智能仪器原理与设计

　　本书是工科院校电子类专业本科生的教材，是作者总结多年教学经验并参考国内同类书籍编写而成的。介绍了智能仪器的基本工作原理和各部分的设计方法，内容有模拟信号输入/输出通道、开关信号输入/输出通道、通信部件、时钟系统、人机界面、常用处理功能和可靠性设计等，并就基于电压测量、时间测量和波形测量的3类智能仪器作了专门介绍。为突出智能仪器的特点，本书加重了软件设计的分量，减少了与其它课程相同的硬件设计内容。为配合教学，每章均附有一定数量的习题。本书内容同样适用于普通电子产品的设计，也可作为电子技术人员从事单片机应用系统研制开发的参考书。前言大学工科院校电子类专业的学生毕业后大多从事电子产品开发设计工作，为此，在本科教育阶段开设一门“智能电子产品设计”课程非常必要。由于智能仪器是各种智能化电子产品的典型代表，其硬件结构和软件系统可作为一般智能化电子产品的模型，故以“智能仪器原理与设计”课程作为电子类专业的“智能电子产品设计”课程是比较合适的。通过本课程的学习，能使学生基本掌握电子产品的设计方法。过去，人们认为“计算机专业是学软件的，电子专业是学硬件的”。随着电子产品的硬件集成度越来越高，软件开发在产品开发中所占比重也越来越大，“电子专业是学硬件的”这种观点显然已经过时。作为电子专业的学生，既要掌握硬件设计知识，也要具备软件设计能力，只有那些硬件功底扎实，软件设计能力很强的学生将来才能在这个领域有所作为。为了适应这种需要，软件设计能力的培养在本教材中得到了加强，与其它课程内容相同的硬件设计内容，在篇幅上作了相应压缩。与国内已经出版的同类书籍和教材相比，本书除了加重软件设计的分量外，硬件设计中大量采用串行器件也是一个特色。随着集成度的提高，很多情况下只要选择一种合适的、内嵌了所需功能部件的新型单片机就可满足要求，无须外接其它功能芯片。即使需要外接功能部件，也采用串行接口芯片。只有在信息量非常大、速度要求非常高的场合才采用并行总线。本书第1章是“绪论”，介绍了智能仪器的一些基本知识。第2章是“微处理器的选择”，介绍了几种当前流行的单片机，使学生从“单片机原理”课程中学到的8051中跳出来，达到开阔视野的目的。第3章是“软件系统设计概述”，使学生对一个完整的系统软件有所了解。第4章和第5章介绍了开关量信号和模拟信号的输入/输出通道。第6章是“总线与通信系统”，介绍了几种主要的通信协议。第7章是“时钟系统”，它是系统运行的基础。第8章是“人机接口”，介绍了显示、打印和键盘的接口设计。第9章是“常用处理功能”，介绍了有关数据处理、误差处理、标度变换和自动测量的基本知识。第10章是“可靠性设计”，介绍了抗干扰设计和容错设计的基本知识。第11～13章分别介绍了基于电压测量、时间测量和波形测量的智能仪器的基本知识和产品实例。第14章是“虚拟仪器简介”，使学生对虚拟仪器有一个初步了解。

