《智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》在講述智能儀器工作原理的基礎(chǔ)上，介紹智能儀器的設(shè)計(jì)方法。主要內(nèi)容有智能儀器的輸入輸出通道、外設(shè)及其控制技術(shù)、通信接口等。以提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)，介紹智能儀器總體設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、軟件設(shè)計(jì)、抗干擾措施及減少測(cè)量誤差的設(shè)計(jì)方法。《智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》介紹智能儀器的一些新技術(shù)，理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)用性強(qiáng)。
《智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》是測(cè)控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)本科生教材，也可供測(cè)控技術(shù)、自動(dòng)化、電子、電力、機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參考。
儀器儀表是信息獲取的重要工具，它能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，用數(shù)值描述客觀事物，使人們從數(shù)量關(guān)系上認(rèn)識(shí)客觀世界。在自動(dòng)化、信息化社會(huì)中，儀器儀表的作用越來(lái)越重要。
智能化是儀器儀表的發(fā)展方向。智能儀器是一種新型儀器，它是測(cè)量技術(shù)、傳感器、計(jì)算機(jī)、微電子、信息處理、人工智能等多種技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能儀器功能強(qiáng)，性能指標(biāo)高，具有自校準(zhǔn)、自診斷等功能，目前廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防軍事、科學(xué)研究等部門。
智能儀器是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的主要專業(yè)課之一，通過(guò)這門課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生學(xué)會(huì)利用微處理器和電子線路設(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x器和測(cè)量系統(tǒng)的方法。本書在講解智能儀器工作原理的基礎(chǔ)上，介紹智能儀器的設(shè)計(jì)方法，講述如何根據(jù)功能指標(biāo)的要求進(jìn)行智能儀器總體設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)及器件的選擇；講述智能儀器的軟件設(shè)計(jì)方法；介紹抗干擾措施及減少測(cè)量誤差的設(shè)計(jì)方法。本書介紹一些智能儀器的新技術(shù)和常用的新型電子器件，突出實(shí)用性，使學(xué)生通過(guò)課程學(xué)習(xí)能夠掌握智能儀器及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
微處理器是智能儀器的核心。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種高檔單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和嵌入式系統(tǒng)（如ARM等）都在智能儀器中得到應(yīng)用，使智能儀器的功能和指標(biāo)得到很大提高。考慮到本科教學(xué)計(jì)劃和課程設(shè)置，本教材主要介紹以單片機(jī)為主的智能儀器設(shè)計(jì)。書中對(duì)CSP和ARM進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。學(xué)生只要掌握智能儀器的設(shè)計(jì)方法，在熟悉CSP和ARM的基礎(chǔ)上，完全可以設(shè)計(jì)基于[）St’和ARM的智能儀器。
全書共分9章，第1章緒論，簡(jiǎn)要介紹智能儀器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，智能儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展；第2章介紹智能儀器中常用的微處理器，包括各種單片機(jī)、DSP和.ARM等；第3章數(shù)據(jù)采集技術(shù)，介紹測(cè)量放大器、模擬多路開(kāi)關(guān)、采樣保持器、常用的A／D轉(zhuǎn)換器及其接口電路；第4章模擬量與控制信號(hào)輸出系統(tǒng)，介紹D／A轉(zhuǎn)換器及其接口電路、光耦合器和繼電器輸出與接口電路；第5章智能儀器外設(shè)及控制技術(shù)，介紹鍵盤處理技術(shù)、LED、LCD顯示處理技術(shù)、點(diǎn)陣式微型打印機(jī)和觸摸屏處理技術(shù)；第6章智能儀器中的通信接口技術(shù)，介紹串行和并行通信接口，包括RS——232C、RS一485標(biāo)準(zhǔn)串行接口、GP-IB（IEEE一488）總線、USB通用串行總線，并簡(jiǎn)要介紹了以太網(wǎng)接口技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線CAN和藍(lán)牙接口技術(shù)；第7章智能儀器的自檢與抗干擾技術(shù)，介紹硬件故障的自檢，在分析干擾源的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)要介紹智能儀器常用的硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)；第8章數(shù)據(jù)處理及程序設(shè)計(jì)，介紹查表、鏈表的插入、刪除、查找、排序等非數(shù)值處理方法和系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差的處理方法，介紹量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，介紹智能儀器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括監(jiān)控主程序、鍵盤管理、中斷管理及處理和子程序模塊；第9章介紹智能儀器的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)智能工頻電參數(shù)測(cè)量?jī)x、智能溫度數(shù)顯表及智能混合氣體識(shí)別儀實(shí)例，講述智能儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程。
本書是作者和哈爾濱工業(yè)大學(xué)電測(cè)教研室多年來(lái)從事智能儀器教學(xué)和科研工作的總結(jié)。1990年趙新民教授主編了《智能儀器原理及設(shè)計(jì)》，是國(guó)內(nèi)較早出版的關(guān)于智能儀器的教材。1999年對(duì)原書進(jìn)行修改，出版了《智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》（原機(jī)械工業(yè)部“九五”重點(diǎn)教材）。
前言
第1章 緒論1
1.1 概述1
1.1.1 儀器儀表的重要性1
1.1.2 從傳統(tǒng)儀器到智能儀器1
1.2 智能儀器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)2
1.2.1 智能儀器的結(jié)構(gòu)2
1.2.2 智能儀器的主要特點(diǎn)3
1.3 智能儀器的發(fā)展5
1.3.1 智能儀器的發(fā)展趨勢(shì)5
1.3.2 促進(jìn)智能儀器發(fā)展的新技術(shù)6
1.3.3 基于知識(shí)的高級(jí)智能儀器9
思考題與習(xí)題10
第2章 智能儀器中的微處理器11
2.1 智能儀器中微處理器的選擇11
2.2 MCS-51系列單片機(jī)11
2.2.1 基本型單片機(jī)12
2.2.2 精簡(jiǎn)型單片機(jī)12
2.2.3 精簡(jiǎn)增強(qiáng)型單片機(jī)13
2.2.4 高檔型單片機(jī)14
2.3 PIC系列單片機(jī)15
2.4 68系列單片機(jī)17
2.5 MSP-430系列單片機(jī)17
2.6 ARM單片機(jī)18
2.6.1 AT91系列ARM單片機(jī)19
2.6.2 LPC2100/LPC2200系列ARM單片機(jī)19
2.6.3 EP系列ARM單片機(jī)20
2.6.4 ARM單片機(jī)的選擇21
2.6.5 ARM單片機(jī)的應(yīng)用21
2.7 數(shù)字信號(hào)處理器22
2.7.1 DSP的特點(diǎn)22
2.7.2 TI公司的TMS320系列DSP23
2.7.3 TMS320C2000系列DSP簡(jiǎn)介24
2.7.4 DSP在智能儀器中的應(yīng)用24
思考題與習(xí)題25
第3章 數(shù)據(jù)采集技術(shù)26
3.1 概述26
3.2 測(cè)量放大器28
3.2.1 基本要求28
3.2.2 通用測(cè)量放大器29
3.2.3 可編程測(cè)量放大器30
3.2.4 隔離放大器30
3.2.5 放大器的設(shè)置31
3.3 模擬多路轉(zhuǎn)換器MUX33
3.3.1 模擬多路轉(zhuǎn)換器的功能33
3.3.2 模擬多路轉(zhuǎn)換器的配置33
3.3.3 常用的半導(dǎo)體多路轉(zhuǎn)換器芯片34
3.3.4 多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題37
3.4 采樣保持電路38
3.4.1 采樣保持器設(shè)置原則38
3.4.2 采樣保持器工作原理39
3.4.3 常用采樣保持器芯片40
3.4.4 保持電容器的選擇42
3.5 A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）及其接口設(shè)計(jì)42
3.5.1 ADC的主要技術(shù)指標(biāo)42
