1、智能儀器課后習題答案1-1 你在學習和生活中，接觸、使用或了解了哪些儀器儀表？它們分別屬于哪種類型？指出他們的共同之處與主要區別。選擇一種儀器，針對其存在的問題或不足，提出改進設想參考：就測量儀器而言，按測量各種物理量不同可劃分為八種：幾何量計量儀器、熱工量計量儀器、機械量計量儀器、時間頻率計量儀器、電磁計量儀器、無線電參數測量儀器、光學與聲學測量儀器、電離輻射計量儀器。1-2 結合你對智能儀器概念的理解，討論“智能化”的層次。P2 智能儀器是計算機技術和測量儀器相結合的產物，是含有微型計算機或微處理器的測量（或檢測）儀器。由于它擁有對數據的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能

2、的作用（表現為智能的延伸或加強等），因而被稱為智能儀器。P5- P6 智能儀器的四個層次：聰敏儀器、初級智能儀器、模型化儀器和高級智能儀器。聰敏儀器類是以電子、傳感、測量技術為基礎（也可能計算機技術和信號處理技術）。特點是通過巧妙的設計而獲得某一有特色的功能。初級智能儀器除了應用電子、傳感、測量技術外，主要特點是應用了計算機及信號處理技術，這類儀器已具有了擬人的記憶、存儲、運算、判斷、簡單決策等功能。模型化儀器是在初級智能儀器的基礎上應用了建模技術和方法，這類儀器可對被測對象狀態或行為作出評估，可以建立對環境、干擾、儀器參數變化作出自適應反映的數學模型，并對測量誤差（靜態或動態誤差）進行補償。

3、高級智能儀器是智能儀器的最高級別，這類儀器多運用模糊判斷、容錯技術、傳感融合、人工智能、專家系統等技術。有較強的自適應、自學習、自組織、自決策、自推理能力。1-3 儀器儀表的重要性體現在哪些方面？P3-5（1）儀器及檢測技術已經成為促進當代生產的主流環節，儀器整體發展水平是國家綜合國力的重要標志之一（2）先進的科學儀器設備既是知識創新和技術創新的前提，也是創新研究的主題內容之一和創新成就得重要體現形式，科學儀器的創新是知識創新和及時創新的組成部分。（3）儀器是信息的源頭技術總之，科學儀器作為認識世界的工具，是國民經濟的“倍增器”、科學研究的“先行官”、現代戰爭的“戰斗力”、法庭審判的“物化法官

4、”，其應用遍及“農輕重、陸海空、吃穿用”。1-4 簡述推動智能儀器發展的主要技術。P8（1）傳感器技術（2）A/D等新器件的發展將顯著增強儀器的功能與測量范圍（3）單片機與DSP的廣泛應用（4）嵌入式系統和片上系統（SOC）將使智能儀器的設計提升到一個新階段（5）ASIC、FPGA/CPLD即使在智能儀器中廣泛使用（6）LabVIEW等圖形化軟件技術（7）網絡與通信技術 1-5 學過的哪些課程為智能儀器設計奠定基礎，回顧其主要內容。1-6 智能儀器有哪幾種結構形式？對其做簡要描述。P6從智能儀器的發展狀況看來，其結構有兩種基本類型，即微機內嵌式和微機擴展式。微機內嵌式智能儀器是將單片或多片的微

5、處理器與儀器有機的結合在一起形成的單機。（微處理器在其中起控制和數據處理作用。其特點主要是：專用或多功能；采用小型化、便攜或手持式結構；干電池供電；易于密封，適應惡劣環境，成本較低。）微機擴展式智能儀器是以個人計算機（PC）為核心的應用擴展型測量儀器。（PCI的優點是使用靈活、應用范圍廣，可以方便的利用PC已有的磁盤、打印機及繪圖儀器等獲取硬拷貝。PC數據處理功能強、內存容量大，因而PCI可以用于復雜的、高性能的信息處理。）1-7 智能儀器設計是采用FPGA/CPLD有哪些優點？ P12FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，他們除了ASIC的特點之外，還有以下優點：（1）隨著VLSI工

6、藝的不斷提高，FPGA/CPLD的規模也越來越大，所能實現的功能越來越強可以實現系統集成；（2）FPGA/CPLD的資金投入小，研制開發費用低；（3）FPGA/CPLD可反復的編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同的EPROM就可實現不同的功能；（4）FPGA/CPLD芯片電路的實際周期短；（5）FPGA/CPLD軟件易學易用，可以使設計人員更能集中精力進行電路設計。FPGA/CPLD適合于正向設計，對知識產權保護有利。1-8 為什么說嵌入式系統與片上系統（SOC）將使智能儀器的設計提升到一個新階段？P11（1）嵌入式系統的深入發展將是智能儀器的設計提升到一個新的階段，尤其是能運行操

7、作系統的嵌入式系統平臺，由于它具備多任務、網絡支持、圖形窗口、文件和目標管理等功能，并具有大量的應用程序接口（API），將會使研制復雜智能儀器變得容易；（2）在片上系統設計中，設計者面對的不再是電路芯片而是根據所設計系統的固件特性和功能要求，選擇相應得單片機CPU內核和成熟化的IP內核模塊，消除了器件信息故障，加快了設計速度，片上系統將使系統設計發生革命性的變化。2-1 數據采集系統主要實現哪些基本功能？P15智能儀器的數據采集系統簡稱DAS，是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進行采集、量化轉換成數字量后，以便由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的裝置。2-2 簡述數據采集系統的基本結構形式，

