虛擬儀器設(shè)計(jì)測(cè)控應(yīng)用典型實(shí)例04電子課件08智能儀器

1、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)李江全石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院電氣工程系2009年11月 智能儀器 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成度越來(lái)越高，使用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，這些都對(duì)傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器帶來(lái)了巨大的沖擊和影響。尤其是單片微型計(jì)算機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)）的出現(xiàn)，引發(fā)了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。 單片機(jī)自20世紀(jì)70年代初期問(wèn)世不久，就被引進(jìn)了電子測(cè)量和儀器儀表領(lǐng)域，其作為核心控制部件很快取代了傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路。借助單片機(jī)強(qiáng)大的軟件功能，可以很容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的全新的微機(jī)化產(chǎn)品，即“智能儀器”，從而開(kāi)創(chuàng)了儀器儀表的一個(gè)嶄新的時(shí)代。 電子儀器的發(fā)展經(jīng)歷了三代：

2、第一代: 模擬式電子儀器如：大量指針式的電壓表、電流表、功率表及一些通用測(cè)試儀器特點(diǎn)：功能簡(jiǎn)單，精度低，響應(yīng)速度慢智能儀器的發(fā)展?fàn)顩r第二代: 數(shù)字式電子儀器特點(diǎn)：精度高、速度快、讀數(shù)清晰、直觀、結(jié)果可輸出 容易與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，數(shù)字信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)谌褐悄軆x器在數(shù)字化基礎(chǔ)上用微機(jī)裝備起來(lái)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子儀器相結(jié)合的產(chǎn)物 智能儀器是含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量?jī)x器，它具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作（能根據(jù)被測(cè)參數(shù)的變化自選量程，可自動(dòng)校正、自動(dòng)補(bǔ)償、自尋故障）等功能，具有一定智能的作用（表現(xiàn)為智能的延伸或加強(qiáng)等），因而被稱(chēng)之為智能儀器。微處理器在智能儀器中的作用可歸結(jié)為兩大

3、類(lèi)：對(duì)測(cè)試過(guò)程的控制對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理智能儀器的含義 智能儀器的組成 由智能儀器的基本組成可知，在物理結(jié)構(gòu)上，微型計(jì)算機(jī)包含于電子儀器中，微處理器及其支持部件是智能儀器的一個(gè)組成部分；從計(jì)算機(jī)的角度來(lái)看，測(cè)試電路與鍵盤(pán)、通信接口及顯示器等部件一樣，可看作是計(jì)算機(jī)的一種外圍設(shè)備。因此，智能儀器實(shí)際上是一個(gè)專(zhuān)用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它主要由硬件和軟件兩大部分組成。 智能儀器的硬件部分主要包括主機(jī)電路、模擬量（或開(kāi)關(guān)量）輸入輸出通道口電路、串行或并行數(shù)據(jù)通信接口等，其組成結(jié)構(gòu)如圖3-20所示。 智能儀器的主機(jī)電路是由單片機(jī)及其擴(kuò)展電路（程序存儲(chǔ)器EPROM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM及輸入輸出接口等）組成的。主機(jī)電

4、路是智能儀器區(qū)別于傳統(tǒng)儀器的核心部件，用于存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)，執(zhí)行程序并進(jìn)行各種運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和實(shí)現(xiàn)各種控制功能。 輸入電路和A/D轉(zhuǎn)換接口構(gòu)成了輸入通道；而D/A轉(zhuǎn)換接口及驅(qū)動(dòng)電路則構(gòu)成了輸出通道；鍵盤(pán)輸入接口、顯示器接口及打印機(jī)接口等用于溝通操作者與智能儀器之間的聯(lián)系，屬于人一機(jī)接口部件； 通信接口則用來(lái)實(shí)現(xiàn)智能儀器與其他儀器或設(shè)備交換數(shù)據(jù)和信息。 智能儀器的工作過(guò)程是：外部的輸入信號(hào)（被測(cè)量）先經(jīng)過(guò)輸入電路進(jìn)行變換、放大、整形和補(bǔ)償?shù)忍幚?，然后再?jīng)模擬量通道的A/D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理、分析、計(jì)算等一系列工作，并將運(yùn)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中。

