随着单片机、嵌入式系统的不断发展,传统仪器发生了深刻变化。我们已经身处计算机的海洋,它们本来可以安全地隐藏在军事研究中心或大学实验室,但现在已经随处可见。单片机与嵌入式系统是计算机的一个重要分支,是智能仪器的核心,已经成为各种仪器不可或缺的部件。正是由于嵌入了这样的单片型微处理器,使得仪器实现操作“傻瓜化”、检测校准自动化、数据处理程序化和人机对话人性化。加上人工智能在测试技术方面的广泛应用,使现代仪器具有视觉(图形及色彩辨读)、听觉(语音识别及语言领悟)、思维(推理、判断、学习与联想)等方面的能力,成为名副其实的智能仪器,有力地推动了仪器朝着微型化、多功能、人工智能化、网络化、虚拟仪器方向发展。各类仪器经过智能化后,在自动化技术、测控技术、通信技术、生物技术、航空航天、军事科学、医疗领域都能起到独特的作用,成为科研院所、工程科学技术人员不可缺少的智能仪器。
单片机与嵌入式系统种类很多,性能各异,从数据总线宽度来说,有8位、16位、32位和64位的处理器,从功能特性来讲,有单片机、ARM嵌入式系统、DSP数字信号处理器、FPGA可编程逻辑处理器等,而且各种类型的单片机与嵌入式系统又对应有很多厂家生产的很多不同系列的微处理器芯片。因此,单片机与嵌入式系统非常重要,在教学过程中,不可能面面俱到,只能挑选一款或两款经典的嵌入式处理器进行教学。大学生至少要掌握一款嵌入式微处理器的开发应用才能适应时代的要求。并以此为基础,根据生产实际需要,经过深入学习,触类旁通,举一反三,学会更多的单片机与嵌入式系统的使用方法,以便设计开发出适合某一方面应用的智能仪器,解决实际问题。
智能仪器是对单片机应用的深化,是综合性的电子系统设计,高等院校工科电子类专业的学生毕业后大多从事电子产品开发设计工作,为此,在本科教育阶段开设一门“智能仪器”的课程显得非常必要。由于智能仪器是各种智能化电子产品的典型代表,其硬件结构和软件系统可以作为一般智能化电子产品的模型,故以“智能仪器”课程作为工科电子类专业学习“智能电子产品设计”是比较合适的,通过本课程的学习,能够使学生基本掌握电子产品的设计方法。
过去,人们称计算机专业是学“软件”的,电子专业是学“硬件”的。随着电子产品使用单片机与嵌入式系统为核心部件开发智能仪器,软件设计在智能电子产品开发中所占比重也越来越大,“电子专业是学硬件的”这种观点已经过时。如今智能仪器集微电子技术、信息技术、控制技术于一身,使仪器能够自动完成信号采集、处理、输出控制,实现人机交互、自动校正、与其他仪器的接口等功能和人工智能的能力。作为工科电子专业的学生,要树立新的观念,必须“软硬”兼施、“软硬”融合,既要掌握硬件电路设计知识、理论分析,更要具备软件规划、程序设计能力。只有那些硬件功底扎实,软件设计能力很强的学生将来才能在这个领域有所作为、有所创新。然而,大凡编程书,必定不好啃。而且智能仪器面对的是一个比较复杂系统的软硬件设计、编程规划,很容易让人摸不到“门”、找不到“北”。故在学习过程中,一定要循序渐进、精讲多练、理论联系实际,坚持在“学”中“做”,在“做”中“学”。只要能够使用单片机做出1个智能作品,将会极大地提升对单片机、智能仪器课程的兴趣,增强自己的成就感与自豪感,而且所有的困惑将烟消云散,很多问题将迎刃而解。要充分认识到理论与实践的辩证关系:如果在实践中出现障碍,解决不了问题、进行不下去,一定是缺乏理论的指导,对理论理解不深、造成瓶颈;如果在理论上出现模糊不清,必定是缺乏在实践中检验,没有进行深入的实验研究,造成闭门造车、不知所以。单片机、智能仪器设计工程师就是在不断实践、不断研究,在实践中发现问题、在实践中解决问题里锻炼出来的。过去有勤能补拙的说法,毛主席还有实践出真知的理论,而在学习科学技术方面,唯有实践才是产品创新设计的必由之路,才是检验理论正确性的唯一途径。
为了适应智能仪器的新要求,软件设计能力的培养在本教材中得到了加强,与其他课程内容雷同的硬件设计篇幅作了相应压缩,这也是本教材的一大特色。另外,本教材与国内已经出版的同类书籍和教材相比,除了加重软件设计的份量外,硬件设计中大量采用串行器件也是一个特色。随着单片机与嵌入式系统的集成度的提高,很多情况下只要选择一种合适的内嵌了所需功能部件的新型单片机、嵌入式系统就可以满足要求,不需要再外接其他功能芯片;即使需要外接功能部件,也采用串行接口芯片,体现单芯片、少接口的设计风格,提高智能仪器的性价比。只有在信息量非常大、速度要求非常高的场合才采用并行总线接口。
全书共14章,第1章是“绪论”,介绍了智能仪器的一些基本知识;第2章是“微处理器的选择”,介绍几种当前流行的单片机与嵌入式系统的性能特点,使学生从单一的8051单片机中走出来,学会思考和选择,达到开阔视野的目的;第3章是“软件系统设计概述”,使学生了解一个完整的软件系统是如何进行功能设计、层次结构设计与规划的;第4章和第5章介绍了数字信号和模拟信号的输入/输出通道;第6章是“总线与通信系统”,介绍了几种主要的通信协议;第7章是“时钟系统”,介绍智能仪器运行的基础和设计方法;第8章是“人机接口”,介绍了显示、打印、键盘的接口设计;第9章是“常用数据处理功能”,介绍了有关数据处理、误差处理、标度变换和自动测量的基本知识;第10章是“可靠性设计”,介绍抗干扰设计和容错设计的基本知识;第11章到第13章分别介绍了基于电压测量、时间测量和波形测量的智能仪器的基本知识和智能电子产品设计实例;第14章是“C51编程与课程设计实验指导”,挑选了9个课程设计项目实验,使学生初步掌握智能仪器的设计方法。
为了配合教学,每一章都有适量的习题。本书全部内容计划学时为60课时,不同专业可根据需要选择教学内容和讲授深度,将实际教学课时控制在40~60课时之间。
全书由朱兆优负责策划、内容安排、编写、修改整理和审定,周航慈、胡文龙、吴光文参与完成了第3章、第5章、第6章、第7章、第8章、第9章、第10章的资料整理和编写工作,朱日兴、刘琦参与了第4章、第9章、第10章、第14章的资料整理和编写工作。本书在编写过程中得到STC宏晶科技公司总裁姚永平先生的大力支持,得到东华理工大学有关部门的关心和资助,朱日兴、刘琦、胡文龙、涂晓红、王海涛、赵永科对书中部分的图件、程序进行了制作和验证,在此一并表示衷心感谢!
由于本书涉及知识领域广泛,而且变化日新月异,限于时间和水平的限制,难免有差错和不足之处,敬请读者指正!
编著者
2016年6月10日