8、并比較其特點。P15-16（1）集中采集式：a分時采集型 特點：多路信號共同使用一個S/H和A/D電路，簡化了電路結構，降低了成本。（但對信號的采集式由模擬多路切換器即多路轉換開關分時切換、輪流選通的，因而相鄰兩路信號在時間上是依次被采集的，不能獲得同一時刻的數據，這樣就產生了時間偏斜誤差。）b同步采集型 特點：在多路轉換開關之前給每路信號通路各加一個采樣保持器，使多路信號的采樣在同一時刻進行，即同步采樣。（然后由各自的保持器保持著采樣信號的幅值，等待多路轉換開關分時切換進入公用的A/D電路將保持的采樣幅值轉換成數據輸入主機。這樣可以消除分時采集型結構的時間偏斜誤差，這種結構既能滿足同步采集的

9、要求，又比較簡單。不足之處：在被測信號路數較多的情況下，同步采得的信號在保持器中保持的時間會加長，而保持器會有一些泄露，是信號有所衰減。）（2）分散采集式：每一路信號一般都有一個S/H和A/D，不再需要模擬多路轉換器MNX。（每一個S/H和A/D之對本路信號進行模數轉換即數據采集，采集的數據按一定的順序或隨機地輸入計算機，根據采集系統中計算機控制結構的差異可以分為分布式單機采集系統和網絡式采集系統。）2-3 采樣周期與那些因素有關，如何選擇采樣周期？2-4 為什么要在數據采集系統中使用測量放大器？P19由于電路內有這樣或那樣的噪聲源存在，是的電路在沒有信號輸入時，輸出端仍存在一定幅度的波動電壓

10、，這就是電路的輸出噪聲。把電路輸出端測得的噪聲有效值折算到改電路的輸入端即除以該電路的增益，得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲，即。如果在高電路輸入端的信號幅度小到比該電路的還要低，那么這個信號就會被電路的噪聲所“淹沒”。為了不使小信號被淹沒，就必須在該電路前面加一級放大器。2-6 在設計數據采集系統式，選擇模擬多路開關要考慮的主要因素是什么？2-7 能否說一個帶有采樣保持器的數據采集系統的采樣頻率可以不受限制？為什么？P46不能說帶有采樣保持器的數據采集系統的采樣頻率可以不受限制。因為在A/D轉換器在進行轉換時需要一定的時間，在這個轉換時間內，被轉換的模擬量應基本保持不變，否則轉換精度沒有

11、保證，甚至根本失去看轉換的意義。所以轉換時間制約著轉換信號的最高頻率。（式1），進而影響數據采集系統的采樣頻率。在A/D之前加上采樣/保持器后（式2），為孔徑時間。由于，所以由式2限定的信號頻率遠遠高于式1限定的頻率，采樣/保持器擴展了被轉換信號的范圍，進而擴展了采樣頻率，但仍受的限制，不能無限增大。2-8在為一個數據采集系統選擇微機時，主要考慮哪些因素？（1） 系統的通過速率，即系統速率、傳輸速率、采樣速率或吞吐速率（單位時間內系統對模擬信號的采集次數）（2）系統的分辨率，即數據采集系統可以分辨的輸入信號的最小變化量（3）系統的精度，當系統工作在額定速率下，系統采集的數值和實際值的差盡量要小

12、2-10 如果一個數據采集系統，要求有1%級精度性能指標，在設計該數據采集系統時，怎樣選擇系統的各個元器件？P55通常傳感器和信號放大電路所占的誤差比例最大，其他各環節如采樣/保持器和A/D轉換器等誤差，可以按選擇元器件精度的一般規則和具體情況而定，選擇元器件精度的一般規則是：每一個元器件的精度指標應該優于系統規定的某一最嚴格的性能指標的10倍左右。所以此題中傳感器和信號放大電路的總誤差可分配成0.9%，A/D轉換器和S/H器和多路模擬開關分配0.1%，且每個組件的誤差應不大于0.01%。2-11 一個帶有采樣/保持器的數據采集系統，其采樣頻率, ,試問系統的采樣頻率是否太高？P47，故系統的

13、采樣頻率不高2-12 數據采集系統的組成P152-13 信號調理電路的組成P173-1 鍵盤有哪幾種組成方式？各自有何特點？按鍵去抖有哪幾種方法？鍵盤的組成方式及特點P60-P63（1） 非編碼鍵盤 包括獨立連接式非編碼鍵盤（結構簡單，但當鍵數較多時，就要占用多個接口）和矩陣式非編碼鍵盤（可以減少鍵盤接口）。非編碼鍵盤處理軟件復雜，硬件簡單。（2） 編碼鍵盤 由硬件來識別鍵閉合、釋放狀態，由硬件消除鍵抖動影響以及實現一些保護措施的方法，可以節省CPU相當多的時間。這種鍵盤處理軟件簡單，但硬件較復雜。按鍵去抖動的方法：硬件方法和軟件方法。通常在鍵的個數較少時可采取硬件措施，即用R-S觸發器或單穩

