智能仪器设计/尚振东

《智能仪器设计》在内容编排上既体现了智能仪器工程设计的系统性和新颖性，又加强了工程应用的针对性和实用性。

全书共分十二章，内容包括：智能仪器的总体设计、信号测取与放大、信号的转换、数据采集系统、界面设计、测试总线技术、仪器结构设计、电磁兼容设计和智能仪器可测性设计等，每章均附有一定数量的习题与思考题。

尚振东，男，1968年11月生，副教授，工学硕士，毕业于哈尔滨工程大学，研究方向：智能仪器设计、控制理论及系统、个人服务机器人技术及应用、现代测试技术及应用。主持或参加完成国家和省部级科研项目9项，横向课题10项。获河南省科技进步二等奖两项，河南省教育厅科技进步二等奖三项，洛阳是科技进步一等奖一项，在该领域发表论文30余篇，其中5篇EI收录，获得授权专利7项，出版著作5部。目前承担国家863项目一项，其他项目多项。

第1章绪论 1.1概述 1.1.1仪器仪表 1.1.2从传统仪器到智能仪器 1.1.3智能仪器的组成和结构 1.1.4智能仪器的主要特点和发展趋势 1.2课程的主要内容和学习方法 思考题与习题 第2章总体设计 2.1概述 2.1.1智能仪器设计过程 2.1.2总体设计及其内容 2.2设计任务来源和分析 2.2.1设计任务来源 2.2.2设计任务分析 2.3功能规划和指标确定 2.4设计原则与原理 2.4.1阿贝原则及其扩展 2.4.2平均读数与误差分离原理 2.4.3比较测量原理 2.4.4补偿原理 2.4.5标准量细分原理 2.4.6其他设计原则 2.5布局与结构设计 2.6数据采集系统设计 2.7智能仪器通信设计 2.8人机接口设计 2.9电源及功耗设计 2.9.1智能仪器的电源设计 2.9.2智能仪器低功耗设计 2.10总体设计的验证和评审 2.10.1总体设计的验证 2.10.2总体设计的评审 思考题与习题 第3章传感器与放大器设计 3.1概述 3.2传感器 3.2.1传感器组成 3.2.2传感器分类 3.2.3传感器的选择 3.2.4传感器的应用技术 3.3信号放大器 3.3.1前置放大器 3.3.2信号放大器的常见形式 3.3.3常用放大器器件及应用 思考题与习题 第4章模数转换电路设计 4.1A/D转换器 4.2比较型A/D转换器 4.2.1逐次比较型A/D转换器的工作原理 4.2.2ADC0809的工作原理及应用 4.2.3AD574A的工作原理及应用 4.3双积分型A/D转换器 4.3.1双积分型A/D转换器的工作原理 4.3.2双积分型A/D转换器的特点 4.3.35G14433的工作原理及应用 4.3.4ICL7135的工作原理及应用 4.4V/F型A/D转换器 4.4.1V/F型A/D转换器的特点 4.4.2LM331的工作原理及应用 4.5∑Δ型A/D转换器 4.5.1工作原理 4.5.2AD7703的工作原理及应用 4.5.3CS5360的工作原理及应用 4.6A/D转换器的选用 4.7信号输出与D/A转换器 4.7.1输出通道的信号种类 4.7.2D/A转换器的性能指标与选用 4.7.3常用D/A转换器 思考题与习题 第5章数据采集通道设计 5.1概述 5.1.1数据采集通道基本组成 5.1.2数据采集通道的特性 5.2数据采集通道的结构 5.2.1集中采集式 5.2.2分散采集式 5.2.3应用实例 5.3数据采集通道的误差分析 5.3.1采样误差 5.3.2模拟电路的误差 5.3.3A/D转换器的误差 5.3.4数据采集通道误差的计算 5.3.5数据采集通道的误差分配实例 思考题与习题 第6章微处理器与可编程器件设计 6.1微处理器 6.2单片机 6.2.1单片机的特点和选择 6.2.2MCS51系列单片机 6.2.3PIC系列单片机 6.2.468系列单片机 6.2.5MCS296系列单片机 6.2.6MSP430单片机 6.2.7ARM单片机 6.3DSP 6.3.1DSP的主要结构 