智能儀器設(shè)計(jì)1課件

一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器

儀器儀表、智能儀器、重要性認(rèn)識(shí)

二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)4個(gè)層次、2種結(jié)構(gòu)、3個(gè)特點(diǎn)三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)

傳感器，A/D,單片機(jī)和PC，DSP,FPGA/CPLD,軟件，網(wǎng)絡(luò)與通信四、《智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程框架第一章緒論1.儀器儀表定義、作用、行業(yè)分類儀器儀表是信息獲取的工具、是認(rèn)識(shí)世界的工具，是一個(gè)系統(tǒng)或裝置。最基本的作用：是延伸擴(kuò)展補(bǔ)充或代替人的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等器官的功能。測(cè)量?jī)x器，分析儀器，生物醫(yī)療儀器，地球探測(cè)儀器，天文儀器，航空航天航海儀表，汽車儀表，電力，石油，化工儀表等，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，深入到人民生活的各個(gè)角落。一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器2、八類測(cè)試計(jì)量?jī)x器■幾何量：長(zhǎng)度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測(cè)量?jī)x器等■機(jī)械量：各種測(cè)力儀、硬度儀、加速度與速度測(cè)量?jī)x、力矩測(cè)量?jī)x、振動(dòng)測(cè)量?jī)x等■熱工量：溫度、濕度、流量測(cè)量?jī)x器等▲光學(xué)參數(shù)：如光度計(jì)、光譜儀、色度計(jì)、激光參數(shù)測(cè)量?jī)x、光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x等。▲電離輻射：各種放射性、核素計(jì)量，X、γ射線及中子計(jì)量?jī)x器等。同學(xué)在學(xué)習(xí)和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？

三代儀器儀表：●第一代為指針式（或模擬式）儀器儀表●第二代為數(shù)字式儀器儀表●第三代就是智能式儀器儀表智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量?jī)x器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量(或檢測(cè))儀器，它擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能，具有一定智能的作用(表現(xiàn)為智能的延伸或加強(qiáng)等)

。3、智能儀器的概念與歷史1984年：我國(guó)儀器學(xué)會(huì)成立“自動(dòng)測(cè)試與智能儀器專業(yè)學(xué)組”；1986年：IMEKO(國(guó)際測(cè)量聯(lián)合會(huì))以“智能儀器”為主題召開(kāi)了專門的討論會(huì)；1988年：IFAC(國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì))的理事會(huì)正式確定“智能元件及儀器”。近年來(lái)，智能儀器已開(kāi)始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識(shí)處理發(fā)展。模糊判斷、故障診斷、容錯(cuò)技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測(cè)等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。智能儀器對(duì)儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，是儀器設(shè)計(jì)的里程碑。

門捷列夫：“科學(xué)是從測(cè)量開(kāi)始的”錢學(xué)森：“新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)是信息技術(shù)。 信息技術(shù)由測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通 訊技術(shù)三部分組成。測(cè)量技術(shù)是關(guān)鍵和 基礎(chǔ)”科學(xué)儀器是 信息的源頭科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)王大珩院士：“能不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個(gè)民族、一個(gè)國(guó)家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)視為國(guó)家戰(zhàn)略”

英國(guó)著名科學(xué)家H.Pavy曾經(jīng)明確指出：“Nothingbegetsgoodsciencelikedevelopmentofagoodinstrument”（發(fā)展一種好的儀器對(duì)于一門科學(xué)的貢獻(xiàn)超過(guò)了任何其他事情）

二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)智能儀器四個(gè)層次高級(jí)智能人工智能趨勢(shì)模型化系統(tǒng)辨識(shí)、模式識(shí)別初級(jí)智能計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理聰敏電子、傳感、測(cè)量兼容聰敏儀器類

初級(jí)智能儀器類

模型化智能儀器類

高級(jí)智能儀器類

1.分類2、智能儀器的基本結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型:●微機(jī)內(nèi)嵌式

●微機(jī)擴(kuò)展式將單片或多片的微機(jī)芯片與儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成的單機(jī)。以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測(cè)量?jī)x器。個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器(PCI)或稱微機(jī)卡式儀器。單片機(jī)或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印機(jī)板（鍵盤、開(kāi)關(guān)、顯示器傳感器電量非電量?jī)?nèi)嵌微處理器智能儀器的基本結(jié)構(gòu)輸入通道輸出通道個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)圖個(gè)人計(jì)算機(jī)總線擴(kuò)展槽軟件儀器插件通用接口儀器插件儀器插件電源PC總線GPIB總線擴(kuò)展底板或外部插件箱…12n◆測(cè)量過(guò)程的軟件控制：

CPU→軟件控制測(cè)量過(guò)程“以軟代硬”→靈活性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)◆數(shù)據(jù)處理：

隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準(zhǔn)等處理→改善測(cè)量的精確度

數(shù)字濾波、相關(guān)、卷積、反卷積、幅度譜、相位譜、功率譜等信號(hào)分析→提供更多高質(zhì)量的信息量◆多功能化：一機(jī)多用

如智能化電力需求分析儀

3、智能儀器的特點(diǎn)三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)傳感器技術(shù)A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強(qiáng)儀器的功能與測(cè)量范圍單片機(jī)DSP的廣泛應(yīng)用

ASIC、FPGA／CPLD技術(shù)LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)

傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時(shí)代的產(chǎn)物。它的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號(hào)。這類傳感器的輸出幅值小，靈敏度低，而且功能單一，因而被稱為“聾啞傳感器”。聾啞傳感器微電子技術(shù)、光電子技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展，加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。在高新技術(shù)的滲透下，尤其是計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的滲入，使微處理器和傳感器得以結(jié)合，產(chǎn)生了具有一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補(bǔ)償?shù)男乱淮鷤鞲衅鳌悄軅鞲衅?。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感技術(shù)的一次革命，對(duì)傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)逐步走向成熟并滲透到各行各業(yè)，各種高可靠、低功耗、低成本、微體積的網(wǎng)絡(luò)接口芯片被開(kāi)發(fā)出來(lái)，微電子機(jī)械加工技術(shù),將網(wǎng)絡(luò)接口芯片與智能傳感器集成起來(lái)并使通信協(xié)議固化到智能傳感器的ROM中時(shí)，就產(chǎn)生子網(wǎng)絡(luò)傳感器；為解決現(xiàn)場(chǎng)總線的多樣性問(wèn)題，IEEEl451．2工作組建立了智能傳感器接口模塊(STIM)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)描述了傳感器網(wǎng)絡(luò)適配器或微處理器之間的硬件和軟件接口，是IEEEl451網(wǎng)絡(luò)傳感器標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，為使傳感器能與各種網(wǎng)絡(luò)連接提供了條件和方便。網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)化傳感器的飛速發(fā)展可大大提高信號(hào)檢測(cè)能力，進(jìn)而推動(dòng)智能儀器總體性能的提高。

3.單片機(jī)、DSP處理器廣泛應(yīng)用單片機(jī):8031、8051、89C51、MSP430TMS—320系列等高速單片數(shù)字信號(hào)處理器(DSP‘DigitalSignalProcessor)是通過(guò)硬件來(lái)完成乘法和加法運(yùn)算的，極大地增強(qiáng)了智能儀器的數(shù)字濾波、FFF、相關(guān)、卷積等信號(hào)處理能力。新型DSP芯片接口功能大大加強(qiáng)，甚至集成了DSP與ARM雙核。4、ASIC、FPGA／CPLD技術(shù)ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits，專用集成電路)無(wú)論在價(jià)格、集成度，還是在產(chǎn)量、產(chǎn)值方面均取得了飛速發(fā)展。因此，對(duì)儀器設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，很有意義的一項(xiàng)工作是把一些性能要求很高的線路單元設(shè)計(jì)成專用集成電路而使智能儀器的結(jié)構(gòu)更緊湊，性能更優(yōu)良，保密性更強(qiáng)。

（4）FPGA／CPLD芯片的電路設(shè)計(jì)周期很短。軟件包中不但有各種輸入工具和仿真工具，而且還有版圖設(shè)計(jì)工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作(物理版圖映射)。當(dāng)電路有少量改動(dòng)時(shí)，更能顯示出FPGA／CPLD的優(yōu)勢(shì)。它大大加快了新產(chǎn)品的試制速度，減少了庫(kù)存風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)計(jì)錯(cuò)誤所帶來(lái)的危險(xiǎn)，從而提高了企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力和應(yīng)變能力。（5）電路設(shè)計(jì)人員使用FPGA／CPLD進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不需要具備專門的IC(集成電路)深層次的知識(shí)，F(xiàn)PGA／CPLD軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計(jì)人員更能集中精力進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。FPGA／CPLD適合于正向設(shè)計(jì)(從電路原理圖到芯片級(jí)的設(shè)計(jì))，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)也非常有利。在計(jì)算機(jī)和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是PCI儀器發(fā)展的關(guān)鍵。軟件就是儀器成為流行的說(shuō)法。NI（NationalInstruments）公司1986年設(shè)計(jì)的LabVlEWl．0，2003年發(fā)展到Labview7．0，推動(dòng)虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。圖形化編程語(yǔ)言建立的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示功能。虛擬儀器系統(tǒng)由用戶定義；儀器硬件模塊化；可重用和重新配置；系統(tǒng)功能、規(guī)模可通過(guò)修改軟件、更換儀器硬件而增減；技術(shù)更新速度快(1—2年)，開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用低。5、LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)→虛擬儀器

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的測(cè)試儀器和測(cè)試技術(shù)產(chǎn)生革命性變化。表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

★智能儀器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制與故障診斷等；

★構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)，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)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)。6、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)主要由兩大部分組成：◆組成系統(tǒng)的基本功能單元(PC儀器、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量?jī)x器、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量模塊)；◆連接各基本功能單元的通信網(wǎng)絡(luò)。用于測(cè)試和控制的網(wǎng)絡(luò)與以信息共享為目的的信息網(wǎng)不同，前者采用工業(yè)Ethernet，后者采用快速Ethernet。

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)需考慮的問(wèn)題：▲系統(tǒng)要具有開(kāi)放性和互操作性；

▲系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和時(shí)間的確定性；

▲系統(tǒng)的成本盡可能低，通用性好；

▲基本功能單元必須是智能化的，帶有本地微理器和存儲(chǔ)器，具有網(wǎng)絡(luò)化接口。四、《智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程框架虛擬儀器、網(wǎng)絡(luò)化儀器數(shù)據(jù)采集技術(shù)人機(jī)接口與通信數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)方法可靠性與抗干擾技術(shù)可測(cè)試性技術(shù)設(shè)計(jì)原則步驟與實(shí)例

思考題1．你在學(xué)習(xí)和生活中，接觸