14、態電路來消除按鍵抖動。鍵數較多時，常用軟件反彈跳，及采用軟件延時法。3-2 鍵盤接口主要解決哪些問題？P60（1） 決定是否有鍵按下（2） 如果有鍵按下，決定是哪一個鍵被按下（3） 確定被按鍵的讀書（4） 反彈跳-按鍵抖動的消除（5） 不管一次按鍵持續的時間多長，僅采樣一個數據（6） 處理同時按鍵，即同時又一個以上的按鍵情況3-4 LCD有那兩種常用的驅動方式？說明一種驅動方式的工作原理。P65圖3-8（1） 靜態驅動方式 A端接交變的方波信號，B端接控制該段顯示狀態的信號。從圖中可以看出，當該段兩個電極上的電壓相同時，電極間的相對電壓為0.，該段不顯示；當兩極上的電壓相位相反時，兩電極間的相

15、對電壓為兩倍幅值的方波電壓，該段顯示，即呈黑色顯示狀態。（2） 迭加驅動方式（時分割驅動法）3-5 試述當前集中常見觸摸屏的工作原理。P81-P82（1）電阻式觸摸屏 電阻式觸摸屏的主要部分是一塊玉顯示器表面緊密配合的電阻薄膜屏，這是一種多層的復合薄膜，由一層玻璃或有機玻璃作為基層，表面涂有一層叫ITO的透明導電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防刮得塑料層，她的內表面也涂有一層導電層，在兩層導電層之間有許多細小的透明隔離點把他們隔開絕緣。當手指觸摸屏幕時，兩層導電層在觸摸點位置就有了一個結束，控制器檢測到這個接通點并計算出X、Y軸的位置，這就是所有電阻技術觸摸屏共同的最基本原理。（2）紅

16、外線式觸摸屏 紅外線式觸摸屏以光束阻斷技術為基礎，不需要在原來的顯示器表面覆蓋任何材料，而是在顯示屏幕四周安放一個光點距架框，在屏幕四邊排布紅外發射管和紅外接收管，一一對應形成橫豎交叉的紅外線組成的柵格。當有任何物體進入這個柵格的時候，就會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線，在紅外線探測器上會收到變化的信號，因而可以判斷出觸摸點在屏幕的位置，經由控制器將觸摸的位置坐標傳遞給操作系統。（3）電容式觸摸屏 把人體當作一個電容元件的電極使用，是利用人體的電流感應進行工作的。電容式觸摸屏是一塊四層復合玻璃屏。當手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，當用戶和觸摸屏表面耦合出足夠量的電容時，對于高頻電流來說，電

17、容是直接導體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流，這個電流分別從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經這4個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置，（4）表面聲波式觸摸屏 通過屏幕縱向和橫向邊緣的壓電換能器發射超聲波來實現。在各自對面的邊緣裝有超聲波傳感器，屏幕表面形成縱橫交錯的超聲波柵格。當收獲觸摸筆接近屏幕表面，接收波形對應手指擋住部位信號衰減了一個缺口，計算缺口的位置既是觸摸坐標。3-6 什么是同步通信方式和異步通信方式？與RS-232標準相比，RS-422/485標準有何優點？請說明RS-422/485標準為何有這樣的優點。同步通信方式

18、：在數據開始傳送前用同步字符來指示，并由時鐘來實現發送端和接收端同步，字符與字符間沒間隙；異步通信方式：數據時一幀一幀（包括字符代碼或一字節數據）傳送的。P88 優點：RS-232存在數據傳輸速率慢和傳送距離短的缺點。RS-422/485標準傳輸速率快，傳送距離遠。因為RS-232發送器驅動電容負載的最大能力為2500pF，這就限制了信號線的最大長度。RS-232規定的邏輯電平與一般處理器的邏輯電平不一致，須與轉換電平芯片連接，通信距離小，傳輸速率小。而RS-422/485的信號傳輸是利用信號導線之間的電相位差，傳輸距離遠，速率高。3-7 兩臺智能儀器均以51系列單片機為主構成去內部的微機系統

19、，當兩臺智能儀器采用RS-232標準僅用TXD、RXD信號進行通信時，試設計從一個儀器到另一個儀器之間利用串行通信的所有電路的原理圖。設兩臺儀器均只提供+5V電源。P88圖3-313-8 畫出將3-7題的通信標準換成RS-485后的電路連線圖。P92 圖3-36、圖3-373-9 簡述USB總線的特點及優越性。P92-P93特點：（1）USB接口統一了各種接口設備的連接頭（2）即插即用，并能自動檢測與配置系統的資源（3）具有“熱插拔”的特性（4）USB最多可以連接127個接口設備（5）USB1.1的接口設備采用兩種不同的速度:12Mbit/s（全速）和1.5Mbit/s（慢速）。USB2.0的

20、傳輸速度最高可達到480Mbit/s。優勢：（1）簡化外部接口設備與主機之間的連線，并用一條傳輸纜線來串接各類型的接口設備（2）可以在不需要重新開機的情況下安裝硬件3-10 USB的基本框架包含那幾部分？P93（1） USB主機控制器/根集線器（2） USB集線器（3） USB設備3-11 USB有幾種傳輸模式？試簡述各種傳輸方式的特性。P97（1）控制傳輸 是USB中最重要的傳輸，唯有正確的執行完控制傳輸才能進一步執行其他傳輸模式。需以雙向傳輸達到這個請求。能自定義請求來為任何目的而發送或接收數據塊。所有USB設備必須支持控制傳輸。（2）中斷傳輸 它是為那些必須快速接收到主機或設備的數據而準

