第六章智能儀器的自動(dòng)測(cè)量與自檢技術(shù)

？要點(diǎn)：1.儀器自動(dòng)校準(zhǔn)2.儀器自動(dòng)測(cè)量3.硬件故障自檢返回6.1 概述該儀器的優(yōu)缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性上兩個(gè)方面。傳統(tǒng)儀器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性只能取決于儀器硬件各部分的精度和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)儀器在其元件出現(xiàn)故障時(shí)，往往會(huì)給出測(cè)量結(jié)果的顯示值或執(zhí)行控制動(dòng)作，但不會(huì)通知用戶這是一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)果。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 數(shù)字儀表的功能優(yōu)勢(shì)（1）自動(dòng)測(cè)量功能 智能儀表具有自動(dòng)校準(zhǔn)、零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整、觸發(fā)電平自動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換等功能，大大提高儀表 測(cè)量精度（2）自檢功能） 如果智能儀表出現(xiàn)故障，需要能夠自動(dòng)檢測(cè)和診斷故障，并提醒操作人員將影響降到最低，以確保整個(gè)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。 system. 返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 6.2 儀器的自動(dòng)校準(zhǔn)? 儀器測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性受多種因素影響，如溫度、濕度等，為了保證儀器在預(yù)定的精度，儀器必須定期校準(zhǔn)。?傳統(tǒng)的儀器校準(zhǔn)是通過(guò)di來(lái)實(shí)現(xiàn)的直接測(cè)量已知的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)源，或通過(guò)與更高精度的類似儀器進(jìn)行比較測(cè)量。當(dāng)被校準(zhǔn)儀器的測(cè)量出現(xiàn)誤差時(shí)，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部可調(diào)裝置（可調(diào)節(jié)電阻、可調(diào)電容、可調(diào)電感等），使顯示值接近標(biāo)準(zhǔn)值。

返回上一頁(yè)下一頁(yè)6.2 儀器自動(dòng)校準(zhǔn)？智能儀器內(nèi)含微處理器，可自動(dòng)將獲得的測(cè)試結(jié)果與已知標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，量化測(cè)量的不確定度，并驗(yàn)證測(cè)量?jī)x器是否在規(guī)定的指標(biāo)范圍內(nèi)工作。 自動(dòng)校準(zhǔn)包括內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)和外部自動(dòng)校準(zhǔn)。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 6.2 儀器自動(dòng)校準(zhǔn) 一、內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn) 內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)是利用儀器的內(nèi)部校準(zhǔn)源，根據(jù)工作條件將各個(gè)功能和各個(gè)量程調(diào)整到最佳狀態(tài)在差異較大的環(huán)境中工作時(shí)，內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)實(shí)際上消除了環(huán)境因素對(duì)測(cè)量精度的影響，補(bǔ)償了工作環(huán)境的變化和內(nèi)部校準(zhǔn)溫度的變化。智能儀表采用內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，可去除常用的微調(diào)電位器和微調(diào)電容。所有內(nèi)部調(diào)整都是通過(guò)存儲(chǔ)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、可調(diào)增益放大器和可變電流源實(shí)現(xiàn)的。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn) 1. 輸入偏置電流的自動(dòng)校準(zhǔn) 在儀器的輸入端連接一個(gè)屏蔽的 10MΩ 電阻盒。輸入偏置電流 Ib 在電阻上產(chǎn)生壓降，經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)在非易失性校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中。作為輸入偏置電流的修正值。在正常測(cè)量中，微處理器根據(jù)校正值選擇合適的數(shù)字量給D/A轉(zhuǎn)換器，并通過(guò)輸入偏置電流補(bǔ)償電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流Ib'來(lái)抵消Ib，消除輸入偏置引起的測(cè)量?jī)x器誤差電流。

