智能仪表系统设计与开发

第11章智能仪表系统设计与开发

11.1 系统设计

11.2 抗干扰设计

11.3 智能仪表设计实例

11.1 系统设计

11.1.1系统设计的基本要求

一、可靠性要高

Ø在设计时对系统的应用环境要进行细致地了解，认真分析可能出现的各种影响系统可靠性的因素，采取切实可行的措施排除故障隐患。

Ø在总体设计时应考虑系统的故障自动检测和处理功能。在系统正常运行时，定时地进行各个功能模块的自诊断，并对外界的异常情况做出快速处理。对于无法解决的问题，应及时切换到后备装置或报警。

二、使用和维修要方便

Ø尽量降低对操作人员的计算机专业知识的要求，以便于系统的广泛使用。

Ø系统的控制开关不能太多，不能太复杂，操作顺序应简单明了，参数的输入/输出应采用十进制，功能符号要简明直观。

三、性能价格比要高

11.1.2系统设计的步骤

一、确定任务

Ø必须以市场需求为前提。

Ø具体实现进行规划。

包括应该采集的信号的种类、数量、范围，输出信号的

匹配和转换，控制算法的选择，技术指标的确定等

二、方案设计

Ø单片机机型和器件的选择

ü性能特点要适合所要完成的任务，避免过多的功能闲置；

ü性能价格比要高，以提高整个系统的性能价格比；

ü结构原理要熟悉，以缩短开发周期；

ü货源要稳定，有利于批量的增加和系统的维护。

Ø硬件与软件的功能划分

ü在CPU时间不紧张的情况下，应尽量采用软件。

ü回路多、实时性要求强，则要考虑用硬件完成。

三、硬件设计

Ø单片机电路设计

主要完成时钟电路、复位电路、供电电路的设计。

Ø扩展电路设计

主要完成程序存储器、数据存储器、I/O接口电路的设计。

Ø输入/输出通道设计

主要完成传感器电路、放大电路、多路开关、A/D转换电路、D/A转换电路、开关量接口电路、驱动及执行机构的设计。

Ø控制面板设计

主要完成按键、开关、显示器、报警等电路的设计。

四、软件设计

Ø单片机应用系统的软件通常应包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机联系程序、数据管理程序。

Ø软件设计采用模块化程序设计、自顶向下的程序设计方法。

11.2 抗干扰设计

11.2.1 电源干扰及其抑制

单片机应用系统的可靠性是极为重要的。在影响单片机系统可靠性的诸多因素中，电源干扰可谓首屈一指。据统计计算机应用系统的运行故障有90% 以上是由电源噪声引起的。

一、交流电源干扰及其抑制

电网上的尖峰干扰交流电源滤波器

二、直流电源抗干扰措施

（1）采用高质量集成稳压路单独供电

单片机的应用系统中往往需要几种不同电压等级的直流电源。

这时，可以采用相应的低纹波高质量集成稳压电路。每个稳压电路

单独对电压过载进行保护，因此不会因某个电路出现故障而使整个

系统遭到破坏。而且也减少了公共阻抗的互相耦合，从而使供电系

统的可靠性大大提高。

（2）采用直流开关电源

直流开关电源是一种脉宽调制型电源。它甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高、电网电压范围宽、变化时不易输出过电压和欠电压，在计算机应用系统中应用非常广泛。这种电源一般都有几个独立的电压输出，如±5V，±12，±24V等，电网电压波动范围可达～220V 的＋10%至－20%，同时直流开关电源还具有较好的初、次级隔离作用。

（3）采用DC－DC变换器

如果系统供电电网波动较大，或者精度要求高，可以采用DC－DC变换器。DC－DC变换器的特点是，输入电压范围大、输出电压稳定且可调整、效率高、体积小、有多种封装形式。近年来在单片机应用系统中获得了广泛的应用。

11.2.2 地线干扰及其抑制

在计算机应用系统中，接地是一个非常重要的问题。接地问题处理的正确与否，将直接影响系统的正常工作。一、一点接地和多点接地的应用

在低频电路中，布线和元件间的寄生电感影响不大，因而常采用一点接地，以减少地线造成的地环路。在高频电路中，布线和元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线间的耦合，影响比较突出，此时应采用多点接地。

通常，频率小于1MHz时，采用一点接地；频率高于10MHz时，采用多点接地；频率处于1至10MHz时，若采用一点接地，其地线长度不应超过波长的二十分之一。否则，应采用多点接地。

二、数字地与模拟地的连接原则

Ø数字地是指TTL或CMOS芯片、I/O接口电路芯片、CPU芯片等数字逻辑电路的接地端，以及A/D、D/A转换器的数字地。

Ø模拟地是指放大器、采样保持器和A/D、D/A中模拟信号的接地端。

Ø在单片机系统中，数字地和模拟地应分别接地。即使是一个芯片上有两种地也要分别接地，然后在一点处把两种地连接起来，否则，数字回路通过模拟电路的地线再返回到数字电源，将会对模拟信号产生影响。

三、印刷电路板的地线分布原则

（1）TTL、CMOS器件的接地线要呈辐射网状，避免环形；（2）板上地线的宽度要根据通过的电流大小而定，最好不小于3mm。在可能的情况下，地线尽量加宽；

（3）旁路电容的地线不要太长；

（4）功率地通过电流信号较大，地线应较宽，必须与小信号地分开。

四、信号电缆屏蔽层的接地

信号电缆可以采用双绞线和多芯线，又有屏蔽和无屏蔽两种情况。双绞线具有抑制电磁干扰的作用，屏蔽线具有抑制静电感应干扰的作用。

对于屏蔽线，屏蔽层最佳的接地点是在信号源侧（一点接地）。