令和數(shù)據(jù)，向人們給出運(yùn)算和處理的結(jié)果。組成：一般由鍵盤(pán)接口、顯示器借口和打印機(jī)接口等組成一.鍵盤(pán)接口：鍵盤(pán)接口通常包括硬件（鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)及其與主機(jī)的連接方式）和軟件（對(duì)按鍵的識(shí)別與分析-鍵盤(pán)管理程序）兩部分。1.鍵盤(pán)管理程序的任務(wù).識(shí)鍵：判斷是否有鍵按下（有-譯碼；無(wú)-等待或轉(zhuǎn)去做其他工作）。.譯鍵：識(shí)別哪一個(gè)鍵被按下（并求出該鍵的鍵值）。.鍵值分析：根據(jù)鍵值，找出對(duì)應(yīng)處理程序的入口并運(yùn)行之。2.硬件.按鍵開(kāi)關(guān)：常用的有機(jī)械觸點(diǎn)式、導(dǎo)電橡膠式和柔性按鍵等三種。.原理上分為編碼式和非編碼式兩種。.編碼式：由鍵盤(pán)和鍵盤(pán)編碼器（識(shí)鍵、譯鍵）組成（硬件復(fù)雜、軟件簡(jiǎn)單）。.非編碼式：由軟件識(shí)別（硬件簡(jiǎn)單、成本低、軟件復(fù)雜，智能儀器中最常用）.連接方式分為獨(dú)立式和矩陣式.獨(dú)立式：一鍵一線(xiàn)一口，見(jiàn)識(shí)別易，占用口線(xiàn)多，適用于8鍵以下（圖4-14）。.矩陣式：占用口線(xiàn)少，鍵越多優(yōu)勢(shì)越明顯。適用于8鍵以上。3.消除鍵抖動(dòng).硬件實(shí)現(xiàn)：每鍵增加一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（適合按鍵較少的場(chǎng)合）。.軟件實(shí)現(xiàn)：軟件延時(shí)（約10mS)后再確認(rèn)。二.顯示器接口（數(shù)碼顯示器）由于點(diǎn)陣顯示器顯示器件多、成本高、譯碼和驅(qū)動(dòng)復(fù)雜（顯示數(shù)碼無(wú)優(yōu)勢(shì)），智能儀器主要顯示測(cè)量結(jié)果-數(shù)碼，故基本都采用7段數(shù)碼顯示器。1.液晶顯示器（LCD）：電致變色器件。耗電微、交直流均可驅(qū)動(dòng)（常用低頻正負(fù)對(duì)稱(chēng)方波驅(qū)動(dòng)，此時(shí)對(duì)比度、功耗均較優(yōu)，驅(qū)動(dòng)電路稍復(fù)雜）、體薄物輕、機(jī)械強(qiáng)度較差，適合便攜式儀器使用（有興趣的同學(xué)請(qǐng)參閱參考書(shū)1）。2.發(fā)光二極管（LED）:電發(fā)光器件，耗電小、壽命長(zhǎng)、成本低、工作溫度范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度高、亮度適中、工作電壓低（便于和數(shù)字電路連接）。智能儀器中廣泛采用。LED在數(shù)字電路、單片機(jī)等課程均講過(guò)，在此簡(jiǎn)單總結(jié)、復(fù)習(xí)如下。.LED數(shù)碼管有共陽(yáng)極和共陰極兩種結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4-16所示（圖中不應(yīng)有電阻）。選用時(shí)主要考慮驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)特性（輸出高/低電平時(shí)的電流負(fù)載能力）。.LED是恒壓元件，正向?qū)妷杭s為UD=1.22.4V，工作電流約為ID=510mA，應(yīng)調(diào)整限流電阻R，使ID正常。R=(VCC-UD-UMDL)/ID3.LED與單片機(jī)的接口.軟件譯碼與硬件譯碼（兩者應(yīng)用都很普遍）.硬件譯碼：電路稍復(fù)雜，軟件簡(jiǎn)單。常用譯碼驅(qū)動(dòng)芯片有74LS47、CD4511、MC14513等（BCD碼7段碼）。.軟件譯碼：電路簡(jiǎn)單、軟件稍復(fù)雜。.靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示.靜態(tài)顯示：亮度好、軟件簡(jiǎn)單、占用CPU時(shí)間很少；占用口線(xiàn)多、硬件成本高，適合數(shù)碼管位數(shù)較少的場(chǎng)合。.動(dòng)態(tài)顯示：占用口線(xiàn)少、硬件簡(jiǎn)單、成本低；占用CPU時(shí)間很長(zhǎng)、軟件較復(fù)雜，注意：欲獲得與靜態(tài)顯示同樣的亮度，驅(qū)動(dòng)電流需增大n倍（n為L(zhǎng)ED位數(shù)），故不適用于顯示位數(shù)過(guò)多的場(chǎng)合（如8位以上）.“動(dòng)靜結(jié)合”：MC14499是串行輸入BCD碼7段碼譯碼驅(qū)動(dòng)芯片，可自控動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)4位LED，兼?zhèn)淞遂o態(tài)顯示亮度好、軟件簡(jiǎn)單、占用CPU時(shí)間很少的優(yōu)點(diǎn)和占用口線(xiàn)少、硬件簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。很實(shí)用（參閱參考書(shū)1、2）。.組合方案：.軟件譯碼動(dòng)態(tài)顯示：硬件最簡(jiǎn)、軟件最繁，占用口線(xiàn)較少，占CPU時(shí)間最長(zhǎng)；.