智能儀器緒論

智能儀器緒論第1頁/共44頁課程類型：專業(yè)教育課程必修先修課程：數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、微機原理及接口技術(shù)、EDA技術(shù)

使用教材：智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)，趙新民主編，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社參

考

書：趙茂泰，智能儀器原理及應(yīng)用，電子工業(yè)出版社林君程德福，智能儀器，機械工業(yè)出版社

宋萬杰等，CPLD技術(shù)及其應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社

第2頁/共44頁學(xué)時分配：本課程共56學(xué)時，其中講課48學(xué)時，實驗8學(xué)時成績的考察方法及評定標(biāo)準(zhǔn)：總評成績以百分制計算，平時和實驗成績占30%，期末考試成績占70%教學(xué)內(nèi)容：

章節(jié)內(nèi)容學(xué)時第一章緒論（智能儀器的發(fā)展概況、特點、基本結(jié)構(gòu)）2第二章器件基礎(chǔ)（D/A、A/D、程控放大器、模擬開關(guān)等）12第三章智能儀器通信接口（GP-IB接口）4第四章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及設(shè)計技術(shù)）8第五章智能儀器設(shè)計（智能儀器設(shè)計方法、抗干擾技術(shù)）14第六章實驗技術(shù)基礎(chǔ)（可編程邏輯器件及其應(yīng)用、開發(fā)軟件的使用、HDL程序設(shè)計）

8第3頁/共44頁第一章緒論一、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

二、智能儀器的基本結(jié)構(gòu)與特點

2種結(jié)構(gòu)、3個特點三、推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)

傳感器，A/D,單片機，DSP,FPGA/CPLD,軟件，網(wǎng)絡(luò)與通信四、智能儀器的發(fā)展趨勢第4頁/共44頁一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器

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)識世界的工具，是一個系統(tǒng)或裝置。最基本的作用：是延伸擴展補充或代替人的聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。測量儀器，分析儀器，生物醫(yī)療儀器，地球探測儀器，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，遍及國民經(jīng)濟各個部門，深入到人民生活的各個角落。

第5頁/共44頁2、八類測試計量儀器幾何量：長度、角度、相互位置、位移、距離測量儀器等機械量：各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量儀、力矩測量儀、振動測量儀等熱工量：溫度、濕度、流量測量儀器等光學(xué)參數(shù)：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀等。電離輻射：各種放射性、核素計量，X、γ射線及中子計量儀器等。第6頁/共44頁★時間頻率：各種計時儀器與鐘表、銫原子鐘、時間頻率測量儀等★電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率表、RLC測量儀、靜電儀、磁參數(shù)測量儀等★電子參數(shù)：無線電參數(shù)測量儀器如示波器、信號發(fā)生器、相位測量儀、頻譜分析儀、動態(tài)信號分析儀等。第7頁/共44頁3、四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第8頁/共44頁第四代虛擬儀器基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡第9頁/共44頁操作系統(tǒng)：DOS,Windows2000/9x/NT最大I/0速度：1.5Mbytes/s（IEEE488.1)

7.7Mbytes/s(HS488)尺寸：133x107mmNI的PCI-GPIB卡第10頁/共44頁NI的DAQ及VXI產(chǎn)品示例第11頁/共44頁虛擬數(shù)字示波器的軟面板第12頁/共44頁4、智能儀器的概念與歷史概念:智能儀器是計算機技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計算機或微處理器的測量(或檢測)儀器，它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用(表現(xiàn)為智能的延伸或加強等)。也可以理解為傳統(tǒng)儀器儀表的智能化、數(shù)字化發(fā)展。智能儀器＝儀器科學(xué)＋計算機科學(xué)第13頁/共44頁近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展。模糊判斷、故障診斷、容錯技術(shù)、傳感器融合、機件壽命預(yù)測等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。智能儀器對儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實驗研究產(chǎn)生了深遠影響，是儀器設(shè)計的里程碑。

第14頁/共44頁5、對儀器儀表重要性的認(rèn)識儀器儀表是：國民經(jīng)濟的“倍增器”

科學(xué)研究的“先行官”

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“戰(zhàn)斗力”

法庭審判的“物化法官”

第15頁/共44頁王大珩院士：“能不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個民族、一個國家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)視為國家戰(zhàn)略”

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)由測量技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成。測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)”

現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展水平是國家科技水平和綜合國家力的重要體現(xiàn)，儀器儀表的制造水平反映出國家的文明程度。

第16頁/共44頁1、智能儀器的基本結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型:●微機內(nèi)置式

