1、會計學1智能測試系統設計一智能測試系統設計一 前言： 測試方法的變化：從單一參數的測試發展為多參數的綜合測試；從接觸式測試到非接觸式測試；從近距離測試到遠距離測試等；從需要人工參與過渡到自動完成測試任務。 通常把由計算機參與、能自動進行測試、數據處理、自動顯示測試結果的系統稱為智能測試系統。在這種系統中，整個測試工作是在預先編制好的測試程序統一控制下自動完成的。 智能測試系統有三種基本組成形式：小型測試系統常以單片機系統為主機；中、大型測試系統以PC機或工控機為主機；而復雜的測試系統多以單片機為數據處理核心，以PC機或工控機為主機組成多機系統或網絡系統。 智能測試系統設計內容主要包括硬件電路設

2、計、接口選型設計和軟件設計。第1頁/共49頁4.1 被測信號種類第2頁/共49頁4.2 智能測試系統的基本結構及功能4.2.1 系統硬件組成 智能測試系統的典型結構如圖4-2所示(1) 微機子系統 微機子系統是整個系統的核心，對整個系統起監督、管理、控制作用。 例如進行復雜的信號處取、控制決策、產生特殊的測試信號、控制整個測試過程等。此外利用微機強大的信息處理能力和高速運算能力，實現命令識別、邏輯判斷、非線性誤差修正、系統動態特性的自校正、系統自學習、自適應、自診斷、自組織等功能。(2) 數據采集子系統及接口 和傳感器、測試元件、變送器聯接，實現參數采集、選路控制、零點校正、量程自動切換等功能

3、。第3頁/共49頁第4頁/共49頁(3) 基本I/O子系統及接口 實現人機交互接口(HMI)功能，完成人機交互作用。 用于輸入或修改系統參數、改變系統工作狀態、輸出測試結果、動態顯示測控過程、實現以多種形式輸出、顯示、記錄、報警等功能。(4) 通信子系統及接口 用于實現本系統與其他儀器儀表、系統的通信與互聯功能。 (5)控制子系統及接口 系統實現對被控對象、被測試組件、測試信號發生器、甚至于系統本身和測試操作過程的自動控制。按口的作用是完成它所聯接的設備之間的信號轉換交換、信號傳輸、信號拾取等功能。 第5頁/共49頁4.2.2 系統軟件組成u設計過程：軟件結構設計、軟件編制、軟件調試等u設計方

4、法：模塊化和結構化程序設計；面向過程和面向對象程序設計u軟件組成：監控程序、中斷服務程序、測試算法、通信與控制程序等第6頁/共49頁(1) 初始化模塊 軟件初始化包括中斷安排、堆棧初始化、狀態變量初始化、各軟件標志初始化、系統時鐘初始化、各變量存儲單元初始化、系統參數初始化等。(2) 數據采集模塊 完成對數據采集電路的控制、測試數據的讀取、存儲等。(3) 測試算法模塊 非線性校正、標度變換、量程自動轉換、軟件抗干擾等。(4) 人-機接口 測試結果顯示方法：模擬顯示、數字顯示、混合顯示等； 控制輸入方式：鍵盤輸入、鼠標操作、按鍵操作、數據手套輸入等。(5) 通信與控制 實現與上位機或其他儀器儀表

5、、系統的互聯與通信控制。軟件模塊設計與系統采用的通信總線標準、通信協議、通信接口電路等因素有關。第7頁/共49頁(6) 時鐘管理 定時功能主要有：數據采樣周期定時；控制周期定時；參數顯示周期定時；故障監視電路的定時信號等。 定時實現方法有硬件、軟件和軟硬件結合等方法。(7) 故障自診斷與處理 是提高系統可靠性和可維護性的重要手段。 主要內容包括：開機自檢、周期性自診斷、鍵控自診斷等。(8) 中斷管理(9) 監控程序 主要作用是及時響應來自系統或外部的各種服務請求，有效管理系統軟硬件資源。 監控程序是系統軟件的核心，它調用各種功能模塊，形成一有機整體，實現對測試系統的全面管理。 第8頁/共49頁

