《測控儀器設(shè)計》(第5章)《測控儀器設(shè)計(第3版)》

第五章電路與軟件系統(tǒng)設(shè)計第五章電路與軟件系統(tǒng)設(shè)計第一節(jié)

電路與軟件系統(tǒng)概述第二節(jié)測控儀器的電路設(shè)計第三節(jié)測控儀器的軟件設(shè)計第四節(jié)可靠性與故障診斷技術(shù)第一節(jié)

電路與軟件系統(tǒng)概述一、電路與軟件系統(tǒng)的作用傳感器電路與軟件執(zhí)行器對傳感器的輸出信號進行采集和預處理數(shù)據(jù)進行相應的運算、顯示、存儲輸出信號并使得執(zhí)行機器執(zhí)行相應的動作承上啟下至關(guān)重要第一節(jié)

電路與軟件系統(tǒng)概述二、電路與軟件系統(tǒng)的組成測量電路：輸入通道，對信號進行調(diào)理、轉(zhuǎn)換及簡單運算；控制電路：輸出通道，對被控參數(shù)實行控制；中央處理系統(tǒng)：同時連結(jié)測量電路和控制電路，“心臟”；電源：提供能量、電平基準（地）、參考電平等；軟件：與硬件配合才能正常工作，否則系統(tǒng)將成為“裸機”。第一節(jié)

電路與軟件系統(tǒng)概述三、電路與軟件系統(tǒng)的設(shè)計要求噪聲比：有用信號強度與噪音信號強度之間的比率；

是衡量系統(tǒng)抗干擾能力的技術(shù)指標。分辨力：能夠識別的信號的最小變化量（不是最小量）；

電路與軟件的分辨力應該高于傳感器的分辨力。非線性：輸入輸出關(guān)系偏離理想直線的程度；電路與軟件的非線性應該優(yōu)于傳感器的非線性。量化誤差：數(shù)字電路的一個最小數(shù)字所對應的被測量值；模擬傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化誤差。穩(wěn)定性：分為時間穩(wěn)定性（時漂）和溫度穩(wěn)定性（溫漂）；

受電路元器件特性、環(huán)境參數(shù)等因素的影響。1、精度要求：第一節(jié)

電路與軟件系統(tǒng)概述三、電路與軟件系統(tǒng)的設(shè)計要求頻率特性：輸出信號隨輸入信號的頻率變化而變化的特性；

幅頻特性-幅值隨頻率變化的特性；

相頻特性-相位隨頻率變化的特性；階躍特性：輸入信號為階躍信號或脈沖信號；時間常數(shù)–衡量輸出信號的相應速度快慢；

衰減率-衡量輸出信號趨穩(wěn)的能力與速度；2、速度要求：第一節(jié)

電路與軟件系統(tǒng)概述三、電路與軟件系統(tǒng)的設(shè)計要求在工藝上提高電路系統(tǒng)元器件本身的可靠性;是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提高系統(tǒng)的可靠性和合理性;在電路和軟件中增加適當措施。3、可靠性要求：硬件選材應合理設(shè)計，考慮初期投入和日后維護費用；軟件系統(tǒng)盡可能自主開發(fā)，便于長期維護和升級。4、經(jīng)濟性要求：優(yōu)先選用高集成度芯片或SoC。5、體積要求：第一節(jié)

電路與軟件系統(tǒng)概述4、電路與軟件系統(tǒng)的設(shè)計準則優(yōu)先采用標準總線進行系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計;優(yōu)先采用標準接口進行信號傳輸;1、標準化準則：功能模塊化–測量、處理、控制…；硬件模塊化–便于維護、升級；軟件模塊化–便于移至、升級。2、模塊化準則：對環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾(ElectromagneticDisturbance)；對電磁騷擾電磁敏感性(ElectromagneticSusceptibility)。3、電磁兼容準則：第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計信號調(diào)理：放大、檢波、濾波、阻抗匹配、隔離、調(diào)制…；

