作者：朱一纶
出版社：电子工业出版社
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智能仪器基础(第2版)试读：
工业和信息产业职业教育教学指导委员会“十二五”规划教材全国高等职业教育工业生产自动化技术系列规划教材智能仪器基础（第2版）朱一纶 主 编吴 彪 副主编内容简介本书按照智能仪器的构成进行介绍，内容包括概述、智能仪器中的微机系统、信号的输入与处理、信号的输出与处理、智能仪器的人机界面、智能测控技术、智能仪器中的通信技术及智能仪器的设计与实例。教材设计了填空题、选择题和简答题，帮助学生复习和掌握主要的内容，并给出了大部分参考答案供广大师生参考。
本书可作为高职高专院校、成人学校及本科院校开办的二级职业技术学院自动化、仪器仪表、应用电子技术、机电一体化和计算机控制技术等相关专业的教材，也可供在企业生产一线从事技术、管理、运行等工作的相关技术人员参考使用。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据智能仪器基础 / 朱一纶主编. —2版. —北京：电子工业出版社，2012.6工业和信息产业职业教育教学指导委员会“十二五”规划教材全国高等职业教育工业生产自动化技术系列规划教材ISBN 978-7-121-17196-3Ⅰ. ①智… Ⅱ. ①朱… Ⅲ. ①智能仪器—高等职业教育—教材 Ⅳ. ①TP216中国版本图书馆CIP数据核字（2012）第111362号策划编辑：王昭松责任编辑：王昭松出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036开 本：787×1 092 1/16 印张：15.5 字数：396.8千字印 次：2012年6月第1次印刷印 数：4000册 定价：30.00元
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党的十六大提出，走我国新型工业化发展的道路，必须坚持“以信息化带动工业化、以工业化促进信息化”，而且要“积极探索科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子”，这表明我国要基本实现工业化，不仅要采用机械化和电气化，而且要充分利用自动化和信息化新技术。因此，以自动化技术为代表的先进生产技术，将在我国产业结构调整、推动传统产业现代化、实现经济及社会持续协调发展的过程中，发挥极其重要的作用。
目前，作为我国高等教育一翼的高等职业教育，已经在招生规模方面取得了巨大的突破，但在教学改革方面与西方发达的职业教育相比，还相对落后。高等职业教育的培养目标是培养企业真正需要的具有实践动手能力的技术工人，这是当前高等职业教育改革的重点，也是一线教师所真正关心的话题。而工业生产自动化技术是高等职业教育中的一个重要领域，承担着为工业生产领域培养一线技术工人的重要作用，而且，无论是社会用人需求还是就业前景，这一领域目前都被广泛看好。
与此相适应，电子工业出版社在进行广泛调查研究的基础上，组织全国数十所高等职业院校的一线教师和企业技术专家，召开了“全国高等职业教育工业生产自动化技术规划教材研讨会”，就相关的课程教学和高等职业教育的培养目标进行了深入探讨，确定了自动化技术主干教材18种。与会代表多是所在学校的领导和业务骨干，具有丰富的教学经验、实践经验和编写教材的经验。
本套教材体现了高等职业教育改革的方向，以培养岗位技术人员的综合能力为中心，淡化理论，强化应用，将传统课程重新组合，缩短教学课时，力求突出应用性、针对性、岗位性和专业性等特点。
本套教材在内容编排上以能力为单位模块，强调实用原则；书中实例完整，注重原理和方法的应用，以提高对高等职业院校学生操作技能的培养。本套教材将学历课程与资格应试相结合，满足目前大多数高等职业院校学生毕业时对毕业证与资格证或上岗证的要求。本套教材力求内容的新颖性，紧跟国内外工业生产自动化技术的最新进展，同时兼顾国内高职院校相关专业的最新教学内容与方法。本套教材均配有电子教学参考资料，为高等职业院校师生的教与学提供方便和帮助。
本套教材的出版对于高等职业教育的改革和高等职业技能人才的培养将起到积极的推动作用。对于教材中所存在的一些不足之处，将通过今后的教学实践不断修订、完善和充实，以便我们更好地服务于高等职业教育。电子工业出版社职业教育分社2012年1月前 言
随着电子技术和计算机技术的不断发展，智能仪器在各行各业中的应用越来越普及。本教材自2006年出版以来，受到很多读者的欢迎，同时也给编者提出了很多好的意见和建议，因此在第1版的基础上做了修订，重点放在提高教材的实用性上。
本教材的主要特点是强调培养学生的实际应用能力，力求从基本概念上加强学生对智能仪器的工作原理、基本构成、使用及维护方法的理解，并结合实际的智能仪器，简要介绍了智能仪器的初步设计方法，并对智能仪器的各个部分都给出了设计实例，便于学生练习，加深理解。为了帮助学生理解，本教材尽可能地采用图文并茂的方法编写。
本教材的建议课时为48～64学时，包括8～24学时的实验与实践。考虑到目前MCS-51系列单片机在我国的应用比较广，且目前很多高校所开设的单片机课程都选用MCS-51系列单片机作为微处理器，本教材在应用举例中选用了基于MCS-51系列单片机开发的智能仪器。为了拓宽学生的思路，还对各种新器件、新技术做了简单的介绍。
本教材按照智能仪器的构成进行介绍，内容包括概述、智能仪器中的微机系统、信号的输入与处理、信号的输出与处理、智能仪器的人机界面、智能测控技术、智能仪器中的通信技术及智能仪器的设计与实例。本教材设计了填空题、选择题和简答题，帮助学生复习和掌握主要的内容，并给出了大部分参考答案供广大师生参考。
本教材的主要特点是：（1）难度较低，尽可能地用通俗易懂的方法去说明各种概念，让学生对智能仪器有一个全面的了解。（2）知识面较广，对各种新器件、新技术做了简单的介绍，为学生掌握智能仪器的原理及设计方法打开一道门。（3）第2版中新增了较多的应用实例，便于学生练习，加深理解，且所有的例子均经过调试、仿真并给出完整的硬件构成和软件程序。
本教材由南京金陵科技学院的朱一纶教授担任主编，南京金陵科技学院的吴彪担任副主编，吴岱曦参加了资料整理、文字录入和电子教案的制作工作，最后由朱一纶统稿。另外，在本书的编写、实验过程中，曾受到南京金陵科技学院校科研基金项目《基于虚拟技术的远程多路温度测控系统的研究与设计》的资助，还在网上查阅了很多器件的相关资料，得到过很多人的帮助，在此一并表示感谢。
