智能仪器的自动测量和自检技术

概述 6.1 仪器的自动校准 6.2 仪器的自动测量 6.3 硬件故障自检 6.4 首 页 本章内容 第 6章 智能仪器的自动测量 和自检技术 重点： 返 回 1. 仪器的自动校准 3. 硬件故障自检 2. 仪器的自动测量 6.1 概 述 仪器仪表的优劣主要体现在 精度 和 可靠性 两 个方面。 传统仪器测量结果的精度只能取决于仪表硬 件各部分的精密性和稳定性水平 ,当上述水平降低， 则性能明显下降 。 传统仪器在其部件有故障时往往也给出测量 结果的显示值或执行控制动作，但并不通知使用 者这是个错误的结果。 下 页 上 页 返 回 下 页 上 页 返 回 （ 1） 自动测量功能 智能仪器由于具有仪器的 自动校准 、 零点自动调 节 、 触发电平自动调节 、 量程自动转换 等功能 ， 极 大地提高了仪器的测量精度 ; （ 2） 自检功能 智能仪器如果发生了故障 ， 需要能自动进行故障 的检测和诊断 ， 并提醒操作人员注意 ， 将影响降低 到最低限度 ， 以保证整个系统的安全和可靠运行 。 开机自检 、 周期性自检 、 键控自检 数字式仪器仪表具有的功能优势 下 页 上 页 返 回 6.2 仪器的自动校准 6.2.1、 内部自动校准 仪器的准确性受 多种因素 影响，需定期进行 校准 ； 常规校准方法是对标准源进行测量或采用更精密的 仪器检验，需专业人士参与； 内部自动校准技术利用仪器内部的校准源进行测量， 量化不确定性，并自动将 功能 、 各量程 按工作条件 调整到最佳状态。 下 页 上 页 返 回 6.2 仪器的自动校准 1输入偏臵电流的自动校准 输入偏臵电流 Ib在该电阻上产生 电压降 ， 经 A/D转换后储存于非易失 性校准存储器内 ， 作为输入偏臵电 流的修正值 。 在正常测量时 ， 微处 理器根据修正值选出适当的数字量 到 D/A转换器 ， 经输入偏臵电流补偿 电路产生补偿电流 Ib ， 抵消 Ib， 消 除仪器输入偏臵电流带来的测量误 差 。 类似思路： 暗场测量 ， 信号背景值测量； 2 零点漂移自动校准 将校准源零输出接到多用表的输入端，进入 零点校准模式，此时多用表将选定功能的某一量 程上的零点漂移测出并存入校准存储器，正常测 量时，只要从存储器中提取此参数，并从读数中 减去就得到了修正。 零点偏移校准前后 的输入 /输出特性 下 页 上 页 返 回 3 增益自动校准 增益自动 校准原理 微处理器通过输出口控制使仪器输入端接地 ， 启动一次测量 得到测量值 N0， 此值便是仪器衰减器 、 放大器 、 A D转换器 等模拟部件所产生的零位输出值 N0。 微处理器通过输出口又控制输入接基准电压 VR， 测得输出数 据为 NR， 将 N0、 NR存入 RAM的确定单元中； 使仪器输入端接被测信号 Vx， 此时的测量值为 Nx， 则测量结 果为 )( 0 0 NNNN VV x R R x 下 页 上 页 返 回 6.2.2、外部自动校准 外部校准要采用高精度的外部标准。进行外部 校准期间，板上校准常数要参照外部标准来调整。 操作者按下自动校准的按键，仪器显示屏便提示操作者 应输入的标准电压，操作者按提示要求将相应标准电压加到 输入端之后，再按一次键，仪器就进行一次测量，并将标准 量（或标准系数）存入到 “ 校准存储器 ” ，然后显示器提示 下一个要求输入的标准电压值，再重复上述测量存储过程。 当对预定的校正测量完成之后，校准程序还能 自动计算每 两个校准点之间的插值公式的系数， 并把这些系数也存入 “ 校准存储器 ” ，这样就在仪器内部固定存储了一张校准表 和一张内插公式系数表。在正式测量时，它们将同测量结果 一起形成经过修正的准确测量值。 下 页 上 页 返 回 下 页 上 页 返 回 6.3 仪器的自动测量 一、触发电平自动调节 触发电平 自动调节原理 输入信号是经过可程控衰减器传输到比较器 ， 而比较器的比 较电平 (即触发电平 )是由微处理器控制 、 经 D A转换器转换 值来设定的 。 当经过衰减器的输入信号的幅度达到某一比较 电平时 ， 比较器输出将改变状态 。 触发检测器将检测到的比较器输出状态送到微处理器 ， 把触 发电平测出来了 。 二、量程自动转换 1. 采用程控放大器 程控放大器量 程转换原理图 不同传感器、同种传感器不一致的输出条件，输出差别， 无法利用 AD有效位，影响了测量范围和精度； 必须选择合适量程； 对幅值小的信号采用大增益，对幅值大的采用小增益， 使 A/D转换器信号满量程达到均一化。 下 页 上 页 返 回 不同传感器的 量程转换原理图 2. 自动切换不同量程的传感器 1#传感器的最大量程范围为 M1， 2#传感器的最大量 程范围为 M2， 且 M1M2， 设它们的满量程输出是相 同的 。 测量时 ， 总是 1#传感器先投入工作 ， 2#处于过 载保护状态 ， 待软件判别确认量程后 ， 再臵标志位 ， 选取量程 M1或 M2。 