單片機(jī)在智能儀器方面里的應(yīng)用

朱軍楠

【摘 要】 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單板計(jì)算機(jī)隨之出現(xiàn)，采用單板機(jī)設(shè)計(jì)的新儀器可以大量存儲(chǔ)測(cè)量信息并能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、綜合和作出各種判斷，即具有智能，被稱為智能儀器。本文提出了利用單片機(jī)進(jìn)行智能儀器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)以及設(shè)計(jì)過程，并通過實(shí)例說(shuō)明智能儀器的整體設(shè)計(jì)方法和步驟。

【關(guān)鍵詞】 單片機(jī) 智能儀器 應(yīng)用

早期的儀器儀表大多數(shù)采用邏輯電路的設(shè)計(jì)方法，主體結(jié)構(gòu)是電子線路，主要用過電磁測(cè)量原理或?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，在單片機(jī)出現(xiàn)以后，設(shè)計(jì)者對(duì)傳統(tǒng)儀器進(jìn)行改造，開始利用智能儀器。智能儀器一般是指以處理器或微電子計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)制造出來(lái)的新一代新型儀器。由于微機(jī)具有數(shù)據(jù)處理能力和很強(qiáng)的控制能力，可大大增強(qiáng)儀器的性能，簡(jiǎn)化儀器的硬件電路，從而使儀器的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了根本性的變革。

1 單片機(jī)在智能儀器中應(yīng)用的特點(diǎn)

智能儀器具有自動(dòng)測(cè)量的功能、具有數(shù)據(jù)處理能力、能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零和單位換算、具有操作面板和顯示器、能進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障提示，還有簡(jiǎn)單的報(bào)警功能。單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，所以比較適合做儀器儀表的控制微機(jī)。下面根據(jù)儀器儀表的特點(diǎn)對(duì)單片機(jī)在儀器儀表應(yīng)用中的優(yōu)越性進(jìn)行分析。

1.1 高速數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)

一般的儀器儀表在完成一個(gè)周期的測(cè)量、計(jì)算和輸出操作后大概要在0.5s內(nèi)完成。有些儀器儀表的計(jì)算較為復(fù)雜，要求有浮點(diǎn)運(yùn)算能力、有正弦函數(shù)、開平方等計(jì)算功能。在智能儀器中對(duì)微機(jī)的運(yùn)算能力和運(yùn)算速度要求較高。MCS-51的時(shí)鐘可以達(dá)到12MHz，具有硬件乘除法指令，運(yùn)算速度高，這使智能機(jī)器可進(jìn)行高速計(jì)算，以完成儀器儀表所需的運(yùn)算能力。

1.2 控制功能比較強(qiáng)

智能儀器的測(cè)量過程和測(cè)量電路都由微機(jī)來(lái)控制，可以省去常規(guī)儀器中的大量數(shù)字電路和各種開關(guān)。這些控制采用二進(jìn)制的狀態(tài)位來(lái)控制，如測(cè)量啟動(dòng)控制位，測(cè)量完成檢測(cè)位等。而MCS-51具有布爾處理功能，包括一整套微處理器指令和位控制輸入輸出功能，因而特別適用于儀器儀表的控制。

1.3 具有強(qiáng)I/O功能

一臺(tái)儀器包括各種功能部件，這些功能可以利用微機(jī)的各種接口芯片來(lái)完成，如并行I/O口、計(jì)數(shù)器、鍵盤顯示驅(qū)動(dòng)接口、各種A/D和D/A芯片以及各種通信接口等。如果利用單片機(jī)，由于片內(nèi)具有16-32位I/O線，兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行口和RAM等部件，可以大大簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，降低儀器的造價(jià)。

2 單片機(jī)在智能儀器方面里的應(yīng)用

智能儀器匯總由于采用了微計(jì)算機(jī)，不能再沿用傳統(tǒng)儀器儀表的設(shè)計(jì)方法，而應(yīng)該用微計(jì)算機(jī)特有的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要采用新型測(cè)量原理、硬件軟件化和增強(qiáng)功能等進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于微機(jī)具有告訴運(yùn)算的能力，因此，可以用一臺(tái)儀器完成多個(gè)功能。

