21世纪高等院校电气工程与自动化规划教材

智能仪表原理与设计

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凌志浩 , 王华忠 , 叶西宁 (编著) 吴勤勤 (主审)

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第二版为国家十一五规划教材
将一些最新技术和实用技术融入到教材
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内容摘要

  本书系统介绍了智能仪表的原理和设计技术。内容包括智能仪表的基本构成和设计思想,支持各类智能仪表设计所需的单片机和嵌入式系统,组成过程I/O通道的新颖A/D和D/A转换器,实现人机交互的液晶驱动芯片、点阵显示装置,传统串行接口、现场总线、工业以太网通信技术和ZigBee等短程无线通信技术,智能仪表的硬件电路设计和软件设计等。教材注重新颖性、实用性,对典型器件、典型电路及智能仪表设计实例的剖析深入浅出,主次分明。
  本书可作为高等学校测控技术与仪器、自动化、电子信息工程、机电一体化和计算机应用等专业的教材,亦可作为从事智能仪表设计、制造、使用的工程技术人员的参考书。

目录

目 录

第 1章 概述 1
1.1 仪器仪表的技术发展 2
1.1.1 现代仪器仪表的分类 2
1.1.2 现代仪器仪表的发展趋势 2
1.1.3 现代仪器仪表发展的关键技术 3
1.2 智能仪表的功能和组成 5
1.2.1 智能仪表的主要功能 5
1.2.2 智能仪表的基本组成 6
1.3 智能仪表的设计思想和研制步骤 7
1.3.1 智能仪表的基本设计思想 8
1.3.2 智能仪表的设计研制步骤 8
1.4 智能仪表的开发工具 15
1.4.1 开发系统的功能 15
1.4.2 嵌入式系统的软件技术和开发工具平台 15
习题与思考题 20

第 2章 构成智能仪表的主机电路 21
2.1 AT89C52单片机 21
2.1.1 AT89C52的主要特性和内部总体结构 21
2.1.2 AT89C52单片机的引脚功能 22
2.1.3 AT89C52单片机的主要组成部分 25
2.1.4 主机电路设计 45
2.2 Neuron芯片 46
2.2.1 处理单元 49
2.2.2 存储单元 50
2.2.3 附加电路及I/O接口 50
2.2.4 总线收发器 53
2.2.5 Neuron固件 54
2.2.6 现场总线智能仪表组成及其所组成的测控网络 54
2.3 CC2430芯片 55
2.3.1 MCU和存储器子系统 55
2.3.2 射频及模拟收发器 57
2.3.3 CC2430芯片的主要特点 57
2.3.4 CC2430芯片的引脚功能 58
2.3.5 无线智能仪表的硬件组成和CC2430应用电路 60
习题与思考题 61

第3章 过程输入/输出通道 63
3.1 模拟量输入通道 63
3.1.1 模拟输入通道的结构 63
3.1.2 A/D转换芯片及其与单片机的接口 64
3.1.3 模拟量输入通道的其他器件 87
3.1.4 模拟量输入通道设计举例 92
3.2 模拟量输出通道 93
3.2.1 模拟量输出通道的结构 93
3.2.2 D/A转换芯片及其与单片机的接口 94
3.2.3 模拟量输出通道设计实例 101
3.3 开关量输入/输出通道 102
3.3.1 开关量输入/输出通道的结构 103
3.3.2 开关量输入/输出通道设计举例 103
习题与思考题 105

第4章 人机接口电路 106
4.1 显示器接口 106
4.1.1 LED显示器接口 106
4.1.2 点阵式LED显示器 111
4.1.3 LCD显示器 112
4.1.4 点阵式LCD显示器 115
4.1.5 液晶驱动芯片 120
4.2 键盘接口 126
4.2.1 键盘结构 126
4.2.2 行扫描法原理 127
4.2.3 键盘/显示器接口技术 128
4.2.4 键盘工作方式 130
4.2.5 串行专用键盘/显示器接口芯片HD7279A 131
4.3 打印机接口 139
4.3.1 GP-16微型打印机接口 139
4.3.2 PP-40彩色描绘器接口 142
习题与思考题 147