21、備的。是低速設備可以傳輸數據的唯一方法。中斷傳輸僅是一種“輪詢”的過程，如果因為錯誤而發生傳送失敗，可以在下一輪詢的期間重新發送一次。（3）批量傳輸 它是針對未使用到的USB帶寬來向主機提出請求的。須根據目前總線的擁擠狀態，以所有可使用的帶寬為基礎，不斷調整本身的傳輸速率，因此沒有設置輪詢時間間隔。若因某些錯誤而發生傳送失敗，就重新傳送一次。（4）等時傳輸 采用了預先與PC機主機協議好的固定帶寬，以保證發送端與接收端的速度能相互吻合，不支持有錯誤的數據重新發送，相對就須犧牲一些小錯誤的發生。3-12 USB有幾種描述符？其中哪幾種是必須要設置的？P96（1）設備描述符 必須設置（2）配置描述符

22、 必須設置（3）接口描述符 必須設置（4）端口描述符 必須設置3-13 以你的觀點解釋設備列舉的含義？P96當USB設備第一次連接到USB總線時，USB主機就會對此設備做出列舉檢測的動作。此時，主機會負責檢測與設備所有連接至根集線器的設備，而辨識與設置一個USB外圍設備的程序，稱之為設備列舉。若以USB通信協議的觀點來看，設備列舉就是通過一連串介于主機與設備之間的控制傳輸來辨識與設置一個剛連上USB的設備程序。而進一步的解釋設備列舉，也即是操作系統可以辨識一個新的硬件設備連接上總線以及決定其特定的需求，然后加載適當的驅動程序，并且給予新的硬件設備一個新的地址3-14 簡述無線數據傳輸的原理及特

23、點。P105無限數據傳輸的核心技術是調制解調技術。調制過程是在發送端吧數字信號變換成能被模擬信道傳輸的模擬信號，經傳輸通道傳至接收端，接收端通過解調過程把接收到的模擬信號轉換成數字信號，完成了無線數據傳輸的任務。特點：（1）工頻為國際通用的數據傳輸頻段433MHz，無需申請 （2）易于采集運動信號，不受電纜的約束4-1 與硬件濾波器相比，采用數字濾波器有何優點？P111（1）數字濾波只是一個計算過程，無需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、非一致性等問題；（2）模擬濾波器在頻率很低時較難實現的問題，不會出現在數字濾波器的實現過程中；（3）只要適當的改變數字濾波器在程序中的有關參數，就能方便

24、的改變濾波特性，因此數字濾波使用靈活方便。4-2 常用的數字濾波算法有哪些，說明各種濾波算法的特點和使用場合。（1）克服脈沖干擾的數字濾波法：包括限幅濾波法、中值濾波法、基于拉依達準則的奇異數據濾波法（剔除粗大誤差）、基于中值數絕對偏差的決策濾波器。特點：克服由儀器外部環境偶然因素引起的突變性擾動或儀器內部不穩定等引起誤碼等造成的尖脈沖干擾場合：有尖脈沖干擾的場合 （2）抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法：為抑制電子器件熱噪聲、A/D量化噪聲等小幅度高頻電子噪聲，通常采用具有低通特性的算術平均濾波法、加權平均濾波法、滑動加權平均濾波法等線性濾波器。特點：算術平均濾波法可有效消除隨機干擾，采樣次數越

25、大，濾波效果越好，但系統靈敏度要下降，只適用于慢變信號；滑動加權平均濾波法對周期信號有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低，對偶然出現的脈沖性干擾抑制作用差；加權平均濾波法系統對當前采樣值的靈敏度高。場合：有小幅度高頻噪聲的場合（3）復合濾波器： 特點：既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。場合：隨機擾動不是單一的場合，既要消除大幅度的脈沖干擾，又要使數據平滑的場合4-3 各種常用的濾波算法能組合使用嗎？若能，請舉例說明；若不能，請說明理由。P115能組合使用。在實際應用中，所面臨的隨機擾動往往不是單一的，有時既要消除大幅度的脈沖干擾，又要做數據平滑，因此常用兩種以上的濾波算法結合使用。例如

26、：去極值平均值濾波算法。特點：先用中值濾波算法濾除采樣值中的脈沖性干擾，然后把剩余的各采樣值進行平均。去極值平均值濾波算法的算法為：連續采樣N次，剔除其中的最大值和最小值，再求余下N-2個采樣值的平均值。顯然，這種方法既能抑制隨機干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。4-7 中值數絕對偏差決策濾波器與中值濾波器有哪些特點？ P113中值數絕對偏差決策濾波器特點：這種決策濾波器能夠判別出奇異數據，并以有效性的數據來取代。具有比例不變性、因果性、算法快捷等特點，實時的完成數據凈化。中值濾波器：運算簡單，在濾除脈沖噪聲的同時可以很好的保護信號細節信息。中值濾波器是一種常用于凈化奇異數據的非線性濾波器，它對奇

