第八章：智能仪器设计实例(1设计原则与设计步骤)

AT89C2051是一个功能强大的单片机，它只有20个引脚，
15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双
向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个
全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。 同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件 设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、 串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电
二、智能仪器设计3原则
1.从整体到局部(自顶向下)的设计原则
2.较高的性能价格比原则
3.组合(集成)化与开放式设计原则
1.从整体到局部设计原则
在硬件或软件设计时，把复杂的、难处理的问题，分为 若干个较简单的、容易处理的问题，然后再一个个地加以解
决。
仪器功能和要求
提出总任务 绘制硬件和软件总功能框图 分解成可独立表征的 一批子任务，单独的实体进行设计和调试 子任务分解： 足够简单容易实现
化、模块化，并配有现场故障诊断程序，一旦发生故障，能
保证有效地对故障进行定位，以便更换相应的模块，使仪器 尽快地恢复正常运行。
4.仪器工艺结构与造型设计要求
仪器结构工艺:是影响可靠性的重要因素，首先要依据
仪器工作环境条件，是否需要防水、防尘、防爆密封，是否 需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构； 仪器的造型设计:总体结构的安排、部件间的连接关系、 面板的美化等都必须认真考虑，最好由结构专业人员设计， 使产品造型优美、色泽柔和、外廓整齐、美观大方。
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市场竞争日趋激烈；
满足用户不同层次和不断变化的要求。
在电子工业和计算机工业中推行一种不同于传统设计思 想的所谓“开放系统”的设计思想。
“开放系统”的设计思想
在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际可能出发，又
留下容纳未来新技术机会的余地；
向系统的不同配套档次开放，兼顾设计周期和产品设计， 并着眼于社会的公共参与，为发挥各方面厂商的积极性创造 条件； 向用户不断变化的特殊要求开放，兼顾通用的基本设计 和用户的专用要求。
开放式系统设计的具体方法
基于国际上流行的工业标准微机总线结构，针对不同的 用户系统要求，选用相应的有关功能模块组合成最终用户 的应用系统。 系统设计者将主要精力放在分析设计目标，确定总体结 构，选择系统配件等方面，而不是放在部件模块设计及用 于解决通用软件的开发设计上。
组合化（集成化）设计方法
3．仪器综合调试及整机性能测试
系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错误，并解决硬件和
软件之间的协调问题。
硬件调试
静态调试
动态调试
查板、电源、芯 片
测试软件
测试wenku.baidu.com序
软件调试
初级子程序调试 模块程序调试
不需要调用其它 子程序
监控程序调试
性能测试
按照设计任务书规定的设计要求拟定一个测试方案，对各项功 能和指标进行逐项测试。如果某项指标不符合要求，还得查明 原因，作相应调整；直至完全达到设计要求为止。
低级子任务
采用通用模块 最低的难度 最高的可靠性
在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单成熟的方案， 意味着元器件少，开发、调试、生产方便，可靠性高。
2.较高的性能价格比原则
仪器的造价：研制成本、生产成本、使用成本。
样机研制成本：系统设计、调试和软件开发，硬件成本不是 考虑的主要因素。
开放式体系结构和总线系统技术发展，导致了工业测控系
统采用组合化设计方法的流行，即针对不同的应用系统要求，
选用成熟的现成硬件模板和软件进行组合。 组合化设计的基础是模块化(又称积木化)，硬、软件功能 模块化是实现最佳系统设计的关键。