2.1 選擇單片機(jī)作為智能儀器中的微處理器

由于微處理器和存貯器的配置，儀器不僅僅用來(lái)獲取數(shù)據(jù)，并且需要具有一定的計(jì)算機(jī)功能可以對(duì)數(shù)據(jù)做一定程度的處理和應(yīng)用，這樣才能給測(cè)量者提供更多準(zhǔn)確的信息。在智能儀器儀表中，目前的技術(shù)是選擇單片機(jī)作為微處理器，即將CPU、RAM、EPROM、中斷系統(tǒng)等集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成簡(jiǎn)單的單片計(jì)算機(jī)，這樣使得智能儀器中的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)十分簡(jiǎn)單。

隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的十分迅速，價(jià)格也正在降低，但是單片計(jì)算機(jī)的功能和用途不斷增多，越來(lái)越適應(yīng)于智能儀器儀表行業(yè)、各種測(cè)試系統(tǒng)和工業(yè)控制。單片機(jī)憑借著小巧的體積、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)而逐步取代之前非Z80單板機(jī)。此外，智能機(jī)中采用單片機(jī)作為微處理器，不僅有助于擴(kuò)展儀器的測(cè)量功能，而且有助于增加儀器的自檢能力，不斷豐富自檢內(nèi)容，給儀器的使用和維修都帶來(lái)了幾大方便，在儀器自檢過程中它可以不影響正常的測(cè)量操作。

2.2 利用單片機(jī)進(jìn)行智能儀器設(shè)計(jì)、調(diào)試

智能儀器以微處理器為核心、其中軟件設(shè)計(jì)、接口電路的工作占很大比重。基本設(shè)計(jì)步驟和調(diào)試過程遵循一點(diǎn)原則。智能儀器的設(shè)計(jì)首先要明確設(shè)計(jì)對(duì)象的要求和最終要達(dá)到的目標(biāo)，并根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求擬定設(shè)計(jì)的計(jì)劃來(lái)優(yōu)先選擇微處理器、輸入輸出方式、測(cè)試原理或者操作過程，以及為新產(chǎn)品的可靠性和可維修性設(shè)計(jì)的自檢和故障診斷方法。然后是軟件和硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)完成設(shè)計(jì)要求進(jìn)行方案的論證，最后應(yīng)當(dāng)提出軟件和硬件的設(shè)計(jì)框圖作為總體設(shè)計(jì)階段的結(jié)束。

在智能儀器設(shè)計(jì)時(shí)要處理好軟件和硬件的協(xié)調(diào)，一般在選擇單片機(jī)后，就要考慮設(shè)計(jì)方法。通常采用自頂向下或分解設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)對(duì)象分為若干個(gè)可以相互獨(dú)立的子任務(wù)，確定完成的先后順序，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮智能儀器設(shè)計(jì)的體積和成本，并使得各種指標(biāo)具體化，這將會(huì)在開發(fā)過程中多次反復(fù)修改，逐步深入。通常在沒有特殊要求的情況下，盡量用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各部分所要求達(dá)到的目的，一時(shí)的智能儀器設(shè)計(jì)更加靈活、修改時(shí)候方便，成本也隨之降低。軟件的設(shè)計(jì)主要要考慮兩個(gè)方面：首先是自上而下的總體軟件計(jì)劃，其次是硬件的指標(biāo)，這是軟件設(shè)計(jì)計(jì)劃必備的基礎(chǔ)。最后，軟硬件要做統(tǒng)一聯(lián)調(diào)，包括在開發(fā)系統(tǒng)上對(duì)軟件做仿真調(diào)試，在樣機(jī)上做電路仿真調(diào)試等。

3 結(jié)語(yǔ)

智能儀器結(jié)合了人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、電子學(xué)、VLSI等新興技術(shù)，這些新興技術(shù)與傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)想結(jié)合，使得智能儀器的發(fā)展進(jìn)入了新的時(shí)期。專用集成電路和個(gè)人儀器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展促使智能儀器在更寬廣的領(lǐng)域得以應(yīng)用，作為智能儀器核心部件的單片計(jì)算機(jī)技術(shù)正是推動(dòng)智能機(jī)器向小型化、靈活性化和多功能化轉(zhuǎn)變的動(dòng)力和核心技術(shù)。從智能機(jī)發(fā)展的歷程來(lái)看，各種功能的智能儀器在不久的將來(lái)會(huì)應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]孫煥根.電子測(cè)量和智能儀器.杭州：浙江大學(xué)出版社，1992.

[2]林克明 等.單片微機(jī)及其應(yīng)用.合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社，1989.

[3]趙依軍 等.單片微機(jī)接口技術(shù).北京：人民郵電出版社，1989.endprint