第1章 绪论 1

1.1 智能仪器的结构特点 1

1.1.1 什么叫智能仪器 1

1.1.2 智能仪器的特点 1

1.1.3 智能仪器的硬件系统组成 2

1.1.4 智能仪器的软件系统组成 2

1.2 智能仪器的设计思路 3

1.2.1 智能仪器的基本设计方法 3

1.2.2 智能仪器的设计过程 3

1.2.3 智能仪器的统调测试方法 5

1.3 智能仪器的发展 6

1.4 虚拟仪器 7

习题 8

第2章 微处理器的选择 9

2.1 基于8051内核的单片机 9

2.1.1 STC89系列单片机 10

2.1.2 STC15Fxx系列单片机 11

2.1.3 STC15Wxx系列单片机 12

2.1.4 其他系列单片机 13

2.2 基于ARM内核的单片机 14

2.2.1 ARM概念及其发展 14

2.2.2 ARM选型与应用 15

2.3 DSP数字处理器 16

2.3.1 DSP技术概念及其发展 16

2.3.2 DSP处理器的主要结构特点 16

2.3.3 DSP的选择与应用 17

习题 18

第3章 软件系统设计概述 20

3.1 软件开发环境与编程语言 20

3.1.1 开发环境的选择 20

3.1.2 编程语言的选择 20

3.2 软件系统的结构分析 21

3.2.1 层次结构 21

3.2.2 功能结构 21

3.3 软件系统的规划 22

3.4 软件系统的设计步骤 23

3.4.1 设计和调试硬件接口模块 23

3.4.2 建立软件系统的框架 24

3.4.3 设计和调试各个功能模块 25

3.4.4 整机测试 25

3.5 实例分析 25

3.5.1 系统功能概述 25

3.5.2 硬件系统概述 26

3.5.3 软件系统的规划 26

3.5.4 软件系统的框架 27

习题 29

第4章 开关量数字信号的输入/输出 30

4.1 开关量信号的输入 30

4.1.1 开关量信号输入通道结构 30

4.1.2 开关量输入接口 30

4.2 开关量信号的输出 36

4.2.1 输出驱动接口的隔离 36

4.2.2 小功率直流负载驱动接口电路 36

4.2.3 中功率直流负载驱动接口电路 37

4.2.4 固体继电器输出接口电路 38

4.3 电动机驱动电路 40

4.3.1 直流电动机调速驱动原理 40

4.3.2 直流电动机调速驱动电路 41

4.3.3 步进电动机驱动原理 41

4.4 键盘与显示接口 46

4.4.1 矩阵键盘 46

4.4.2 ADC采样键盘 48

4.4.3 触摸键盘 49

4.4.4 数码静态显示接口 52

4.4.5 数码动态显示接口 55

4.4.6 液晶显示(字符式、点阵式) 59

习题 60

第5章 模拟信号的输入/输出 62

5.1 模拟信号的输入 62

5.1.1 A/D转换器件的选择 62

5.1.2 模拟输入通道的设计 63

5.1.3 其他A/D转换模式介绍 68

5.2 模拟信号的输出 70

5.2.1 D/A转换器件的选择 70

5.2.2 模拟输出通道的设计 70

5.2.3 PWM型D/A转换器 74

习题 76

第6章 总线与通信系统 77

6.1 通用接口总线GP-IB 77

6.1.1 GP-IB标准接口概述 77

6.1.2 GP-IB接口芯片 80

6.2 串行通信标准RS-232与RS-485 80

6.2.1 RS-232标准及接口芯片 80

6.2.2 RS-485标准及接口芯片 81

6.2.3 串行通信程序设计 82

6.3 其他总线与通信技术简介 86

6.3.1 通用串行总线USB 86

6.3.2 现场总线CAN 87

6.3.3 工业以太网 88

6.3.4 蓝牙技术 89

6.3.5 电力线载波通信 89

习题 91

第7章 时钟系统 92

7.1 硬件时钟 92

7.1.1 概述 92

7.1.2 时钟数据的写入 94

7.1.3 时钟数据的读取 95

7.2 软件时钟 96

7.2.1 概述 96

7.2.2 软件时钟的运行 97

7.3 时钟的使用 98

7.3.1 定时任务的管理 98

7.3.2 时间间隔的测量 100

7.3.3 时间长度的控制 100

习题 101

第8章 人机接口 102

8.1 显示部件 102

8.1.1 发光二极管 102

8.1.2 数码管 103

8.1.3 液晶显示屏 106

8.2 微型打印机 114

8.2.1 GP-16微型打印机的接口

电路 114

8.2.2 GP-16微型打印机的使用 115

8.3 键盘 118

8.3.1 键盘的类型及接口电路 118

8.3.2 键盘信号的可靠采集 120

8.4 监控程序设计 124

8.4.1 监控程序的基本概念 124

8.4.2 系统状态分析 126

8.4.3 基于顺序编码的监控程序

设计 130

8.4.4 基于特征编码的监控程序

