《智能仪器》第二版程德福林君课后习题参考答案文档格式.docx
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微机内嵌式智能仪器是将单片或多片的微处理器与仪器有机的结合在一起形成的单机。
（微处理器在其中起控制和数据处理作用。
其特点主要是：
专用或多功能；
采用小型化、便携或手持式结构；
干电池供电；
易于密封，适应恶劣环境，成本较低。
）
微机扩展式智能仪器是以个人计算机（PC）为核心的应用扩展型测量仪器。
（PCI的优点是使用灵活、应用范围广，可以方便的利用PC已有的磁盘、打印机及绘图仪器等获取硬拷贝。
PC数据处理功能强、内存容量大，因而PCI可以用于复杂的、高性能的信息处理。
1-7智能仪器设计是采用FPGA/CPLD有哪些优点？
P12
FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，他们除了ASIC的特点之外，还有以下优点：
（1）随着VLSI工艺的不断提高，FPGA/CPLD的规模也越来越大，所能实现的功能越来越强可以实现系统集成；
（2）FPGA/CPLD的资金投入小，研制开发费用低；
（3）FPGA/CPLD可反复的编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的EPROM就可实现不同的功能；
（4）FPGA/CPLD芯片电路的实际周期短；
（5）FPGA/CPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。
FPGA/CPLD适合于正向设计，对知识产权保护有利。
1-8为什么说嵌入式系统与片上系统（SOC）将使智能仪器的设计提升到一个新阶段？
P11
（1）嵌入式系统的深入发展将是智能仪器的设计提升到一个新的阶段，尤其是能运行操作系统的嵌入式系统平台，由于它具备多任务、网络支持、图形窗口、文件和目标管理等功能，并具有大量的应用程序接口（API），将会使研制复杂智能仪器变得容易；
（2）在片上系统设计中，设计者面对的不再是电路芯片而是根据所设计系统的固件特性和功能要求，选择相应得单片机CPU内核和成熟化的IP内核模块，消除了器件信息故障，加快了设计速度，片上系统将使系统设计发生革命性的变化。
第二章
2-1数据采集系统主要实现哪些基本功能？
P15
智能仪器的数据采集系统简称DAS，是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。
2-2简述数据采集系统的基本结构形式，并比较其特点。
P15-16
（1）集中采集式：
a分时采集型特点：
多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，简化了电路结构，降低了成本。
（但对信号的采集式由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换、轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据，这样就产生了时间偏斜误差。
b同步采集型特点：
在多路转换开关之前给每路信号通路各加一个采样保持器，使多路信号的采样在同一时刻进行，即同步采样。
（然后由各自的保持器保持着采样信号的幅值，等待多路转换开关分时切换进入公用的A/D电路将保持的采样幅值转换成数据输入主机。
这样可以消除分时采集型结构的时间偏斜误差，这种结构既能满足同步采集的要求，又比较简单。
不足之处：
在被测信号路数较多的情况下，同步采得的信号在保持器中保持的时间会加长，而保持器会有一些泄露，是信号有所衰减。
（2）分散采集式：
每一路信号一般都有一个S/H和A/D，不再需要模拟多路转换器MNX。
（每一个S/H和A/D之对本路信号进行模数转换即数据采集，采集的数据按一定的顺序或随机地输入计算机，根据采集系统中计算机控制结构的差异可以分为分布式单机采集系统和网络式采集系统。
2-3采样周期与那些因素有关，如何选择采样周期？
采样周期与被转换信号周期有关，采样周期应小于被转换信号最大周期的1/2。
2-4为什么要在数据采集系统中使用测量放大器？
P19
由于电路内有这样或那样的噪声源存在，是的电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。
把电路输出端测得的噪声有效值
折算到改电路的输入端即除以该电路的增益
，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声
，即
。
如果在高电路输入端的信号幅度