暂缺《智能仪器原理与设计》作者简介

第1章 绪论11.1 电子仪器的发展历史11.2 智能仪器的特点11.3 智能仪器的结构21.3.1 硬件系统组成31.3.2 软件系统组成41.4 智能仪器的基本设计思想41.5 智能仪器的研制过程41.5.1 确定设计任务与拟定设计方案51.5.2 硬件和软件设计及仪器仪表结构设计61.5.3 仪器统调与性能测试8习题9第2章 微处理器的选择102.1 基于8051内核的单片机112.1.1 基本型单片机112.1.2 精简型单片机122.1.3 精简增强型单片机132.1.4 高档型单片机152.2 基于ARM内核的单片机162.2.1 AT91系列ARM芯片162.2.2 LPC2100/LPC2200系列ARM芯片172.2.3 EP系列ARM芯片182.3 其它类型的微处理器182.3.1 Atmel公司的AVR系列单片机182.3.2 TI公司的MSP430系列单片机192.3.3 Motorola公司的68系列单片机202.3.4 Microchip公司的PIC系列单片机212.4 DSP数字处理器242.4.1 DSP技术概念及其发展242.4.2 DSP处理器的主要结构特点242.4.3 DSP处理器的选择252.4.4 DSP技术的应用26习题27第3章 软件系统设计概述283.1 软件开发环境与编程语言283.1.1 开发环境的选择283.1.2 编程语言的选择293.2 软件系统的结构分析293.2.1 层次结构293.2.2 功能结构303.3 软件系统的规划313.4 软件系统的设计步骤323.4.1 设计和调试硬件接口模块323.4.2 建立软件系统的框架333.4.3 设计和调试各功能模块343.4.4 整机测试343.5 实例分析353.5.1 系统功能概述353.5.2 硬件系统概述353.5.3 软件系统的规划363.5.4 软件系统的框架37习题39第4章 开关量信号的输入/输出404.1 开关量信号的输入404.1.1 开关量信号输入通道结构404.1.2 开关量输入接口414.2 开关量信号的输出454.2.1 输出驱动接口的隔离464.2.2 小功率直流负载驱动接口电路464.2.3 中功率直流负载驱动接口电路474.2.4 固体继电器输出接口电路47习题48第5章 模拟信号的输入/输出495.1 模拟信号的输入495.1.1 A/D转换器件的选择495.1.2 模拟输入通道的设计505.1.3 其它A/D转换模式介绍565.2 模拟信号的输出595.2.1 D/A转换器件的选择605.2.2 模拟输出通道的设计605.2.3 PWM型D/A转换器64习题67第6章 总线与通信系统686.1 通用接口总线GPIB686.1.1 GPIB标准接口概述686.1.2 GPIB接口芯片716.2 串行通信标准RS232与RS485726.2.1 RS232标准及接口芯片726.2.2 RS485标准及接口芯片736.2.3 串行通信程序设计746.3 其它总线与通信技术简介796.3.1 通用串行总线USB796.3.2 现场总线CAN816.3.3 工业以太网826.3.4 蓝牙技术836.3.5 电力载波通信83习题85第7章 时钟系统877.1 硬件时钟877.1.1 概述877.1.2 时钟数据的写入897.1.3 时钟数据的读取917.2 软件时钟937.2.1 概述937.2.2 软件时钟的运行937.3 时钟的使用967.3.1 定时任务的管理967.3.2 时间间隔的测量977.3.3 时间长度的控制98习题99第8章 人机接口1008.1 显示部件1008.1.1 发光二极管1008.1.2 数码管1018.1.3 液晶显示屏1058.2 微型打印机1148.2.1 GP16微型打印机的接口电路1148.2.2 GP16微型打印机的使用1158.3 键盘1198.3.1 键盘的类型及接口电路1198.3.2 键盘信号的可靠采集1238.4 监控程序设计1278.4.1 监控程序的基本概念1278.4.2 系统状态分析1298.4.3 基于顺序编码的监控程序设计1358.4.4 基于特征编码的监控程序设计1378.4.5 基于菜单操作的监控程序设计142习题146第9章 常用处理功能1479.1 数据处理1479.1.1 数据类型的选择1479.1.2 定点运算子程序库的使用1489.1.3 浮点运算子程序库的使用1499.2 误差处理1519.2.1 随机误差的处理1519.2.2 系统误差的处理1519.2.3 粗大误差的处理1529.3 标度变换1549.3.1 线性标度变换1549.3.2 非线性标度变换1559.4 常用自动测量功能1589.4.1 自动量程转换1589.4.2 自动校正1619.4.3 自动补偿164习题166第10章 可靠性设计16710.1 抗干扰设计16710.1.1 硬件抗干扰设计16810.1.2 软件抗干扰设计16910.2 容错设计17410.2.1 硬件容错设计17510.2.2 软件容错设计178习题188第11章 基于电压测量的智能仪器18911.1 智能数字电压表18911.1.1 智能数字电压表的结构18911.1.2 智能数字电压表主要技术指标19011.1.3 智能数字电压表的功能特点19111.1.4 智能数字电压表的输入电路19311.1.5 智能数字电压表的应用19411.2 智能数字万用表19811.2.1 概述19811.2.2 交流电压的测量19811.2.3 电流的测量20011.2.4 电阻的测量20011.2.5 智能数字万用表的设计20111.3 智能数字RLC测量仪20611.3.1 概述20611.3.2 RLC测量电路设计与分析208习题211第12章 基于时间测量的智能仪器21212.1 智能电子计数器基本原理21212.1.1 概述21212.1.2 通用电子计数器组成原理21312.2 电子计数器分析设计21712.2.1 数字频率计的设计21712.2.2 智能频率计电路分析22012.3 智能相位测量仪22312.3.1 原理分析22312.3.2 电路工作原理与设计224习题227第13章 基于波形测量的智能仪器22813.1 智能数字示波器基本原理22813.1.1 概述22813.1.2 智能数字示波器工作原理22913.1.3 智能数字示波器测量技术23013.2 智能数字示波器的通信接口23513.3 智能数字示波器的特点23613.4 智能数字示波器的使用238习题241第14章 虚拟仪器简介24214.1 概述24214.1.1 虚拟仪器的基本概念24214.1.2 虚拟仪器的特点24314.1.3 虚拟仪器的发展24314.2 虚拟仪器的组成结构24414.2.1 虚拟仪器的硬件系统24414.2.2 虚拟仪器的软件系统24514.3 虚拟仪器的软件开发平台24614.3.1 LabVIEW简介24614.3.2 LabVIEW软件包内容简介24714.3.3 虚拟仪器典型单元模块248习题250参考文献251