第六章智能仪器的自动测量与自检技术
？要点：1.仪器自动校准2.仪器自动测量3.硬件故障自检返回6.1 概述该仪器的优缺点主要体现在测量的准确性和可靠性上两个方面。传统仪器测量结果的准确性只能取决于仪器硬件各部分的精度和稳定性。传统仪器在其元件出现故障时，往往会给出测量结果的显示值或执行控制动作，但不会通知用户这是一个错误的结果。返回上一页 下一页 数字仪表的功能优势（1）自动测量功能 智能仪表具有自动校准、零点自动调整、触发电平自动调整、自动量程转换等功能，大大提高仪表 测量精度（2）自检功能） 如果智能仪表出现故障，需要能够自动检测和诊断故障，并提醒操作人员将影响降到最低，以确保整个设备的安全可靠运行。 system. 返回上一页 下一页 6.2 仪器的自动校准? 仪器测量参数的准确性受多种因素影响，如温度、湿度等，为了保证仪器在预定的精度，仪器必须定期校准。?传统的仪器校准是通过di来实现的直接测量已知的标准校准源，或通过与更高精度的类似仪器进行比较测量。当被校准仪器的测量出现误差时，需要手动调节内部可调装置（可调节电阻、可调电容、可调电感等），使显示值接近标准值。
返回上一页下一页6.2 仪器自动校准？智能仪器内含微处理器，可自动将获得的测试结果与已知标准值进行比较，量化测量的不确定度，并验证测量仪器是否在规定的指标范围内工作。 自动校准包括内部自动校准和外部自动校准。返回上一页 下一页 6.2 仪器自动校准 一、内部自动校准 内部自动校准技术是利用仪器的内部校准源，根据工作条件将各个功能和各个量程调整到最佳状态在差异较大的环境中工作时，内部自动校准实际上消除了环境因素对测量精度的影响，补偿了工作环境的变化和内部校准温度的变化。智能仪表采用内部自动校准技术，可去除常用的微调电位器和微调电容。所有内部调整都是通过存储的校准数据、可调增益放大器和可变电流源实现的。返回上一页 下一页 内部自动校准 1. 输入偏置电流的自动校准 在仪器的输入端连接一个屏蔽的 10MΩ 电阻盒。输入偏置电流 Ib 在电阻上产生压降，经过 A/D 转换后存储在非易失性校准存储器中。作为输入偏置电流的修正值。在正常测量中，微处理器根据校正值选择合适的数字量给D/A转换器，并通过输入偏置电流补偿电路产生补偿电流Ib'来抵消Ib，消除输入偏置引起的测量仪器误差电流。
返回上一页下一页 2. 零点漂移自动校准 将校准源的零输出连接到万用表的输入，进入零点校准模式。此时，万用表会在所选功能的某个量程上测量零点漂移，并将其存储在校准存储器中。正常测量时，只需从内存中提取该参数并从读数中减去即可得到校正。零偏校准前后的输入/输出特性返回上一页和下一页3。增益自动校准 增益自动校准的原理？微处理器通过输出端口控制仪表输入端接地，开始测量得到测量值N0，由仪表衰减器、放大器、A/D转换器等模拟元件产生零输出值N0。 微处理器控制输入端通过输出端连接参考电压VR，测得的输出数据为NR，并将N0、NR存入RAM的判断单元；?将仪器的输入端连接到被测信号Vx，此时的测量值为Nx，则测量结果为VRVx？ （N x？N0）NR？ N0 返回上一页 下一页 二、外部自动校准 外部校准应使用高精度的外部标准。在外部校准期间，应参考外部标准调整机载校准常数。有些智能仪器只需要操作者按下自动校准按钮，仪器显示屏会提示操作者输入标准电压。操作者按提示在输入端子上加上相应的标准电压后，再次按下按钮，仪器将继续工作。进行测量并将标准量（或标准系数）存储在“校准存储器”中，然后显示屏会提示输入下一个标准电压值，然后重复上述测量和存储过程。