硬件譯碼動(dòng)態(tài)顯示：硬件較簡(jiǎn)、軟件較繁，占用口線(xiàn)最少，占用CPU時(shí)間長(zhǎng)；.軟件譯碼靜態(tài)顯示：占用口線(xiàn)最多，占用CPU時(shí)間很短：.硬件譯碼靜態(tài)顯示：占用口線(xiàn)較多，占用CPU時(shí)間最短。方案選擇主要考慮：a.占用CPU時(shí)間的長(zhǎng)短；b.占用口線(xiàn)的多少；c硬件成本；d.軟件編程的方便程度，平衡上述4者的關(guān)系，找出最適合本儀器的方案。三.打印機(jī)接口：（單片機(jī)課程已經(jīng)詳細(xì)介紹過(guò)，不再重復(fù)講解）4.2.5 智能儀器的硬件抗干擾電路（并入7.3.2講授）作業(yè)：P90 3、4、5、7補(bǔ)4-2.設(shè)計(jì)某智能儀器的4位LED數(shù)碼顯示電路時(shí)，要求盡量少占用CPU的時(shí)間、不考慮占用口線(xiàn)的數(shù)量，應(yīng)采用哪種譯碼、驅(qū)動(dòng)顯示方案？若同時(shí)要求占用口線(xiàn)數(shù)量最少，可以選擇哪種譯碼、驅(qū)動(dòng)顯示方案？第23講4.3 軟件結(jié)構(gòu)和程序框圖通過(guò)本節(jié)的學(xué)習(xí)，要求達(dá)到以下教學(xué)目的：.掌握智能型溫度測(cè)量?jī)x的軟件結(jié)構(gòu)和各功能軟件的作用；.初步掌握智能儀器誤差處理的方法。硬件電路確定后，智能儀器的主要功能依賴(lài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而且軟件還可以實(shí)現(xiàn)某些硬件功能。智能型溫度測(cè)量?jī)x的軟件通常由監(jiān)控程序、中斷服務(wù)程序和測(cè)量控制算法程序等組成。4.3.1 監(jiān)控程序的結(jié)構(gòu)一.監(jiān)控程序的功能1.進(jìn)行鍵盤(pán)和顯示管理；2.接收中斷請(qǐng)求信號(hào)，區(qū)分優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)中斷嵌套并轉(zhuǎn)入實(shí)施測(cè)量或控制子程序；3.對(duì)硬件定時(shí)器處理和軟件定時(shí)器管理；4.實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的自診斷和掉電保護(hù)；5.完成初始化，手動(dòng)/自動(dòng)控制的選擇等二.監(jiān)控程序的組成：監(jiān)控程序的組成取決于儀器的硬件結(jié)構(gòu)和功能要求。其基本組成如圖4-21所示。監(jiān)控程序?qū)⒏鱾€(gè)組成模塊連接成一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的各種管理功能，協(xié)調(diào)軟、硬件工作，使儀器投入正常運(yùn)行。三.監(jiān)控主程序的流程監(jiān)控主程序的流程如圖4-22所示。圖中有錯(cuò)誤，自診斷后應(yīng)進(jìn)行“儀器的初始化”，“顯示”后直接返回“例行服務(wù)”，不應(yīng)有“等待中斷”。強(qiáng)調(diào)：所有測(cè)、控、顯示等都在除自檢和初始化以外的無(wú)限循環(huán)圈中。監(jiān)控程序流程是“有始無(wú)終”。四.初始化管理1.可編程器件的初始化：如MCS-51中的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口、中斷系統(tǒng)、I/O口等。通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器寫(xiě)入所需的控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.堆棧的初始化：堆棧是一段地址連續(xù)的RAM單元，供實(shí)時(shí)中斷處理時(shí)暫存數(shù)據(jù)或狀態(tài)。通過(guò)對(duì)棧指針SP寫(xiě)操作實(shí)現(xiàn)。MCS-51單片機(jī)復(fù)位時(shí)(SP)=07H，第一個(gè)進(jìn)棧數(shù)據(jù)將存入08H，而01FH為4組R0R7，20H2FH是位尋址區(qū)，故堆棧的初始化是將SP指向30H或以上的地址。3.參數(shù)初始化：由智能儀器特性確定的整定參數(shù)。如標(biāo)度變換公式中的系數(shù)、測(cè)量控制算法決定的采樣初值、偏差初值以及過(guò)程輸出通道輸出數(shù)據(jù)的初始化等。將上述可調(diào)整的初始化參數(shù)集中在一個(gè)模塊中，既獨(dú)立又便于集中管理。五.鍵盤(pán)管理無(wú)論哪種鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，在獲得按鍵編碼后，都要轉(zhuǎn)入相應(yīng)按鍵服務(wù)程序的入口，完成相應(yīng)的功能操作。1.一鍵一義：一個(gè)按鍵代表一個(gè)確定的命令或數(shù)字。處理較簡(jiǎn)單，鍵盤(pán)管理程序只需根據(jù)按鍵的編碼直接分支到處理模塊的入口即可。非編碼式鍵盤(pán)管理程序流程圖如圖4-23所示。結(jié)合此圖做簡(jiǎn)介。