●微機擴展式將單片或多片的微機芯片與儀器有機地結(jié)合在一起形成的單機。以個人計算機(PC)為核心的應(yīng)用擴展型測量儀器。個人計算機儀器(PCI)或稱微機卡式儀器。二、智能儀器的基本結(jié)構(gòu)與特點第17頁/共44頁微機內(nèi)置式智能儀器的結(jié)構(gòu)圖第18頁/共44頁第19頁/共44頁第20頁/共44頁微機擴展式智能儀器的結(jié)構(gòu)圖第21頁/共44頁

個人儀器結(jié)構(gòu)圖

微機擴展式普通臺式PCI工控機PCI筆記本PCI第22頁/共44頁第23頁/共44頁◆測量過程的軟件控制：

CPU→軟件控制測量過程

“以軟代硬”→靈活性強、可靠性強◆數(shù)據(jù)處理：

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

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

如智能化電力需求分析儀3、智能儀器的特點第24頁/共44頁三、推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)

傳感器技術(shù)

A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強儀器的功能與測量范圍

單片機、DSP的廣泛應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC)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)

第25頁/共44頁1、傳感器技術(shù)為適應(yīng)智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感器不斷涌現(xiàn)。聾啞傳感器(DumbSensor)智能傳感器(SmartSensor)網(wǎng)絡(luò)化傳感器(NetworkedSensor)

第26頁/共44頁A／D芯片是現(xiàn)代科學(xué)儀器不可缺少的核心部件之一，它的速度的提高是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。在向高速，向低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。A／D等電路與微處理器集成在一塊(稱為混合電路)傳感器與控制電路都集成在一塊芯片上，這將縮小體積，增強可靠性，從而實現(xiàn)智能儀器的多功能化2、A/D等新器件增強儀器的功能與測量范圍第27頁/共44頁3.單片機、DSP處理器廣泛應(yīng)用單片機:8031、8051、89C51、

AVR、凌陽、PIC、MSP430、ARM

TMS—320系列等高速單片數(shù)字信號處理器(DSP‘DigitalSignalProcessor)是通過硬件來完成乘法和加法運算的，極大地增強了智能儀器的數(shù)字濾波、FFT、相關(guān)、卷積等信號處理能力。新型DSP芯片接口功能大大加強，甚至集成了DSP與ARM雙核。第28頁/共44頁處理器（1）MCU8位8051內(nèi)核的、microchip的PIC10（12,16,18）單片機；16位的TI的MSP430系列、atmel的AVR單片機、PIC24（30,33）單片機；32位的atmel的AVR32單片機（2）ARM處理器

ST的STM32系列、32位ARM7,ARM9系列。（3）數(shù)字信號處理器（DSP）

TI、AD、Motolora

（4）移動處理器（針對智能手機筆記本電腦的CPU）2003年

TI公司的OMAPTM，內(nèi)部含有ARM和DSP第29頁/共44頁許多公司還采用了數(shù)字—模擬混合集成技術(shù)，將A／D、D／A、鎖相環(huán)以及USB、CAN總線接口等都集成到單片機中，大大地減少片外附加器件的數(shù)目，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。51系列單片機的時鐘頻率目前可以提高至33—40MHz，提升到20MIPS。集成片上Flash存儲器，集成密度高并實現(xiàn)了ISP(在系統(tǒng)燒錄程序)和IAP(在應(yīng)用燒錄程序)。例如Philips公司P89C51RC2／RD2、32KB／64KBFlash存儲器，8KB容量的RAM。瑞典Xemic公司生產(chǎn)的XE8301，其工作電壓的范圍為1.2—5.5V，1MIPS時電流為200μA，暫停模式下僅需要1μA電流維持時鐘的運行。第30頁/共44頁4、嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC)將使智能儀器的設(shè)計提升到一個新階段

計算機可以分成通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)(簡稱嵌入式系統(tǒng))。而嵌入式系統(tǒng)則是指把微處理器、單片機(微控制器)、DSP芯片等作為“控制與處理部件”，雖然嵌入式系統(tǒng)的核心是計算機，但它是以某種設(shè)備的形式出現(xiàn)的，其外觀不再具備計算機的形態(tài)。很顯然，智能儀器屬于嵌入式系統(tǒng)，它雖然以微型計算機為核心，但它不以計算機的形態(tài)出現(xiàn)；而是作為宿主設(shè)備的控制器智能地體現(xiàn)儀器設(shè)備的功能。第31頁/共44頁

●

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展曾出現(xiàn)過兩次高潮。1976年8048微控制器的問世和1980年MCS-5l微控制器的問世，推動了第一次嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的浪潮。