当预定的校准测量完成后，校准程序还可以自动计算每两个校准点之间的插值公式的系数，并将这些系数存储在“校准存储器”中，以便它们存储在仪器内部提供校准表和内插公式系数表。在正式测量中，它们将与测量结果一起形成校正后的精确测量值。返回上一页下一页6.3 仪器的自动测量？软件算法实现了仅靠硬件难以实现的测量功能，提高了测量精度和可靠性。同时，仪器操作人员省去了很多繁琐的手动调整。 包括：触发电平自动调整和量程自动转换功能。返回上一页 下一页 6.3 仪器自动测量 一、 触发电平自动调整 触发电平自动调整原理 输入信号通过可编程衰减器传输到比较器，比较器的比较电平（即触发电平） ) 由微处理器控制，并由 D/A 转换器转换的值设置。当通过衰减器的输入信号幅度达到一定的比较电平时，比较器的输出将改变状态。触发检测器将检测到的比较器的输出状态发送给微处理器，即可测量触发电平。返回上一页下一页6.3 仪器自动测量一、触发电平自动调整假设智能仪器的输入电路有100V、10V和1V三个量程。粗调：确定输入波形的范围。编程微处理器通过输出口将衰减器设置到最高100V范围，然后发送不同的数字给D/A转换器，逐渐调整触发电平，然后用触发检测器检测比较器的输出是否正常被翻转。判断输入波形幅度是否在此范围内。
如果不存在，则降档直到检测到为止。微调：准确确定触发电平。向D/A转换器发送较小的间隔数字量，并以较小的步长值调整触发电平。返回上一页下一页二、自动量程转换？由于智能仪表中A/D转换器的输入电压通常为0~10V或-5~5V，如果直接将传感器的输出电压作为A/D输入电压，往往是其有效位A/D 转换器不能充分利用，影响测量精度。 自动量程转换：根据输入信号的大小，在短时间内自动选择最合理的量程。测量时，先选择合适的量程，再进行测量。有两种方法可以实现这一点：选择可编程放大器和选择不同量程的传感器。返回上一页下一页二、量程自动转换1.程控放大器程控放大器量程转换示意图转换从最大量程开始，逐步比较，直到选择最合适的量程。小幅度信号用大增益，大幅度信号用小增益，使A/D转换器信号满量程均匀。返回上一页 下一页 示波器基本结构 示波器基本结构框图操作（下周一)smart电压表如图，程控衰减器分为两级1、0.1，程控放大器增益分为100、1000 两级，A/D输入电压0～5V，分辨率5mV/bit； ①电压表可以测量的最小和最大电压值分别是多少显示?电压表量程可以分为多少个量程?10、100、1000 ②写出每个电压量程的量程，写出量程切换子程序的流程图。
0~0.5V, 0~0.05V\0~0.005V 程控衰减器 程控放大器 A/D 单片机 转换原理图 1#传感器最大量程为M 1, 2 # 传感器的最大量程为M2，且M1>M2，设置它们的满量程输出相同。测量时，总是1#传感器先投入运行，2#处于过载保护状态，软件判断确定量程后，置位标志位，选择量程M 1 或M 2 。该解决方案适用于具有廉价传感器的测量仪器。返回上一页下一页6.4硬件故障自检？为了提高系统的可靠性，降低故障率，需要对系统本身的运行状态进行监督检查，以保证系统的安全可靠运行。 自检是自动启动或人为触发执行预编程的检验程序的自检过程。可自动检测系统软硬件故障并给出相应提示（代码提示、闪烁灯、声音报警等）。 常见的自检包括开机自检、定期自检和键控自检。返回上一页下一页6.41。上电自检 硬件故障自检 仪器上电或复位后，仪器会进行自检，在后续测控过程中不再进行。 2. 定期自检 大多数智能仪器在运行过程中，应不断地、定期地插入自检操作。
这种自检是全自动的，在测量工作的间歇期完成，不干扰正常的测控任务。 3、按键自检 有些仪器在面板上设有自检按钮，由操作人员控制启动自检程序。返回上一页 下一页 一、RAM 自检情况： 程序运行前，检查是否可以正确读写数据。一般先将校验字“AAH”写入RAM单元，然后根据写入的单元地址逐字节读取，检查是否全为“AAH”；然后写入校验字“55H”，并按照写入的单元地址一步步进行。读取字节并检查是否全部为“55 H”。校验字“AAH”和“55H”都是电平相反的相邻位，“AAH”和“55H”互为反码。写“0”、读“0”和写“1”读“1”的操作可以循环一次实现。返回上一页和下一页 RAM 自检过程 1 返回上一页和下一页 256M 字节 DDR2 内存自检程序 Uint32 memfill32( Uint32 start, Uint32 len, Uint32 val) //内存填充 {Uint32 i , end = start + len, errorcount = 0;/* 写入模式 */ for (i = start; i