小到比该电路的
还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。
为了不使小信号被淹没，就必须在该电路前面加一级放大器。
2-5设计一个由8031单片机控制的程控隔离放大器增益的接口电路。
已知输入信号小于10mV,要求当输入信号小于1mV时,增益为1000,而输入信号每增加1mV时,其增益自动减少一倍，直到100mV为止。
提示：
正确设计硬件电路图；
正确编写控制程序；
完成仿真调试，实现基本功能；
硬件电路图：
程序框图：
程序：
数组合并测试程序：
#include<
iostream>
usingnamespacestd;
intmain（）
{
inti,j;
floatk;
floatC[72];
floatA[8]={1,1.5,2,2.7,3.3,5.1,6.8,10};
floatB[8]={1,1.5,2,2.7,3.3,5.1,6.8,10};
for（i=0;
i<
8;
i++）
for（j=0;
j<
j++）
C[i*8+j+1]=A[i]*B[j]/（A[i]+B[j]）;
}
cout<
<
C[64]<
endl;
{C[i+65]=A[i];
C[72]<
72;
72-i;
if（C[j]>
C[j+1]）
k=C[j];
C[j]=C[j+1];
C[j+1]=k;
for（i=1;
=72;
C[i]<
"
"
;
system（"
pause"
）;
数组排序测试源程序：
inti,b,c,d,e;
floata;
intgeti（floatc[36],floata）
if（a<
=c[35]）
c[i]<
a;
{}
returni-1;
elsereturn35;
intgetjk（intc[36],intb）
returnc[b];
floatB[36]={0.5,0.6,0.6667,0.7297,0.75,0.7674,0.8361,0.8571,0.8718,0.9091,0.9643,1,
1.0313,1.1489,1.1591,1.2289,1.2453,1.3044,1.35,1.4366,1.485,1.5455,1.65,1.6667,1.7654,1.9326,2.0036,2.126,2.2218,2.4812,2.55,2.9143,3.3775,3.4,4.0476,5};
intC[36]={77,76,75,74,66,73,72,65,71,70,64,55,63,54,62,61,53,60,44,52,43,51,33,50,42,
41,32,40,31,30,22,21,20,11,10,0};
cin>
>
b=geti（B,a）;
c=getjk（C,b）;
d=c/10;
e=c%10;
b<
endl<
c<
d<
e<
实验主程序：
#include"
SMC162.h"
TLC549.h"
sbitP1_5=P1^5;
unsignedchari,beishu,cod,p1,p2;
unsignedcharvolmax=0;
floatAp,f;
chardisplay[3],screen[3];
voiddelay（unsignedchardly）
unsignedcharj;
for（j=dly;
j>
0;
j--）;
chargeti（floatc[36],floata）
voidvppfun（unsignedcharvol）
if（vol>
volmax）
volmax=vol;
FloatcodeAmp[36]={0.5,0.6,0.6667,0.7297,0.75,0.7674,0.8361,0.8571,0.8718,0.9091,
0.9643,1,1.0313,1.1489,1.1591,1.2289,1.2453,1.3044,1.35,1.4366,1.485,1.5455,1.65,
1.6667,1.7654,1.9326,2.0036,2.126,2.2218,2.4812,2.55,2.9143,3.3775,3.4,4.0476,5};
UnsignedcharCD[36]={77,76,75,74,66,73,72,65,71,70,64,55,63,54,62,61,53,60,44,52,43,
51,33,50,42,41,32,40,31,30,22,21,20,11,10,0};
unsignedcharvolget;
intvoltcal;
chardisplay[4],screen[4];
LcdInit（）;
display[1]=-2;
PutStr（0,0,"
Pleasewait!