5、 同時(shí)，可通過(guò)顯示器接口送至顯示器顯示，或通過(guò)打印機(jī)接口送至微型打印機(jī)打印輸出，也可以將輸出的數(shù)字量經(jīng)模擬量通道的D/A轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出，并經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行電路去控制被控對(duì)象，還可以通過(guò)通信接口（例如RS-232、GPIB等）實(shí)現(xiàn)與其他智能儀器的數(shù)據(jù)通信，完成更復(fù)雜的測(cè)量與控制任務(wù)。 XMT3000A智能儀器外觀和接線面板系統(tǒng)組成：硬件和軟件兩部分組成 1. 硬件部分 主機(jī)電路：用于存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)并進(jìn)行一系列的運(yùn)算和處理 組成：微處理器、程序存儲(chǔ)器、輸入輸出（I/O）接口電路 或：?jiǎn)纹⑿陀?jì)算機(jī)模擬量輸入輸出通道：用于輸入輸出模擬量信號(hào) 組成：A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和有關(guān)的模擬信

6、號(hào)處理電路人機(jī)聯(lián)系部件與接口電路：溝通操作者和儀器之間的聯(lián)系 組成：儀器面板中的鍵盤(pán)和顯示器標(biāo)準(zhǔn)通信接口電路：實(shí)現(xiàn)儀器和計(jì)算機(jī)的聯(lián)系，以便使儀器 可以接受計(jì)算機(jī)的程控命令智能儀器標(biāo)準(zhǔn)通信接口：GP-IB或(RS-232C)2. 軟件部分 監(jiān)控程序：面向儀器面板鍵盤(pán)和顯示器內(nèi)容：鍵盤(pán)操作輸入并存儲(chǔ)所設(shè)置的功能、操作方式與工作方式; 通過(guò)控制I/O接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)儀器進(jìn)行預(yù)定設(shè)置;對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行各種處理;以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示處理結(jié)果接口管理程序：面向通信接口內(nèi)容：接受并分析來(lái)自通信接口總線的各種有關(guān)功能、操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼，并通過(guò)通信接口輸出儀器的現(xiàn)

7、行工作狀態(tài)及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，以影響計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制。智能儀器的主要特點(diǎn) 儀器的功能強(qiáng) 儀器的性能好 操作自動(dòng)化 智能儀器的功能 1）人機(jī)對(duì)話 智能儀器使用鍵盤(pán)代替了傳統(tǒng)儀器中的切換開(kāi)關(guān)，操作人員只需通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令，就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量和處理功能。與此同時(shí)，智能儀器還可以通過(guò)顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴操作人員，使儀器的操作更加方便、直觀。 2）自動(dòng)校正零點(diǎn)、滿度和自動(dòng)切換量程 智能儀器的自校正功能大大降低了因儀器的零點(diǎn)漂移和特性變化所造成的誤差，而量程的自動(dòng)切換又給使用帶來(lái)了很大的方便，并可以提高測(cè)量精度和讀數(shù)的分辨率。 3）多點(diǎn)快速檢測(cè) 許多傳感器的固有

8、特性是非線性的，且受環(huán)境溫度、壓力等參數(shù)的影響，從而給智能儀器帶來(lái)了測(cè)量誤差。在智能儀器中，只要能掌握這些誤差的規(guī)律，就可以依靠軟件進(jìn)行非線性誤差的修正。在一些復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)于不確定的隨機(jī)誤差，若能找出其統(tǒng)計(jì)模型，也能進(jìn)行有效的補(bǔ)償。 4）自動(dòng)修正各類(lèi)測(cè)量誤差 智能儀器能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)算，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和加工處理，例如統(tǒng)計(jì)分析、查找排序，標(biāo)度變換、函數(shù)逼近和頻譜分析等。 5）數(shù)字濾波 智能儀器能實(shí)現(xiàn)PID及各種復(fù)雜的控制規(guī)律，例如，可進(jìn)行串級(jí)、前饋、解耦、非線性、純滯后、自適應(yīng)、模糊等控制，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要 .6）數(shù)據(jù)處理 智能儀器的輸出形式有數(shù)字顯示、打印記錄和聲光報(bào)警，也

9、可以輸出多點(diǎn)模擬量（或開(kāi)關(guān)量）信號(hào)。 7）各種控制規(guī)律 在運(yùn)行過(guò)程中，智能儀器可以自動(dòng)地對(duì)儀器本身各組成部分進(jìn)行一系列的測(cè)試，一旦發(fā)現(xiàn)故障即能報(bào)警，并顯示出故障部位，以便及時(shí)處理。有的智能儀器還可以在故障存在的情況下，自行改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，繼續(xù)正常工作，即在一定程度上具有容忍錯(cuò)誤存在的能力。 8）多種輸出形式 智能儀器的輸出形式有數(shù)字顯示、打印記錄和聲光報(bào)警，也可以輸出多點(diǎn)模擬量（或開(kāi)關(guān)量）信號(hào)。 9）自診斷和故障監(jiān)控 在運(yùn)行過(guò)程中，智能儀器可以自動(dòng)地對(duì)儀器本身各組成部分進(jìn)行一系列的測(cè)試，一旦發(fā)現(xiàn)故障即能報(bào)警，并顯示出故障部位，以便及時(shí)處理。有的智能儀器還可以在故障存在的情況下，自行改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，

