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智能仪器是以微型计算机或者微处理器为核心的测量仪器，具有对数据存储、运算、逻辑判断及自动补偿、校正、自动化操作等功能。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，在电子测量、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。智能仪器的出现，极大地扩充了仪器的应用范围。本书主要介绍“智能仪器”的基本原理、硬件结构与电路设计、软件规划和各功能模块设计方法，是作者编写的《单片机原理与应用》的升级版，是编著者总结多年教学经验，并参考国内同类书籍精心编写而成。全书共14章，内容包括微处理器的选择，软件系统设计概述，数字信号输入/输出通道、模拟信号输入/输出通道，总线与通信系统，时钟系统，人机接口，常用数据处理功能，可靠性设计，基于电压测量、时间测量、波形测量的智能仪器和C51编程与实验指导等。为突出智能仪器的特点，本书加重了软件设计的份量，减少了与其他课程雷同的硬件设计内容。为配合教学，每章均附有一定数量的练习与思考题。本书可作为高等院校工科电子类本科专业教材或培训教材，也可作为电子技术人员从事单片机应用系统研制开发的参考书。

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ISBN：9787121290473

开本：16开

页数：320

字数：538.0

本书目录

第1章  绪论	1
1.1  智能仪器的结构特点	1
1.1.1  什么叫智能仪器	1
1.1.2  智能仪器的特点	1
1.1.3  智能仪器的硬件系统组成	2
1.1.4  智能仪器的软件系统组成	2
1.2  智能仪器的设计思路	3
1.2.1  智能仪器的基本设计方法	3
1.2.2  智能仪器的设计过程	3
1.2.3  智能仪器的统调测试方法	5
1.3  智能仪器的发展	6
1.4  虚拟仪器	7
习题	8
第2章  微处理器的选择	9
2.1  基于8051内核的单片机	9
2.1.1  STC89系列单片机	10
2.1.2  STC15Fxx系列单片机	11
2.1.3  STC15Wxx系列单片机	12
2.1.4  其他系列单片机	13
2.2  基于ARM内核的单片机	14
2.2.1  ARM概念及其发展	14
2.2.2  ARM选型与应用	15
2.3  DSP数字处理器	16
2.3.1  DSP技术概念及其发展	16
2.3.2  DSP处理器的主要结构特点	16
2.3.3  DSP的选择与应用	17
习题	18
第3章  软件系统设计概述	20
3.1  软件开发环境与编程语言	20
3.1.1  开发环境的选择	20
3.1.2  编程语言的选择	20
3.2  软件系统的结构分析	21
3.2.1  层次结构	21
3.2.2  功能结构	21
3.3  软件系统的规划	22
3.4  软件系统的设计步骤	23
3.4.1  设计和调试硬件接口模块	23
3.4.2  建立软件系统的框架	24
3.4.3  设计和调试各个功能模块	25
3.4.4  整机测试	25
3.5  实例分析	25
3.5.1  系统功能概述	25
3.5.2  硬件系统概述	26
3.5.3  软件系统的规划	26
3.5.4  软件系统的框架	27
习题	29
第4章  开关量数字信号的输入/输出	30
4.1  开关量信号的输入	30
4.1.1  开关量信号输入通道结构	30
4.1.2  开关量输入接口	30
4.2  开关量信号的输出	36
4.2.1  输出驱动接口的隔离	36
4.2.2  小功率直流负载驱动接口电路	36
4.2.3  中功率直流负载驱动接口电路	37
4.2.4  固体继电器输出接口电路	38
4.3  电动机驱动电路	40
4.3.1  直流电动机调速驱动原理	40
4.3.2  直流电动机调速驱动电路	41
4.3.3  步进电动机驱动原理	41
4.4  键盘与显示接口	46
4.4.1  矩阵键盘	46
4.4.2  ADC采样键盘	48
4.4.3  触摸键盘	49
4.4.4  数码静态显示接口	52
4.4.5  数码动态显示接口	55
4.4.6  液晶显示（字符式、点阵式）	59
习题	60
第5章  模拟信号的输入/输出	62
5.1  模拟信号的输入	62
5.1.1  A/D转换器件的选择	62
5.1.2  模拟输入通道的设计	63
5.1.3  其他A/D转换模式介绍	68
5.2  模拟信号的输出	70
5.2.1  D/A转换器件的选择	70
5.2.2  模拟输出通道的设计	70
5.2.3  PWM型D/A转换器	74
习题	76
第6章  总线与通信系统	77
6.1  通用接口总线GP-IB	77
6.1.1  GP-IB标准接口概述	77
6.1.2  GP-IB接口芯片	80
6.2  串行通信标准RS-232与RS-485	80
6.2.1  RS-232标准及接口芯片	80
6.2.2  RS-485标准及接口芯片	81
6.2.3  串行通信程序设计	82
6.3  其他总线与通信技术简介	86
6.3.1  通用串行总线USB	86
6.3.2  现场总线CAN	87
6.3.3  工业以太网	88
6.3.4  蓝牙技术	89
6.3.5  电力线载波通信	89
习题	91
第7章  时钟系统	92
7.1  硬件时钟	92
7.1.1  概述	92
7.1.2  时钟数据的写入	94
7.1.3  时钟数据的读取	95
7.2  软件时钟	96
7.2.1  概述	96
7.2.2  软件时钟的运行	97
7.3  时钟的使用	98
7.3.1  定时任务的管理	98
7.3.2  时间间隔的测量	100
7.3.3  时间长度的控制	100
习题	101
第8章  人机接口	102
8.1  显示部件	102
8.1.1  发光二极管	102