返回上一頁(yè)下一頁(yè) 2. 零點(diǎn)漂移自動(dòng)校準(zhǔn) 將校準(zhǔn)源的零輸出連接到萬(wàn)用表的輸入，進(jìn)入零點(diǎn)校準(zhǔn)模式。此時(shí)，萬(wàn)用表會(huì)在所選功能的某個(gè)量程上測(cè)量零點(diǎn)漂移，并將其存儲(chǔ)在校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中。正常測(cè)量時(shí)，只需從內(nèi)存中提取該參數(shù)并從讀數(shù)中減去即可得到校正。零偏校準(zhǔn)前后的輸入/輸出特性返回上一頁(yè)和下一頁(yè)3。增益自動(dòng)校準(zhǔn) 增益自動(dòng)校準(zhǔn)的原理？微處理器通過(guò)輸出端口控制儀表輸入端接地，開(kāi)始測(cè)量得到測(cè)量值N0，由儀表衰減器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等模擬元件產(chǎn)生零輸出值N0。 微處理器控制輸入端通過(guò)輸出端連接參考電壓VR，測(cè)得的輸出數(shù)據(jù)為NR，并將N0、NR存入RAM的判斷單元；?將儀器的輸入端連接到被測(cè)信號(hào)Vx，此時(shí)的測(cè)量值為Nx，則測(cè)量結(jié)果為VRVx？ （N x？N0）NR？ N0 返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 二、外部自動(dòng)校準(zhǔn) 外部校準(zhǔn)應(yīng)使用高精度的外部標(biāo)準(zhǔn)。在外部校準(zhǔn)期間，應(yīng)參考外部標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整機(jī)載校準(zhǔn)常數(shù)。有些智能儀器只需要操作者按下自動(dòng)校準(zhǔn)按鈕，儀器顯示屏?xí)崾静僮髡咻斎霕?biāo)準(zhǔn)電壓。操作者按提示在輸入端子上加上相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓后，再次按下按鈕，儀器將繼續(xù)工作。進(jìn)行測(cè)量并將標(biāo)準(zhǔn)量（或標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)）存儲(chǔ)在“校準(zhǔn)存儲(chǔ)器”中，然后顯示屏?xí)崾据斎胂乱粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓值，然后重復(fù)上述測(cè)量和存儲(chǔ)過(guò)程。

當(dāng)預(yù)定的校準(zhǔn)測(cè)量完成后，校準(zhǔn)程序還可以自動(dòng)計(jì)算每?jī)蓚€(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)之間的插值公式的系數(shù)，并將這些系數(shù)存儲(chǔ)在“校準(zhǔn)存儲(chǔ)器”中，以便它們存儲(chǔ)在儀器內(nèi)部提供校準(zhǔn)表和內(nèi)插公式系數(shù)表。在正式測(cè)量中，它們將與測(cè)量結(jié)果一起形成校正后的精確測(cè)量值。返回上一頁(yè)下一頁(yè)6.3 儀器的自動(dòng)測(cè)量？軟件算法實(shí)現(xiàn)了僅靠硬件難以實(shí)現(xiàn)的測(cè)量功能，提高了測(cè)量精度和可靠性。同時(shí)，儀器操作人員省去了很多繁瑣的手動(dòng)調(diào)整。 包括：觸發(fā)電平自動(dòng)調(diào)整和量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 6.3 儀器自動(dòng)測(cè)量 一、 觸發(fā)電平自動(dòng)調(diào)整 觸發(fā)電平自動(dòng)調(diào)整原理 輸入信號(hào)通過(guò)可編程衰減器傳輸?shù)奖容^器，比較器的比較電平（即觸發(fā)電平） ) 由微處理器控制，并由 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的值設(shè)置。當(dāng)通過(guò)衰減器的輸入信號(hào)幅度達(dá)到一定的比較電平時(shí)，比較器的輸出將改變狀態(tài)。觸發(fā)檢測(cè)器將檢測(cè)到的比較器的輸出狀態(tài)發(fā)送給微處理器，即可測(cè)量觸發(fā)電平。返回上一頁(yè)下一頁(yè)6.3 儀器自動(dòng)測(cè)量一、觸發(fā)電平自動(dòng)調(diào)整假設(shè)智能儀器的輸入電路有100V、10V和1V三個(gè)量程。粗調(diào)：確定輸入波形的范圍。編程微處理器通過(guò)輸出口將衰減器設(shè)置到最高100V范圍，然后發(fā)送不同的數(shù)字給D/A轉(zhuǎn)換器，逐漸調(diào)整觸發(fā)電平，然后用觸發(fā)檢測(cè)器檢測(cè)比較器的輸出是否正常被翻轉(zhuǎn)。判斷輸入波形幅度是否在此范圍內(nèi)。