while
（1）
volget=TLC549_GetAD（）;
//AD数据获取
vppfun（volget）;
//峰值获取
if（P1_5==0）
delay（30）;
Ap=127.0/（volmax-128）;
//放大倍数获取
beishu=geti（Amp,Ap）;
//通过如已知倍数比较获取合适倍数
cod=CD[beishu];
//将倍数与引脚关系相对应
f=Amp[beishu];
p1=cod/10;
//获取P1引脚数值，CD4051选通
p2=cod%10;
//获取P2引脚数值，CD4051选通
P1=p1;
P2=p2;
voltcal=f*100;
display[0]=voltcal/100;
display[2]=（voltcal%100）/10;
display[3]=voltcal%10;
4;
screen[i]=display[i]+48;
TheAmpiis:
PutChar（i+6,1,screen[i]）;
仿真结果：
图1波形显示情况
图2最小放大倍数检测
图3最大放大倍数检测
2-6在设计数据采集系统式，选择模拟多路开关要考虑的主要因素是什么？
主要考虑减小串音干扰，具体为：
（1）
减小Ri，为此前级应采用电压跟随器；
（2）
选用Ron极小、Roff极大的开关管；
（3）
减少输出端并联的开关数N。
若N=1，则VN=0。
（4）减小串音应选用寄生电容小的MUX。
（5）模拟开关不用的输入端接地。
2-7能否说一个带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制？
为什么？
P46
不能说带有采样保持器的数据采集系统的采样频率可以不受限制。
因为在A/D转换器在进行转换时需要一定的时间，在这个转换时间内，被转换的模拟量应基本保持不变，否则转换精度没有保证，甚至根本失去看转换的意义。
所以转换时间
制约着转换信号的最高频率。
（式1），进而影响数据采集系统的采样频率
在A/D之前加上采样/保持器后
（式2），
为孔径时间。
由于
，所以由式2限定的信号频率远远高于式1限定的频率，采样/保持器扩展了被转换信号的范围，进而扩展了采样频率，但仍受
的限制，不能无限增大。
2-8在为一个数据采集系统选择微机时，主要考虑哪些因素？
（1）系统的通过速率，即系统速率、传输速率、采样速率或吞吐速率（单位时间内系统对模拟信号的采集次数）。
（2）系统的分辨率，即数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。
（3）系统的精度，当系统工作在额定速率下，系统采集的数值和实际值的差尽量要小。
2-9一个数据采集系统的采样对象是温室大棚的温度和湿度，要求测量精度分别是
±
1°
C和±
3%相对误差，每10min采集一次数据，应选择何种类型的A/D转换器和通道方案？
2-10如果一个数据采集系统，要求有1%级精度性能指标，在设计该数据采集系统时，怎样选择系统的各个元器件？
P55
通常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大，其他各环节如采样/保持器和A/D转换器等误差，可以按选择元器件精度的一般规则和具体情况而定，选择元器件精度的一般规则是：
每一个元器件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的10倍左右。
所以此题中传感器和信号放大电路的总误差可分配成0.9%，A/D转换器和S/H器和多路模拟开关分配0.1%，且每个组件的误差应不大于0.01%。
2-11一个带有采样/保持器的数据采集系统，其采样频率
试问系统的采样频率是否太高？
P47
，故系统的采样频率不高
第三章
3-1键盘有哪几种组成方式？
各自有何特点？
按键去抖有哪几种方法？
键盘的组成方式及特点P60-P63
（1）非编码键盘包括独立连接式非编码键盘（结构简单，但当键数较多时，就要占用多个接口）和矩阵式非编码键盘（可以减少键盘接口）。
非编码键盘处理软件复杂，硬件简单。
（2）编码键盘由硬件来识别键闭合、释放状态，由硬件消除键抖动影响以及实现一些保护措施的方法，可以节省CPU相当多的时间。
这种键盘处理软件简单，但硬件较复杂。
按键去抖动的方法：
硬件方法和软件方法。
通常在键的个数较少时可采取硬件措施，即用R-S触发器或单稳态电路来消除按键抖动。
键数较多时，常用软件反弹跳，及采用软件延时法。
3-2键盘接口主要解决哪些问题？
P60
（1）决定是否有键按下
（2）如果有键按下，决定是哪一个键被按下
（3）确定被按键的读书
（4）反弹跳-按键抖动的消除
（5）不管一次按键持续的时间多长，仅采样一个数据
（6）处理同时按键，即同时又一个以上的按键情况
3-3画出仅用8031单片机一个8位I/O实现4×
4矩阵式键盘的线反转识键的硬件原理图，并说明其工作原理。
以单片机的P3.0－P3.3各管脚作输入线，以单片机的P3.4－P3.7各管脚作输出线。
并行接口
1
+5V
工作原理：
从上到下依次设为D0~D7，
（1）将D3～D0设为列输入线，D7～D4设为行输出线，并使I／O输出信号D7～D4为0000。
若有键按下，与门的输出端变为低电平，向CPU申请中断，表示键盘中有键按下。
与此同时，D3～D0的数据输入到内存中的某一单元中，其中0位对应的是被按下键的列位置。
（2）将第一步中的传送方向反转过来，即将D7～D4设为输入线，D3～D0设为输出线。