检查可以通过“异或”的方式进行，即从被检查的RAM单元中读取信息，取反后与原单元的内容进行异或运算。如果结果全为“1”，则表示单元工作正常，否则应给出错误指示。返回上一页 下一页 RAM 自检过程 返回上一页 下一页 二、ROM 自检设计思路 ROM 自检数据 ROM 地址 ROM 内容 备注 Checksum 方法：当被调试的程序固化到 ROM 中时, 预留一个单元（通常是程序结束后的后继单元）不写程序而是写校验字。校验字的状态应该是ROM中每一列都有奇数（或偶数）个1，这样校验和全为“1”（或全为“0”）。返回上一页 下一页 01 20034 5 6 710 01 校验字校验和 ROM 自检过程 返回上一页 下一页 三、Keyboard 并显示自检诊断程序执行一系列预定的 I/O 操作， operator 对这些 I/O 操作的结果进行验证，如果一切都与预定的结果一致，则认为该功能正常。如果某些预定的 I/O 操作无法完成或出现错误，则应检查并修复相关的 I/O 通道。返回上一页下一页三、键盘和显示器自检键盘的自检CPU每次反馈信息都会得到一个按钮关闭信号（最常用的反馈信息是声光输出） , 如果反馈信息与预设一致 如果一致自动测量设备，则认为功能正常。
？如果按下某个键，没有反馈信息，往往是按键接触不良；如果按一排键，没有反馈信号，则与相应的电路或扫描信号有关；？如果所有按键都没有反馈信息，则键盘扫描系统已瘫痪或监控程序已被破坏。返回上一页 下一页 显示设备的检查方法是第一种方法和第二种方法使显示器的所有字段都亮起来，然后使所有字段不亮来检查显示器和相应的接口电路处于正常工作状态。当显示正常工作时，按任意键应退出初始自检模式，并给出正常工作符号或状态；另一种是显示一些特征字符，通常是控制系统的名称或代码，一段时间后自动消失，进入另一种初始状态或某种运行状态。返回上一页 下一页 显示设备自检程序流程图 返回上一页 下一页 四、 输入通道自检 模拟量输入通道变送器部分自检？如果变送器内部或接线盒端子短路，Vin为24V，此时ADC转换的数字量为满量程（即数字量最大）；？如果变送器内部或接线盒端子开路，则Vin为0 V，ADC转换的数字量最小（通常为零）。返回上一页下一页 Transmitter and ADC 连接图 ADC自检部分 将参考电源连接到A/D转换器的输入端，开始测量，并将采样结果与ROM中的预设值进行比较，如果误差在允许范围内自动测量设备，则AD转换器正常，否则可以确定AD转换器故障。
返回上一页下一页五、输出通道自检间接参数判断方法是指根据模拟量输入采样值的变化来判断模拟量输出通道或数字量输出通道是否正常渠道。例如，一个输出数字量控制泵的启动和停止，管道安装了流量检测。当流量检测电路无故障时（上述直接参数判断方法可以通过自检来保证），不能只根据流量是否变化来判断开关。 ,驱动电路、继电器、交流接触器、热继电器、电机、泵及现场连接正常，可根据泵的流量特性在线判断泵的性能。返回上一页 下一页 输出通道自检程序流程图 返回上一页 下一页 六、Bus 自检的目的是检查外部总线通过缓冲区传输的信息是否正确。该方法首先向对应的锁存器执行输出命令，将地址总线和数据总线上的信息保存在锁存器中，然后再读取锁存器，从而将地址总线和数据总线上的信息重新读入CPU，并与原始输出信息比较，如果结果不一致，则说明外部总线故障。返回上一页下一页