6.3.2DSP的选择和应用 6.4多微处理器系统 6.4.1概述 6.4.2多单片机系统的结构 6.5可编程逻辑器件 6.5.1概述 6.5.2CPLD简介 6.5.3FPGA简介 思考题与习题 第7章软件设计 7.1概述 7.2软件开发环境与编程语言 7.2.1软件开发环境 7.2.2编程语言 7.3结构化程序设计和软件系统结构分析 7.3.1层次结构 7.3.2功能结构 7.3.3进程结构 7.4软件系统的规划和设计步骤 7.4.1软件系统的规划 7.4.2软件系统的设计步骤 7.5数据处理算法 7.5.1概述 7.5.2常用数据处理算法 7.6软件设计实例 7.6.1系统功能 7.6.2硬件电路 7.6.3软件系统规划 7.6.4软件系统框架 思考题与习题 第8章人机界面设计 8.1人机界面 8.1.1人机界面设计概述 8.1.2可用性设计 8.2人机界面的设计原则 8.3人因工程学及其应用 8.3.1人因工程学 8.3.2视觉 8.3.3听觉 8.3.4触觉 8.3.5多感觉 8.3.6人体尺寸及肢体的能力 8.3.7人体对环境的要求 8.4人机界面硬件设计 8.4.1面板构成与布置 8.4.2键盘及其分类 8.4.3显示器 8.4.4显示设计 8.4.5微型打印机 8.5人机界面的软件设计 8.5.1概述 8.5.2直接编程法 8.5.3状态变量法 8.5.4图形用户界面法 8.6人机界面设计的评价 思考题与习题 第9章通信总线与接口设计 9.1数据通信 9.1.1数据通信的基本概念 9.1.2接口总线 9.2串行标准总线 9.2.1RS232C串行接口总线标准 9.2.2RS422、RS423、RS485接口总线标准 9.2.3USB接口总线 9.3并行标准总线 9.3.1GPIB并行接口总线 9.3.2VXI总线 9.3.3CompactPCI和PXI总线 9.4现场总线 9.4.1概述 9.4.2现场总线通信技术 9.5智能仪器上网与TCP/IP协议 9.5.1概述 9.5.2协议与标准 9.5.3以太网接口模块 思考题与习题 第10章结构设计 10.1概述 10.2智能仪器结构设计常用材料 10.2.1金属材料 10.2.2非金属材料 10.3造型设计 10.4常见机箱机柜类型 10.4.1机壳类 10.4.2机箱类 10.4.3机柜类 10.4.4机箱结构方案选择 10.5智能仪器热设计 10.5.1智能仪器的热环境 10.5.2智能仪器热控制的目的 10.5.3热控制的基本要求 10.5.4热控制的基本原则 10.5.5热控制的方法 10.6振动与冲击的隔离 10.7电磁兼容性结构设计 10.8结构的其他设计 思考题与习题 第11章电磁兼容设计 11.1电磁兼容 11.2硬件抗干扰技术 11.2.1屏蔽技术与传输技术 11.2.2接地技术 11.2.3隔离技术 11.2.4布线与配线 11.2.5滤波器 11.2.6灭弧技术 11.2.7电源干扰的抑制 11.3软件干扰抑制技术 11.3.1软件抗干扰的前提条件 11.3.2数据采集误差的软件对策 11.3.3控制状态失常的软件对策 11.3.4程序运行失常的软件对策 思考题与习题 第12章可测性设计 12.1故障诊断 12.1.1故障模型 12.1.2故障测试 12.1.3模拟电路故障检测 12.1.4数字电路的故障检测 12.1.5自检安排 12.2智能仪器的调试 12.2.1可测性设计 12.2.2智能仪器调试过程 12.2.3模拟电路的调试 12.2.4数字电路的调试 12.2.5软件程序的调试 12.2.6开发系统 12.2.7JTAG调试 12.2.8远程更新软件 12.3智能仪器的标定 12.3.1概述 12.3.2测控系统的静态标定 12.3.3测控系统的动态标定 12.3.4力测量装置的标定 12.3.5温度测量装置的标定 12.4智能仪器设计文件 思考题与习题 参考文献