设计 132

8.4.5 基于菜单操作的监控程序

设计 137

习题 140

第9章 常用数据处理功能 141

9.1 数据处理 141

9.1.1 数据类型的选择 141

9.1.2 定点运算子程序库的使用 141

9.1.3 浮点运算子程序库的使用 142

9.2 误差处理 144

9.2.1 随机误差的处理 144

9.2.2 系统误差的处理 145

9.2.3 粗大误差的处理 146

9.3 标度变换 148

9.3.1 线性标度变换 148

9.3.2 非线性标度变换 149

9.4 常用自动测量功能 152

9.4.1 自动量程转换 152

9.4.2 自动校正 153

9.4.3 自动补偿 156

习题 158

第10章 可靠性设计 159

10.1 抗干扰设计 159

10.1.1 硬件抗干扰设计 159

10.1.2 软件抗干扰设计 160

10.2 容错设计 167

10.2.1 硬件容错设计 167

10.2.2 软件容错设计 171

习题 178

第11章 基于电压测量的智能仪器 180

11.1 数字电压表 180

11.1.1 数字电压表的结构 180

11.1.2 数字电压表主要技术指标 181

11.1.3 数字电压表的功能特点 183

11.1.4 数字电压表的输入电路 184

11.1.5 数字电压表设计 185

11.2 数字万用表 189

11.2.1 概述 189

11.2.2 交直流信号变换器 190

11.2.3 有效值转换模块应用 194

11.2.4 电流测量方法 195

11.2.5 电阻测量原理 197

11.2.6 数字万用表的设计 198

11.3 智能RLC测量仪 203

11.3.1 概述 203

11.3.2 电容/电感的数字化测量 211

11.3.3 RLC测量设计 212

习题 217

第12章 基于时间测量的智能仪器 219

12.1 时频基本概念 219

12.1.1 时间与频率关系 219

12.1.2 计时标准 219

12.1.3 频率测量方法 220

12.2 电子计数器基本原理 220

12.2.1 概述 220

12.2.2 通用电子计数器 221

12.2.3 测量误差分析计算 225

12.3 电子计数器设计 226

12.3.1 数字频率计电路设计 226

12.3.2 智能频率计电路设计 228

12.4 智能相位测量仪 232

12.4.1 相位测量原理 232

12.4.2 简易相位测量电路设计 233

12.4.3 智能相位测量仪设计 235

习题 241

第13章 基于波形测量的智能仪器 243

13.1 示波器基本原理 243

13.1.1 概述 243

13.1.2 波形显示器 244

13.1.3 液晶显示原理 245

13.2 通用示波器 247

13.2.1 示波器的垂直(Y)通道 247

13.2.2 示波器的水平(X)通道 250

13.2.3 示波器的主要技术指标 252

13.3 数字示波器 253

13.3.1 数字示波器组成原理 253

13.3.2 信号采集处理技术 254

13.3.3 波形显示技术 259

13.4 数字示波器的通信接口 261

13.5 数字示波器的特点 261

13.6 数字示波器的使用 264

13.7 简易数字存储示波器设计 266

13.7.1 主要性能分析设计 266

13.7.2 设计方案与分析 267

13.7.3 系统电路设计 270

13.7.4 系统软件设计 272

习题 273

第14章 C51编程与实验指导 275

14.1 C51概述 275

14.2 C51语法与数据结构 275

14.2.1 常量与变量 275

14.2.2 整型变量与字符型变量 276

14.2.3 关系表达式和逻辑表达式 277

14.3 C51流程控制语句 278

14.3.1 if语句 278

14.3.2 switch语句 279

14.3.3 for语句 279

14.3.4 while和do-while语句 280

14.3.5 其他语句 280

14.4 C51构造数据类型 281

14.4.1 结构体 281

14.4.2 共用体 282

14.4.3 指针 283

14.4.4 typedef类型定义 284

14.5 C51和标准C语言的异同 284

14.5.1 Keil C51数据类型 284

14.5.2 8051的特殊功能寄存器 284

14.5.3 8051的存储类型 285

14.5.4 Keil C51的指针 287

14.5.5 "文件包含"处理 288

14.5.6 Keil C51的使用 288

14.5.7 C51关键字 289

14.6 智能仪器实验指导 291

14.6.1 低频信号发生器 291

14.6.2 直流电动机PWM控制 295

