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目录1

绪论1

1 智能仪表原理与设计基础4

1.1　智能仪表原理4

1.2 设计基础4

1.2.1 需求分析与方案论证4

1.2.2　机型选择与嵌入式系统6

1.2.3　总线与结构8

1.3 设计原则与设计内容14

1.3.1 总体设计原则15

1.3.2　硬件设计16

1.3.3　软件设计23

1.3.4　产品设计步骤27

思考题与习题28

2　人机接口的设计29

2.1 开关及接口29

2.1.1 开关的基本形式29

2.1.2　互锁式开关29

2.1.3　数字拨码盘30

2.1.4　开关接口的工作方式30

2.2　按键、键盘及接口30

2.2.1　按键及其接口30

2.2.2　键盘及其接口33

2.3.1　LED数码显示器37

2.3　LED显示器及接口37

2.3.2 LED数码显示器与CPU的接口38

2.4　键盘、显示器接口设计41

2.4.1 由I/O端口支持的键盘、显示器接口电路41

2.4.2　键盘显示器专用接口芯片827942

2.4.3　键盘显示器专用串行接口芯片zlg7289A47

2.5 液晶显示器（LCD）及其接口57

2.5.1 液晶显示器的原理57

2.5.2　段码式液晶显示器58

2.5.3　字符点阵式液晶显示器及其接口60

2.5.4 图形点阵式液晶显示器62

2.6　打印机及其接口63

2.6.1　GP16微型打印机及其接口64

2.6.2　通信与集中打印66

思考题与习题66

3　数据采集技术与输入输出接口67

3.1 概述67

3.2　检测信号与数据放大器设计68

3.2.1　检测信号的形式68

3.2.2　集成运算放大器选择69

3.2.3　数据放大器的设计74

3.3 多路开关及其与微机的连接75

3.3.1　干、湿舌簧继电器与半导体多路开关75

3.3.2　常用半导体多路开关芯片77

3.3.3　多路开关的扩展78

3.3.4 多路开关芯片与微机连接78

3.4 采样保持器及其与微机的连接79

3.4.1　采样保持器工作原理80

3.4.2　常用采样保持器芯片81

3.4.3　采样保持器与微机的连接82

3.4.4　保持电容器的选择82

3.5 A/D、D/A转换器与微机的接口83

3.5.1 D/A转换器与微机的连接84

3.5.2 PWM输出（D/A）85

3.5.3　A/D转换器与微机的连接86

3.5.4 A/D、D/A转换的输入、输出形式与基准电压92

3.6　微机控制式A/D转换器94

3.6.1 微机控制间接比较型A/D转换器94

3.6.2　微机控制组合式高分辨率A/D转换器95

3.7.1　V/F转换原理及特点96

3.7　频率相位信号的采集及其接口96

3.7.2 V/F转换器芯片97

3.7.3　频率信号的采集方式与接口98

3.7.4　相差信号的采集100

3.8　数据采集缓存器的设置与保护101

3.8.1 双端口RAM数据缓存器101

3.8.2 1位RAM数据缓存器103

3.8.3　数据缓存区设置103

3.8.4　缓存区数据的保护104

3.9　数据采集系统的结构形式105

3.9.1 多芯片构成数据采集系统的几种形式105

3.9.2 单片数据采集系统106

思考题与习题107

3.9.3　嵌入式系统107

4.1 概述108

4　数据处理技术108

4.2　标度变换等处理技术与程序设计109

4.2.1 极值判断、分段测量技术及程序109

4.2.2　标度变换处理技术及程序110

4.3　数字滤波技术及其程序设计112

4.3.1 噪声的分析方法和分类113

4.3.2　叠加平均（总体平均）滤波法114

4.3.3 几种常用静态滤波程序114

4.3.4　自相关法滤波116

4.3.5　低通数字滤波器模型及程序117

4.4 数字线性化技术与程序设计118

4.3.6　其他数字滤波器118

4.4.1　连续函数拟合法119

4.4.2　插值法（分段拟合法）120

4.4.3　查表法123

4.5　零点漂移与增益误差的处理技术124

4.5.1 误差模型124

4.5.2 自校准电路125

4.5.3　测量系统的校准127

4.5.4　环境因素综合补偿技术与程序设计128

4.6　控制技术及其算法130

4.6.1 闭环（反馈式）仪表与控制技术130

4.6.2　控制算法131