3.5.2 與單片機(jī)接口的考慮43
3.5.3 ADC的選擇44
3.5.4 抑制系統(tǒng)誤差的方法45
3.6 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器及其接口47
3.6.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理47
3.6.2 TLC2543介紹及其與微機(jī)的接口47
3.7 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器及其接口53
3.7.1 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的原理53
3.7.2 ICL7135硬件描述與輸出波形55
3.7.3 ICL7135與MCS-51單片機(jī)I/O直接連接接口56
3.8 Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器及其接口59
3.8.1 Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理59
3.8.2 Σ-Δ式AD7703介紹62
3.8.3 AD7703與單片機(jī)的接口64
3.9 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)66
3.9.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特性66
3.9.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析67
3.9.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分配舉例69
思考題與習(xí)題73
第4章 模擬量與控制信號(hào)輸出系統(tǒng)74
4.1 概述74
4.1.1 輸出通道的結(jié)構(gòu)74
4.1.2 輸出通道的特點(diǎn)75
4.2 模擬量輸出與接口75
4.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器原理75
4.2.2 技術(shù)特性76
4.3 集成DAC及其應(yīng)用77
4.3.1 DAC的分類77
4.3.2 單片集成DAC舉例77
4.3.3 DAC的應(yīng)用80
4.4 數(shù)字量輸出與接口83
4.4.1 光耦合器及其接口83
4.4.2 繼電器及其接口86
思考題與習(xí)題90
第5章 智能儀器外設(shè)處理技術(shù)92
5.1 鍵盤處理技術(shù)92
5.1.1 按鍵類型92
5.1.2 鍵抖動(dòng)、鍵連擊及串鍵的處理92
5.1.3 鍵盤處理步驟93
5.1.4 鍵盤的組織形式和工作方式94
5.1.5 非編碼鍵盤的處理94
5.1.6 編碼鍵盤的處理98
5.2 LED顯示處理技術(shù)98
5.2.1 LED數(shù)碼顯示器結(jié)構(gòu)與原理98
5.2.2 硬件譯碼與軟件譯碼100
5.2.3 靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示100
5.3 通用鍵盤/顯示器接口芯片HD7279A102
5.3.1 引腳功能、串行接口及其電特性102
5.3.2 HD7279A的時(shí)序103
5.3.3 HD7279A的控制指令105
5.3.4 HD7279A的應(yīng)用與注意事項(xiàng)108
5.3.5 HD7279A的接口程序設(shè)計(jì)實(shí)例109
5.4 LCD顯示處理技術(shù)111
5.4.1 LCD顯示器結(jié)構(gòu)與原理112
5.4.2 LCD顯示器驅(qū)動(dòng)方式112
5.4.3 段碼式LCD顯示器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)接口114
5.4.4 字符點(diǎn)陣式LCD顯示器接口116
5.5 打印處理技術(shù)125
5.5.1 點(diǎn)陣式微型打印機(jī)的工作原理125
5.5.2 GP-16微型打印機(jī)及其應(yīng)用126
5.6 觸摸屏處理技術(shù)129
5.6.1 觸摸屏的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)129
5.6.2 觸摸屏控制器ADS7843132
5.6.3 ADS7843接口方法135
5.6.4 實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題136
思考題與習(xí)題136
第6章 智能儀器中的通信接口技術(shù)138
6.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)138
6.1.1 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)138
6.1.2 差錯(cuò)控制技術(shù)140
6.1.3 通信規(guī)程與同步技術(shù)141
6.2 串行通信接口143
6.2.1 串行通信基本概念143
6.2.2 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口143