第5章 智能仪表通信原理与接口 148
5.1 引言 148
5.2 串行总线通信 149
5.2.1 RS-232C 149
5.2.2 RS-422与RS-485串行接口标准 151
5.2.3 串行通信参数 152
5.2.4 串行通信工作模式及流量控制 153
5.2.5 基于单片机的智能仪表与PC数据通信 154
5.3 现场总线技术及现场总线仪表 158
5.3.1 现场总线的体系结构与特点 158
5.3.2 几种有影响的现场总线 160
5.3.3 现场总线智能仪表 170
5.4 工业以太网及其通信程序设计 171
5.4.1 概述 171
5.4.2 以太网在SCADA系统中的应用 172
5.4.3 以太网控制装置的通信程序设计 173
5.4.4 基于PC-104嵌入式控制器的SCADA系统中以太网通信程序的设计 173
5.5 智能仪表与PLC及上位机通信 178
5.5.1 智能仪表与PLC通信 178
5.5.2 智能仪表与上位机组态软件通信 183
5.5.3 用Visual Basic编程实现智能仪表通信与计算机通信 185
5.6 ZigBee短程无线通信技术 187
5.6.1 ZigBee协议标准 187
5.6.2 ZigBee的特点和组网方式 191
5.6.3 ZigBee的技术支持 192
5.6.4 ZigBee技术在无线水表中的应用 193
习题与思考题 196

第6章 智能仪表的抗干扰技术 197
6.1 干扰分析 197
6.1.1 电磁干扰分析 197
6.1.2 干扰进入的渠道 200
6.2 智能仪表的硬件抗干扰技术 201
6.2.1 串模干扰的抑制 201
6.2.2 共模干扰的抑制 204
6.2.3 隔离技术 207
6.2.4 接地技术 214
6.2.5 屏蔽技术 216
6.2.6 电源抗干扰设计 218
6.3 软件抗干扰技术 219
6.3.1 干扰对智能仪表造成的后果 220
6.3.2 软件抗干扰的前提条件 220
6.3.3 冗余技术 221
6.3.4 软件陷阱技术 222
习题与思考题 228

第7章 监控程序 229
7.1 软件设计方法 229
7.1.1 结构化设计和编程 229
7.1.2 软件功能测试 231
7.1.3 软件的运行、维护和改进 232
7.2 监控程序设计 232
7.2.1 概述 232
7.2.2 监控主程序 233
7.2.3 初始化管理 235
7.2.4 键盘管理 235
7.2.5 显示管理 239
7.2.6 中断管理 240
7.2.7 时钟管理 242
7.2.8 手-自动控制 243
7.2.9 自诊断处理 243
习题与思考题 250

第8章 智能仪表的测量与控制算法 251
8.1 测量算法 251
8.1.1 克服随机误差的软件算法 251
8.1.2 克服系统误差的软件算法 258
8.1.3 量程自动切换与工程量变换 268
8.2 控制算法 273
8.2.1 PID控制算法 273
8.2.2 智能控制算法 283
习题与思考题 303

第9章 智能仪表设计实例 304
9.1 设计准则 304
9.2 设计实例 306
9.2.1 温度程序控制仪的设计 306
9.2.2 远程智能数据采集装置的设计(基于Neuron芯片的现场总线仪表设计之一) 317
9.2.3 用于高压断路器的现场智能仪表的设计(基于Neuron芯片的现场总线仪表设计之二) 320
9.2.4 无线空气质量检测仪表的设计(基于ZigBee技术的无线智能仪表设计之一) 330
9.2.5 无线温度变送器的设计(基于ZigBee技术的无线智能仪表设计之二) 347
9.3 仪表调试 362
9.3.1 常见故障 362
9.3.2 调试方法 362
习题与思考题 365

参考文献 366

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