限于编者的学识水平与实践经验，书中不足之外在所难免，恳请读者和同行们批评指正。
编者的电子邮箱：zhuyilun2002@yahoo.com.cn编 者2012年5月第1章 概述
随着电子技术、半导体技术和计算机技术的不断发展和成熟，尤其是嵌入式处理器（单片机）的应用，使测试过程中的每一个环节都可能用到各种现代的新技术，使仪器科学与技术领域出现了完全突破传统概念的新一代仪器——智能仪器，从而开创了仪器、仪表的一个崭新的时代。1.1 传统仪器、仪表与智能仪器
在工业系统中经常可以听到仪表、仪器、传感器、智能仪表、智能仪器、智能传感器这些名称。这些名称有所区别，但也有互相包含的部分，因此比较容易混淆，在这里先做简单的讨论。1.1.1 传统仪器、仪表
1.仪表
仪表（meter）名称使用比较久，其设计目的为测量时间、距离、速度、强度等实现显示、记录或控制数量和流量，如控制气体流量或电流等。仪表的功能一般比较单一，通常是测量某一个信号并将它显示出来或传送给其他设备，或经过变换传送给执行器。在化工、热工及自动化生产过程中经常用到各种仪表，在日常生活中也有如水表、电表及汽车上的速度表等。
最简单的仪表是直接把测量信号转换成所需要的指示值，这类指针式仪表的原理及结构最简单，价格便宜，因此应用比较广泛。
如图1.1所示为各种常见仪表的外形。
如图1.1（a）所示为电磁流量计，是测量封闭管道中导电液体和浆液体积流量的仪表，适用于化工、电力、矿冶、给排水、造纸、医药、食品等行业，有直通法兰式及直通夹持式两种类型。
如图1.1（b）所示为双金属温度计，是测量中、低温的现场检测仪表，可以用来直接测量气体和液体的温度。它与玻璃水银温度计相比，具有无汞害、可以读数、牢固耐用等优点。
当仪表需要输出控制量来控制其他设备时，通常被称为控制仪表，在自动控制系统中广泛使用的控制仪表有调节器、变送器、运算器和执行器等。
如图1.1（c）所示是1151型压力变送器，选用美国扩散硅力敏元件。它可以测量气体、液体或蒸气压力。它把压力信号转换成4～20mA的标准电流信号，可实现生产过程自动化控制。
如图1.1（d）所示为UL型阻移式物位计，它能对开口料仓与密闭料仓中的粉状、颗粒状、块状物料进行检测、报警及自动控制。它可以在钢铁、耐火、水泥、橡胶、化纤、电力等工业领域长期运行，效果比较理想。图1.1 常见仪表的外形
根据控制能源不同，工业上把自动化控制仪表分为气动、液动和电动3种类型。气动和液动的仪表应用比较早，其特点是结构比较简单、性能稳定、可靠性高，且在本质上是安全与防爆的，在化工等行业中特别适用。电动控制仪表的出现比较晚，但由于其信号传输、放大、变换处理比气动、液动仪表容易，又便于实现远距离的监视与操作，所以应用越来越广泛。
2.传感器
我国国家标准GB 7665—2005对传感器的定义为：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”其中，敏感元件指传感器可能直接感受或响应被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于测量的电信号部分。当输出为规定的标准信号时，则称为变送器。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器也可称为变送器、探测器或检测器等。与仪表相比较，传感器的种类更广泛一些，它基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配，进行能量和信息的转换。
目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下3种。（1）按传感器的测量对象分类，可分为物理量传感器，如位移、力、速度、温度、流量传感器；化学量传感器，如气体成分、湿度传感器等；生物量传感器等。（2）按传感器的工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。（3）按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“1”和“0”，或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟量（通常带变送器的传感器输出标准化信号即三线制，输出信号为0～10mA、4～20mA或0～5V）的模拟式传感器；输出为脉冲或代码的数字式传感器。
如图1.2所示为常见传感器的外形。图1.2（a）为位移变送器，其输出信号为4～20mA、0～5V或0～10V、0～±5V的标准电信号。图1.2（b）为轮辐式称重传感器，适用于平台秤、汽车衡、轨道衡及料仓物位测量与控制，其输出信号为一体化标准信号即三线制，0～10mA 或0～5V输出。图1.2（c）为扩散硅无腔压力传感器/变送器，测量对象为黏稠性液体，适用于测量发动机喷油系统的油压、缸压、液压及药品制造和食品加工等方面，其变送器输出为4～20mA或0～5V，二线或三线制。图1.2 常见传感器的外形
3.仪器
仪器（instrument）通常是指用于记录、测量、显示或控制的独立装置（设备）。与仪表相比较，仪器的结构比较复杂，测量功能比较多。在实验室中可以看到各种仪器，如示波器、低频信号发生器、直流稳压电源等。
如图1.3所示为常见仪器的外形，其中图1.3（a）为双踪示波器，图1.3（b）为高频信号源（300MHz标准信号源）。图1.3 常见仪器的外形
从上述讨论中可知，仪表、传感器、仪器均是用于测量输入信号的装置。只是传感器一般仅用于把输入信号转换成标准的输出电信号，供给其他设备进行处理。仪表的输出信号并不仅是电信号，且仪表、仪器通常还有指示输出。仪表与仪器相比，仪表的功能比较单一，体积也相对比较小，而仪器的测试功能比较强，且往往有多种功能可以选择。
如图1.4所示为传统仪器、仪表系统的一般功能方框图。控制对象送出的是被控量，如压力、流量、温度等变量，检测元件把它们转换成易于传递或测量的信号，变送器则把它们转换成规定的标准电信号（或其他信号），该信号被送到调节器中，与给定值（零点、控制要求值等）进行比较，输出调节量（或显示值），控制执行器的动作。有些仪表可能只有部分功能，如显示仪表可能由检测元件、变送器和显示器构成；传感器一般仅由检测元件与变送器组成；较为复杂的系统自动化控制过程中变送器、调节器、执行器均为独立仪表，而仪器则可能包含了整个系统。图1.4 传统仪器、仪表系统的一般功能方框图