以期改善信號質(zhì)量、達到測量精度要求；

主要取決于傳感器。信號轉(zhuǎn)換：阻抗/電壓、電壓/電流、電壓/頻率、模擬/數(shù)字…；

以便滿足后續(xù)電路處理和計算機系統(tǒng)的要求；

主要取決于傳感器的輸出以及后續(xù)環(huán)節(jié)的特性。簡單運算：加減（差動）、微積分、特征值運算…，

以便直接獲得某些測量結(jié)果;

對于后續(xù)環(huán)節(jié)不采用計算機的情形尤為重要。1、測量電路的作用第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計2、測量電路的組成測量電路傳

感

器放

大

器

解

調(diào)

器濾

波

器運算電路模數(shù)轉(zhuǎn)換中央處理系統(tǒng)振蕩器電

源圖5-2傳感器輸出模擬信號的測量電路組成檢波器第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計2、測量電路的組成電阻應變片測量電橋

放大器圖5-3電阻應變式傳感器測量電路組成電阻應變片測量電橋

放大器濾

波

器振蕩器相敏檢波直流供電橋(b)交流電橋第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計2、測量電路的組成傳

感

器放

大

器

整形電路辨向電路細分電路計

數(shù)

器中央處理系統(tǒng)電

源鎖

存

器圖5-4傳感器輸出數(shù)字信號的測量電路檢測電路電平轉(zhuǎn)換第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計2、測量電路的組成增量編碼器信號調(diào)理細分電路辨向電路可逆計數(shù)器鎖

存

器(a)絕對編碼器檢測電路絕對編碼器鎖

存

器檢測電路圖5-5增量式編碼器的測量電路組成(b)增量編碼器第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計3、信號調(diào)理電路設(shè)計(1)放大電路設(shè)計要求：①噪聲：要求具有較高的信噪比；②穩(wěn)定性：輸入失調(diào)電壓/電流，溫度漂移和靈敏度漂移；③阻抗：放大電路的輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗匹配；④增益：滿足測量靈敏度、分辨力、穩(wěn)定性的要求；⑤速度：具有足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率，以滿足采樣速率的要求。分類方法具體形式按用途分類電壓、電流、功率、電荷、阻抗變換器按信號形式分類直流、交流按信號相位關(guān)系分類同相、反相按器件分類晶體管、場效應管、集成運算放大器……按工作頻段分類直流、音頻、射頻、視頻……按工作狀態(tài)分類甲類、乙類、甲乙類、丙類第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計3、信號調(diào)理電路設(shè)計(2)濾波電路設(shè)計①特征頻率與帶寬：濾波器允許或阻止信號通過的最低或最高頻率值。②增益與衰耗：低通、高通或帶通濾波電路通帶的增益。③阻尼與品質(zhì)因數(shù)：濾波器中表示能量衰耗的一項指標。④群時延函數(shù)：評價信號經(jīng)濾波后相位失真程度。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計3、信號調(diào)理電路設(shè)計(3)調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計調(diào)制：用一個測量信號去控制另一個作為載體的信號，讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。解調(diào)：從已經(jīng)調(diào)制的信號中去除載波信號，提取反映被測量值的測量信號。us0t(a)調(diào)幅信號u'0t(b)半波檢波(c)原始信號uo0t圖5-8包絡(luò)檢波tx0t0uc(a)調(diào)制信號(b)載波信號us0t(c)調(diào)幅信號圖5-7幅值調(diào)制第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計3、信號調(diào)理電路設(shè)計(4)細分與辯向電路設(shè)計細分電路：又稱插補器，主要是采用電路的手段對周期性的測量信號進行插值，以便提高儀器分辨力。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計4、信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(1)阻抗-電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計全等臂電橋形式，即四個橋臂R1、R2、R3和R4為四個相同的傳感器（或者是傳感器的四個敏感元件）。在初始狀態(tài)（平衡狀態(tài)）下，四個橋臂的阻抗相等，R1＝R2＝R3＝R4＝R，則輸出信號U0為零。在工作狀態(tài)下，四個傳感器（敏感元件）的阻抗分別產(chǎn)生變化ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4。假設(shè)激勵源為U，可以近似推導出此時的輸出信號為：圖5-13測量電橋第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計4、信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(2)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(a)原理與管腳圖(b)電流－電壓轉(zhuǎn)換電路圖5-14基于RCV420的差動電流－電壓轉(zhuǎn)換電路第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計一、測量電路的設(shè)計4、信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(3)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路設(shè)計①