8.1.2  数码管	103
8.1.3  液晶显示屏	106
8.2  微型打印机	114
8.2.1  GP-16微型打印机的接口
      电路	114
8.2.2  GP-16微型打印机的使用	115
8.3  键盘	118
8.3.1  键盘的类型及接口电路	118
8.3.2  键盘信号的可靠采集	120
8.4  监控程序设计	124
8.4.1  监控程序的基本概念	124
8.4.2  系统状态分析	126
8.4.3  基于顺序编码的监控程序
      设计	130
8.4.4  基于特征编码的监控程序
      设计	132
8.4.5  基于菜单操作的监控程序
      设计	137
习题	140
第9章  常用数据处理功能	141
9.1  数据处理	141
9.1.1  数据类型的选择	141
9.1.2  定点运算子程序库的使用	141
9.1.3  浮点运算子程序库的使用	142
9.2  误差处理	144
9.2.1  随机误差的处理	144
9.2.2  系统误差的处理	145
9.2.3  粗大误差的处理	146
9.3  标度变换	148
9.3.1  线性标度变换	148
9.3.2  非线性标度变换	149
9.4  常用自动测量功能	152
9.4.1  自动量程转换	152
9.4.2  自动校正	153
9.4.3  自动补偿	156
习题	158
第10章  可靠性设计	159
10.1  抗干扰设计	159
10.1.1  硬件抗干扰设计	159
10.1.2  软件抗干扰设计	160
10.2  容错设计	167
10.2.1  硬件容错设计	167
10.2.2  软件容错设计	171
习题	178
第11章  基于电压测量的智能仪器	180
11.1  数字电压表	180
11.1.1  数字电压表的结构	180
11.1.2  数字电压表主要技术指标	181
11.1.3  数字电压表的功能特点	183
11.1.4  数字电压表的输入电路	184
11.1.5  数字电压表设计	185
11.2  数字万用表	189
11.2.1  概述	189
11.2.2  交直流信号变换器	190
11.2.3  有效值转换模块应用	194
11.2.4  电流测量方法	195
11.2.5  电阻测量原理	197
11.2.6  数字万用表的设计	198
11.3  智能RLC测量仪	203
11.3.1  概述	203
11.3.2  电容/电感的数字化测量	211
11.3.3  RLC测量设计	212
习题	217
第12章  基于时间测量的智能仪器	219
12.1  时频基本概念	219
12.1.1  时间与频率关系	219
12.1.2  计时标准	219
12.1.3  频率测量方法	220
12.2  电子计数器基本原理	220
12.2.1  概述	220
12.2.2  通用电子计数器	221
12.2.3  测量误差分析计算	225
12.3  电子计数器设计	226
12.3.1  数字频率计电路设计	226
12.3.2  智能频率计电路设计	228
12.4  智能相位测量仪	232
12.4.1  相位测量原理	232
12.4.2  简易相位测量电路设计	233
12.4.3  智能相位测量仪设计	235
习题	241
第13章  基于波形测量的智能仪器	243
13.1  示波器基本原理	243
13.1.1  概述	243
13.1.2  波形显示器	244
13.1.3  液晶显示原理	245
13.2  通用示波器	247
13.2.1  示波器的垂直（Y）通道	247
13.2.2  示波器的水平（X）通道	250
13.2.3  示波器的主要技术指标	252
13.3  数字示波器	253
13.3.1  数字示波器组成原理	253
13.3.2  信号采集处理技术	254
13.3.3  波形显示技术	259
13.4  数字示波器的通信接口	261
13.5  数字示波器的特点	261
13.6  数字示波器的使用	264
13.7  简易数字存储示波器设计	266
13.7.1  主要性能分析设计	266
13.7.2  设计方案与分析	267
13.7.3  系统电路设计	270
13.7.4  系统软件设计	272
习题	273
第14章  C51编程与实验指导	275
14.1  C51概述	275
14.2  C51语法与数据结构	275
14.2.1  常量与变量	275
14.2.2  整型变量与字符型变量	276
14.2.3  关系表达式和逻辑表达式	277
14.3  C51流程控制语句	278
14.3.1  if语句	278
14.3.2  switch语句	279
14.3.3  for语句	279
14.3.4  while和do-while语句	280
14.3.5  其他语句	280
14.4  C51构造数据类型	281
14.4.1  结构体	281
14.4.2  共用体	282
14.4.3  指针	283
14.4.4  typedef类型定义	284
14.5  C51和标准C语言的异同	284
14.5.1  Keil C51数据类型	284
14.5.2  8051的特殊功能寄存器	284
14.5.3  8051的存储类型	285
14.5.4  Keil C51的指针	287
14.5.5 “文件包含”处理	288
14.5.6  Keil C51的使用	288
14.5.7  C51关键字	289
14.6  智能仪器实验指导	291
14.6.1  低频信号发生器	291
14.6.2  直流电动机PWM控制	295
14.6.3  流动LED灯控制器设计	297
14.6.4  简易频率计数器	298
14.6.5  简易有害气体检测仪	302
14.6.6  简易数字万用表设计	303
14.6.7  简易数字存储示波器	304
14.6.8  简易 g?辐射仪	307
14.6.9  汽车测速与倒车提示器	307
参考文献	310