从结构上来看，这种传统的仪表、仪器系统的各部分均由硬件组成。从测量原理上来看，传统的仪表、仪器测量输入信号的准确与否完全取决于仪表、仪器内部各功能部件的精密性和稳定性水平。传统的仪器、仪表及其测试手段只适用于测量静态或慢速变化的各种物理量和化学量。随着科学技术的迅速发展，需要测量的信号种类不断增加，要求测量处理的速度不断提高，传统仪表面临很多新的挑战。
长期以来，人们为了提高传统仪表的准确度、可靠性和稳定性，在硬件方面做了不少的努力，如利用新材料研制检测元件，采用外部电路补偿方法来改善测量的线性度和零点漂移等，但都没有根本性的突破。20世纪70年代计算机的出现，对仪器、仪表的发展起到了巨大的推动作用，将传统的测试技术与现代的计算机技术结合起来，则形成了新一代仪器—智能仪器。1.1.2 智能仪器
智能仪器（Intelligent Instrument）通常是指含有微型计算机或微处理器的测量控制仪器。由于它拥有对信号数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能作用（表现为智能的延伸或加强），故被称为智能仪器。
智能仪器系统的结构比较多，为了与传统仪器、仪表做对照，图1.5给出了单机型智能仪器系统的简单框图。从图1.5中可以看到，单机型智能仪器由检测元件（传感器）、信号输入接口电路、微机系统、人机界面接口、信号输出接口电路5个模块组成。图1.5 单机型智能仪器系统的简单框图
通常微机系统只能处理数字（电）信号，当检测的是非电量信号时，一般都要通过信号处理电路将检测元件检测到的信号转换成微机能处理的数字（电）信号。检测元件往往由传感器（包含了检测及变送功能）组成，它输出标准的（模拟）电信号，通过信号处理接口电路进行处理后送给微机系统，微机系统对数据进行处理，可以按要求存储、校正、调节、显示或输出控制信号，通过输出接口电路控制被控设备，而人机界面接口则使操作员可以输入、修正控制要求，查看测控结果等。
由于智能仪器中加入了微处理器系统，因此在测量过程中能自动处理测量结果的数据，并可实现多路信号测量。到了20世纪90年代，高准确度、高性能、多功能的测量仪器中一般都采用微型计算机技术，即便在日常生活中，电视机、空调、电冰箱、洗衣机、手机等也都含有微处理器，具有一定的智能控制功能。可以说智能仪器已经是无处不在了。1.2 智能仪器的分类与特点
如前所述，智能仪器一般可看成是由传感器、输入信号处理接口、人机界面接口、微机系统、输出接口电路构成的，其中微机系统是智能仪器的核心。随着集成电路技术的飞速发展，具有各种处理功能的集成电路体积越来越小，功能越来越强，包含了微机系统的智能仪器、仪表的体积也可以做得很小。智能仪表，甚至智能传感器也可以有很强的数据处理功能。在此不再加以区分，统一称为智能仪器、仪表，或简称为智能仪器。1.2.1 智能仪器的分类
智能仪器分类的方法有多种，可以按微处理器（智能）进行分类，也可以按其结构进行分类，还可以按其主要用途、测量精度等级进行分类等。这里简单讨论一下按智能程度分类和按结构分类。
1.智能仪器按智能程度分类
因为微处理器的种类很多，其处理信息的能力差别很大，因此智能仪器存在智能程度或级别，它主要由智能仪器系统的以下特征所决定。（1）系统大脑（微处理器）的计算能力。从早期的只能同时处理8位数据的嵌入式微处理器，到新近能同时处理64位数据的嵌入式微处理器，其计算能力差别巨大。（2）系统用于感知处理、环境建模、行为生成、判值和全局通信的算法（软件）复杂性。（3）系统在内部存储器内存储信息的能力，包括存储量、存储速度等。（4）系统作用过程的复杂性，包括多信息的融合等。
涉及自动化生产工业时，把智能定义成自动化生产过程中一种闭环控制的仪器所具有的结合输入信号及存储的记忆而出现的判断控制能力，相应地可以将智能仪器做如下分类。
① 聪明类——电子、传感、测量。
② 初级智能——计算机，信号与处理。
③ 模型化——系统辨识，模式识别。
④ 高级智能——人工智能。
2.智能仪器按结构分类
智能仪器按结构主要可分成三大类。（1）单机型智能仪器。单机型智能仪器系统的简单框图如图1.5所示。这类智能仪器通常为某种测量目的而设计，硬件与软件都是根据待测量、测控要求、性能指标来设计，针对性比较强，其人机界面比较简单，输入按键比较少，输出采用数码管显示器或液晶显示器，体积小，测试精度高，可靠性高，一般还有符合某些协议的通信接口，应用十分广泛。智能仪器狭义上通常就是指这种单机型智能仪器，这也是本教材要着重分析的智能仪器。（2）个人计算机仪器。广义上，任何一台个人计算机附加上测量控制的外部设备都可以看成是一台智能仪器，可称为微机卡式仪器PCI（Personal Computer Instrument，也称个人计算机仪器）。外部设备与个人计算机的连接也有多种方法，如插卡式，将所配用的模拟量输入通道以印制电路板的插板方式直接插入PC箱内的空槽中；插件箱式，将各种功能插件集中在一个专用的机箱中，机箱备有专用的电源；外接式，通过串、并行口或USB接口与外部设备相连接。
这类智能仪器的结构如图1.6所示，虚线框中为标准的个人计算机结构。如果把打印机与扫描仪也视做个人计算机的标准配置，则个人计算机仪器只是比个人计算机多了测量控制设备。图1.6 个人计算机仪器结构框图
这类智能仪器通常采用现成的操作系统，可以在一些通用平台上进行二次设计开发，因此具有较强的软件功能和较好的人机界面。且个人计算机仪器充分利用PC的软件和硬件资源，相对于传统仪器，大幅度地降低了系统成本，缩短了研制周期。个人计算机仪器的测量精度等主要由外接的测试电路决定，但可以利用软件及数据处理技术进行修正和补偿。缺点是普通的微机可能对工作环境有一定的要求，此外，PC总线也不是专为仪器系统设计的，不能实现仪器间的直接通信及触发、同步、模拟信号传输等功能。因此，这种个人计算机仪器的性能不是很高。（3）智能仪器测控系统（又称为网络仪表）。在自动化工业过程中，往往对整个生产过程都要进行监控。在对机电产品测试中，也往往要对多种变量进行测试，综合分析测试结果。因此，用大量智能仪器、仪表（传感器）构成智能仪器系统也已经在很多场合得到了应用。