●經(jīng)過20世紀(jì)90年代PC機技術(shù)大發(fā)展的孕育，又迅速掀起了第二次嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的浪潮。這次嵌入式系統(tǒng)的明顯特點是肢解了PC機最新兩項成熟技術(shù)：互聯(lián)網(wǎng)和多媒體。為了滿足互聯(lián)網(wǎng)和多媒體嵌入式設(shè)備的高速性和實時編解碼的復(fù)雜技術(shù)需要，支持嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動通信設(shè)備、多媒體設(shè)備的開發(fā)，第二次嵌入式系統(tǒng)的主力器件已讓位于32位的DSP-RISC雙核結(jié)構(gòu)的微處理器。很顯然，這類微處理器也為智能儀器網(wǎng)絡(luò)化和智能化的進一步擴展提供了堅實的基礎(chǔ)。

●嵌入式系統(tǒng)的深入發(fā)展將使智能儀器的設(shè)計提升到一個新的階段，尤其是能運行操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)平臺，由于它具備多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口、文件和目標(biāo)管理等功能，并具有大量的應(yīng)用程序接口(API)，將會使研制復(fù)雜智能儀器變得容易。第32頁/共44頁

●

片上系統(tǒng)(SOC)的發(fā)展更是為智能儀器的開發(fā)及性能的提高開辟了更加廣闊的前景。

SOC的核心思想就是要把整個應(yīng)用電子系統(tǒng)(除／無法集成的電路)全部集成在一個芯片中，避免了大量PCB板的設(shè)計及板級調(diào)試工作；SOC是以功能IP(IntellectualProperty)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)固件和電路綜合技術(shù)。在SOC設(shè)計中，設(shè)計者面對的不再是電路芯片，而是根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)的固件特性和功能要求，選擇相應(yīng)的單片機CPU內(nèi)核和成熟優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊，這樣就基本上消除了器件信息障礙，加快了設(shè)計速度，SOC將使系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)發(fā)生革命性的變化，這標(biāo)志一個全新時代已經(jīng)到來。

第33頁/共44頁5、ASIC、FPGA／CPLD技術(shù)ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits，專用集成電路)無論在價格、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，對儀器設(shè)計者來說，很有意義的一項工作是把一些性能要求很高的線路單元設(shè)計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。第34頁/共44頁FPGA(FieldProgrammableGatesArray，現(xiàn)場可編程門陣列)CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，復(fù)雜可編程邏輯器件)FPGA／CPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應(yīng)用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。這種芯片具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動的特點。電路保持不動的情況下，改變內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述，就能實現(xiàn)一種新的功能。比較典型的有Xilinx公司的FPGA器件系列Altera公司的CPLD器件系列。

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（1）FPGA／CPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到數(shù)十萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。應(yīng)用FPGA／CPLD的優(yōu)點

（2）FPGA／CPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承擔(dān)投片風(fēng)險和費用，設(shè)計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能指定。研制開發(fā)費用相對較低。

（3）FPGA／CPLD芯片和EPROM配合使用時，用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同的EPROM就可實現(xiàn)不同的功能。第36頁/共44頁

（4）FPGA／CPLD芯片的電路設(shè)計周期很短。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)計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計人員在很短的時間內(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)電路有少量改動時，更能顯示出FPGA／CPLD的優(yōu)勢。它大大加快了新產(chǎn)品的試制速度，減少了庫存風(fēng)險與設(shè)計錯誤所帶來的危險，從而提高了企業(yè)在市場上的競爭能力和應(yīng)變能力。（5）電路設(shè)計人員使用FPGA／CPLD進行電路設(shè)計時，不需要具備專門的IC(集成電路)深層次的知識，F(xiàn)PGA／CPLD軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計人員更能集中精力進行電路設(shè)計。FPGA／CPLD適合于正向設(shè)計(從電路原理圖到芯片級的設(shè)計)，對知識產(chǎn)權(quán)的保護也非常有利。第37頁/共44頁在計算機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法。NI（NationalInstruments）公司1986年設(shè)計的LabVlEWl.0，2010年發(fā)展到Labview2010，推動虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。圖形化編程語言建立的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、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)?？赏ㄟ^修改軟件、更換儀器硬件而增減；技術(shù)更新速度快(1—2年)，開發(fā)維護費用低。6、LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)→虛擬儀器第38頁/共44頁

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)化測試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將對網(wǎng)絡(luò)時代的測試儀器和測試技術(shù)產(chǎn)生革命性變化。表現(xiàn)在兩個方面：

★智能儀器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制與故障診斷等；★構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)，將分散的各種不同測試設(shè)備掛接在網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復(fù)