智能仪器课后习题附标准答案25544Word下载.docx
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P6
从智能仪器的发展状况看来，其结构有两种基本类型，即微机内嵌式和微机扩展式。
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。
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？
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。
2-6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？
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
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
2-12数据采集系统的组成P15
2-13信号调理电路的组成P17
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
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。
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
3-10USB的基本框架包含那几部分？
P93
（1）USB主机控制器/根集线器
（2）USB集线器
（3）USB设备
3-11USB有几种传输模式？
试简述各种传输方式的特性。
P97
（1）控制传输是USB中最重要的传输，唯有正确的执行完控制传输才能进一步执行其他传输模式。
需以双向传输达到这个请求。
能自定义请求来为任何目的而发送或接收数据块。
所有USB设备必须支持控制传输。
（2）中断传输它是为那些必须快速接收到主机或设备的数据而准备的。
是低速设备可以传输数据的唯一方法。
中断传输仅是一种“轮询”的过程，如果因为错误而发生传送失败，可以在下一轮询的期间重新发送一次。
（3）批量传输它是针对未使用到的USB带宽来向主机提出请求的。
须根据目前总线的拥挤状态，以所有可使用的带宽为基础，不断调整本身的传输速率，因此没有设置轮询时间间隔。
若因某些错误而发生传送失败，就重新传送一次。
（4）等时传输采用了预先与PC机主机协议好的固定带宽，以保证发送端与接收端的速度能相互吻合，不支持有错误的数据重新发送，相对就须牺牲一些小错误的发生。
3-12USB有几种描述符？
其中哪几种是必须要设置的？
P96
（1）设备描述符必须设置
（2）配置描述符必须设置
（3）接口描述符必须设置
（4）端口描述符必须设置
3-13以你的观点解释设备列举的含义？
当USB设备第一次连接到USB总线时，USB主机就会对此设备做出列举检测的动作。
此时，主机会负责检测与设备所有连接至根集线器的设备，而辨识与设置一个USB外围设备的程序，称之为设备列举。
若以USB通信协议的观点来看，设备列举就是通过一连串介于主机与设备之间的控制传输来辨识与设置一个刚连上USB的设备程序。
而进一步的解释设备列举，也即是操作系统可以辨识一个新的硬件设备连接上总线以及决定其特定的需求，然后加载适当的驱动程序，并且给予新的硬件设备一个新的地址
3-14简述无线数据传输的原理及特点。
P105
无限数据传输的核心技术是调制解调技术。
调制过程是在发送端吧数字信号变换成能被模拟信道传输的模拟信号，经传输通道传至接收端，接收端通过解调过程把接收到的模拟信号转换成数字信号，完成了无线数据传输的任务。
（1）工频为国际通用的数据传输频段433MHz，无需申请
（2）易于采集运动信号，不受电缆的约束
3-15
4-1与硬件滤波器相比，采用数字滤波器有何优点？
P111
（1）数字滤波只是一个计算过程，无需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、非一致性等问题；
（2）模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题，不会出现在数字滤波器的实现过程中；
（3）只要适当的改变数字滤波器在程序中的有关参数，就能方便的改变滤波特性，因此数字滤波使用灵活方便。
4-2常用的数字滤波算法有哪些，说明各种滤波算法的特点和使用场合。
（1）克服脉冲干扰的数字滤波法：
包括限幅滤波法、中值滤波法、基于拉依达准则的奇异数据滤波法（剔除粗大误差）、基于中值数绝对偏差的决策滤波器。
克服由仪器外部环境偶然因素引起的突变性扰动或仪器内部不稳定等引起误码等造成的尖脉冲干扰
场合：
有尖脉冲干扰的场合
（2）抑制小幅度高频噪声的平均滤波法：
为抑制电子器件热噪声、A/D量化噪声等小幅度高频电子噪声，通常采用具有低通特性的算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动加权平均滤波法等线性滤波器。
算术平均滤波法可有效消除随机干扰，采样次数越大，滤波效果越好，但系统灵敏度要下降，只适用于慢变信号；
滑动加权平均滤波法对周期信号有良好的抑制作用，平滑度高，灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差；
加权平均滤波法系统对当前采样值的灵敏度高。
有小幅度高频噪声的场合
（3）复合滤波器：
既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。