这种智能仪器系统可以利用已有的单机型智能仪器、个人计算机仪器组成，也可以根据工业自动化过程或自动化测试的具体要求进行特殊设计，目前应用比较广泛的有集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）。这种智能仪表控制系统总体功能强，是未来智能仪器的发展方向。对这种智能仪器系统而言，单机型智能仪器可以看成是其中的一个部分，或者说一个单元，很多这样的测控单元通过现场总线通信系统组合而成。关于这种智能仪器测控系统，本书将在后面进行介绍。1.2.2 智能仪器的特点
微机系统的引入，使智能仪器具有很多明显的特点（优点），主要包括以下几个方面。（1）微处理器的引入使许多原来用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题，由于利用软件而获得较好的解决。例如，传统的数字万用表（DMM）只能测量交/直流电流、电压及电阻等，但采用微处理器的智能数字万用表还能测量百分率偏移、比例、极值、平均值、方差、均方差、均方根值等，甚至在加上传感器后还能测量温度、压力等非电量。（2）智能仪器可以通过数据处理进行自动校正非线性补偿、数字滤波等，修正和克服由各种传感器、变换器、放大器等引进的误差和干扰，从而提高仪器的精度和其他性能。（3）智能仪器一般都具有很高的自动化水平。微处理器能控制仪器的整个测量过程，如键盘扫描，量程选择，数据采集、传输、处理及显示记录输出等，实现了测量过程的自动化。例如，加了微机系统构成的智能数字万用表，除可测量传统的直流电压、直流电流及电阻外，还可测量任意波形的交流电压及交流电流的有效值。测频率时，范围可扩展到10Hz～1MHz。测温度时，范围可扩展到－60～200℃。可进行电平（分贝值）测量和实现自动量程切换，有极性显示及输入过载保护等自动化功能，可对测量结果做简单的误差计算。有的智能数字万用表还可在数字显示器下面外接光条显示器，以提高对被测信号波动变化倾向的判断能力，甚至有的智能数字万用表可以显示波形曲线及相关性能，具有示波器的功能。（4）微机系统都具有通信的功能。通过相关的协议，使智能仪器很容易与其他计算机系统通信，也可以用很多智能仪器构成自动测控系统。（5）智能仪器采用微处理器，从而可以用软件代替许多硬件电路的工作。这样，仪器可以简化结构、减小体积、降低成本和提高可靠性。（6）智能仪器通常都具有自测试和自诊断功能。它能自行测试功能是否正常，自行诊断是否存在故障及报告故障的部位，提高了仪器的可靠性，简化和加快了仪器的维修工作。1.3 智能仪器的发展概况
智能仪器是计算机技术与测试技术相结合的产物，因此智能仪器的发展也是由计算机技术、测试技术的发展速度决定的。
1.信号测试与处理方面
从测试技术的角度来看，随着半导体技术、集成电路技术及传感器技术的发展，各种新颖的传感器不断诞生，从原来只是把外部信息转换为模拟电信号的聋哑传感器（Dumb Sensor）到集成了部分数据处理功能、能自我检测校正的智能传感器（Smart Sensor），以及在智能传感器的基础上集成了网络通信功能，以便实现与计算机网络通信的网络传感器（Networked Sensor）。
从测量信号的处理能力上看，这些年的发展主要有以下几个方向：智能仪器中所采用的嵌入式微处理器从早先的8位机（如Intel公司的MCS-51系列）到16位、32位的微处理器，处理信息数据的能力及速度迅速提高，从而推动了智能仪器总体性能的提高；针对大量信息数据的实时处理，高速专用的单片集成数字信号处理芯片（Digital Signal Processor，DSP）的出现大大简化了具有此类数字信号处理功能的智能仪器的结构并提高了其相应的性能，进而推动了数字信号处理技术在智能仪器中的广泛应用，极大地增强了智能仪器的信号处理能力。
从软件技术的发展上来看，近年来，智能仪器已从较为成熟的数据处理向知识处理发展。它体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器信息融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。
智能仪器很早就受到国内外的关注。我国电磁测量信息处理仪器学会于1984年正式成立“自动测试与智能仪器专业学科”。1989年，在我国武汉召开了第1届测试技术与智能仪器国际学术讨论会并成立了国际测控技术与智能仪器学会，到2011年已召开了11次国际学术年会。在国内外的其他学术会议上，以智能仪器为内容的研讨也常常是很重要的主题。
2.组成自动测试系统方面
智能仪器在自动测试系统的构成方面经历了以下过程。
早期的智能仪器设计主要把目标定位在用于工作量大的重复测试、用于高可靠性的测试、用于由于种种原因测试人员难以进入的环境及实时进行的一些简单自动测控。由于在这类智能仪器的研制过程中，接口设计、仪器/设备选择等方面的工作都是由研制者各自单独进行的，因此并没有充分考虑所选仪器/设备的通用性及互换性。智能仪器的设计者自行解决系统中仪器与仪器、仪器与计算机之间的通信。这种智能仪器的主要缺点在接口及标准化方面，不利于组成自动测控系统。可把这种智能仪器归类为专用型智能仪器。
第二代的智能仪器在设计过程中考虑了与其他仪器的配合，一般都配有符合接口标准的接口电路。组成自动测试系统时，用标准的接口总线把系统中的各台仪器连在一起构成系统。这种系统组建方便，一般不需要用户自己设计接口电路，系统中的通用仪器（如数字万用表、信号发生器等）既可以作为自动测试系统中的设备来用，也可以作为独立的仪器使用。通常用的接口总线为通用接口总线（General Purpose Interface Bus，GPIB）或称为IEEE488。采用GPIB总线组建的自动测控系统特别适用于科学研究或各种试验测试。这种系统在工业、交通、通信、航空航天等领域都有广泛的应用。
基于GPIB总线的自动测试系统的主要缺点是总线的传输速率不够高（最大传输速率为1MBps），且由于采用分立仪器组建，整个自动测试系统的体积大，有很多部件（如机箱、面板、开关、电源等）都是重复设置。
目前正在应用开发的集成自动测试系统则是基于VXI、PXI等仪表总线，主要是由模块化的仪器/设备组成的自动测试系统。VXI总线具有高达40Mbps的数据传输速率，PXI总线是PCI总线向仪器/测量领域的扩展，其数据传输速率约为132～264Mbps。以这两种总线为基础，可组建高速、数据吞吐量大的自动测试系统。在VXI（或PXI）总线机箱中，仪器的显示面板及操作，统一用计算机显示屏实现，从而避免了系统中各仪器、设备在机箱、电源、面板、开关等方面的重复配置，大大减小了整个系统的体积、质量，并能在一定程度上节约成本。
3.工业生产自动化方面