当今世界已进入信息时代，并迈向知识经济时代。以信息技术为主导的高技术为各行各业的发展提供了极大的支持，并推动着各行各业的变革与发展。测量控制与仪器作为对物质世界的信息进行采集、处理、控制的基础手段和设备，是信息产业的源头和重要组成部分。随着科学技术尤其是电子信息、IT产业和通信技术、计算机技术的飞速发展，生产装备和产品的电子化、数字化、自动化和智能化的程度越来越高，与之配套的仪器仪表的内涵较之以往也发生了很大变化。其自身结构已从单纯机械结构、机电结合和机光电结合的结构发展成为集传感技术、计算机技术、电子技术、现代光学、精密机械等多种高新技术于一身的系统，其应用也从单纯数据采集发展为集数据采集、信号传输、信号处理以及控制为一体的测控过程。特别是进入21世纪以来，随着计算机网络技术、软件技术、微纳米技术的发展，测控技术呈现出虚拟化、网络化和微型化的发展趋势，从而使仪器仪表学科的多学科交叉及多系统集成而形成的边缘学科的属性越来越明显。 综合了测量技术、电子技术、自动化技术和计算机技术于一体的智能仪器系统的研发成为国内外厂商的重大课题。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。国内高等院校和相关研究机构很早就展开了有关智能仪器的研究和教学，为智能仪器专业人才培养发挥了重大作用。 与国内已经出版的同类书籍相比，本书更加注重从工程视角审视智能仪器的整体问题。随着芯片集成度的提高，很多情况下只要选择合适的、内嵌了所需功能部件的单片机就可满足要求，而无须扩展其他功能芯片。因此，将各种器件与单片机接口相关内容尽量删减，而把与智能仪器设计至关重要的总体设计作为重点讲解，对传感器与放大器、模数转换电路等数据采集通道、微处理器与可编程器件、软件、人机界面、通信总线、机械结构、电磁兼容和自检调试等对智能仪器功能指标密切相关的内容进行讨论。在介绍相关器件内容时，略讲其工作原理，将重点放在器件的选择和应用上。考虑到智能仪器的种类千差万别，应用场合纷繁复杂，难以找到覆盖面广、典型和通用的参照实例，因此，本书没有专设一章讲述智能仪器实例，而是在介绍相关知识时，根据需要选择与其相对应的实例，穿插其中。 本书第1章是“绪论”，从仪器仪表的地位、发展历史等，介绍智能仪器的一些基本知识。第2章是“总体设计”，介绍智能仪器的总体设计的内容和方法，总体设计关系着一项设计任务的成败。第3章是“传感器与放大器设计”，讲述传感器的分类和选用方法，介绍放大电路的工作原理。第4章是“模数转换电路设计”，介绍A/D转换器和D/A转换器的类型和选用方法。第5章是“数据采集通道设计”，介绍数据采集通道结构和误差分析方法。数据采集通道是包括智能仪器在内的所有仪器的主要环节，其精度直接关系智能仪器的精度。第6章是“微处理器与可编程器件设计”，介绍微处理器选择和当前流行的单片机类型，以及多单片机系统和可编程逻辑器件。第7章是“软件设计”，介绍有关数据处理、误差处理、标度变换和自动测量等算法，使学生对智能仪器软件设计有所了解。 第8章是“人机界面设计”，介绍常见显示器、键盘、打印机的特点和选用方法，以及与人机操作关系密切的监控程序编程方法。第9章是“通信总线与接口设计”，介绍智能仪器中的主流总线标准和通信接口设计方法。第10章是“结构设计”，介绍整机模块的布局和包括机箱、机壳、机柜在内的机械结构设计。第11章是“电磁兼容设计”，介绍智能仪器软硬件抗干扰设计和容错设计的基本知识。第12章是“可测性设计”，介绍智能仪器系统检测、校准与检定的基本知识，以及智能仪器的调试方法。 本书作为本科生教材的参考教学时数为32~40学时。使用本书时应先安排学习电子技术、微机原理、检测技术、控制理论等课程，为本课程的学习打好基础。学习时应注意结合实际，分析实例，进行必要的实验，完成一定的习题。研究生教学应安排课程设计，加强设计与调试训练，提高学生的学习效果和解决问题的能力。 本书融合了作者多年的工程实际经验，是作者多年科研和教学的积累。编写本书旨在为高等学校仪器仪表及自动化类专业的本科生及研究生提供一本工程视角的教材或教学参考书。 本书的第1、2、8、10章由河南科技大学尚振东编写，第3、4、5章由河南理工大学张登攀编写，第6、7、9章由河南工业大学牛群峰和徐回忆编写，第11、12章由河南科技大学蔡海潮编写。全书由尚振东、张登攀和牛群峰统稿并任主编。 本书由北京航空航天大学博士生导师王中宇教授和河南科技大学博士生导师韩建海教授审阅。他们为本书提出了很多宝贵的意见和建议，在此深表谢意。 本书的出版得到了清华大学出版社的大力支持，在此表示感谢。 由于作者水平有限，书中难免存在一些缺点和错误，恳请广大读者批评指正。 编者2018年10月