随机扰动不是单一的场合，既要消除大幅度的脉冲干扰，又要使数据平滑的场合
4-3各种常用的滤波算法能组合使用吗？
若能，请举例说明；
若不能，请说明理由。
P115
能组合使用。
在实际应用中，所面临的随机扰动往往不是单一的，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑，因此常用两种以上的滤波算法结合使用。
例如：
去极值平均值滤波算法。
先用中值滤波算法滤除采样值中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均。
去极值平均值滤波算法的算法为：
连续采样N次，剔除其中的最大值和最小值，再求余下N-2个采样值的平均值。
显然，这种方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。
4-4
4-5
4-6
4-7中值数绝对偏差决策滤波器与中值滤波器有哪些特点？
P113
中值数绝对偏差决策滤波器特点：
这种决策滤波器能够判别出奇异数据，并以有效性的数据来取代。
具有比例不变性、因果性、算法快捷等特点，实时的完成数据净化。
中值滤波器：
运算简单，在滤除脉冲噪声的同时可以很好的保护信号细节信息。
中值滤波器是一种常用于净化奇异数据的非线性滤波器，它对奇异数据的敏感度远低于标准偏差，存在“根信号”用于单调性数据的滤波，而非点到信号采用中值滤波净化数据表现过于主动进取
4-8什么是系统误差？
有哪几种类型？
简要说明系统误差与随机误差的根本区别。
P117
系统误差是只在相同条件下，多次测量同一量时其大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。
分为恒定系统误差和变化系统误差。
系统误差与随机误差的根本区别：
系统误差不能依靠概率统计方法消除，可掌握、控制、消除，具有规律性，产生在测量开始之前，与测量次数无关。
随机误差不能掌握、控制、消除，具有随机性，产生在测量过程中，与测量次数有关。
4-9产生零位误差的原因有哪些？
产生增益误差的原因有哪些？
简述校正方法。
由于传感器、测量电路、放大器等不可避免的存在温度漂移和时间飘移，所以会给仪器引入零位误差和增益误差，这类误差均属于系统误差。
零位误差校正方法：
在每一个测量周期或中断正常的测量过程中，把输入接地（即使输入为零），此时包括传感器在内的整个测量输入通道的输出即为零位输出（一般其值不为零）
；
再把输入接基准电压
测得数据
，并将
和
存于内存；
然后输入接
，测得
，则测量结果可用下式计算
，即在正常的测量过程中，均从采样值中减去原先存入零位输出值，从而实现零位校正。
增益误差的自动校正方法：
开始工作后或每隔一定时间去测量一次基准参数，然后建立误差校正模型，确定并存储校正模型参数。
在正式测量时，根据测量结果和校正模型求取校正值，从而消除误差。
4-10基准电压
的精度和稳定性是否会影响零位误差、增益误差的校正效果？
会影响。
零位误差、增益误差的校正结果都与基准电压有关系。
对于零位校正，测量结果为
对于增益校正，校正方程为
，其中
，
4-11简述系统非线性误差校正的思路与方法。
P118
思路：
采用各种非线性校正算法（校正函数法、线性插值法、曲线拟合法等）从仪器数据采集系统输出的与被测量呈非线性关系的数字量中提取与之相对应的被测量。
方法：
校正函数法、代数插值法（线性插值、抛物线插值、分段插值）、曲线拟合（连续函数拟合、分段拟合）
4-12通过测量获得一组反映被测值的离散数据，欲建立一个反映被测量值变化的近似数学模型，请问有哪些常用的建模方法？
4-13什么事代数插值法？
简述线性插值和抛物线插值是如何让进行的。
P119-P121
所谓代数插值，就是用一个次数不超过n的代数多项式
去逼近
，使
在节点处满足
线性插值过程：
从一组数据
中选取两个有代表性的点
，然后根据插值原理，求出插值方程
，其中待定系数
为
抛物线插值过程：
在一组数据中选取
三个点，相应的插值方程为
4-14什么是线性拟合法？
如何利用最小二乘法来实现多项式拟合。
P122-P123
4-15
4-16举例说明标度变换的概念。
P126
测量机械压力时，常利用压力传感器，当压力变化为0~100N时，压力传感器输出的电压为0~10mV，放大为0~5V后进行A/D转换，得到00H~FFH的数字量这些数码并不等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数的大小，必须把它转换成带有量纲的数值后才能显示或打印输出，这种转换就是工程量变换，又称标度变换。
5-1什么是软件工程？
软件工程是如何克服软件危机的？
P131-P132
软件工程是由硬件和系统工程派生出来的。
它包含四个关键元素：
方法、语言、工具和过程，是工程学的原理和方法在软件设计和生产中的应用。
随着软件在计算机中的比重的增大，传统的软件生产方式已不能适应发展需要，出现了软件危机。
软件工程将软件生产划分为几个阶段，每个阶段都有严格管理和质量检验，设计和生产过程有共同的准则。
5-2什么是基于裸机的软件设计？
其设计步骤分为那几步？
P141
基于裸机的软件设计是指以“空白”的微处理器/控制器为基础，完成全部的软件设计，没有将系统软件和应用软件分开处理，其实时性和可靠性与设计人员的水平密切相关，适用于功能较简单的智能仪器。
步骤：
（1）
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