10、繼續(xù)正常工作，即在一定程度上具有容忍錯(cuò)誤存在的能力。 10）數(shù)據(jù)通信 智能儀器一般都配有GP-IB、RS-232、RS-485等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，使智能儀器具有可程控操作的能力?？梢院芊奖愕嘏c其他儀器和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以便構(gòu)成用戶(hù)所需要的自動(dòng)測(cè)量控制系統(tǒng)，完成復(fù)雜的測(cè)控任務(wù)。 設(shè)計(jì)、研制智能儀器的一般步驟 確定設(shè)計(jì)任務(wù)：根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，編寫(xiě)設(shè)計(jì)任務(wù)說(shuō)明書(shū)，明確儀器應(yīng)具備的功能和應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。 擬制總體設(shè)計(jì)方案，選擇微處理器芯片確定儀器總框圖：自上而下進(jìn)行功能模塊劃分并繪出相應(yīng)的硬件和軟件工作框圖 硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試 整機(jī)聯(lián)調(diào)：件和軟件分別裝配調(diào)試合格后，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試硬件

11、電路和軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試 硬件設(shè)計(jì)的一般過(guò)程： 根據(jù)儀器硬件框圖按模塊分別對(duì)各單元電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)； 進(jìn)行硬件合成構(gòu)成一個(gè)完整的整機(jī)硬件電路圖； 繪制印刷線路板，進(jìn)行裝配與調(diào)試。 軟件設(shè)計(jì)的一般步驟：分析儀器系統(tǒng)對(duì)軟件的要求；進(jìn)行軟件總體設(shè)計(jì)，包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)；繪出各模塊的詳細(xì)流程圖，選擇合適語(yǔ)言編寫(xiě)程序；按總體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖，將各模塊連接成一個(gè)完整的程序；調(diào)試時(shí)先按模塊分別調(diào)試再聯(lián)接起來(lái)總調(diào)微處理器的選擇根據(jù)：儀器的功能，性能價(jià)格比，研制周期考慮：字長(zhǎng)，輸入/輸出的執(zhí)行速度選擇：高集成度，高性能的單片機(jī)智能儀器設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題采用新穎測(cè)量方法傳統(tǒng)：沒(méi)有運(yùn)算能力，采用直接測(cè)量方法智

12、能；先分析與被測(cè)參量有關(guān)的各種計(jì)算方法和計(jì)算公式，選擇最基本的和最容易測(cè)量的參數(shù)，然后通過(guò)計(jì)算，得出所需的參數(shù) 2. 硬件軟件化傳統(tǒng)：采用模擬電路，只有改進(jìn)模擬電路和使用元器件質(zhì)量，才能有限地提高測(cè)量精度，且成本將大大提高。智能：可使用數(shù)字調(diào)零、誤差自動(dòng)修正、非線性補(bǔ)償、數(shù)字濾波等方法來(lái)提高精度 3. 分時(shí)操作傳統(tǒng): 對(duì)多參數(shù)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，需要幾種測(cè)量電路智能: 利用微機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和控制功能，用多路開(kāi)關(guān)接到各個(gè)測(cè)量源，然后用軟件控制分時(shí)進(jìn)行測(cè)量。智能儀器設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題4. 增強(qiáng)功能傳統(tǒng)：功能單一智能；利用微機(jī)地計(jì)算和控制功能，盡可能地增加各種功能，以提高產(chǎn)品地性能價(jià)格比，擴(kuò)大儀器應(yīng)用范圍。5