6.2.3 RS-422A與RS-423A標(biāo)準(zhǔn)串行接口146
6.2.4 RS-485標(biāo)準(zhǔn)串行接口147
6.2.5 智能儀器間串行通信實(shí)例149
6.3 并行通信接口153
6.3.1 Centronics標(biāo)準(zhǔn)并行接口153
6.3.2 GP-IB（IEEE-488）總線153
6.4 USB通用串行總線156
6.4.1 USB的特點(diǎn)156
6.4.2 USB的系統(tǒng)描述156
6.4.3 USB總線協(xié)議157
6.4.4 USB數(shù)據(jù)流158
6.4.5 USB的容錯(cuò)性能158
6.4.6 USB設(shè)備159
6.4.7 USB系統(tǒng)設(shè)置159
6.4.8 USB系統(tǒng)中的主機(jī)160
6.4.9 基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)例160
6.5 其他通信接口技術(shù)161
6.5.1 以太網(wǎng)接口技術(shù)161
6.5.2 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN165
6.5.3 藍(lán)牙接口技術(shù)166
思考題與習(xí)題166
第7章 智能儀器的自檢與抗干擾技術(shù)167
7.1 硬件故障的自檢167
7.1.1 自檢方式167
7.1.2 自檢算法167
7.1.3 自檢軟件169
7.2 常見(jiàn)干擾源分析171
7.2.1 串模干擾、共模干擾及電源干擾171
7.2.2 數(shù)字電路的干擾172
7.3 智能儀器硬件抗干擾技術(shù)174
7.3.1 串模干擾的抑制174
7.3.2 共模干擾的抑制176
7.3.3 輸入/輸出通道干擾的抑制177
7.3.4 總線的抗干擾設(shè)計(jì)180
7.3.5 地線干擾的抑制181
7.4 智能儀器軟件抗干擾技術(shù)182
7.4.1 CPU抗干擾技術(shù)182
7.4.2 輸入/輸出的抗干擾技術(shù)186
7.4.3 系統(tǒng)的恢復(fù)187
思考題與習(xí)題189
第8章 數(shù)據(jù)處理及程序設(shè)計(jì)190
8.1 測(cè)量數(shù)據(jù)的非數(shù)值處理190
8.1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)190
8.1.2 線性表查表技術(shù)191
8.1.3 鏈表的插入、刪除和查找195
8.1.4 排序198
8.2 系統(tǒng)誤差的數(shù)據(jù)處理201
8.2.1 系統(tǒng)誤差模型的建立201
8.2.2 系統(tǒng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)校正法205
8.2.3 非線性校正206
8.2.4 零位誤差和增益誤差的校正209
8.2.5 溫度誤差的補(bǔ)償210
8.3 數(shù)字濾波技術(shù)210
8.3.1 限幅濾波210
8.3.2 中位值濾波211
8.3.3 算術(shù)平均值濾波212
8.3.4 滑動(dòng)平均值濾波213
8.3.5 低通數(shù)字濾波215
8.4 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換216
8.4.1 一般要求216
8.4.2 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路舉例216
8.4.3 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的控制217
8.4.4 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路的保護(hù)218
8.5 智能儀器系統(tǒng)軟件的組成與設(shè)計(jì)220
8.5.1 監(jiān)控主程序220
8.5.2 鍵盤管理221
8.5.3 中斷管理及處理222
8.5.4 子程序模塊223
思考題與習(xí)題224
第9章 智能儀器設(shè)計(jì)及實(shí)例226
9.1 智能儀器設(shè)計(jì)的基本要求及原則226
9.1.1 智能儀器設(shè)計(jì)的基本要求226
9.1.2 智能儀器的設(shè)計(jì)原則226
9.2 智能儀器的設(shè)計(jì)研制過(guò)程227
9.3 智能工頻電參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)228
9.3.1 總體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)工作原理228
9.3.2 輸入電路設(shè)計(jì)及誤差分析231
9.3.3 CPU及采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)233
9.3.4 鎖相倍頻電路的設(shè)計(jì)235
9.3.5 RS-485串行通信接口電路設(shè)計(jì)及通信協(xié)議236
9.3.6 電磁兼容設(shè)計(jì)237
9.4 基于熱電偶的智能溫度數(shù)顯表的設(shè)計(jì)238
