单片机在智能仪器方面里的应用

朱军楠

【摘 要】 随着微电子技术的发展，单板计算机随之出现，采用单板机设计的新仪器可以大量存储测量信息并能对测量结果进行实时分析、综合和作出各种判断，即具有智能，被称为智能仪器。本文提出了利用单片机进行智能仪器设计的优点以及设计过程，并通过实例说明智能仪器的整体设计方法和步骤。

【关键词】 单片机 智能仪器 应用

早期的仪器仪表大多数采用逻辑电路的设计方法，主体结构是电子线路，主要用过电磁测量原理或将模拟信号转化为数字信号进行测量，在单片机出现以后，设计者对传统仪器进行改造，开始利用智能仪器。智能仪器一般是指以处理器或微电子计算机技术为基础而设计制造出来的新一代新型仪器。由于微机具有数据处理能力和很强的控制能力，可大大增强仪器的性能，简化仪器的硬件电路，从而使仪器的结构和功能发生了根本性的变革。

1 单片机在智能仪器中应用的特点

智能仪器具有自动测量的功能、具有数据处理能力、能进行自动调零和单位换算、具有操作面板和显示器、能进行简单的故障提示，还有简单的报警功能。单片机具有集成度高、功能强、可靠性高的特点，所以比较适合做仪器仪表的控制微机。下面根据仪器仪表的特点对单片机在仪器仪表应用中的优越性进行分析。

1.1 高速数据处理能力较强

一般的仪器仪表在完成一个周期的测量、计算和输出操作后大概要在0.5s内完成。有些仪器仪表的计算较为复杂，要求有浮点运算能力、有正弦函数、开平方等计算功能。在智能仪器中对微机的运算能力和运算速度要求较高。MCS-51的时钟可以达到12MHz，具有硬件乘除法指令，运算速度高，这使智能机器可进行高速计算，以完成仪器仪表所需的运算能力。

1.2 控制功能比较强

智能仪器的测量过程和测量电路都由微机来控制，可以省去常规仪器中的大量数字电路和各种开关。这些控制采用二进制的状态位来控制，如测量启动控制位，测量完成检测位等。而MCS-51具有布尔处理功能，包括一整套微处理器指令和位控制输入输出功能，因而特别适用于仪器仪表的控制。

1.3 具有强I/O功能

一台仪器包括各种功能部件，这些功能可以利用微机的各种接口芯片来完成，如并行I/O口、计数器、键盘显示驱动接口、各种A/D和D/A芯片以及各种通信接口等。如果利用单片机，由于片内具有16-32位I/O线，两个16位定时计数器，一个全双工串行口和RAM等部件，可以大大简化仪器仪表的硬件结构，降低仪器的造价。

2 单片机在智能仪器方面里的应用

智能仪器汇总由于采用了微计算机，不能再沿用传统仪器仪表的设计方法，而应该用微计算机特有的特点进行设计，主要采用新型测量原理、硬件软件化和增强功能等进行设计。由于微机具有告诉运算的能力，因此，可以用一台仪器完成多个功能。

2.1 选择单片机作为智能仪器中的微处理器

由于微处理器和存贮器的配置，仪器不仅仅用来获取数据，并且需要具有一定的计算机功能可以对数据做一定程度的处理和应用，这样才能给测量者提供更多准确的信息。在智能仪器仪表中，目前的技术是选择单片机作为微处理器，即将CPU、RAM、EPROM、中断系统等集成在一个芯片上，构成简单的单片计算机，这样使得智能仪器中的微型计算机系统十分简单。

随着大规模、超大规模集成电路技术的发展，单片计算机技术发展的十分迅速，价格也正在降低，但是单片计算机的功能和用途不断增多，越来越适应于智能仪器仪表行业、各种测试系统和工业控制。单片机凭借着小巧的体积、可靠性高、抗干扰能力强而逐步取代之前非Z80单板机。此外，智能机中采用单片机作为微处理器，不仅有助于扩展仪器的测量功能，而且有助于增加仪器的自检能力，不断丰富自检内容，给仪器的使用和维修都带来了几大方便，在仪器自检过程中它可以不影响正常的测量操作。

2.2 利用单片机进行智能仪器设计、调试

智能仪器以微处理器为核心、其中软件设计、接口电路的工作占很大比重。基本设计步骤和调试过程遵循一点原则。智能仪器的设计首先要明确设计对象的要求和最终要达到的目标，并根据设计任务的要求拟定设计的计划来优先选择微处理器、输入输出方式、测试原理或者操作过程，以及为新产品的可靠性和可维修性设计的自检和故障诊断方法。然后是软件和硬件的设计，对完成设计要求进行方案的论证，最后应当提出软件和硬件的设计框图作为总体设计阶段的结束。

在智能仪器设计时要处理好软件和硬件的协调，一般在选择单片机后，就要考虑设计方法。通常采用自顶向下或分解设计方法，将设计对象分为若干个可以相互独立的子任务，确定完成的先后顺序，在硬件设计时应当考虑智能仪器设计的体积和成本，并使得各种指标具体化，这将会在开发过程中多次反复修改，逐步深入。通常在没有特殊要求的情况下，尽量用软件来实现各部分所要求达到的目的，一时的智能仪器设计更加灵活、修改时候方便，成本也随之降低。软件的设计主要要考虑两个方面：首先是自上而下的总体软件计划，其次是硬件的指标，这是软件设计计划必备的基础。最后，软硬件要做统一联调，包括在开发系统上对软件做仿真调试，在样机上做电路仿真调试等。

3 结语

智能仪器结合了人工智能、计算机科学技术、数字信号处理技术、电子学、VLSI等新兴技术，这些新兴技术与传统仪器仪表技术想结合，使得智能仪器的发展进入了新的时期。专用集成电路和个人仪器等相关技术的发展促使智能仪器在更宽广的领域得以应用，作为智能仪器核心部件的单片计算机技术正是推动智能机器向小型化、灵活性化和多功能化转变的动力和核心技术。从智能机发展的历程来看，各种功能的智能仪器在不久的将来会应用在工农业的各个领域。

参考文献

[1]孙焕根.电子测量和智能仪器.杭州：浙江大学出版社，1992.

[2]林克明 等.单片微机及其应用.合肥：中国科技大学出版社，1989.

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