6、4.3 智能測試系統的設計原則4.3.1 組建測試系統的基本原則 組建測試系統的基本原則：使測試系統的基本參數、靜態性能及動態性能均達到預先規定的要求。其中預估是非常重要的工作。 預估工作就是根據對測量系統規定的參數指標要求，選擇和確定系統的各個環節（傳感器、調理電路、數據采集系統）。 正確的預估表現在：根據預估確定的環節組成測試系統后，經過標定實驗進行性能評定能達到規定的要求，同時測試系統的總成本最低。 預估過程是一個反復設定、權衡調整的過程，屬于誤差分配問題。第9頁/共49頁4.3.2 組建測試系統的基本方法 圖中，S1代表傳感器；S2代表放大器；S3代表數據采集系統（A/D環節）；H1(

7、j)和H2(j)分別代表相應環節的頻率特性。 1. 基本參數的預估 2動態性能的預估 3靜態性能的預估第10頁/共49頁1. 基本參數的預估 主要項目：分辨力和量程 系統總的靈敏度為： 其中，S1為傳感器靈敏度；S2為放大器的放大倍數；S3為A/D轉換的分度值。 預估過程：通常按系統的精度與量程以及工作環境等要求，先確定傳感器類型及其靈敏度值S1，然后再根據系統要求的分辨率（由量程及精度指標得到）確定A/D轉換器的分辨率；最后，根據A/D轉換器的量程與傳感器的輸出范圍確定放大器的增益。 預估原則：一般要求A/D轉換器的分辨率應稍高于系統要求的分辨率。若系統要求的A/D分辨率很高（14位以上），

8、可考慮采用可編程增益放大器進行自動量程切換以達到所需分辨率。 3212121SSSuyuuxuxyS第11頁/共49頁4.4 單片機自動測試系統u特點: 作為小型測試系統，以單片機作為系統主機的自動測試系統，結構簡單、價格低、測量參數少、功能相對簡單。u定義: 對模擬信號和數字信號進行分時的數字化測量，從而獲得大量數據，用單片機對這些采集數據進行處理的系統稱為單片機自動測試系統。u設計內容: 包括硬件電路設計和軟件設計兩方面4.4.1 數據采集系統的結構u多通道數據采集系統結構：多通道共享采樣器和AD轉換器、多通道共享AD轉換器、多通道A/D轉換電路和差動數據采集系統四種。最常用的形式是多通道

9、共享采樣器與AD轉換器結構。第12頁/共49頁u多路直流信號和時域信號數據采集系統（圖4-5） 為避免小信號通過模擬開關造成較大的附加誤差，在傳感器輸出小信號時，每個通道應在多路開關前設置放大器；在多路開關后設置一個可編程放大器，利用單片機編程控制放大器的增益，以滿足各通道信號的不同增益要求。u頻率信號和開關量采集系統（圖4-6）： 只要將頻率量和開關量調節到能滿足單片機輸入要求的TTL電平即可。 第13頁/共49頁第14頁/共49頁1. 多路開關u作用：輪流切換各被測回路A/D轉換電路間通路，以達到分時的目的。u模擬開關的理想情況：開關接通時導通電阻等于零，無附加殘余電動勢，能不失真地傳輸模

10、擬信號；開關斷開時電阻無窮大，無泄露電流。但由于多通道間相互影響，實際上并不能達到理想情況。u選擇和設計模擬多路開關時應考慮的問題（1）通道數目一般為四路、八路或十六路。通道數目增加，開關的寄生電容及泄露電流的影響也增大，降低了傳輸精度和切換速度。對于輸入通道多的情況，可用多個多路開關并聯。（2）開關接通電阻要盡量小，關斷電阻盡量大。（3）開關切換時間要盡量短。（4）開關的極間電容和寄生電容要小。（5）采集信號的輸入方式考慮：有些采集信號的信號源本身具有較大的共模電壓，要考慮對共模信號的抑制和使用差分輸入方式。第15頁/共49頁u常用的多路開關 四選一、雙四選一、八選一、雙八選一、十六選一5種