27、異數據的敏感度遠低于標準偏差，存在“根信號”用于單調性數據的濾波，而非點到信號采用中值濾波凈化數據表現過于主動進取4-8 什么是系統誤差？有哪幾種類型？簡要說明系統誤差與隨機誤差的根本區別。P117系統誤差是只在相同條件下，多次測量同一量時其大小和符號保持不變或按一定規律變化的誤差。分為恒定系統誤差和變化系統誤差。系統誤差與隨機誤差的根本區別：系統誤差不能依靠概率統計方法消除，可掌握、控制、消除，具有規律性，產生在測量開始之前，與測量次數無關。隨機誤差不能掌握、控制、消除，具有隨機性，產生在測量過程中，與測量次數有關。4-9 產生零位誤差的原因有哪些？產生增益誤差的原因有哪些？簡述校正方法。P

28、117由于傳感器、測量電路、放大器等不可避免的存在溫度漂移和時間飄移，所以會給儀器引入零位誤差和增益誤差，這類誤差均屬于系統誤差。零位誤差校正方法：在每一個測量周期或中斷正常的測量過程中，把輸入接地（即使輸入為零），此時包括傳感器在內的整個測量輸入通道的輸出即為零位輸出（一般其值不為零）；再把輸入接基準電壓測得數據，并將和存于內存；然后輸入接，測得，則測量結果可用下式計算，即在正常的測量過程中，均從采樣值中減去原先存入零位輸出值，從而實現零位校正。增益誤差的自動校正方法：開始工作后或每隔一定時間去測量一次基準參數，然后建立誤差校正模型，確定并存儲校正模型參數。在正式測量時，根據測量結果和校正模

29、型求取校正值，從而消除誤差。4-10 基準電壓的精度和穩定性是否會影響零位誤差、增益誤差的校正效果？P117會影響。零位誤差、增益誤差的校正結果都與基準電壓有關系。對于零位校正，測量結果為；對于增益校正，校正方程為，其中，4-11 簡述系統非線性誤差校正的思路與方法。P118思路：采用各種非線性校正算法（校正函數法、線性插值法、曲線擬合法等）從儀器數據采集系統輸出的與被測量呈非線性關系的數字量中提取與之相對應的被測量。方法：校正函數法、代數插值法（線性插值、拋物線插值、分段插值）、曲線擬合（連續函數擬合、分段擬合）4-12 通過測量獲得一組反映被測值的離散數據，欲建立一個反映被測量值變化的近似

30、數學模型，請問有哪些常用的建模方法？校正函數法、代數插值法（線性插值、拋物線插值、分段插值）、曲線擬合（連續函數擬合、分段擬合）4-13 什么事代數插值法？簡述線性插值和拋物線插值是如何讓進行的。P119-P121所謂代數插值，就是用一個次數不超過n的代數多項式去逼近，使在節點處滿足，線性插值過程：從一組數據中選取兩個有代表性的點和，然后根據插值原理，求出插值方程，其中待定系數和為，拋物線插值過程：在一組數據中選取，和三個點，相應的插值方程為4-14 什么是線性擬合法？如何利用最小二乘法來實現多項式擬合。P122- P14-16 舉例說明標度變換的概念。P126測量機械壓力時，常利用壓力傳感器

31、，當壓力變化為0100N時，壓力傳感器輸出的電壓為010mV，放大為05V后進行A/D轉換，得到00HFFH的數字量這些數碼并不等于原來帶有量綱的參數值，它僅僅對應于參數的大小，必須把它轉換成帶有量綱的數值后才能顯示或打印輸出，這種轉換就是工程量變換，又稱標度變換。5-1 什么是軟件工程？軟件工程是如何克服軟件危機的？P131-P132軟件工程是由硬件和系統工程派生出來的。它包含四個關鍵元素：方法、語言、工具和過程，是工程學的原理和方法在軟件設計和生產中的應用。隨著軟件在計算機中的比重的增大，傳統的軟件生產方式已不能適應發展需要，出現了軟件危機。軟件工程將軟件生產劃分為幾個階段，每個階段都有嚴

32、格管理和質量檢驗，設計和生產過程有共同的準則。5-2 什么是基于裸機的軟件設計？其設計步驟分為那幾步？P141基于裸機的軟件設計是指以“空白”的微處理器/控制器為基礎，完成全部的軟件設計，沒有將系統軟件和應用軟件分開處理，其實時性和可靠性與設計人員的水平密切相關，適用于功能較簡單的智能儀器。步驟：（1）設計任務書的編寫（2）硬件電路的設計（3）軟件任務分析（4）數據類型和數據結構規劃（5）資源分配（6）編程與調試（7）編程語言和編程環境的選擇5-3系統監控程序的作用是什么？常用的結構有哪幾種？P147-P148系統監控程序是控制單片機系統按預定操作方式運轉的程序。它完成人機對話和遠程控制等功能

33、，是系統按照操作者的意圖或遙控命令來完成指定的作業。它是單片機系統的框架。監控程序的任務有：完成系統自校、初始化，處理鍵盤命令，處理接口命令，處理條件觸發并完成顯示功能。常用結構：作業順序調度型、作業優先調度型、鍵碼分析作業調度型5-4 根據你的理解談談什么是嵌入式系統，它有什么特點？嵌入式系統是指操作系統和功能軟件集于計算機硬件系統之中。特點：功能單一、簡單，兼容性要求不高，軟件代碼小，高度自動化，響應速度快，適合于要求實時的和多任務的體系。5-5 嵌入式應用程序的開發分為那幾個階段？P154（1）應用軟件的生成階段（2）應用軟件的調試階段（3）應用軟件的固化運行階段5-6 嵌入式軟件的開發