如果不存在，則降檔直到檢測(cè)到為止。微調(diào)：準(zhǔn)確確定觸發(fā)電平。向D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送較小的間隔數(shù)字量，并以較小的步長(zhǎng)值調(diào)整觸發(fā)電平。返回上一頁(yè)下一頁(yè)二、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換？由于智能儀表中A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓通常為0~10V或-5~5V，如果直接將傳感器的輸出電壓作為A/D輸入電壓，往往是其有效位A/D 轉(zhuǎn)換器不能充分利用，影響測(cè)量精度。 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換：根據(jù)輸入信號(hào)的大小，在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)選擇最合理的量程。測(cè)量時(shí)，先選擇合適的量程，再進(jìn)行測(cè)量。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：選擇可編程放大器和選擇不同量程的傳感器。返回上一頁(yè)下一頁(yè)二、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換1.程控放大器程控放大器量程轉(zhuǎn)換示意圖轉(zhuǎn)換從最大量程開(kāi)始，逐步比較，直到選擇最合適的量程。小幅度信號(hào)用大增益，大幅度信號(hào)用小增益，使A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)滿量程均勻。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 示波器基本結(jié)構(gòu) 示波器基本結(jié)構(gòu)框圖操作（下周一)smart電壓表如圖，程控衰減器分為兩級(jí)1、0.1，程控放大器增益分為100、1000 兩級(jí)，A/D輸入電壓0～5V，分辨率5mV/bit； ①電壓表可以測(cè)量的最小和最大電壓值分別是多少顯示?電壓表量程可以分為多少個(gè)量程?10、100、1000 ②寫出每個(gè)電壓量程的量程，寫出量程切換子程序的流程圖。

0~0.5V, 0~0.05V\0~0.005V 程控衰減器 程控放大器 A/D 單片機(jī) 轉(zhuǎn)換原理圖 1#傳感器最大量程為M 1, 2 # 傳感器的最大量程為M2，且M1>M2，設(shè)置它們的滿量程輸出相同。測(cè)量時(shí)，總是1#傳感器先投入運(yùn)行，2#處于過(guò)載保護(hù)狀態(tài)，軟件判斷確定量程后，置位標(biāo)志位，選擇量程M 1 或M 2 。該解決方案適用于具有廉價(jià)傳感器的測(cè)量?jī)x器。返回上一頁(yè)下一頁(yè)6.4硬件故障自檢？為了提高系統(tǒng)的可靠性，降低故障率，需要對(duì)系統(tǒng)本身的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督檢查，以保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。 自檢是自動(dòng)啟動(dòng)或人為觸發(fā)執(zhí)行預(yù)編程的檢驗(yàn)程序的自檢過(guò)程?？勺詣?dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件故障并給出相應(yīng)提示（代碼提示、閃爍燈、聲音報(bào)警等）。 常見(jiàn)的自檢包括開(kāi)機(jī)自檢、定期自檢和鍵控自檢。返回上一頁(yè)下一頁(yè)6.41。上電自檢 硬件故障自檢 儀器上電或復(fù)位后，儀器會(huì)進(jìn)行自檢，在后續(xù)測(cè)控過(guò)程中不再進(jìn)行。 2. 定期自檢 大多數(shù)智能儀器在運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)不斷地、定期地插入自檢操作。

這種自檢是全自動(dòng)的，在測(cè)量工作的間歇期完成，不干擾正常的測(cè)控任務(wù)。 3、按鍵自檢 有些儀器在面板上設(shè)有自檢按鈕，由操作人員控制啟動(dòng)自檢程序。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 一、RAM 自檢情況： 程序運(yùn)行前，檢查是否可以正確讀寫數(shù)據(jù)。一般先將校驗(yàn)字“AAH”寫入RAM單元，然后根據(jù)寫入的單元地址逐字節(jié)讀取，檢查是否全為“AAH”；然后寫入校驗(yàn)字“55H”，并按照寫入的單元地址一步步進(jìn)行。讀取字節(jié)并檢查是否全部為“55 H”。校驗(yàn)字“AAH”和“55H”都是電平相反的相鄰位，“AAH”和“55H”互為反碼。寫“0”、讀“0”和寫“1”讀“1”的操作可以循環(huán)一次實(shí)現(xiàn)。返回上一頁(yè)和下一頁(yè) RAM 自檢過(guò)程 1 返回上一頁(yè)和下一頁(yè) 256M 字節(jié) DDR2 內(nèi)存自檢程序 Uint32 memfill32( Uint32 start, Uint32 len, Uint32 val) //內(nèi)存填充 {Uint32 i , end = start + len, errorcount = 0;/* 寫入模式 */ for (i = start; i