仪器、仪表及智能仪器在工业生产自动化过程中发挥着极其重要的作用。工业控制仪器、仪表体系的发展经历了这样的过程：基地式气动仪表控制系统，电动单元组合式模拟仪表控制系统，集中式数字仪器、仪表控制系统，集散控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）。
智能仪器除了在传统仪器的改进方面取得了巨大的成就外，还开辟了许多新的应用领域，出现了许多新型的测控仪器。自20世纪80年代以来，工业制造业（汽车制造、VLSI制造），各种电子设备如电子计算机、电视机的制造等行业的高速发展，使CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）达到很高水平，它对人类生产力的提高起着巨大的推动作用。为了对CAM进行实时监控，要求对整个加工工艺过程进行实时检测及信号处理，因此在生产线上或检验室内大量应用各种CAT（Computer Aided Test，计算机辅助测试）技术的智能仪器。
4.智能仪器的展望
近年来，智能仪器与自动测控技术的发展十分迅速，尤其是现代光学、电子学、生物学、物理学、微机械等领域的一些最新研究成果，已被迅速地应用于仪器、仪表与自动测控系统中，使现代测控技术与智能仪器的发展出现了一些新的特点，主要包括以下几个方面。（1）高速度。一方面，仪器总线和通信总线的传输速率在不断提高，作为自动测控系统控制器的现代PC的主频已经达到数千兆赫兹，在未来可能以太网被用于控制器与外围设备的连接，视频采集和传输也更加普及。另一方面，虚拟仪器技术的发展极大地加速了智能仪器与自动测试的产品化进程，一种新的检测方法从被人们认识到形成实用仪器化产品的过程越来越短。（2）智能化。传统“智能仪器”概念的内涵已经被大大拓展了，柔性化设计、人工智能、人工生命等一些新方法、新技术被越来越多地用于智能仪器和自动测控系统的实现。数据处理过程中的诊断也将进一步发展成为基于知识的专家系统。（3）集成化。专用集成芯片技术将被普遍应用于智能仪器与自动测控系统中，以硅微细加工为主的微机电系统（Micro Electronic Mechanical System，MEMS）技术的发展，有可能实现将仪器、仪表的传感器及其处理、控制和后续电路等都集成于芯片上。（4）小型化和微型化。为了适应野外测试、现场监测、机载、车载、星载分析检测等的需求，测试与仪器系统小型化已成为发展的潮流，纳米技术、微传感器和微制造技术的发展也使仪器与自动测控系统的微型化成为可能。小 结
本章介绍了与智能仪器相关的基本概念，首先对仪表、传感器、仪器及智能仪器进行了简单的介绍，给出了一般概念上的定义。在实际中，这些名称具有一定的相关性和相互包容性，所以有时候人们在运用时会不加区分。
仪表是为测量时间、距离、速度、强度等实现显示、记录或控制数量和流量而设计的功能比较单一的装置（设备）。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。
仪器通常是指用于记录、测量、显示或控制的装置，通常包含多项功能且具有独立的机箱。
通过学习，要了解智能仪器的分类及特点。智能仪器通常是指含有微型计算机或微处理器的测量控制仪器。智能仪器按结构可以分成单机型智能仪器、个人计算机仪器和智能仪器测控系统，习惯上（或狭义上）是指单机型（含有嵌入式微处理器）的智能仪器。
智能仪器含有微处理机，其特点是一般具有数据处理功能、非线性补偿、自动（定时）循环测量、数据储存与通信、自检功能等。
本章对智能仪器的发展情况做了简单的介绍。通过本章的学习，要了解智能仪器在信号测试与处理方面、组成自动测试系统方面、工业生产自动化方面的发展概况和未来的发展方向。习 题 1
一、填空题
1.我国国家标准GB 7665—2005对传感器的定义为（ ）。
2.与传统仪器、仪表相比，智能仪器通常是指含有（ ）的测量控制仪器。
3.仪器通常是指用于（ ）的装置（设备）。
4.单机型智能仪器通常由（ ）、（ ）、（ ）、（ ）、（ ）五个模块组成。
5.智能仪器按结构可以分成（ ）、（ ）、（ ）三大类。
6.聋哑传感器是指（ ）的传感器。
7.DSP芯片是指（ ）。
8.基于GPIB总线的自动测试系统的主要缺点是（ ）。
9.工业控制仪器、仪表体系的发展经历了五个过程：（ ）、（ ）、（ ）、（ ）、（ ）。
10.智能仪器发展中出现的新特点主要有（ ）、（ ）、（ ）、（ ）。
二、选择题
1.智能仪器按结构分类，不包括（ ）。
A.单机型智能仪器 B.人工智能仪器
C.个人计算机仪器 D.智能仪器测控系统
2.以下信号不是工业仪表标准输出信号的是（ ）。
A.0～10mA B.4～20mA
C.0～5 mV D.0～5V
3.微机系统的引入，使智能仪器相比一般仪器具有很多明显的优点，其中不包括（ ）。
A.可以通过软件解决很多硬件无法解决的难题
B.可以通过仪表显示需要测量的量
C.具有自动修正误差，进行非线性补偿
D.通过软件代替硬件可以有效地减小设备体积
4.到目前为止，智能仪器通常不具有的功能是（ ）。
A.自动校正
B.测量非线性补偿
C.故障自诊断
D.用软件取代全部硬件
5.近年来，智能仪器与自动测控技术的发展十分迅速，使现代测控技术与智能仪器的发展出现了一些新的特点，主要有（ ）。
A.高速度、智能化、集成化、微型化
B.高速度、智能化、集成化、大型化
C.高速度、智能化、分散化、微型化
D.高速度、智能化、分散化、大型化
三、简答题
1.简述智能仪器的特点。
2.简述智能仪器的构成。
3.简述智能仪器在自动测试系统的构成方面的发展过程。第2章 智能仪器中的微机系统
在第1章中已提到，智能仪器的主要特征就是仪器与微机系统的结合。这种结合主要采取的方式有两大类：一类是利用PC加上专用的外围测控设备；另一类则是采用嵌入式的单片机构成专用的智能仪器。这里主要讨论第二类嵌入到智能仪器中的微机系统即单片机。
单片机的种类至少有上千种，8位、16位和32位的单片机是目前的主流机型。实际上单片机有过一个别名，叫CSIC（用户定义的集成电路），当某种需求有了一定的数量，用户就可以要求单片机供应商针对这种需求设计一款单片机。因此单片机可实现的功能和单片机的种类也就越来越多。世界上有很多著名的单片机公司，每个公司都有几个、几十个单片机系列，每个单片机系列有几个、几十个不同的单片机品种。智能仪器中所选用的单片机往往对仪器的智能程度起到决定性的作用。