11、類型 八選一多路開關：4051（5G4051、CD4051、CC4051、AD7501） 雙四選一：CD4052、AD7502 十六選一：CD4067、AD7506 特點：采用標準雙列直插式結構；控制信號直接與TTL電平兼容；轉換速度快，導通和關閉時間小于1us，導通電阻一般小于100歐，斷開電阻很高。AD7501的內部結構及引腳（圖4-7c） 8路輸入，1路選擇輸出。 選址信號：A0、A1、A2；芯片的允許輸入端：EN；芯片電源正、負端及公共地端：VDD、VSS、GND；8路模擬量輸入：S1S8；模擬量輸出：OUT第16頁/共49頁第17頁/共49頁第18頁/共49頁第19頁/共49頁AD7

12、502的內部結構及引腳（圖4-8c）雙路輸入，雙路輸出，是一種雙四通道的模擬開關。第20頁/共49頁2.采樣/保持電路u定義：采樣/保持電路是根據狀態控制指令截取輸入模擬電壓瞬時值（采樣過程），并把這一瞬時值保留一段時間（保持時間）的功能單元。u作用：A/D轉換需要時間，在轉換期間，信號要保持不變才能保證一定的轉換精度。為保證轉換精度，必須在A/D轉換之前加采樣保持電路，使得在AD轉換期間輸入的模擬信號保持不變。u結構組成：采樣保持電路（圖4-）由輸入輸出緩沖放大器、模擬開關及控制電路、保持電容（用戶外接）組成。u工作原理：采樣保持電路有兩種工作狀態：一是采樣狀態（電容充電），控制信號由低變高

13、，控制開關合上，電路處于采樣狀態，輸出隨輸入而變化；二是保持狀態，控制信號由高到低開關打開，輸出保持充電時的最終電壓值。采樣保持示意如圖4-10所示。 第21頁/共49頁第22頁/共49頁u采樣保持電路的主要參數孔徑時間：采樣保持電路接到保持命令后開關S由導通變成斷開所需的時間。 采樣時間（捕捉時間）：采樣保持電路接到采樣命令到采樣保持器輸出達到當前輸入信號值(規定的采樣精度)所需的時間。 保持電壓下降速率：由于電容漏電，導致保持電壓下降。饋送、瞬變效應u常用的采樣保持器件：LF398（圖4-11）、AD582等。uLF398內部結構及引腳（圖4-11）電源端（1、4）：可在正負5 18V之間

14、選擇兩個控制端（7、8）：采樣保持的控制指令，7接地時，8接控制信號（大于1.4V），處于采樣狀態；8接地時，處于保持狀態。模擬輸入、輸出（3、5） 第23頁/共49頁第24頁/共49頁3.放大器u放大器的作用：傳感器的輸出信號電平低、內阻高，且常伴隨著較高的共模電壓，因此傳感器的輸出信號需要經過高輸入阻抗(遠大于信號源內阻)、抗共模電壓干擾能力強的放大器的放大才能送到A/D轉換器。u常用的放大器：測量放大器又稱儀器放大器)與可編程增益放大器。(1)測量放大器u集成測量放大器AD627：是美國模擬器件（AD）公司生產的測量放大器，具有體積小、功耗低、精度高、可單電源或雙電源供電的特點。u引腳定