位數(shù)：位數(shù)越多，分辨率越高，量化誤差就越小。②

線性誤差：一般可達10-4～10-6數(shù)量級。

可以預先進行標定，在轉(zhuǎn)換過程中給予修正。③

轉(zhuǎn)換時間：普通A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間均在微秒級，

高速A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間則在納秒級。④

基準穩(wěn)定度：外源型傳感器受電源波動的影響嚴重；

可以采用傳感器電源作為A/D轉(zhuǎn)換器基準電源，

則傳感器電源波動對測量結(jié)果不會產(chǎn)生影響。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計二、中央處理電路的設(shè)計1、中央處理系統(tǒng)的作用功能：對來自測量電路的信號進行運算、處理、存儲、顯示…，

向控制電路發(fā)出控制命令，對被控參數(shù)實行控制。新功能：自動對零功能、量程自動切換功能、多點快速測控、

數(shù)字濾波功能、自動修正誤差、數(shù)據(jù)處理功能、

復雜控制規(guī)律、多媒體功能、通訊或網(wǎng)絡(luò)功能、

自我診斷功能、…第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計二、中央處理電路的設(shè)計2、中央處理系統(tǒng)的組成輸入接口：將來自測量電路的信號送入計算機中進行處理。主機單元：數(shù)據(jù)存儲、運算、顯示、打印、通訊、控制等。

組成形式-微處理器（單片機）、微型計算機。輸出接口：將計算機的控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘柌⑤敵?。第二?jié)