13、. 簡(jiǎn)化面板結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)；面板開(kāi)關(guān)繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維修比較困難； 機(jī)械開(kāi)關(guān)接線過(guò)長(zhǎng)，會(huì)引起干擾，影響儀器的性能。智能：模擬開(kāi)關(guān)代替機(jī)械開(kāi)關(guān)，鍵盤(pán)或按鍵直接輸入微機(jī)，再由微機(jī)通過(guò)程序來(lái)控制模擬開(kāi)關(guān)。 儀器顯示器采用數(shù)字顯示CRT顯示來(lái)代替電表指示。 外表美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作使用方便。 智能儀器通常要有人機(jī)對(duì)話功能，即人與機(jī)器交換信息的功能智能儀器的人機(jī)接口 人機(jī)交換功能： 鍵盤(pán)、顯示器和打印機(jī)等是儀器操作人員與智能儀器交換信息的主要手段，它們常被稱(chēng)作智能儀器中的人機(jī)對(duì)話通道 利用鍵盤(pán)等輸入設(shè)備向智能儀器輸入數(shù)據(jù)、命令等有關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制與管理；利用顯示器或打印機(jī)等輸出設(shè)備把智能儀器的測(cè)

14、量結(jié)果或中間結(jié)果等信息顯示或打印輸出人機(jī)接口技術(shù)是智能儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一 鍵盤(pán)輸入接口方法和鍵盤(pán)分析程序通常采用硬件與軟件相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)接口的這些功能硬件：指鍵盤(pán)的組織，即鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)及其與主機(jī)的連接方式軟件：指對(duì)按鍵操作的識(shí)別任務(wù)：識(shí)鍵，譯鍵，鍵值分析鍵盤(pán)是若干按鍵的集合，鍵盤(pán)接口應(yīng)具有如下功能： (1)識(shí)鍵功能：判別是否有鍵按下 (2)譯鍵功能：確定哪個(gè)鍵被按下 (3)鍵值分析功能: 根據(jù)按鍵識(shí)別結(jié)果，產(chǎn)生相應(yīng)的鍵值 (4)去抖動(dòng)功能: 消除按鍵按下或釋放時(shí)機(jī)械觸點(diǎn)產(chǎn)生的抖動(dòng) (5)處理同時(shí)按鍵功能：有一個(gè)以上的鍵被同時(shí)按下時(shí)能避免產(chǎn)生錯(cuò)誤鍵值鍵盤(pán)設(shè)計(jì)要求：2）鍵盤(pán)工作方式3）鍵盤(pán)

15、操作管理軟件任務(wù)解決問(wèn)題：消除抖動(dòng)串鍵保護(hù)措施鍵盤(pán)系統(tǒng)分類(lèi)：鍵盤(pán)電路結(jié)構(gòu)顯示器輸出的接口技術(shù) LED顯示器LED是發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)的簡(jiǎn)稱(chēng) 1. LED顯示器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 LED顯示器的基本單元均為L(zhǎng)EDLED的基本特點(diǎn)：(1)工作電壓為1.5V左右；(2)功耗約為150mW左右；(3)響應(yīng)時(shí)間大致為1.0s；(4)正向工作電流為2mA20mA時(shí)發(fā)光，在此電流范圍內(nèi)，LED的發(fā)光強(qiáng)度基本上與正向工作電流成比例。 信息源和信息接收者：信息源（信源）和信息接收者（信宿）是信息的產(chǎn)生者和使用者。 發(fā)送設(shè)備：功能是將信息源和傳輸媒介匹配起來(lái)，即將信息源產(chǎn)生的

16、消息信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼，并變換為便于傳送的信號(hào)形式，送往傳輸媒介。接收設(shè)備：功能與發(fā)送設(shè)備的功能相反，它對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解密等。 傳輸介質(zhì)：指發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號(hào)傳遞所經(jīng)過(guò)的媒介通信系統(tǒng)的組成：由信息源和信息接收者，發(fā)送、接收設(shè)備，傳輸媒介幾部分組成智能儀器中的通信技術(shù)通信規(guī)程和數(shù)據(jù)傳送方式異步協(xié)議把字符看作一個(gè)獨(dú)立的信息，在每個(gè)字符的起止處同步，各字符間的相對(duì)時(shí)間可以變化。 與之相應(yīng)的通信方式稱(chēng)為異步通信方式。兩種基本的數(shù)據(jù)傳送方式： 通信協(xié)議可分為兩類(lèi)：異步協(xié)議和同步協(xié)議。同步協(xié)議把許多字符組成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，在該數(shù)據(jù)塊的起始處用8位或16位特定的字符進(jìn)行同步。收發(fā)兩端維持固定的時(shí)鐘串行通信：按位（bit）并行通信：按字節(jié)儀器的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將分散的各種不同測(cè)試設(shè)備掛接在網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)。 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)需考慮的幾個(gè)問(wèn)題（1）系統(tǒng)要具有開(kāi)放性和互操作性。 （2）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和時(shí)間的確定性。（3）系統(tǒng)的成本盡可能低，通用性