15、義及使用（圖4-12）引腳：電源端、信號輸入、輸出端、反饋端、增益調整端。放大增益由引腳1、8間阻抗Rg決定： )/200(5gRKG第25頁/共49頁第26頁/共49頁(2) 可編程增益放大器u可編程增益的要求 一方面同一被測量所處的環境和時間不同，變化范圍可能不同；另一方面被測量不同、變化范圍也可能不同。因此測試系統中，要求能自動改變放大器的增益，從而使信號經過放大后、具有合適的動態范圍。可編程增益放大器能實現這個功能。uAD526 內部結構圖（圖413） 增益可調的原理：運算放大器的反饋電阻的比例調節由程序控制的多路開關實現。增益設定控制邏輯輸入端為A0、A1、A2。 第27頁/共49頁

16、第28頁/共49頁4. A/D轉換器u常用的A/D轉換器：8位ADC0801、ADC0809和12位的AD574A等。uA/D轉換器與單片機接口設計目的：將兩部分信息可靠、簡潔地聯系起來。u數據線連接u啟動A/D轉換u判斷A/D轉換結束第29頁/共49頁u判斷A/D轉換結束 A/D轉換結束后，發出A/D轉換結束狀態信號，通知單片機可以讀取A/D轉換結果。單片機在判斷A/D轉換是否結束時，有3種方式。(1) 中斷方式：將A/D轉換器的轉換結束信號接至單片機的中斷信號輸入端，一旦轉換結束，單片機響應中斷后，執行中斷服務程序，讀取A/D轉換結果。該方法判斷效率高，實時性好，且不影響單片機的其他工作。

17、(2) 程序查詢方式：計算機執行查詢程序，監視并響應A/D轉換器的狀態。該方式判斷方法簡單、直觀，且可靠性好，但實時性差。(3) 軟件延時方式：計算機程序按照略大于A/D轉換時間的原則進行延時后，直接讀取A/D轉換結果。該方式不需連接轉換結束信號線，硬件電路相對簡單，但轉換效率低，實時性差。 第30頁/共49頁5. 驅動電路 設計接口電路時，必須考慮接口的驅動能力。u接口負載的影響 負載過大會使系統工作不正常；負載過多，會增大驅動電路的等效電容，產生信號延遲和失真。u驅動電路的分類（按信號傳輸距離）： 板內（近距離）驅動，主要考慮器件的輸入負載大小；長線驅動，不僅要考慮負載能力，還要考慮信號反

18、射、抗干擾能力等。第31頁/共49頁6. 單片機的選擇原則u常見產品 Intel公司的MCS-51系列8位單片機、MCS96系列16位單片機；Motorola公司的MC68系列單片機；Zilog公司的Z8系列單片機等u帶A/D轉換器的單片機：如PHLIPS公司的83C552，有一8路輸入的10位ADC，可用于多路模擬量測量。u低功耗設計選擇：Microchip公司的MAX16Cxx系列單片機，是低功耗、低成本便攜式職能儀器較為適意的微控制器。u大數據量處理選擇：Intel公司的80196系列單片機，以及專用的DSP芯片等。第32頁/共49頁u總結 單片機的應用開發是一個實踐性、經驗性很強的工作

19、。新的單片機不斷推廣應用，選用單片機的空間也越來越大。在實際工作中，選擇單片機時要充分考慮測試系統的功能要求和用戶環境，同時兼顧設計者的實際經驗，盡量選用既符合系統功能要求，又是設計者較為熟悉或短時間內能很快掌握的單片機機型。 第33頁/共49頁4.4.2 單片機自動測試系統的軟件結構 單片機自動測試系統典型的軟件結構主要包括準備程序、鍵功能程序等，如圖4-14。1. 準備程序(1) 初始化：將系統中所有命令、狀態以及有關存儲單元置位成初試狀態。(2) 自檢程序：檢查程序存儲器、數據存儲器以及硬件功能是否正常（如系統間的通信應答）。(3) 提示符顯示：顯示正常標記，等待鍵掃描（人機交互）。(4