34、方法有哪幾種？各有什么特點？P156（1） 交叉開發 崩潰與燒制的調試方法無法進行程序調試，效率低下，開發系統建立在PC（或工作站）上，應用程序的編輯、編譯、鏈接等過程在宿主機上完成，而最終運行平臺為嵌入式設備。（2） ROM監控程序法 改變崩潰和燒制方法才來的缺陷，將一段程序固化在目標機上。該程序與宿主機端程序一起完成對應用程序的調試。5-7 什么是軟件測試，其作用是什么（發現程序錯誤）？P157軟件測試就是在軟件投入運行前，對軟件需求分析，設計規格說明和編碼的最終復查，是軟件質量保證的關進步驟。定義1：軟件測試時為了發現錯誤而執行程序的過程。定義2：軟件測試時根據軟件開發各階段規格說明和程

35、序的內部結構而精心設計一批測試用例（即輸入數據及預期的輸出結果），并利用這些測試用例去運行程序，以發現程序錯誤的過程。6-1 可靠率、失效率是如何定義的？儀器失效率服從什么樣的規律？P169可靠率是指在規定條件下和規定時間內儀器完成所規定的任務的成功率。失效率優勢也稱瞬時失效率或故障率，是指儀器運行到t時刻后單位時間內發生故障的儀器臺數與t時刻完好儀器臺數之比。儀器系統失效率曲線（新浴盆曲線）：圖6-16-2 有1000臺儀器，要求其MTBF=1000h。若對其進行1000h的實驗運行，最多允許多少臺儀器出現故障？P171解：平均故障間隔時間得1000h儀器可靠率為，又，T為運行臺數和運行時間

36、的乘積，；指儀器失效數得到，儀器失效數為，即最多允許有1000臺儀器出現故障。6-3 影響儀器可靠性的因素有哪些？有哪些措施可以提高儀器硬件可靠性？P174- P177影響儀器可靠性的因素有：元器件的可靠性、工藝、電路結構、環境因素、人為因素。提高儀器可靠性的措施：（1）合理地選擇元器件（電阻器、電容器、集成電路芯片）（2）篩選，把所選的合適元器件的特性測試后，對這些元器件施加外應力，過一段時間再重新特性測試（3）元器件降額使用（4）可靠的電路設計（5）冗余設計，包括并聯系統和串聯系統（6）環境設計，包括溫度保護、沖擊振動保護、電磁干擾保護（7）人為因素設計（8）對儀器進行可靠性試驗6-4 若

37、三個可靠度為0.9的儀器部件串聯構成系統，系統的可靠度為多少？P78(與書中公式不一樣，我覺得書中公式有錯誤)若這三個可靠度為0.9的儀器部件并聯冗余構成系統，系統的可靠度為多少？若這三個部件并聯構成3取2的表決系統，系統的可靠度又為多少（忽略表決器的影響）？6-5 軟件可靠性的預估有哪幾種模型？試分析你所了解的模型的優缺點。P180（1）時間模型可靠性增長模型：此模型需要確定在調試前軟件的故障數目，這是一項困難的任務。公理模型：該模型預測的故障數與實際的故障數之比為0.8（2）數據模型：由于輸入集E的不同，軟件表現出的可靠度不同。6-6 敘述提高儀器軟件可靠性的方法。P181（1）認真的進行

38、規范設計（2）可靠的程序設計方法（3）程序驗證技術（4）提高軟件設計人員的素質（5）消除干擾（6）增加試運行時間6-7 6-8 說明儀器的可靠性設計進程P172圖6-3 系統設計進程 可靠性考慮6-9 什么是儀器的干擾和抑制？抑制的任務和手段是什么？P186 干擾：相對有用信號而言，只有噪聲達到一定數值、它和有用信號一起進入智能儀器并影響其正常工作，才能形成干擾。抑制：消除或減少干擾抑制的任務：從根本上消除或減少干擾抑制電磁干擾源、切斷電磁干擾耦合途徑、降低電磁敏感裝置的敏感性抑制的手段：屏蔽、接地、浮置、對稱電路、隔離技術、濾波、脈沖電路的噪聲抑制6-10 按產生干擾的物理原因，通常可將干擾

39、分為那幾類？分別采取什么措施進行抑制？（1） 機械干擾 采取減震措施來解決（2） 熱干擾 通常采用熱屏蔽、恒溫措施、對稱平衡結構、溫度補償元器件等措施來抑制。（3） 光干擾 采用光屏蔽來一直（4） 化學干擾 密封和保持清潔（5） 電和磁干擾 屏蔽（包括靜電屏蔽、電磁屏蔽和低頻磁屏蔽）、接地（包括安全接地、信號源接地、信號地線、負載地線、機殼接地）、浮置、對稱電路、隔離技術（包括電磁隔離、光隔離和隔離放大器）、濾波（包括電源濾波、信號濾波和有源濾波）、脈沖電路（包括積分電路、脈沖干擾隔離門和削波器）（6） 射線輻射干擾 6-11 研究形成干擾作用的三要素的目的是什么？P188噪聲形成干擾必須同時