14.6.3 流动LED灯控制器设计 297

14.6.4 简易频率计数器 298

14.6.5 简易有害气体检测仪 302

14.6.6 简易数字万用表设计 303

14.6.7 简易数字存储示波器 304

14.6.8 简易 g?辐射仪 307

14.6.9 汽车测速与倒车提示器 307

参考文献 310

《基于Proteus的51系列单片机设计与仿真》适合从事单片机应用研发的技术人员阅读，也可作为高等院校单片机课程的教学用书。

C8051F具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)的特点，其性能优势具体体现在以下方面：

基于增强的CIP-51内核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51采用流水线结构，70%的的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍；其峰值执行速度可达100MIPS(C8051F120等)，是目前世界上速度最快的8位单片机。

增加了中断源。标准的8051只有7个中断源Silicon Labs 公司 C8051F系列单片机扩展了中断处理这对于时实多任务系统的处理是很重要的扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源允许大量的模拟和数字外设中断一个中断处理需要较少的CPU干预却有更高的执行效率。

集成了丰富的模拟资源，绝大部分的C8051F系列单片机都集成了单个或两个ADC，在片内模拟开关的作用下可实现对多路模拟信号的采集转换；片内ADC的采样精度最高可达24bit，采样速率最高可达500ksps，部分型号还集成了单个或两个独立的高分辨率DAC，可满足绝大多数混合信号系统的应用并实现与模拟电子系统的无缝接口；片内外部设备接口。具有两路UART和最多可达5个定时器及6个PCA模块，此外还根据不同的需要集成了SMBus、SPI、USB、CAN、LIN等接口，以及RTC部件。外设接口在不使用时可以分别禁止以降低系统功耗。与其他类型的单片机实现相同的功能需要多个芯片的组合才能完成相比，C8051单片机不仅减少了系统成本，更大大降低了功耗。

增强了在信号处理方面的性能，部分型号具有16x16 MAC以及DMA功能，可对所采集信号进行实时有效的算法处理并提高了数据传送能力。

具有独立的片内时钟源(精度最高可达0.5%)，设计人员既可选择外接时钟，也可直接应用片内时钟，同时可以在内外时钟源之间自如切换。片内时钟源降低了系统设计的复杂度，提高了系统可靠性，而时钟切换功能则有利于系统整体功耗的降低。

提供空闲模式及停机模式等多种电源管理方式来降低系统功耗

实现了I/O从固定方式到交叉开关配置。固定方式的I/O端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。在C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置，外设电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。

复位方式多样化，C8051F把80C51单一的外部复位发展成多源复位，提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。

从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试。C8051F在8位单片机中率先配置了标准的JTAG接口（IEEE1149.1）。C8051F的JTAG接口不仅支持Flash ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，它的JTAG逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。

C8051F系列单片机型号齐全，可根据设计需求选择不同规模和带有特定外设接口的型号，提供从多达100个引脚的高性能单片机到最小3mmX3mm的封装，满足不同设计的需要。

基于上述特点，Silicon Labs 公司C8051F系列单片机作为SoC芯片的杰出代表能够满足绝大部分场合的复杂功能要求，并在嵌入式领域的各个场合都得到了广泛的应用：在工业控制领域，其丰富的模拟资源可用于工业现场多种物理量的监测、分析及控制和显示；在便携式仪器领域，其低功耗和强大的外设接口也非常适合各种信号的采集、存储和传输；此外，新型的C8051F5xx系列单片机也在汽车电子行业中崭露头角。正是这些优势，使得C8051单片机在进入中国市场的短短几年内就迅速风靡，相信随着新型号的不断推出以及推广力度的不断加大，C8051系列单片机将迎来日益广阔的发展空间，成为嵌入式领域的时代宠儿

此系列单片机完全兼容MCS-51指令集，容易上手，开发周期短，大大节约了开发成本。C8051F系统集成度高，总线时钟可达25M