檢查可以通過(guò)“異或”的方式進(jìn)行，即從被檢查的RAM單元中讀取信息，取反后與原單元的內(nèi)容進(jìn)行異或運(yùn)算。如果結(jié)果全為“1”，則表示單元工作正常，否則應(yīng)給出錯(cuò)誤指示。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) RAM 自檢過(guò)程 返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 二、ROM 自檢設(shè)計(jì)思路 ROM 自檢數(shù)據(jù) ROM 地址 ROM 內(nèi)容 備注 Checksum 方法：當(dāng)被調(diào)試的程序固化到 ROM 中時(shí), 預(yù)留一個(gè)單元（通常是程序結(jié)束后的后繼單元）不寫程序而是寫校驗(yàn)字。校驗(yàn)字的狀態(tài)應(yīng)該是ROM中每一列都有奇數(shù)（或偶數(shù)）個(gè)1，這樣校驗(yàn)和全為“1”（或全為“0”）。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 01 20034 5 6 710 01 校驗(yàn)字校驗(yàn)和 ROM 自檢過(guò)程 返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 三、Keyboard 并顯示自檢診斷程序執(zhí)行一系列預(yù)定的 I/O 操作， operator 對(duì)這些 I/O 操作的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如果一切都與預(yù)定的結(jié)果一致，則認(rèn)為該功能正常。如果某些預(yù)定的 I/O 操作無(wú)法完成或出現(xiàn)錯(cuò)誤，則應(yīng)檢查并修復(fù)相關(guān)的 I/O 通道。返回上一頁(yè)下一頁(yè)三、鍵盤和顯示器自檢鍵盤的自檢CPU每次反饋信息都會(huì)得到一個(gè)按鈕關(guān)閉信號(hào)（最常用的反饋信息是聲光輸出） , 如果反饋信息與預(yù)設(shè)一致 如果一致自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，則認(rèn)為功能正常。

？如果按下某個(gè)鍵，沒(méi)有反饋信息，往往是按鍵接觸不良；如果按一排鍵，沒(méi)有反饋信號(hào)，則與相應(yīng)的電路或掃描信號(hào)有關(guān)；？如果所有按鍵都沒(méi)有反饋信息，則鍵盤掃描系統(tǒng)已癱瘓或監(jiān)控程序已被破壞。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 顯示設(shè)備的檢查方法是第一種方法和第二種方法使顯示器的所有字段都亮起來(lái)，然后使所有字段不亮來(lái)檢查顯示器和相應(yīng)的接口電路處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)顯示正常工作時(shí)，按任意鍵應(yīng)退出初始自檢模式，并給出正常工作符號(hào)或狀態(tài)；另一種是顯示一些特征字符，通常是控制系統(tǒng)的名稱或代碼，一段時(shí)間后自動(dòng)消失，進(jìn)入另一種初始狀態(tài)或某種運(yùn)行狀態(tài)。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 顯示設(shè)備自檢程序流程圖 返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 四、 輸入通道自檢 模擬量輸入通道變送器部分自檢？如果變送器內(nèi)部或接線盒端子短路，Vin為24V，此時(shí)ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為滿量程（即數(shù)字量最大）；？如果變送器內(nèi)部或接線盒端子開(kāi)路，則Vin為0 V，ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量最?。ㄍǔ榱悖?。返回上一頁(yè)下一頁(yè) Transmitter and ADC 連接圖 ADC自檢部分 將參考電源連接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，開(kāi)始測(cè)量，并將采樣結(jié)果與ROM中的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如果誤差在允許范圍內(nèi)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，則AD轉(zhuǎn)換器正常，否則可以確定AD轉(zhuǎn)換器故障。

返回上一頁(yè)下一頁(yè)五、輸出通道自檢間接參數(shù)判斷方法是指根據(jù)模擬量輸入采樣值的變化來(lái)判斷模擬量輸出通道或數(shù)字量輸出通道是否正常渠道。例如，一個(gè)輸出數(shù)字量控制泵的啟動(dòng)和停止，管道安裝了流量檢測(cè)。當(dāng)流量檢測(cè)電路無(wú)故障時(shí)（上述直接參數(shù)判斷方法可以通過(guò)自檢來(lái)保證），不能只根據(jù)流量是否變化來(lái)判斷開(kāi)關(guān)。 ,驅(qū)動(dòng)電路、繼電器、交流接觸器、熱繼電器、電機(jī)、泵及現(xiàn)場(chǎng)連接正常，可根據(jù)泵的流量特性在線判斷泵的性能。返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 輸出通道自檢程序流程圖 返回上一頁(yè) 下一頁(yè) 六、Bus 自檢的目的是檢查外部總線通過(guò)緩沖區(qū)傳輸?shù)男畔⑹欠裾_。該方法首先向?qū)?yīng)的鎖存器執(zhí)行輸出命令，將地址總線和數(shù)據(jù)總線上的信息保存在鎖存器中，然后再讀取鎖存器，從而將地址總線和數(shù)據(jù)總線上的信息重新讀入CPU，并與原始輸出信息比較，如果結(jié)果不一致，則說(shuō)明外部總線故障。返回上一頁(yè)下一頁(yè)