40、具備三要素：噪聲源、對噪聲敏感的接收電路、兩者之間的耦合通道。研究三要素的目的是從這三要素出發，設計抑制干擾的基本方法和措施。6-12 試分析接通電容性負載及斷開電感性負載形成干擾的原因，并舉例說明干擾的大小。P188接通電容性負載時，由于兩個電路之間存在寄生電容，是的一個電路的電荷變化影響到另一個電路，形成干擾。斷開電感性負載時，由于兩點路之間存在互感，是的當一個電路的電流變化時，通過磁鏈影響到另一個電路，形成干擾。6-13 干擾主要通過什么途徑傳播？如何采取措施加以抑制？P188（1） 電容性耦合 盡量減小寄生電容（2） 電感性耦合 減小互感值（3） 共阻抗耦合 減小電源內阻壓降、減小地線

41、壓降、減小輸出阻抗（4） 漏電耦合（5） 傳導耦合（6） 輻射電磁場耦合6-14 屏蔽為什么能達到抗干擾的目的？靜電屏蔽及電磁屏蔽的原理是什么？為了使它們能達到很好的效果，應采取什么措施？P192用低電阻材料或高磁導率材料將需要防護的部分屏蔽起來，將電力線或磁力線的影響限定在某個范圍或阻止它們進入某個范圍，隔斷場的耦合，能抑制各種場的干擾靜電屏蔽的原理：由于處于靜電平衡狀態下的導體內部，各點等電位，即內部無電力線，所以靜電場的電力線就在接地的金屬導體處中斷，從而起到隔離靜電場的作用。為了達到很好的效果，采用驅動屏蔽。電磁屏蔽的原理：電磁屏蔽是采用良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻電磁場對金屬屏

42、蔽層的作用，在屏蔽金屬內產生電渦流，由渦流產生磁場抵消或減弱干擾磁場的影響，從而達到屏蔽的目的。為了達到很好的效果，所選用的屏蔽層材料必須是良導體，當必須在屏蔽層上開孔或開槽時，必須注意孔或槽的位置和方向，應不影響或盡量減少影響電渦流的路徑，以免影響屏蔽效果。7-1 什么是可測試性？智能儀器中引入可測試性設計有什么優點？P206 可測試性是指產品能夠及時準確地確定其自身狀態（如可工作、不可工作、性能下降等）和隔離其內部故障的設計特性。可測試性包括三個基本要素：可控制性、可觀測性和可預見性。P208 優點：（1）提高故障檢測的覆蓋率（2）縮短儀器的故障時間（3）可以對儀器進行層次化的逐級測試：芯

43、片級、板級、系統級（4）降低儀器的維護費用7-2 什么是固有測試性？固有測試性設計的主要內容包括哪幾個方面？P209固有測試性是指僅取決于產品硬件設計，不依賴于測試激勵和響應數據的測試性。固有測試性設計主要從硬件設計和與外部測試設備的兼容性考慮。在設計硬件時，盡量把每個功能劃分為一個單元。在結構上要便于故障的隔離和單元的更換。在電器上要盡量減少各可更換單元之間的連線和信息的交叉。在元器件和部件的選擇上，應優先選擇具有良好可測試特性和故障模式已有充分描述的集成電路或組件。模塊和組件的接口要便于測試控制和觀測。被測單元和外部設備之間，應具有良好的兼容性。被測單元在結構和電氣上都應和外部測試設備保持

44、兼容，減少專用接口設備。7-3 結合書中所學知識談談你對BIT技術的理解。P216傳統的測試技術主要是利用外部的測試儀器對被測設備進行測試，但隨著復雜系統維修性要求的提高，迫切需要復雜系統本身具備檢測、故障隔離的功能以縮短維修時間。所以BIT在測試研究當中占據了越來越重要的地位，成為維修性、測試性領域邪惡重要研究內容。BIT是指系統、設備內部提供的檢測、隔離故障的自動測試能力。BIT技術是改善系統或設備測試性與診斷能力的的重要途徑，是測試和維修的重要手段，簡化了設備維護，降低了總體費用，它使得傳統測試中用手工完成的絕大多數測試實現了自動化。7-4 常用的BIT技術有哪些？各有什么特點？P217

45、（1） 通用BIT技術：測試點的選擇直接影響被測系統的測試性。包括余度BIT技術、環繞BIT技術、并行測試技術。（2） 數字BIT技術：包括板內ROM式BIT技術、微處理器BIT、微診斷法、RAM測試、定時監控測試等。（3） 模擬電路BIT技術：包括比較器方法和電壓求和方法。由于模擬器件的故障模式很多，模擬電路會有容差故障，所以模擬電路BIT技術很難發展。7-5 常規BIT技術有哪些缺陷？如何解決這些問題？P223常規BIT技術缺陷：功能相對簡單，診斷技術單一、診斷能力差，虛報警率高。解決方法：把神經網絡、專家系統和模糊邏輯等智能理論和方法應用于BIT的故障診斷之中，將其與計算機技術、大規模集