展开

前言

随着单片机、嵌入式系统的不断发展，传统仪器发生了深刻变化。我们已经身处计算机的海洋，它们本来可以安全地隐藏在军事研究中心或大学实验室，但现在已经随处可见。单片机与嵌入式系统是计算机的一个重要分支，是智能仪器的核心，已经成为各种仪器不可或缺的部件。正是由于嵌入了这样的单片型微处理器，使得仪器实现操作“傻瓜化”、检测校准自动化、数据处理程序化和人机对话人性化。加上人工智能在测试技术方面的广泛应用，使现代仪器具有视觉（图形及色彩辨读）、听觉（语音识别及语言领悟）、思维（推理、判断、学习与联想）等方面的能力，成为名副其实的智能仪器，有力地推动了仪器朝着微型化、多功能、人工智能化、网络化、虚拟仪器方向发展。各类仪器经过智能化后，在自动化技术、测控技术、通信技术、生物技术、航空航天、军事科学、医疗领域都能起到独特的作用，成为科研院所、工程科学技术人员不可缺少的智能仪器。
单片机与嵌入式系统种类很多，性能各异，从数据总线宽度来说，有8位、16位、32位和64位的处理器，从功能特性来讲，有单片机、ARM嵌入式系统、DSP数字信号处理器、FPGA可编程逻辑处理器等，而且各种类型的单片机与嵌入式系统又对应有很多厂家生产的很多不同系列的微处理器芯片。因此，单片机与嵌入式系统非常重要，在教学过程中，不可能面面俱到，只能挑选一款或两款经典的嵌入式处理器进行教学。大学生至少要掌握一款嵌入式微处理器的开发应用才能适应时代的要求。并以此为基础，根据生产实际需要，经过深入学习，触类旁通，举一反三，学会更多的单片机与嵌入式系统的使用方法，以便设计开发出适合某一方面应用的智能仪器，解决实际问题。
智能仪器是对单片机应用的深化，是综合性的电子系统设计，高等院校工科电子类专业的学生毕业后大多从事电子产品开发设计工作，为此，在本科教育阶段开设一门“智能仪器”的课程显得非常必要。由于智能仪器是各种智能化电子产品的典型代表，其硬件结构和软件系统可以作为一般智能化电子产品的模型，故以“智能仪器”课程作为工科电子类专业学习“智能电子产品设计”是比较合适的，通过本课程的学习，能够使学生基本掌握电子产品的设计方法。
过去，人们称计算机专业是学“软件”的，电子专业是学“硬件”的。随着电子产品使用单片机与嵌入式系统为核心部件开发智能仪器，软件设计在智能电子产品开发中所占比重也越来越大，“电子专业是学硬件的”这种观点已经过时。如今智能仪器集微电子技术、信息技术、控制技术于一身，使仪器能够自动完成信号采集、处理、输出控制，实现人机交互、自动校正、与其他仪器的接口等功能和人工智能的能力。作为工科电子专业的学生，要树立新的观念，必须“软硬”兼施、“软硬”融合，既要掌握硬件电路设计知识、理论分析，更要具备软件规划、程序设计能力。只有那些硬件功底扎实，软件设计能力很强的学生将来才能在这个领域有所作为、有所创新。然而，大凡编程书，必定不好啃。而且智能仪器面对的是一个比较复杂系统的软硬件设计、编程规划，很容易让人摸不到“门”、找不到“北”。故在学习过程中，一定要循序渐进、精讲多练、理论联系实际，坚持在“学”中“做”，在“做”中“学”。只要能够使用单片机做出1个智能作品，将会极大地提升对单片机、智能仪器课程的兴趣，增强自己的成就感与自豪感，而且所有的困惑将烟消云散，很多问题将迎刃而解。