由于单片机的类型及各公司开发的单片机所使用的机器码指令都不相同，在学习和使用单片机时要掌握单片机的主要性能、引脚定义、接口要求和编程方法，以便在智能仪器中应用它。2.1 MCS-51系列单片机
国际市场上众多类型的单片机中8位单片机因其成本低、易开发、功能相对强大，可以符合一般智能仪器的控制要求而受到欢迎。到目前为止，Intel公司的MCS-51系列在我国仍是应用最为广泛的单片机系列，且MCS-51系列单片机自身近年来也有了很大的发展，如Intel公司推出的CMOS增强型单片机8XC51FA/FB、8XC452等的集成度更高，在片内集成了更多的功能部件，如A/D、PWM等以及高速的I/O口等。其他如飞利浦公司、西门子公司等也都推出了以80C51为核心，与80C51兼容的8位单片机。因此，这里从智能测量控制仪器的角度来讨论MCS-51系列单片机的结构原理、指令系统等基本知识，并简单介绍MCS-51系列单片机的开发过程，为后面智能仪器的分析和设计打下基础。2.1.1 MCS-51系列单片机的结构与特点
MCS-51系列单片机的基本型包括8031、8051、8751、8951等不同的芯片，它们的不同点只在于内部存储器构造不同，而其余组成部分全部相同。（1）片内带掩模ROM型（8051）：在器件内部集成有一定容量的只读存储器（掩模ROM），适合于定型大批量应用产品的生产。（2）片内带EPROM型（8751）：片内含有一定容量可供用户一次编程的EPROM存储器，适合小批量自制产品。2（3）片内带EPROM型（8951）：片内含有一定容量可供用户多2次擦写编程的EPROM存储器，适合于研制产品样机和学习开发。（4）外接EPROM型（8031）：片内无ROM，必须外接程序存储器，适用于研制新产品及学习开发。（5）近年来，内部自带Flash程序存储空间的MCS-51系列单片机产品应用越来越广，因为其开发容易，功能也越来越多，可以根据需要选用。
8051单片机的基本构成如图2.1所示。除CPU外，在片内集成了以下部件。图2.1 8051单片机的基本构成
1.片内数据存储器RAM
MCS-51的内部数据存储器共有256个（字节）单元，地址为00H～FFH。其中地址为00H～7FH的前128个单元用于存放可读写的数据；而地址为80H～FFH的后128个单元被专用寄存器占用，不能供用户使用。
2.片内程序存储器ROM
8051内部共有4KB的掩模ROM，用于存放程序、原始数据或表格。
8751内部共有4KB的EPROM，用户可以将程序固化在EPROM之中。22
8951内部共有4KB的EPROM，EPROM是可以多次写入、擦除2的芯片，用户可以通过开发机把程序固化在EPROM之中。
8958单片机内部有高达32KB的Flash程序存储空间。
8031内部没有ROM，但外接一片EPROM就相当于8051。
3.定时器/计数器
8051内部共有两个16位的定时器/计数器T0、T1，每个定时器/计数器都可以设置成定时或计数方式，并以其定时或计数结果实现对计算机的控制。
4.并行I/O口
MCS-51共有四个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3），用来实现数据的并行输入或输出，且每个口可以用做输入，也可以用做输出。
5.串行口
一个全双工URAT（通用异步接收发送器）串行I/O口，可以实现单片机和其他设备之间的串行通信。
6.中断控制系统
MCS-51单片机的中断功能较强，8051共有5个中断源，每个中断分为高级和低级两个优先级。
● 片外中断2个。
● 片内定时器/计数器中断2个。
● 片内串行中断1个。
7.片内振荡器和时钟产生电路
8051内部有为单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路，但其石英晶体和微调电容需外接。基本的单片机系统允许的最高晶体振荡频率为12MHz，8951单片机的最高振荡频率可达33MHz。
8051单片机的功能方框图如图2.2所示，单片机内部最核心的部分是CPU，它是单片机的心脏。CPU的主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传送、数据的算术运算以及位操作处理等。图2.2 8051单片机的功能方框图2.1.2 MCS-51系列单片机的引脚及功能
在单片机开发中，硬件的构成决定了整个单片机系统的存储器及外部输入/输出设备的地址，是软件编程的基础，而硬件电路构成时必须了解单片机的引脚定义及功能。MCS-51系列单片机中各种芯片的引脚是相互兼容的，共有40条引脚，采用的是标准的双列直插式集成电路芯片。如图2.3所示，其中图2.3（a）为其引脚图，图2.3（b）为其逻辑符号图。图2.3 MCS-51系列单片机的引脚及逻辑符号图
在40条引脚中，2条用于电源引脚，2条用于外接晶体引脚，4条用于控制引脚，32条为I/O引脚。各信号引脚及功能说明如下。
1.电源引脚Vcc和Vss（2条）
V：接工作电源端＋5V。cc
V：接地端。ss
2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2（2条）
XTAL1、XTAL2外接晶体引线端。
当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容。
当使用芯片外部时钟时，此二引线端用于接外部时钟脉冲信号。
3.端口线（32条）
P0.0～P0.7：P0口8位双向I/O口线，P0口是一个漏极开路的8位双向I/O端口，如图2.3所示。P0口既可作为通用I/O端口（对于内部有ROM或EPROM的单片机8051、8751）使用，又可作为地址/数据总线使用（外部扩展存储器时，一方面作为8位数据输入/输出口，另一方面用来输出外部存储器的低8位地址）。作为I/O输出口时，必须外接上拉电阻，才有高电平输出。
P1.0～P1.7：P1口8位双向I/O口线，P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，通常作为通用输入/输出口使用。
P2.0～P2.7：P2口8位双向I/O口线。当访问外部程序存储器或外部数据存储器时，P2口用做输出地址的高8位，与P0口一起构成16位的地址总线，因此MCS-51系列单片机的最大程序存储量为64KB，最大外接数据存储器的存储量也是64KB。如果不需要输出高8位地址时，P2口可作为通用I/O口，每一位可以独立地定义为输入或输出。