9.4.1 總體設(shè)計(jì)238
9.4.2 主要電路設(shè)計(jì)239
9.4.3 軟件設(shè)計(jì)242
9.5 智能混合氣體識(shí)別儀的設(shè)計(jì)243
9.5.1 總體設(shè)計(jì)243
9.5.2 電路設(shè)計(jì)244
9.5.3 氣體識(shí)別及檢測(cè)算法246
9.5.4 軟件設(shè)計(jì)246
思考題與習(xí)題248
參考文獻(xiàn)249
1.1 概述
儀器儀表是人類認(rèn)識(shí)世界的重要工具，是信息采集、信息測(cè)量和處理的重要手段和設(shè)備。儀器儀表廣泛地應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)研究和國(guó)防軍工等多個(gè)部門。科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，而儀器儀表是推動(dòng)科技進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1.1.1 儀器儀表的重要性
1. 儀器儀表是信息獲取的工具
儀器儀表是信息獲取的源頭，是重要的測(cè)量工具。儀器儀表通過(guò)測(cè)量獲取數(shù)據(jù)，定量準(zhǔn)確地描述被測(cè)對(duì)象的特性，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、處理和傳輸。儀器儀表是人類認(rèn)識(shí)世界的重要工具，假如沒(méi)有儀器儀表，就不能定量地認(rèn)識(shí)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、環(huán)境和產(chǎn)品，就不可能進(jìn)行檢驗(yàn)、控制或處理。在信息“采集-傳輸-處理”的信息獲取中，儀器儀表是源頭，因此人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到儀器儀表的重要性。正如錢學(xué)森院士所說(shuō)的那樣，“新技術(shù)革命的關(guān)鍵是信息技術(shù)。信息技術(shù)是由測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)三部分組成，其中，測(cè)量技術(shù)則是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。”
2.儀器儀表在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防軍工中發(fā)揮巨大作用
現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程離不開(kāi)儀器儀表，自動(dòng)化程度越高，需要的儀器儀表和傳感器就越多。儀器儀表作為實(shí)現(xiàn)采集、測(cè)量、處理和控制的重要手段和設(shè)備，對(duì)現(xiàn)代化生產(chǎn)具有先導(dǎo)作用，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著巨大的影響力和輻射能力。
“神七”的成功發(fā)射以及航天員出艙遨游太空的實(shí)現(xiàn)，是我國(guó)科技發(fā)展的新里程碑。從飛船的發(fā)射到返回整個(gè)過(guò)程，哪一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)準(zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，離不開(kāi)儀器儀表。各國(guó)在軍備競(jìng)賽中大力發(fā)展精確打擊武器，各種武器系統(tǒng)的打擊精度首先取決于測(cè)量的準(zhǔn)確度。
儀器儀表和測(cè)量控制技術(shù)是新技術(shù)革命的先導(dǎo)和基礎(chǔ)，先進(jìn)的科學(xué)儀器設(shè)備既是知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的前提，也是創(chuàng)新研究的主要內(nèi)容和創(chuàng)新成果的體現(xiàn)。在諾貝爾物理和化學(xué)獎(jiǎng)中，大約有四分之一與科學(xué)儀器有關(guān)，如電子顯微鏡、CT斷層掃描儀、掃描隧道顯微鏡等。
關(guān)于儀器儀表的重要作用，還可以舉出許多實(shí)例，總之，儀器儀表的發(fā)展水平是國(guó)家技術(shù)水平和綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)，能不能創(chuàng)造高水平的新式科學(xué)儀器和設(shè)備，體現(xiàn)了一個(gè)民族、一個(gè)國(guó)家的創(chuàng)新能力。因此，各國(guó)都非常重視儀器儀表的發(fā)展。
1.1.2 從傳統(tǒng)儀器到智能儀器
智能儀器是一類新型的電子儀器，它由傳統(tǒng)電子儀器發(fā)展而來(lái)，但又同傳統(tǒng)的電子儀器有很大區(qū)別：特別是微處理器的應(yīng)用，使電子儀器發(fā)生了重大的變革。
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