4.7.1　相关测量原理137

4.7　相关测量及其算法137

4.7.2　相关算法与相关器139

思考题与习题146

5 多单片机系统与通信总线147

5.1 概述147

5.2 多单片机系统的结构与通信148

5.2.1 单片机串行口直接连接式148

5.2.2　SPI总线连接与通信式148

5.2.3　多端口存储器连接式149

5.2.4　共享总线式149

5.2.5　并口连接式151

5.2.6　多单片机系统的通信152

5.3　智能仪表的对外通信与标准总线153

5.3.1　数据通信与接口总线153

5.3.2　RS-232C串行接口总线标准155

5.3.3 RS-422、RS-423、RS-485接口总线标准158

5.3.4 USB接口总线159

5.3.5 IEEE-488并行接口总线标准163

5.3.6　IEEE-488接口166

5.4 现场总线与智能仪表168

5.4.1 现场总线的产生与发展168

5.4.2　现场总线的定义与特点169

5.4.3　现场总线仪表（智能仪表）170

5.4.4　现场总线通信技术173

5.5.1 TCP/IP协议与以太网概述178

5.5 TCP/IP协议与智能仪表上网178

5.5.2　协议与标准179

5.5.3　智能仪表接入Internet181

思考题与习题184

6 智能技术185

6.1 概述185

6.1.1 数值处理技术与符号处理技术185

6.1.2 智能技术的产生与发展186

6.1.3　智能程序设计语言186

6.2　模糊控制技术187

6.2.1 模糊集合188

6.2.2　隶属函数及其确定188

6.2.3 模糊集合中的基本定义和基本运算189

6.2.4 模糊关系190

6.2.5　模糊推理191

6.2.6　模糊控制器的设计194

6.2.7　模糊控制器设计实例197

6.3　软测量技术199

6.3.1 软测量技术的意义199

6.3.2　软测量技术的内容200

6.3.3　软测量技术的建模202

6.3.4 软测量技术应用实例203

6.4 专家系统207

6.4.1 概述207

6.4.2　知识的表示与获取209

6.4.3 基于知识的推理213

6.4.4　专家系统应用实例215

思考题与习题219

7　可靠性设计技术220

7.1 可靠性设计基础220

7.1.1 可靠性的基本概念220

7.1.2　影响仪表可靠性的因素222

7.2 可靠性保障基本技术224

7.2.1 系统方案设计时的可靠性原则224

7.2.2　元器件的合理选用224

7.2.3　元器件的筛选227

7.2.4　降额设计228

7.2.5 系统可靠性保障的其他问题229

7.3.1 电磁干扰的基本分析231

7.3　电磁兼容性设计231

7.3.2　电源抗干扰设计233

7.3.3　屏蔽与接地235

7.3.4　抗串模干扰的措施236

7.3.5　抗共模干扰的措施238

7.3.6　总线的可靠性设计239

7.4　软件抗干扰技术240

7.4.1 CPU抗干扰技术240

7.4.2　输入输出的抗干扰技术243

7.5　软件可靠性设计244

7.5.1 软件设计过程中的可靠性244

7.5.2　软件可靠性设计的一些具体措施245

7.5.3 人机界面的容错技术247

7.6　智能仪表的自诊断技术249

7.6.2 ROM的自诊断250

7.6.3 RAM的自诊断250

7.6.1 CPU的自诊断250

7.6.4 数据采集通道的诊断251

7.6.5　模拟输出通道的诊断251

7.6.6　人机界面的诊断252

7.6.7 自诊断程序253

思考题与习题253

8　智能仪表的仿真与调试254

8.1　智能仪表的建模254

8.2.1 力（力矩）平衡机构式智能仪表255

8.2.2 内旋转式浓度变送器简介255

8.2 智能仪表的建模与仿真实例255

8.2.3 内旋转式浓度变送器的模型256

8.2.4 内旋转式浓度变送器的动态特性分析258

8.2.5 内旋转式浓度变送器的数字仿真259

8.3 智能仪表中的CPLD应用设计260

8.3.1 CPLD概述260

8.3.2 CPLD器件及描述语言260

8.3.3 CPLD设计举例261

8.4　智能仪表的开发调试264

8.4.1 通用MDS开发264

8.4.2 简易MDS开发265

8.4.3 自开发266

8.4.4 JTAG调试266

参考文献272