20、) 鍵掃描等待：對所有按鍵進行查詢，當有鍵按下時，便進入鍵功能軟件控制。2. 鍵功能程序 是一組由散轉指令控制選擇的鍵功能程序模塊，每個模塊完成按鍵所指定的功能，完成信號測量、數據處理、顯示、打印等功能。第34頁/共49頁第35頁/共49頁4.4.3 標度變換 被測試的各種參數都有不同的數值和量綱，這些參數經A/D轉換后，統一變為0-M個數碼，這些數碼雖然代表參數值的大小，但并不表示帶有量綱的參數值，必須轉換成有量綱的數值才能進行顯示和打印。這種轉換稱為標度變換或工程量轉換。1. 線性參數標度變換 是最常用的標度變換方法，其前提是參數值與A/D轉換結果（采樣值）之間呈線性關系，如下式所示： 式

21、中：A0、Am為參數量程的下限和上限，Ax為參數測量值（工程值），N0、Nm、Nx分別為A0、Am、Ax所對應的A/D值（采樣值） 。 0000)(NNNNAAAAmxmx第36頁/共49頁0000)(NNNNAAAAmxmx 式中：A0、Am為參數量程的下限和上限，Ax為參數測量值（工程值），N0、Nm、Nx分別為A0、Am、Ax所對應的A/D值（采樣值）。 特殊情況的簡化算式：在參數量程起點，A/D值為零（N0=0）；參數量程起點為零（A0=0），對應的A/D值也為零（N0=0）。 工程值 A0 Ax Am 數字量 N0 Nx Nm第37頁/共49頁2. 非線性參數標度變換 如果傳感器的輸

22、出特性是非線性的，如熱敏電阻值溫度特性的指數變化規律、熱電偶的電壓值溫度特性的非線性規律等，需要重新建立標度變換公式。 變換方法：一般而言，許多傳感器的非線性輸出特性變量關系寫不出一個簡單公式，或能寫出，但計算困難，這時可用查表法進行標度變換。 實例：熱敏電阻電橋測溫（圖4-16）第38頁/共49頁u建立標度變換參量對應表 整個參量變換過程為： 溫度熱敏電阻值電橋輸出電壓A/D轉換數字量（1）測量出溫度測試回路的電阻-電壓特性曲線（2）根據熱敏電阻值溫度特性（圖4-17），得出溫度-電壓特性。（3） 按照A/D轉換器的位數及相應的電壓值范圍，從溫度-電壓特性得出相應的電壓數值量-溫度特性表。

23、如測溫范圍為35-450C，選8位A/D轉換器進行單極性轉換，則測溫電路中熱敏電阻應選擇350C時使電橋平衡的阻值，通過計算得到相應的溫度-電壓-數字量對應特性（表4-7）。 數字量數字量23H24H25H 26H27H. . .電壓電壓/ V1.41.441.481.521.56. . .溫度溫度/ 0C45.0044.0043.0042.0041.00. . .第39頁/共49頁u使用參量對應表：將參量對應表編程固化在單片機的EPROM中，當采集到數字量后，通過查表就能準確得出環境溫度值。實例：PC數據采集系統標度變換（壓縮機性能綜合測試系統）溫度1（0 100度）溫度2（0 200度）壓力1（0 1MPa）壓力2 （-100 900KPa）差壓（0 30KPa）420mA15V DC數字量工程值測量值250歐姆電阻傳感器A/D第40頁/共49頁第41頁/共49頁4.4.4 單片機自動測試系統的設計1. 溫度自動測試系統設計 系統設計要求：對某冷庫8個冷凍室進行溫度巡回測試，被測量溫度范圍-30+5度，溫度測試精度小于1度，要求基于單片機設計測試系統。(1) 硬件電路設計 硬件電路如圖4-18（同圖3-9）所示。采用8031作為主芯片，擴展4KB的外部程序存儲器，設計4位數據顯示電路，8路溫度采集信號分別接到ADC的8個輸入端。u溫度/電壓轉