要充分认识到理论与实践的辩证关系：如果在实践中出现障碍，解决不了问题、进行不下去，一定是缺乏理论的指导，对理论理解不深、造成瓶颈；如果在理论上出现模糊不清，必定是缺乏在实践中检验，没有进行深入的实验研究，造成闭门造车、不知所以。单片机、智能仪器设计工程师就是在不断实践、不断研究，在实践中发现问题、在实践中解决问题里锻炼出来的。过去有勤能补拙的说法，毛主席还有实践出真知的理论，而在学习科学技术方面，唯有实践才是产品创新设计的必由之路，才是检验理论正确性的唯一途径。
为了适应智能仪器的新要求，软件设计能力的培养在本教材中得到了加强，与其他课程内容雷同的硬件设计篇幅作了相应压缩，这也是本教材的一大特色。另外，本教材与国内已经出版的同类书籍和教材相比，除了加重软件设计的份量外，硬件设计中大量采用串行器件也是一个特色。随着单片机与嵌入式系统的集成度的提高，很多情况下只要选择一种合适的内嵌了所需功能部件的新型单片机、嵌入式系统就可以满足要求，不需要再外接其他功能芯片；即使需要外接功能部件，也采用串行接口芯片，体现单芯片、少接口的设计风格，提高智能仪器的性价比。只有在信息量非常大、速度要求非常高的场合才采用并行总线接口。
全书共14章，第1章是“绪论”，介绍了智能仪器的一些基本知识；第2章是“微处理器的选择”，介绍几种当前流行的单片机与嵌入式系统的性能特点，使学生从单一的8051单片机中走出来，学会思考和选择，达到开阔视野的目的；第3章是“软件系统设计概述”，使学生了解一个完整的软件系统是如何进行功能设计、层次结构设计与规划的；第4章和第5章介绍了数字信号和模拟信号的输入/输出通道；第6章是“总线与通信系统”，介绍了几种主要的通信协议；第7章是“时钟系统”，介绍智能仪器运行的基础和设计方法；第8章是“人机接口”，介绍了显示、打印、键盘的接口设计；第9章是“常用数据处理功能”，介绍了有关数据处理、误差处理、标度变换和自动测量的基本知识；第10章是“可靠性设计”，介绍抗干扰设计和容错设计的基本知识；第11章到第13章分别介绍了基于电压测量、时间测量和波形测量的智能仪器的基本知识和智能电子产品设计实例；第14章是“C51编程与课程设计实验指导”，挑选了9个课程设计项目实验，使学生初步掌握智能仪器的设计方法。
为了配合教学，每一章都有适量的习题。本书全部内容计划学时为60课时，不同专业可根据需要选择教学内容和讲授深度，将实际教学课时控制在40～60课时之间。
全书由朱兆优负责策划、内容安排、编写、修改整理和审定，周航慈、胡文龙、吴光文参与完成了第3章、第5章、第6章、第7章、第8章、第9章、第10章的资料整理和编写工作，朱日兴、刘琦参与了第4章、第9章、第10章、第14章的资料整理和编写工作。本书在编写过程中得到STC宏晶科技公司总裁姚永平先生的大力支持，得到东华理工大学有关部门的关心和资助，朱日兴、刘琦、胡文龙、涂晓红、王海涛、赵永科对书中部分的图件、程序进行了制作和验证，在此一并表示衷心感谢！ 
由于本书涉及知识领域广泛，而且变化日新月异，限于时间和水平的限制，难免有差错和不足之处，敬请读者指正！

编著者       
2016年6月10日

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