測控儀器的電路設(shè)計二、中央處理電路的設(shè)計3、基于單片機的中央處理系統(tǒng)設(shè)計單片機（MCU）：是指在一塊芯片上集成了計算機的基本部件，包括中央處理器(CPU)、存儲器(RAM/ROM)、輸入/輸出接口(I/O)、計數(shù)器/定時器以及其他有關(guān)部件，一塊芯片就構(gòu)成一臺計算機。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計二、中央處理電路的設(shè)計4、基于DSP中央處理系統(tǒng)設(shè)計多總線結(jié)構(gòu)：DSP芯片內(nèi)部一般采用的是哈佛結(jié)構(gòu)。流水線操作：使兩個或更多不同的操作可以重疊執(zhí)行。專用乘法器：在一個指令周期內(nèi)完成一次乘法運算。專用DSP指令：對數(shù)字信號進行更為高效、快速的處理。多機并行運行：多個DSP芯片并行處理，高速實時處理。快速指令周期：DSP芯片的主頻不斷提高。低功耗：降低功耗對于電力資源緊缺產(chǎn)生十分重要。高精度：浮點DSP、定點DSP的字長也能達到32位。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計二、中央處理電路的設(shè)計5、基于PLC中央處理系統(tǒng)設(shè)計功能完善，組合靈活，擴展方便，實用性強。使用方便，編程簡單，語言簡明。安裝簡單，容易維修。抗干擾能力和可靠性能力都強。環(huán)境要求低。易學易用第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計二、中央處理電路的設(shè)計6、基于PC中央處理系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計二、中央處理電路的設(shè)計6、基于PC中央處理系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計二、中央處理電路的設(shè)計6、基于PC中央處理系統(tǒng)設(shè)計第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計三、控制電路的設(shè)計1、控制電路的作用與組成（1）信號轉(zhuǎn)換：將計算機發(fā)出的指令（數(shù)字信號）轉(zhuǎn)換為適當形式的電信號，例如電壓、電流、脈沖等等；（2）放大驅(qū)動：將電信號的功率進行放大，使得電信號具有足夠的能量來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作；（3）信號隔離：將轉(zhuǎn)換電路與驅(qū)動電路的之間的電聯(lián)系切斷，從而保護控制電路。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計三、控制電路的設(shè)計2、信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計①位數(shù)：可參照A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計方法。②輸出接口：電壓/電流，單極性/雙極性等。③零點調(diào)整：正常工作之前必須要對放大器進行零點和滿刻度的調(diào)整。④時鐘匹配：保證與計算機的時鐘相匹配。⑤參考電壓：將參考電壓直接接電源；可采用精密電壓集成電路。⑥輸入接口：直通型/緩沖型。(1)數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計三、控制電路的設(shè)計2、信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計利用半導體功率晶體管或晶閘管等開關(guān)器件的導通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期(2)脈沖寬度調(diào)制電路設(shè)計圖5-24用PWM波代替正弦半波第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計三、控制電路的設(shè)計3、驅(qū)動電路設(shè)計(1)功率開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計圖5-27晶體管驅(qū)動電路圖5-28場效應管驅(qū)動電路第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計三、控制電路的設(shè)計3、驅(qū)動電路設(shè)計(2)步進電機驅(qū)動電路設(shè)計圖5-29步進電機驅(qū)動電路組成環(huán)行分配器：對輸入的步進脈沖進行邏輯變換，產(chǎn)生給定工作方式所需的各相脈沖序列信號，從而在步進方向信號控制下使得步進電機按照一定規(guī)律運行。功率放大電路：產(chǎn)生使電動機旋轉(zhuǎn)所需的激磁電流，足以驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計三、控制電路的設(shè)計4、信號隔離電路設(shè)計光電隔離的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地，因此輸入回路與輸出回路完全隔離。同時光電耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾上千伏的高壓，不會擊穿器件。因此當外部設(shè)備出現(xiàn)故障，不會損壞控制電路和計算機系統(tǒng)。從而避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。因此，采用光電耦合器件的輸入隔離電路具有很好的適用性，特別適合驅(qū)動一些高壓器件和設(shè)備，可以有效保護測控系統(tǒng)的安全。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計四、電源的設(shè)計1、對電源的要求輸入：須明確輸入形式（直流/交流）和數(shù)值（大小/范圍）；輸出：輸出電壓、路數(shù)及其隔離性、輸出電流及余量；穩(wěn)壓系數(shù)：開路輸出電壓Vo變化量與輸入電壓Vi變化量之比；電壓調(diào)整率：輸入電壓變化時電源維持輸出電壓不變的能力；負載調(diào)整率：輸出電流從零到最大時輸出電壓的相對變化值；紋波：實際的穩(wěn)壓電源存在的交流成分；可靠性：工作溫度、環(huán)境濕度、散熱方式。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計四、電源的設(shè)計2、電池電池：可以提供非常純凈的直流信號源（其紋波極小。種類：分為化學電池、物理電池與生物電池三大類。

化學電池：一次化學電池、可充電電池和燃料電池等。

物理電池：包括太陽能電池、熱電池、壓電池等。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計四、電源的設(shè)計3、直流穩(wěn)定電源

線性直流穩(wěn)定電源：靠調(diào)整管之間的電壓降來穩(wěn)定輸出，穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路，輸出連續(xù)可調(diào)，但是體積大、較笨重、效率相對較低。圖5-33一體化開關(guān)穩(wěn)壓電源