此方案适合传感器价格便宜的测量仪器 。 下 页 上 页 返 回 6.4 故障的检测与诊断 1 开机自检 当仪器接通电源或复位后 ， 仪器进行一次自检 ， 在以后 的测控过程中不再进行 。 2 周期性自检 大多数智能仪器在运行过程中 ， 要不断地 、 周期性地 插入自检操作 。 这种自检完全是自动进行的 ， 并且是在 测量工作的间歇期间完成的 ， 不干扰正常测控任务 。 3 键控自检 有些仪器是在面板上设臵一个自检按键 ， 由操作者控制 用来启动自检程序 。 下 页 上 页 返 回 当程序投运之前 ， 检查其能否正确写入和读出数 据 。 一般先将检查字 “ AAH”写入 RAM单元 ， 然后按 所写的单元地址逐字节读出 ， 检查是否全为 “ AAH”； 再写入检查字 “ 55H”， 同样以所写单元地址逐字节 读出 ， 检查是否全为 “ 55 H”。 检查字 “ AAH”和 “ 55H”均为相邻位电平相反 ， 且 “ AAH”和 “ 55H” 互为反码 。 循环一遍即可实现各位写 “ 0”、 读 “ 0”和 写 “ 1”、 读 “ 1”的操作 。 一、 RAM的自检 情况一 下 页 上 页 返 回 RAM的作用？ RAM的自检流程一 下 页 上 页 返 回 当程序投运之后，作为数据区的 RAM已存 放有一定的信息，检查程序绝对不能破坏原有 的内容，因此上述方法已不再适用 。 情况二 可采用 “ 异或 ” 的办法进行检查，即先从 被检查的 RAM单元中读出信息，求反后再与原 单元内容进行一次异或运算，若其结果为全 “ 1”，表明该单元工作正常，否则应给出错误 指示。 下 页 上 页 返 回 下 页 上 页 返 回 RAM的自检流程一 二 、 ROM的自检 将调试好的程序向 ROM中固化时，保留一个 单元 (一般是程序结束后的 后继单元 )不写程序而写入 检验字。校验字的状态应 使 ROM中每一列具有奇数 (或偶数 )个 1，从而使校验 和为全 “ 1”(或全 “ 0”)。 ROM地址 ROM中内容 备注 0 11111110 1 11000110 2 10101010 3 01111110 4 01010101 5 10001101 6 00000000 7 11001011 校验字 11111111 校验和 设计思想 ROM自检数据 下 页 上 页 返 回 ROM的自检流程 下 页 上 页 返 回 三、键盘与显示器的自检 CPU每取得一个按键闭合的信号 ， 就反馈一个 信息 （ 最常用的反馈信息是声光输出 ） ， 如果反馈 信息与预先设定的一致 ， 就认为功能正常 。 如果按下某键无反馈信息 ， 往往是该键接触不良； 如果按某一排键均无反馈信号 ， 则与对应的电路 或扫描信号有关； 如果所有键均无反馈信息 ， 则键盘扫描系统已经 瘫痪或者监控程序已被破坏 。 键盘的自检 下 页 上 页 返 回 另一种是显示某些特征字符， 一般是控制系统的名称或代 号，持续一段时间自动消失， 进入其它初态或某种操作状 态。 显示装臵的检查 方式一 让显示器的所有字段都发光，然 后再使所有字段都不发光，以检 查显示器及相应接口电路是否处 于正常工作状态。当表明工作正 常之后，按下任何一个按键均应 脱离初始自检方式，给出正常的 工作符号或状态 ； 方式二 下 页 上 页 返 回 下 页 上 页 返 回 显示装臵自检程序流程图 四、输入通道的自检 若变送器内部或接线盒端子短路， Vin为 24V，此时 ADC 转换的数字量为满量程 (即数字量最大 )； 若变送器内部或接线盒端子开路， Vin为 0 V，此时 ADC转换的数字量为最小 (通常为零 )。 模拟输入通道 变送器部分的自检 下 页 上 页 返 回 变送器与 ADC连接图 下 页 上 页 返 回 将参考电源接至 A/D 转换器的输入端，启动测 量，将此次采样结果再同 ROM中的预定值加以比 较，若误差在许可范围内， 则 AD转换器正常，否则 可以判定 AD转换器出现 故障。 ADC部分的自检 五 、 输出通道的自检 一个输出数字量控制泵的启停，管路已安装流量检 测，在流量检测回路没有故障情况下 (上述直接参数判 断法自检可以保障 )，不仅可依据流量有无变化情况来 判断该开关、驱动电路、继电器、交流接触器、热继 电器、电机、泵以及现场连线是否正常，而且可以根 据泵的流量特性在线判断泵的性能优劣。 间接参数判断法 指根据模拟量输入通道 的采样值的变化情况来判断 模拟量输出通道或开关量输 出通道是否正常。 例 下 页 上 页 返 回 输出通道自检程序流程图 下 页 上 页 返 回 六 、 总线的自检 目的 检测经过缓冲器的外部总线传递的信息是否正确 先对相应的锁存器执行一条输 出命令，使地址总线和数据总 线上的信息保存到锁存器中， 再对锁存器进行读操作，让地 址总线和数据总线上的信息重 新读入 CPU中，与原来的输出 信息进行比较，如果结果不一 致，则说明外部总线出现故障 。 方法 下 页 上 页 返 回