注意在實(shí)際智能儀器中，“無(wú)鍵按下”或“完成鍵操作”后，可能要進(jìn)行其他操作，如測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、顯示等，之后才返回到“掃描鍵盤(pán)”。2.一鍵多義：一個(gè)按鍵有多種功能，既作數(shù)字鍵，又作命令鍵。在獲得按鍵編碼后，他的轉(zhuǎn)移表不是唯一的，而是多張轉(zhuǎn)移表，軟件較復(fù)雜。不再介紹。六.顯示管理1.7段數(shù)碼顯示管理：無(wú)論是靜態(tài)顯示還是動(dòng)態(tài)掃描顯示，都應(yīng)在RAM中開(kāi)辟一個(gè)地址連續(xù)顯示緩沖區(qū)，作為顯示管理模塊與其他功能模塊的數(shù)據(jù)接口。測(cè)量運(yùn)算模塊將需要顯示的測(cè)量結(jié)果存入顯示緩沖區(qū)，顯示管理模塊從顯示緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，譯碼后送顯示器。.靜態(tài)顯示：顯示管理模塊程序很簡(jiǎn)單，從顯示緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，譯碼后送顯示器。只要顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容沒(méi)有更新，則不需要再次調(diào)用顯示管理模塊。.動(dòng)態(tài)掃描顯示：由于CUP要不停的掃描顯示器，無(wú)論顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容是否更新，都要不停的調(diào)用顯示管理模塊，將顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)譯碼后送顯示器。2.指示燈顯示管理：指示燈顯示管理可用與他有關(guān)的功能模塊直接管理，也可在顯示緩沖區(qū)中開(kāi)辟指示燈狀態(tài)映像區(qū)，由顯示管理模塊統(tǒng)一管理。鍵盤(pán)與顯示管理程序的流程圖，請(qǐng)參閱單片機(jī)教材的相關(guān)內(nèi)容。第24講4.3.2 中斷管理程序的結(jié)構(gòu)一.中斷管理：中斷功能使儀表具有處理各種可能事件的功能，提高了儀表的實(shí)時(shí)處理能力。不同的微處理器其中斷處理方法也不同，中斷管理軟件自然也不同。1.MCS-51的中斷系統(tǒng)：（以AT89C51為例）.5個(gè)中斷源。分別是：2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷；2個(gè)外部中斷；1個(gè)串行口中斷。.兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)：由軟件通過(guò)對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)寄存器寫(xiě)入控制字來(lái)設(shè)定。.1個(gè)中斷允許寄存器。由軟件通過(guò)對(duì)中斷允許寄存器寫(xiě)入控制字來(lái)設(shè)定。中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)定、開(kāi)中斷等操作，可以在系統(tǒng)初始化程序的最后進(jìn)行。.中斷的相應(yīng)過(guò)程：?jiǎn)纹瑱C(jī)在接到中斷請(qǐng)求時(shí)，由硬件自動(dòng)完成以下工作：.識(shí)別中斷源，檢查是否有同級(jí)或更高級(jí)的中斷服務(wù)程序正在運(yùn)行，有放棄；無(wú)響應(yīng)，進(jìn)入步；.置中斷標(biāo)志將PC壓棧將中斷向量裝入PC運(yùn)行中斷服務(wù)程序；.執(zhí)行到中斷返回指令時(shí)，將PC出棧清中斷標(biāo)志，從斷點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行。2. MCS-51的中斷服務(wù)程序流程：保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)(ACC、PSW等進(jìn)棧、R0R7換組等)中斷服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)（ACC、PSW等出棧）注意：如果是串行口中斷，中斷服務(wù)程序流程：保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)(ACC、PSW等進(jìn)棧、R0R7換組等)TI=1還是RI=1發(fā)送（或接收）中斷服務(wù)清除TI（或RI）恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)（ACC、PSW等出棧）二.定時(shí)管理：智能儀器中廣泛采用軟、硬件相結(jié)合的定時(shí)器?？梢詮浹a(bǔ)硬件定時(shí)器難以實(shí)現(xiàn)多種時(shí)間間隔定時(shí)以及軟件定時(shí)精度低、實(shí)時(shí)性差的不足。1.實(shí)現(xiàn)方法：.由單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，時(shí)間一到即產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。例如由T0工作于方式2