開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源：功率器件調(diào)整管工作在飽和及截止區(qū)，即始終處于功率開關(guān)狀態(tài)。優(yōu)點是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠，尤其是輸入電壓范圍很寬；缺點相對于線性電源來說紋波較大。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計四、電源的設(shè)計7、集成穩(wěn)壓器圖5-34三端穩(wěn)壓器的應用第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計五、電路系統(tǒng)的抗干擾1、干擾源（1）來自信號通道的干擾：主要是由傳感器、開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出、電路本身的固有噪聲等產(chǎn)生的。(2)來自電源的干擾：一部分是指由于電源的輸入本身是交流電源，不可避免地殘留一定的交流成分而形成噪聲信號；另一部分是指由于開關(guān)通斷、電機中電刷與整流子之間周期性的電火花干擾、大型動力設(shè)備的起停、自然界中雷電、汽車發(fā)動機點火裝置產(chǎn)生的火花等干擾等因素產(chǎn)生的電源的異常抖動。(3)來自空間的輻射干擾：來自空間的各種電磁波和強電場的各種干擾。(4)來自元器件和電路板的噪聲：來源于各種元器件和PCB電路板，特別是高頻數(shù)字電路尤為明顯，甚至產(chǎn)生自激，第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計五、電路系統(tǒng)的抗干擾2、干擾的耦合方式圖5-37靜電耦合干擾的等效電路CmEnZiUn圖5-38電磁耦合干擾的等效電路MInr1r2Un圖5-40漏電流耦合產(chǎn)生的干擾Ra第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計五、電路系統(tǒng)的抗干擾3、干擾的形態(tài)差模干擾：是指能夠使接收電路的一個輸入端相對于另一輸入端產(chǎn)生電位差的干擾。共模干擾：是相對于公共的電位基準點，在系統(tǒng)的接收電路的兩個輸入端上同時出現(xiàn)的干擾。圖5-42熱電偶測溫線路的共模干擾12測量儀第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計五、電路系統(tǒng)的抗干擾4、常用抗干擾措施濾除開關(guān)通道干擾的方法很多，但最為常用的是采用隔離措施，采用的器件主要是光電耦合器件，(1)開關(guān)信號通道干擾的抑制措施第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計五、電路系統(tǒng)的抗干擾4、常用抗干擾措施隔離變壓器：適于50Hz以上的信號(2)模擬信號通道干擾的抑制措施同軸電纜：是一種屏蔽電纜，可以在相對長的無中繼器的線路上支持高帶寬通信，具有傳送距離長、信號穩(wěn)定的優(yōu)點雙絞線：一根導線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消，從而可以降低自身信號的對外干擾。與此同時，空間電磁干擾在這一對雙絞線上產(chǎn)生的感應電勢大體相等，由附近電場耦合過來的容性干擾也大體相等，因此可以抵御相當部分來自外界的電磁波干擾。磁環(huán)：采用抗干擾磁環(huán)技術(shù)，也可以有效降低信道電磁干擾的影響。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計五、電路系統(tǒng)的抗干擾4、常用抗干擾措施(3)電源抗干擾措施為了避免低通濾波器中的電感元件進入磁飽和狀態(tài)，要在干擾進入低通濾波器之前加以衰減。可以在低通濾波器與交流穩(wěn)壓器之間設(shè)置一個電源低通濾波器。第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計五、電路系統(tǒng)的抗干擾4、常用抗干擾措施(4)空間抗干擾措施屏蔽的方法，是利用導電的低電阻材料制成容器或采用高導磁材料制成容器，以隔絕容器內(nèi)外的電磁或靜電的相互干擾。實施屏蔽的部位有整體外殼屏蔽、電纜屏蔽及連接器屏蔽第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計五、電路系統(tǒng)的抗干擾4、常用抗干擾措施(5)PCB抗干擾措施1）印制電路板布局要合理。2）元器件選用要正確。3）布線要科學第二節(jié)

測控儀器的電路設(shè)計五、電路系統(tǒng)的抗干擾4、常用抗干擾措施(6)接地技術(shù)圖5-51測控儀器的接地系統(tǒng)機箱殼架大功率電路低電平電路機殼地功率地信號地第三節(jié)