使I／O口输出数据为N单元中的数（即D3～D0为按下键的列位置），然后读入I／O口数据，并送入内存N＋1单元中存放，该数据的D7～D4位中0电平对应的位是按下键的行位置。
最后，将N单元中的D3～D0与N＋1单元中的D7～D4拼接起来就是按下键的键值。
3-4LCD有那两种常用的驱动方式？
说明一种驱动方式的工作原理。
P65图3-8
（1）静态驱动方式
A端接交变的方波信号，B端接控制该段显示状态的信号。
从图中可以看出，当该段两个电极上的电压相同时，电极间的相对电压为0，该段不显示；
当两极上的电压相位相反时，两电极间的相对电压为两倍幅值的方波电压，该段显示，即呈黑色显示状态。
（2）
迭加驱动方式（时分割驱动法）
3-5试述当前集中常见触摸屏的工作原理。
P81-P82
（1）电阻式触摸屏电阻式触摸屏的主要部分是一块玉显示器表面紧密配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层叫ITO的透明导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮得塑料层，她的内表面也涂有一层导电层，在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点把他们隔开绝缘。
当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了一个结束，控制器检测到这个接通点并计算出X、Y轴的位置，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。
（2）红外线式触摸屏红外线式触摸屏以光束阻断技术为基础，不需要在原来的显示器表面覆盖任何材料，而是在显示屏幕四周安放一个光点距架框，在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线组成的栅格。
当有任何物体进入这个栅格的时候，就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，在红外线探测器上会收到变化的信号，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置，经由控制器将触摸的位置坐标传递给操作系统。
（3）电容式触摸屏把人体当作一个电容元件的电极使用，是利用人体的电流感应进行工作的。
电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏。
当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，当用户和触摸屏表面耦合出足够量的电容时，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流，这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这4个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置，
（4）表面声波式触摸屏通过屏幕纵向和横向边缘的压电换能器发射超声波来实现。
在各自对面的边缘装有超声波传感器，屏幕表面形成纵横交错的超声波栅格。
当收获触摸笔接近屏幕表面，接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口的位置既是触摸坐标。
3-6什么是同步通信方式和异步通信方式？
与RS-232标准相比，RS-422/485标准有何优点？
请说明RS-422/485标准为何有这样的优点。
同步通信方式：
在数据开始传送前用同步字符来指示，并由时钟来实现发送端和接收端同步，字符与字符间没间隙；
异步通信方式：
数据时一帧一帧（包括字符代码或一字节数据）传送的。
P88优点：
RS-232存在数据传输速率慢和传送距离短的缺点。
RS-422/485标准传输速率快，传送距离远。
因为RS-232发送器驱动电容负载的最大能力为2500pF，这就限制了信号线的最大长度。
RS-232规定的逻辑电平与一般处理器的逻辑电平不一致，须与转换电平芯片连接，通信距离小，传输速率小。
而RS-422/485的信号传输是利用信号导线之间的电相位差，传输距离远，速率高。
3-7两台智能仪器均以51系列单片机为主构成去内部的微机系统，当两台智能仪器采用RS-232标准仅用TXD、RXD信号进行通信时，试设计从一个仪器到另一个仪器之间利用串行通信的所有电路的原理图。
设两台仪器均只提供+5V电源。
TXD
RXD
T1IN
R1OUT
T1OUT
R2OUT
R2IN
T2OUT
T2IN
11
6
10
9
7
8
8031
MAX232A
P88图3-31
3-8画出将3-7题的通信标准换成RS-485后的电路连线图。
P92图3-36、图3-37
3-9简述USB总线的特点及优越性。
P92-P93
特点：
（1）USB接口统一了各种接口设备的连接头
（2）即插即用，并能自动检测与配置系统的资源
（3）具有“热插拔”的特性
（4）USB最多可以连接127个接口设备
（5）USB1.1的接口设备采用两种不同的速度:
12Mbit/s（全速）和1.5Mbit/s（慢速）。
USB2.0的传输速度最高可达到480Mbit/s。
优势：
（1）简化外部接口设备与主机之间的连线，并用一条传输缆线来串接各类型的接口设备
（2）可以在不需要重新开机的情况下安装硬件
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