單片機在智能儀器方面里的應用

朱軍楠

【摘 要】 隨著微電子技術的發展，單板計算機隨之出現，采用單板機設計的新儀器可以大量存儲測量信息并能對測量結果進行實時分析、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進行智能儀器設計的優點以及設計過程，并通過實例說明智能儀器的整體設計方法和步驟。

【關鍵詞】 單片機 智能儀器 應用

早期的儀器儀表大多數采用邏輯電路的設計方法，主體結構是電子線路，主要用過電磁測量原理或將模擬信號轉化為數字信號進行測量，在單片機出現以后，設計者對傳統儀器進行改造，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算機技術為基礎而設計制造出來的新一代新型儀器。由于微機具有數據處理能力和很強的控制能力，可大大增強儀器的性能，簡化儀器的硬件電路，從而使儀器的結構和功能發生了根本性的變革。

1 單片機在智能儀器中應用的特點

智能儀器具有自動測量的功能、具有數據處理能力、能進行自動調零和單位換算、具有操作面板和顯示器、能進行簡單的故障提示，還有簡單的報警功能。單片機具有集成度高、功能強、可靠性高的特點，所以比較適合做儀器儀表的控制微機。下面根據儀器儀表的特點對單片機在儀器儀表應用中的優越性進行分析。

1.1 高速數據處理能力較強

一般的儀器儀表在完成一個周期的測量、計算和輸出操作后大概要在0.5s內完成。有些儀器儀表的計算較為復雜，要求有浮點運算能力、有正弦函數、開平方等計算功能。在智能儀器中對微機的運算能力和運算速度要求較高。MCS-51的時鐘可以達到12MHz，具有硬件乘除法指令，運算速度高，這使智能機器可進行高速計算，以完成儀器儀表所需的運算能力。

1.2 控制功能比較強

智能儀器的測量過程和測量電路都由微機來控制，可以省去常規儀器中的大量數字電路和各種開關。這些控制采用二進制的狀態位來控制，如測量啟動控制位，測量完成檢測位等。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I/O功能

一臺儀器包括各種功能部件，這些功能可以利用微機的各種接口芯片來完成，如并行I/O口、計數器、鍵盤顯示驅動接口、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，由于片內具有16-32位I/O線，兩個16位定時計數器，一個全雙工串行口和RAM等部件，可以大大簡化儀器儀表的硬件結構，降低儀器的造價。

2 單片機在智能儀器方面里的應用

智能儀器匯總由于采用了微計算機，不能再沿用傳統儀器儀表的設計方法，而應該用微計算機特有的特點進行設計，主要采用新型測量原理、硬件軟件化和增強功能等進行設計。由于微機具有告訴運算的能力，因此，可以用一臺儀器完成多個功能。

2.1 選擇單片機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，儀器不僅僅用來獲取數據，并且需要具有一定的計算機功能可以對數據做一定程度的處理和應用，這樣才能給測量者提供更多準確的信息。在智能儀器儀表中，目前的技術是選擇單片機作為微處理器，即將CPU、RAM、EPROM、中斷系統等集成在一個芯片上，構成簡單的單片計算機，這樣使得智能儀器中的微型計算機系統十分簡單。

隨著大規模、超大規模集成電路技術的發展，單片計算機技術發展的十分迅速，價格也正在降低，但是單片計算機的功能和用途不斷增多，越來越適應于智能儀器儀表行業、各種測試系統和工業控制。單片機憑借著小巧的體積、可靠性高、抗干擾能力強而逐步取代之前非Z80單板機。此外，智能機中采用單片機作為微處理器，不僅有助于擴展儀器的測量功能，而且有助于增加儀器的自檢能力，不斷豐富自檢內容，給儀器的使用和維修都帶來了幾大方便，在儀器自檢過程中它可以不影響正常的測量操作。

2.2 利用單片機進行智能儀器設計、調試

智能儀器以微處理器為核心、其中軟件設計、接口電路的工作占很大比重。基本設計步驟和調試過程遵循一點原則。智能儀器的設計首先要明確設計對象的要求和最終要達到的目標，并根據設計任務的要求擬定設計的計劃來優先選擇微處理器、輸入輸出方式、測試原理或者操作過程，以及為新產品的可靠性和可維修性設計的自檢和故障診斷方法。然后是軟件和硬件的設計，對完成設計要求進行方案的論證，最后應當提出軟件和硬件的設計框圖作為總體設計階段的結束。

在智能儀器設計時要處理好軟件和硬件的協調，一般在選擇單片機后，就要考慮設計方法。通常采用自頂向下或分解設計方法，將設計對象分為若干個可以相互獨立的子任務，確定完成的先后順序，在硬件設計時應當考慮智能儀器設計的體積和成本，并使得各種指標具體化，這將會在開發過程中多次反復修改，逐步深入。通常在沒有特殊要求的情況下，盡量用軟件來實現各部分所要求達到的目的，一時的智能儀器設計更加靈活、修改時候方便，成本也隨之降低。軟件的設計主要要考慮兩個方面：首先是自上而下的總體軟件計劃，其次是硬件的指標，這是軟件設計計劃必備的基礎。最后，軟硬件要做統一聯調，包括在開發系統上對軟件做仿真調試，在樣機上做電路仿真調試等。

3 結語

智能儀器結合了人工智能、計算機科學技術、數字信號處理技術、電子學、VLSI等新興技術，這些新興技術與傳統儀器儀表技術想結合，使得智能儀器的發展進入了新的時期。專用集成電路和個人儀器等相關技術的發展促使智能儀器在更寬廣的領域得以應用，作為智能儀器核心部件的單片計算機技術正是推動智能機器向小型化、靈活性化和多功能化轉變的動力和核心技術。從智能機發展的歷程來看，各種功能的智能儀器在不久的將來會應用在工農業的各個領域。

參考文獻

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