測控儀器的軟件設(shè)計一、軟件系統(tǒng)的作用(1)軟件對計算機的硬件資源進行控制與管理，協(xié)調(diào)各組成部分的工作，從而完成信息采集、信號傳輸與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲、指令輸出以及控制等一系列硬件工作過程。(2)軟件可以極大地擴大計算機的功能，提高計算機實現(xiàn)和運行各類應用任務(wù)的能力。(3)軟件系統(tǒng)可向用戶提供盡可能方便、靈活、友好的計算機操作使用界面，使得測控儀器系統(tǒng)操作更簡單、使用更方便、觀測更直觀、更具人性化。(4)軟件可為用戶完成特定應用的信息處理任務(wù)，例如數(shù)字濾波、曲線擬合、圖像處理、邏輯判斷、目標識別等等。第三節(jié)

測控儀器的軟件設(shè)計二、軟件設(shè)計的原則

(1)實用性：測控系統(tǒng)的軟件必須要滿足系統(tǒng)的總體要求，滿足儀器各種功能與技術(shù)指標（特別是精度和速度）的要求。

(2)先進性：采用先進成熟的技術(shù)和手段，便于修改、升級和移植。

(3)可擴充性：滿足用戶對信息需求不斷變化的需要，以及系統(tǒng)投資建設(shè)的長期性效益。

(4)靈活性：通過采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計形式，滿足系統(tǒng)及用戶各種不同的需求，適應不斷變化的要求。

(5)規(guī)范性：采用的技術(shù)標準要遵循國際標準和國家標準與規(guī)范，保證系統(tǒng)發(fā)展的延續(xù)和可靠性。第三節(jié)

測控儀器的軟件設(shè)計三、軟件設(shè)計的主要方法

結(jié)構(gòu)化方法(StructuredMethod)是20世紀60年代末在結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它遵循系統(tǒng)工程的思想，充分考慮用戶的需求，突出功能特征，按照軟件生命周期嚴格劃分工作階段，強調(diào)軟件各部分之間的結(jié)構(gòu)及關(guān)系，是開發(fā)軟件的全局設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)化方法：結(jié)構(gòu)化分析（SA）

結(jié)構(gòu)化設(shè)計（SD）

結(jié)構(gòu)化編程（SP）第三節(jié)

測控儀器的軟件設(shè)計四、常用集成開發(fā)環(huán)境

VisualStudio：是美國微軟公司的開發(fā)工具包系列產(chǎn)品。VS是一個基本完整的開發(fā)工具集，它包括了整個軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境(IDE)等等。所寫的目標代碼適用于微軟支持的所有平臺，包括MicrosoftWindows、WindowsMobile、WindowsCE、.NETFramework、.NETCompactFramework和MicrosoftSilverlight

及WindowsPhone。第三節(jié)

測控儀器的軟件設(shè)計四、常用集成開發(fā)環(huán)境LabVIEW：是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。

LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。第四節(jié)

可靠性設(shè)計一、可靠性設(shè)計的作用

可靠性設(shè)計：在產(chǎn)品設(shè)計過程中，為消除產(chǎn)品的潛在缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，防止故障發(fā)生，確保滿足規(guī)定要求所采取的設(shè)計。

可靠性設(shè)計是系統(tǒng)總體工程設(shè)計的重要組成部分，可靠性設(shè)計的優(yōu)劣對產(chǎn)品的固有可靠性產(chǎn)生重大的影響。產(chǎn)品設(shè)計一旦完成，并按設(shè)計預定的要求制造出來后，其固有可靠性就基本確定了。生產(chǎn)制造過程最多只能保證設(shè)計中形成的產(chǎn)品潛在可靠性得以實現(xiàn)，而在使用和維修過程中只能是盡量維持已獲得的固有可靠性。