P3.0～P3.7：P3口8位双向I/O口线。P3口具有两种功能：第一功能与P1口一样，每一位可以独立地定义为输入或输出；第二功能是P3口的8条I/O线可独立地作为串行输入/输出口和其他控制信号线，如图2.3（a）所示。
4.控制信号引脚（4条）
RST/V：复位信号输入端/备用电源输入端。PD
RST：复位信号输入端，高电平有效。当振荡器正常运行时，在此引脚上保持至少两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平即可使单片机复位。
V：备用电源输入端。V掉电期间，此引脚用于接备用电源，PDcc当电压降低到下限值时，备用电源经此引脚向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。：访问程序存储器控制信号/固化编程电压输入端。：访问程序存储器控制信号。
当引脚接低电平时，对ROM的读操作只访问外部程序存储器（对8031来说，因内部无ROM，所以该引脚必须接地）。
当引脚接高电平时，对ROM的读操作从内部程序存储器0000H单元开始，当PC超过0FFFH时（对8051、8751来说），自动转向外部程序存储器，最大寻址范围为0FFFFH，即64KB。
V：固化编程电压输入端。对于EPROM型单片机，在EPROMPP编程写入（固化程序）期间，此引脚用于输入（一般21V）编程电源。
A：地址锁存允许信号/EPROM编程脉冲输入端。
ALE：地址锁存允许信号。当CPU访问外部存储器时，ALE信号（高电平有效）用于控制把P0口输出的低8位地址锁存到锁存器中，以实现低位地址和数据的隔离（因为P0口是地址/数据分时复用口）。即使不访问外部存储器，ALE端仍以固定的频率（振荡器频率的1/6）输出正脉冲，作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
如果想知道8051/8031芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有，则表明芯片基本上是好的。：EPROM编程脉冲输入端。对于EPROM型单片机，在EPROM编程写入（固化程序）期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。：外部程序存储器读选通信号。
在读外部ROM期间，每个机器周期二次有效（低电平），而访问外部RAM时，是由、信号控制的，因此可以看出MCS-51系列单片机的程序和数据是可以存放在不同的外部存储器中的，可以分别寻址。
如果想查看一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常，到EPROM/ROM中读取指令码，也可用示波器查看端有无脉冲输出，如有，则说明基本上工作正常。2.1.3 CHMOS增强型单片机8XC51FA的主要特点
8XC51FA又称为8XC252，是以8051为核心的一种CHMOS增强型单片机，它与8051芯片的指令系统和引脚兼容，其主要特点是增加了一个可编程的计数器阵列PCA （Programable Counter Array）。PCA由一个16位的定时器/计数器和5个16位的比较/捕捉模块所组成，逻辑结构如图2.4所示，16位定时器/计数器作为比较/捕捉模块的定时标准，因此主要作为定时器使用。每个比较/捕捉模块都可用做捕捉外部引脚CEXn上输入电平发生跳变的时间、软件定时器、高速输出、脉冲宽度调制PWM输出，而模块4还可用做系统的监视定时器WDT（Watch Dog Timer，又称为看门狗）。与基本型芯片不同的是，8XC51FA的P1口为双功能口，其中P1.3～P1.7的第二功能为PCA的输入/输出线CEX0～CEX4。图2.4 PCA的逻辑结构图
PCA定时器/计数器由特殊功能寄存器CH、CL组成，CPU在任何时候都可以对它们进行读/写。PCA定时器/计数器的计数脉冲可以编程为下列4个信号中的任意一个。
① 振荡器的12分频信号。
② 振荡器的4分频信号。
③ 定时器T0溢出信号。
④ 外部引脚ECI（P1.2）上输入信号。
PCA的定时器/计数器是个加1计数器，计数器溢出时置“1”中断请求标志CF，8XC51FA处于空闲方式时，可以允许或停止PCA定时器/计数器的计数，与它有关的特殊功能寄存器还有方式寄存器CMOD和控制寄存器CCON。
控制寄存器CCON用来启动和停止PCA的定时器/计数器，地址为0D8H；方式寄存器CMOD用来设置PCA定时器/计数器的运行方式，地址为09DH（注意到在基本型8051单片机中，这两个单元是不用的）。
PCA中有5个比较/捕捉模块，每一个模块都有一个自己的方式寄存器CCAPM0～4，它们都是特殊的功能寄存器，其地址分别为0DAH～0DEH，这些寄存器分别控制对应模块的工作方式，其格式完全相同，如表2.1所示。表2.1 PCA寄存器定义表
通过这5个捕捉模块使单片机具有一些特殊的功能。
1.16位捕捉方式
PCA中的比较/捕捉模块采样外部引脚（CEX0～CEX4）上的输入电平，当检测到一个有效跳变时，由硬件将PCA定时器的计数值装入模块捕捉寄存器，捕捉寄存器中的数值反映了外部引脚输入发生跳变时PCA定时器的计数值，也就是记录了发生跳变的时间。利用PCA模块的捕捉方式可以测量多达5个不同输入脉冲的周期、宽度、占空比和相位差。
2.软件定时器和高速输出方式
5个模块都可以工作于高速输出方式，这种高速输出方式比一般中断方式的软件定时输出在时间上更为精确，因为中断等时间不影响高速输出的操作。
3.脉冲宽度调制器PWM方式
这种方式可用做D/A转换器，PWM输出脉冲的频率取决于PCA定时器的计数脉冲，若振荡器的频率为16MHz，则输出波形的最高频率为15.6kHz。
4.监视定时器WDT（Watch Dog Timer）
监视定时器WDT的作用是当系统工作不正常时会自动产生一个复位信号，迫使系统恢复，一般用在外界干扰信号较大的场合，只有模块4才可以编程为WDT方式。
8XC51FA中与编程计数器阵列PCA有关的特殊功能寄存器一共有19个，均为基本型单片机中不用的单元。8XC51FA的中断源有7个，其中5个是基本型中所具有的，还有一个定时器T2中断，与8052相同，此外还有它所独有的PAC中断。2.1.4 MCS-51系列单片机的指令系统
指令系统是一套控制单片机执行操作的编码，是单片机能直接识别的命令，要开发任何一种单片机，都必须详细了解这种单片机的指令功能，才能编写出高效的软件程序。