组合化设计方法的优点
现成的功能模块，简化设计并缩短设计周期。 结构灵活，便于扩充和更新，使系统的适应性强。 维修方便快捷。 功能模板可以组织批量生产，使质量稳定并降低成本。
三、智能仪器的研制步骤
确定设计任务并拟定设计方案
三 个 阶 段
硬件和软件研制
软硬件综合调试 整机性能测试和评估
1.确定设计任务、拟定设计方案
项目调研,了解现状和动向，
明确任务、确定指标功能
写出设计任务书
拟定设计方案
拟定设计方案
《仪器设计任务书》
确定微机系统的构成 硬件与软件的划分、折衷
硬件设计方案
EMC设计
3.便于操作和维护
易操作性
在仪器设计过程中，应考虑操作方便，尽量降低对操作 人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。 仪器的控制开关或按钮不能太多、太复杂，操作程序应 简单明了，从而使操作者无需专门训练，便能掌握仪器的使 用方法。
可维护性
智能仪器应有很好的可维护性，为此，仪器结构要规范
生产成本：生产数量越大，每台产品的平均研制费就越低， 仪器硬件成本对产品的生产成本有很大影响。 使用成本：维护费、备件费、运转费、管理费、培训费等。 设计时不盲目追求复杂、高级的方案。必须综合分析后做 出选用方案的正确决策。
3．组合(集成)化与开放式设计原则
智能仪器系统面临三个突出的问题： ★ 产品更新换代太快；
第八章
第一节 第二节
智能仪器设计实例
智能仪器的设计原则及研制步骤 智能电子频率计的研制
第一节 智能仪器的设计原则及研制步骤
智能仪器的研制开发是一个较为复杂的过程。为完成仪器
的功能，实现仪器的指标，提高研制效率，并能取得一定的研
制效益，应遵循正确的设计原则、按照科学的研制步骤来开发
智能仪器。
智能仪器设计
2.可靠性要求
仪器可靠性是最突出也是最重要的性能。
直接影响测量结果的正确与否
将影响工作效率 仪器信誉 在线检测与控制类仪器更是如此，由于仪器的故障造成 整个生产过程的混乱，甚至引起严重后果。
应采取各种措施提高仪器的可靠性，从而保证仪器能长 时间稳定工作。 可靠性设计与实验 硬件可靠性设计 软件可靠性设计
INT0中断入口 初始化
保存计数值TR0、TH0、TL0清零 BC D码转换
软件译码
调显示子程序
返回
INT0中断服务程序流程图
模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止
工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
2 主要电路工作原理 分频器
AT89C2051单片机内部的2个计数器均是16位的，因此 最大计数范围为216。若闸门时间为1s，则所测信号最高频率
为65.535 Hz。为实现频率较高信号的测量，采用3片74HC90 构成1/10、1/100和1/1000分频器，这样，理论上可测信号的 最高频率为65.535 MHz。分频后的信号通过数据选择器送入 CPU的T0端，数据选择器受CPU的P1.0和P1.1控制。
3. 系统频率测量原理
根据单片机AT89C2051中计数器T0的方式1可知，T0计 数脉冲控制电路中，有一个方式电子开关，当C/T为“0”时， 方式电子开关打在上面，以振荡器的12分频信号作为T0的 计数信号，此时作为定时器使用；C/T为“1”时，方式电子 开关打在下面，此时以T0（P3.5）引脚上的输入脉冲作为T0 的计数脉冲，这种情况下可对外界脉冲进行计数。C/T的状 态可由T0的方式寄存器TMOD进行设置。因为系统中需对输 入T0（P3.5）端的信号进行计数，所以将C/T设为“1”。
设计自动换挡子程序时，将计数器T0设为方式1，C/T位置 “1”。此时, T0为16位计数方式，不分频时测试的信号最大频 率为216Hz。若计数器T0 溢出产生中断，便进入换挡设置子程 序，增大分频比，直至T0不溢出。若分频比较大，输入信号频 率较小，则逐渐减小分频比，程序由此实现自动换挡的功能。
显示子程序采用典型的显示程序。
OSC
÷12
C/T
FCN
T0 TR0 GATE INT0 TR
Fin 控制 ＋
TL0
TH0
TF1
中断
定时器T 0方式1结构图
根据定时器T0 的结构原理，系统中将GATE位、TR0 均 设为“1”，INT0端输入标准闸门信号，内部同时开启外中断 EX0。当时基信号到来时，计数器T0闸门打开，并开始计数； 当时基信号的下降沿到来时，计数器T0闸门关闭，同时INT0 产生中断，此时将TR0 清零，计数器停止计数，读取TL0 、