產(chǎn)品的可靠性首先是設(shè)計出來的，可靠性設(shè)計決定產(chǎn)品的“優(yōu)生”，可靠性設(shè)計是可靠性工程的最重要的階段。第四節(jié)

可靠性設(shè)計二、可靠性設(shè)計的原則（1）可靠性設(shè)計應有明確的可靠性指標和可靠性評估方案；（2）可靠性設(shè)計必須貫穿于功能設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，在滿足基本功能的同時，要全面考慮影響可靠性的各種因素；（3）應針對故障模式（即系統(tǒng)、部件、元器件故障或失效的表現(xiàn)形式）進行設(shè)計，最大限度地消除或控制產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)可能出現(xiàn)的故障（失效）模式；（4）在設(shè)計時，應在繼承以往成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，積極采用先進的設(shè)計原理和可靠性設(shè)計技術(shù)。但在采用新技術(shù)、新型元器件、新工藝、新材料之前，必須經(jīng)過試驗，并嚴格論證其對可靠性的影響；（5）在進行產(chǎn)品可靠性的設(shè)計時，應對產(chǎn)品的性能、可靠性、費用、時間等各方面因素進行權(quán)衡，以便做出最佳設(shè)計方案。第四節(jié)

可靠性設(shè)計三、電路系統(tǒng)的可靠性設(shè)計在研制和生產(chǎn)電路系統(tǒng)時，應對元件進行老化實驗和篩選，使得系統(tǒng)投入運行時，各元件能超過早期失效期。1、影響硬件可靠性的因素圖5-57元件失效規(guī)律示意圖時間t失效概率λ衰老期穩(wěn)定工作期早期失效期第四節(jié)

可靠性設(shè)計三、電路系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

注意元器件的電氣性能：電壓、電流、功率等。(2)考慮環(huán)境條件對硬件參數(shù)的影響：溫度、電源；(3)考慮組裝工藝：設(shè)計印制電路板時(4)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計：器件及設(shè)備的安裝方式(5)冗余設(shè)計：采用若干設(shè)備并聯(lián)(6)優(yōu)化生產(chǎn)工藝：對元件進行老化實驗和篩選2、提高硬件可靠性的一般方法第四節(jié)

可靠性設(shè)計四、軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計軟件可靠性：按規(guī)定的條件和時間內(nèi)運行不發(fā)生故障的能力。1、軟件可靠性的基本概念軟件的壽命周期中，也有早期故障期和偶然故障期。早期故障率也高于偶然故障期的故障率，但軟件不存在故障率呈增長趨勢的耗損故障期，軟件的缺陷糾正一個就減少一個，不會重復出現(xiàn)。度量軟件可靠性的直觀指標是故障率，在軟件壽命周期的各個階段都可能發(fā)生軟件錯誤或故障。軟件開發(fā)周期各階段需求分析設(shè)

計編碼與單元試驗綜合與試驗運行與維護錯誤百分數(shù)（%）551713105第四節(jié)

可靠性設(shè)計四、軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(1)數(shù)字濾波：2、軟件可靠性設(shè)計方法數(shù)字濾波(DigitalFilter)是通過軟件計算的方式完成對信號的濾波，而不是使用硬件濾波器。這種方式具有更強的適應性，復用性好，允許自行定義分割點頻率，修改方便，可實現(xiàn)超低頻濾波。平均值濾波：即把n次采樣結(jié)果的算術(shù)平均值作為輸出。中值濾波：即把M次連續(xù)采樣值進行排序，取其中位值作為濾波器的輸出。

平滑濾波：把連續(xù)取n個采樣值看成一個序列，取算術(shù)平均運算并輸出。限幅濾波：將本次采樣和上次采樣的差值小于Δ的信號認為是有效信號。卡爾曼濾波：是一個最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法。第四節(jié)

可靠性設(shè)計四、軟件系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(2)指令冗余：2、軟件可靠性設(shè)計方法在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。此外，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序