46、成電路技術結合，從根本上解決BIT 的虛報警問題，提高了BIT的診斷能力。8-1 簡述智能儀器設計的基本要求。P231（1） 功能及技術指標應滿足要求（2） 可靠性要高（3） 便于維護和操作（4） 儀器工藝結構與造型設計要求8-2 智能儀器設計時一般應遵循的基本原則。怎樣理解“組合化與開放式設計思想”？P231-P232基本原則：（1）從整體到局部（自頂向下）的設計原則（2）較高的性能價格比原則（3）組合化與開放式設計原則開放式設計思想：在技術上兼顧今天和明天，既從當前實際可能出發，又留下容納未來新技術機會的余地;向系統的不同配套檔次開放，兼顧設計周期和產品設計，并著眼于社會的公共參與，為發揮

47、各方面廠商的積極性創造條件;向用戶不斷變化的特殊要求開放，兼顧通用的基本設計和用戶的專用要求。組合化設計思想：開放式體系結構和總線系統技術發展，導致了工業測控系統采用組合化設計方法的流行，即針對不同的應用系統要求，選用成熟的現成硬件模板和軟件進行組合。組合化設計的基礎是模塊化(又稱積木化)，硬、軟件功能模塊化是實現最佳系統設計的關鍵。優點：現成的功能模塊，簡化設計并縮短設計周期。結構靈活，便于擴充和更新，使系統的適應性強。維修方便快捷。功能模板可以組織批量生產，使質量穩定并降低成本。8-3 智能儀器中微機系統有哪幾種構成方式？分別試用于哪些場合？8-4 總結目前市場流行的單片機型號、特點。（1

48、） MicroChip單片機：MicroChip單片機的主要產品是PIC16C系列和17C系列8位單片機，CPU采用RISC結構。運行速度快，低工作電壓，低功耗，較大的輸入輸出直接驅動能力，價格低，一次性編程，小體積。適用于量大，檔次低，價格敏感的產品。在辦公自動化設備，消費電子產品，電訊通信，智能儀器儀表，汽車電子，金融電子，工業控制不同領域都有廣泛應用。（2） 51系列擁有基于復雜指令集（CISC）的單片機內核，雖然其速度不快，12個振蕩周期才能執行一個單周期指令，但其端口結構為準雙向并行口，可兼有外部并行總線，故使其擴展性能非常強大。51的內部硬件預設，可用特殊功能寄存器對其進行編輯。（

49、3） AVR單片機高速RISC（精簡指令集）:主頻最高達20MHz；低功耗，寬電壓：1.8V-5.5V，最低全速運行功耗<300uA；IO口驅動能力強：推拉電流能力均達30mA，可以直接驅動蜂鳴器、繼電器等；片內資源豐富：外部中斷、定時/計數器、UART、SPI、IIC、ADC、模擬比較器型號齊全，而且40腳一下點的AVR均具有DIP的封裝形式。（4） MSP430單品級的特點MSP430系列單片機的迅速發展和應用的范圍的不斷擴大，主要取決于一下的特點。強大的處理能力MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7中源操作數尋址、4種目

50、的操作數尋址）、簡介的27條內核指令以及大量的魔力指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有搞笑的查表處理敕令，有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125ns的指令周期。16位的數據寬度、125ns的指令周期一節多功能的硬件乘法器（能實現加乘）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如FFT等）。MSP430系列單片機的終端源較多，并且可以任意嵌套，使用靈活方便。當系統處于省電的備用狀態時，用終端請求將它喚醒只用6us。超低功耗MSP430單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。8-5 TMS320系列DSP中，

51、有哪些芯片適合智能儀器，概括其主要性能特點。8-6 簡述儀器設計任務書的主要內容、主要作用和編寫注意事項。P232-P233主要內容：（1）儀器名稱、用途、特點及簡要設計思想（2）主要技術指標，包括：精度、被測參數名稱及測量范圍和工作環境、穩定性等。（3）儀器應具備的功能，包括：輸出功能、人機對話功能、運算功能、出錯或超限報警提示功能以及諸如儀器檢測狀態的自動調整功能。（4）儀器的設備規模（5）系統的操作規范主要作用：（1）作為用戶（或委托方）和研制單位之間的合約附件或研制單位儀器設計的立項基礎。（2）反映儀器的結構、規定儀器的功能指標，是研制人員的設計目標。（3）作為研制完畢進行項目驗收的依

52、據。編寫注意事項：（1） 設計任務書應由項目主持人編寫，力求簡明，切勿陷入具體細節設計，但是要從總體上考慮實現總目標所必須經歷的研究途徑和實施方法。（2） 填寫儀器功能說明書中有關技術指標的具體數據是要非常慎重。應結合實際通盤考慮，切忌苛求高指標，避免技術指標在有限的人力和財力條件下難以實現。8-7 智能儀器設計時如何考慮硬件和軟件之間的關系。P233智能儀器設計時兩者緊密協調、不可分離。系統完成的某些功能（例如邏輯運算、定時或延時功能以及串行接口等），從原則上既可以以硬件為主實現，又可以以軟件為主實現。一般的，利用硬件的方法，必須配置相應的外圍芯片，它基本上不占用CPU的運行時間，但硬件多了，不僅增加成本，且系統的故障的機會也相應增多。利用軟件方法，可以使硬件配置最省，其實質是以時間取代空間。軟件執行過程需要時間，系統實時性會下降。但在實時性要求不高的系統，“以軟代硬”是很合算的。例如：觸電去抖動的軟件延時法和軟件低通濾波方法通常指的采用。總之，硬件和軟件的劃