时基电路
闸门信号的产生由CD4060和CD4013完成。CD4060 构成石英晶体振荡器和分频器，将32768Hz晶体振荡信号 分频为2 Hz信号，再经过CD4013双D触发器4分频获得持 续时间为1s，频率为0.5Hz的时基（闸门）信号。闸门信 号送入单片机的INT0端，用来控制T0计数器的启停。
GND C1
7 4HC9 0 1 12 CP1 QA 14 11 CP0 QD 2,3 R 6,7 0 14 R9 10 R1 11 CD40 6 0
C out
1 ∶1 00 0 1 ∶1 00 1 ∶1 0 1 ∶1
14 13 12 11
CD40 5 1 12 13 15 3 12 OUT 14 11 11 A0 13 10 10 A1 1/2
TH0 的数据（设为N）并保存。由测频公式可知，此数据即
为被测信号的频率值（因为系统中闸门时间为1 s）：
N fX Tg
fin
Tg TR0
fCN
频率测试时序图
3 软件设计
软件程序除主程序外，主要包括INT0 中断服务程序、自 动换挡子程序和显示子程序。 INT0 中断服务程序的流程图如下页图所示，主要完成测 频、BCD码转换、译码等功能。
软件设计方案
2．硬件、软件研制阶段 硬件研制
采用功能强的芯片以简化电路
修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地
自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路 硬件抗于扰措施 线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排 等问题， 必须考虑到安装、调试和维修的方便。
软件设计研制
软件设计作一个总体规划，选择平台 程序功能块划分 确定算法 分配系统资源和设计流程图 编写代码 程序调试和纠错、各部分程序连接及系统总调
Q
6 3 12 CD40 1 3 D CLK S CD40 1 3 D CLK S 1/2
Q
1 00 P 3 27 68 Hz C2 1 00 P GND
Q14
Cin REST
Q R
Q R
键盘
GND
智能型频率计的电路结构框图
AT89C2051是一个低电压， 高性能CMOS 8位单片机， 片内含2k bytes的可反复擦 写的只读Flash程序存储器 和128 bytes的RAM，兼容 标准MCS-51指令系统。
由上图可以看出，当GATE为0时，只要TR0 为“1”，计
数控制开关的控制端即为高电平，使开关闭合，计数脉冲加
到定时器T0 允许T0 计数。当GATE为“1”时，仅当TR0为“1” 且INT0引脚上输入高电平时，控制端为高电平，控制开关闭 合，允许T0计数。TR0为“0”或INT0输入低电平都可控制开关 断开，禁止T0计数。
一、基本要求
二、设计原则 三、研制步骤
一、智能仪器设计的基本要求
1. 技术(经济)指标及功能
2. 可靠性
3. 便于操作和维护
4. 工艺结构与造型设计
1.技术指标及功能应满足要求
主要技术指标 精度、分辨力、测量范围、工作环境条件、稳定性。 经济指标 研制投入、市场价格、需求量、利税、节能 应具备的功能 输出、人机对话、通信、报警提示、仪器状态的自动 调整等。
7 4HC9 0 11 INPUT 整形 放大 1 CP1 14 CP 2,3 0 R 6,7 0 R9 12 QA 11 QD 12
7 4HC9 0 1 CP1 14 CP 2,3 0 R 6,7 0 R9 GND 12 QA 11 QD 13 显示器
Rx D TxD AT8 9C20 51 8 T0 P1.0 P1.1 INT0 P2口
第二节 智能电子频率计研制
一 频率计实例
1 频率计的系统结构
智能型频率计以单片机AT89C2051为控制芯片。由其完 成电路中待测信号的计数、译码和显示，以及对分频比的控 制。智能型频率计的电路结构框图如下页图所示。待测信号 经 放 大 整形 后 ， 由分 频 器 进行 分 频 ， 分 频 后 的信 号 再 经 CD4051选择后送入单片机的T0端进行计数，分频比受单片机 控制。时基信号发生器主要产生脉宽为1s的闸门信号，并输 入单片机的INT0端，用以启停T0的计数。计数的结果经软件 译码后送入数码显示器显示。