MCS-51指令系统具有功能强、寻址方式多、执行速度快等特点，特别适合于控制。
MCS-51系列单片机的指令是机器码指令，即用二进制代码（或十六进制数）表示的指令，也称目标代码指令。只有机器码指令才能够被计算机硬件直接识别和执行，但要记住这些机器码指令显然是很麻烦的。为此，人们想了很多办法，汇编语言就是其中之一。
汇编语言指令是用助记符来表示的指令。助记符一般为英语单词的缩写，如用“ADD”表示加法，用“MOV”表示传送等。下面是两条分别用代码和助记符形式书写的指令：
汇编语言指令不能被计算机硬件直接识别和执行，必须通过汇编把它变成机器码指令才能被机器执行。汇编语言指令容易记忆，便于程序的编写和阅读，是单片机中常用的指令形式。汇编语言的每一条指令都可以通过查表找到与其相对应的机器码，这个过程称为汇编，现在有专门的编译程序把汇编语言编写的程序转换成机器码指令程序，所以只要掌握汇编语言指令及其编写程序的方法，就可以编写程序控制单片机执行相应的工作。
另外，还有可以通过C语言编写MCS-51系列单片机的程序，通过编译程序转换成相应的机器码指令程序，限于篇幅，这里不再讨论。
计算机指令大多是通过对数据的操作来完成的。这些被操作的数据，叫做操作数。所谓寻址方式，就是寻找操作数所在地址的方式。这里的地址一般是某个存储单元或寄存器。
MCS-51指令系统的寻址方式有7种，分别是立即寻址、寄存器寻址、间接寻址、直接寻址、变址寻址、相对寻址和位寻址。
MCS-51系列单片机的指令系统由111条指令构成，按字节数可分为：单字节指令49条，双字节指令45条，三字节指令17条。按指令执行周期分为：单机器周期指令64条，双机器周期指令45条，两条四机器周期指令分别为乘法和除法指令。当主频为12MHz时，一个机器周期为1μs。MCS-51系列单片机的指令系统按指令功能可分为算术运算指令、逻辑操作指令、数据传送指令、控制转移指令及位操作指令共5大类，主要功能介绍如下。
1.数据传送指令
数据传送操作是一种最基本、最主要的操作。MCS-51的数据传送操作可以在累加器A、工作寄存器R0～R7、内部数据存储器、外部数据存储器和程序存储器之间进行，其中对A、R0～R7的操作最多。数据传送指令一般是把源操作数传送到目标操作数，指令执行后，源操作数不变，目标操作数为源操作数。传送指令不影响标志位（写PSWP除外）。
数据传送指令可分为以下几类。
① 内部RAM数据传送指令。
② 外部RAM数据传送指令。
③ 查表指令。
2.算术运算指令
MCS-51的算术操作类指令可分为加法、带进位加、带借位减、加1、减1以及其他运算指令共6组。每组有4条指令，除最后一组外，4条指令的源操作数分别采用寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址及立即寻址，而目的操作数都是累加器A（若有两个操作数的话）。
3.逻辑操作指令
逻辑操作类指令包括逻辑与、逻辑或、逻辑异或运算及累加器A清零、求反和移位。
逻辑运算是按位进行的，不产生进位。逻辑与运算中，与“1”相与结果不变，与“0”相与结果为0；逻辑或运算中，与“1”相或结果为1，与“0”相或结果不变；逻辑异或运算中，与“1”相异或结果取反，与“0”相异或结果不变。
4.控制转移指令
转移指令是通过改变程序计数器PC的值，使PC有条件或无条件地或通过其他方式，从当前的位置转移到一个指定的地址单元去，从而改变程序的执行方向。
转移指令分为4大类：无条件转移指令、条件转移指令、调用指令及返回指令。
5.位操作指令
位操作指令是以位（bit）作为单位来进行运算和操作的。MCS-51系统在硬件方面有一个位处理器，它实际上是一个一位微处理器。它以进位位CY（程序状态字PSW.7）作为累加器 C，以内部RAM和SFR内的位寻址区的单位作为操作数。与此相应，有一个专门处理位变量（又称为布尔变量）的指令子集，以完成对布尔变量的传送、运算、转移、控制等操作。由于MCS-51系统中有了这个颇具特色的位变量处理子系统，使得程序设计变得更加方便和灵活。例如，在许多情况下可以避免不必要的大范围的数据传送、屏蔽字节、测试和转移，在外围控制的“位−检测”应用中，提供了最佳的代码和速度。利用位逻辑运算指令，可以实现对各种组合逻辑电路的模拟，即用软件方法来获得组合电路的逻辑功能。所有这些都是MCS-51单片机的一个很重要的特点。
位操作指令包括位传送、条件传送、位运算等。所有的位访问均为直接寻址。
MCS-51中的位地址有以下几种方式：直接使用位地址00H～FFH、位寄存器定义名，如20H、C、OV等；用字节寄存器名后加位数，如PSW.4、P1.5等；用字节地址和位数表示，如20H单元位0到位7，可写成20.0～20.7。
从MCS-51系列单片机的指令系统中可以看到，这种8位的单片机适用于控制系统，但遇到复杂的数据处理和程序设计就需要选用其他类型的单片机了。
为了便于查询，附录A给出了MCS-51系列单片机的全部指令。2.2 MCS-51单片机系统及应用举例
MCS-51单片机在一片芯片上集成了计算机的基本功能部件，功能较强，在实际应用中，可以根据需要加上输入、输出接口电路组成智能仪器，根据智能仪器功能的不同及选用的CPU芯片的不同，会有相应不同的系统构成。2.2.1 8051/8751/8951的最小系统
所谓最小系统，是指能满足要求的最小配置系统。由于MCS-51系列单片机内部没有集成时钟电路所需的晶体振荡器，也没有复位电路，因此最小系统必须外接这些部件。这几种芯片都有片内4KB程序2存储器，区别仅在于8951内部为EPROM，8051内部为ROM，8751内部为EPROM，如果系统要处理的工作不太复杂，程序加数据不超过4KB，那么这些芯片只要外接晶体振荡器和复位电路就可以构成最小系统，如图2.5所示，其主要特征包括以下几点。（1）有4KB内部程序存储器（地址是0000H～0FFFH），引脚要接高电平。（2）有128B内部数据存储器（地址是00H～7FH）。（3）因为没有用到外部程序存储器和数据存储器，所以P0～P3口可以全部作为I/O接口。
图2.5中电源引脚和接地引脚也要接上，一般在电路原理图中因为电源引脚V总是接＋5V，接地引脚总要接地，所以不画出来，接cc线时要注意。最小系统的构成非常简单，可以利用它进行实验和开发小产品。
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