1 緒論(1).ppt

1、智能儀表設計,電氣工程學院 徐一鳴,一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器 儀器儀表、智能儀器、重要性認識 二 、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點 4個層次、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, 單片機和PC，DSP, FPGA/CPLD, 軟件，網(wǎng)絡與通信 四、智能儀器設計基礎課程框架,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

2、等，遍及國民經(jīng)濟各個部門，深入到人民生活的各個角落。,一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器,2、八類測試計量儀器 幾何量：長度、角度、形貌、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 光學參數(shù)：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學傳遞函數(shù)測量儀等。 電離輻射：各種放射性、核素計量，X、射線及中子計量儀器等。,同學在學習和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？,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

3、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。,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) 。,3、智能儀器的概念與歷史,1984年：我國儀器學會成立“自動測試與智能儀器專業(yè)學組”； 1986年：IMEKO(國際測量聯(lián)合會)以“智能儀器”為主題召開了專門的討論會； 1988年：IFAC (國際自動控制聯(lián)

4、合會) 的理事會正式確定“智能元件及儀器”。,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)展以及科學實驗研究產(chǎn)生了深遠影響，是儀器設計的里程碑。,4、對儀器儀表重要性的認識,儀器儀表是： 國民經(jīng)濟的“倍增器”科學研究的“先行官”現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“戰(zhàn)斗力”法庭審判的“物化法官”,門捷列夫：“科學是從測量開始的” 錢學森：“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” 科學儀器是信息的源頭 科學儀器產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)

5、,王大珩院士：“能不能創(chuàng)造高水平的科學儀器和設備體現(xiàn)了一個民族、一個國家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學儀器設備應當視為國家戰(zhàn)略”,英國著名科學家H.Pavy曾經(jīng)明確指出：“Nothing begets good science like development of a good instrument” （發(fā)展一種好的儀器對于一門科學的貢獻超過了任何其他事情）,美國能源部杰出科學家R. F. Hirsch博士在最近一篇獲獎演說中指出：“由新工具開創(chuàng)的科學新方向遠比由新概念開創(chuàng)的科學新方向要多。由概念驅(qū)動的革命影響是用新概念去闡明舊事物。而由工具驅(qū)動的革命影響是去發(fā)現(xiàn)需要闡明的新事物”,二 、智能儀器的分

6、類、基本結(jié)構(gòu)與特點,智能儀器四個層次,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: 微機內(nèi)嵌式微機擴展式,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)為核心的應用擴展型測量儀器。個人計算機儀器(PCI)或稱微機卡式儀器。,單片機或DSP RAM、 EPROM I/O接口,D/A,A/D,外部通信 RS232 USB,打印機,板 （鍵盤、開關(guān)、顯示器,傳感器,電量,非電量,內(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,個人儀器結(jié)構(gòu)圖,普通臺式PCI,工控機PCI,筆記本PCI,測量過程的軟件控制： CPU 軟件控制測量過程 “以軟代硬” 靈活

7、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,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的廣泛應用 ASIC、FPGACPLD技術(shù) LabVlEW等圖形化軟件技術(shù) 網(wǎng)絡與通信技術(shù),1、傳感器技術(shù) 為適應智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感器不斷涌現(xiàn)。 聾啞傳感器(Dumb Sensor) 智能傳感器(Smart Sensor) 網(wǎng)絡化傳感

8、器(Networked Sensor),傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時代的產(chǎn)物。它的設計指導思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號。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發(fā)出來。在高新技術(shù)的滲透下，尤其是計算機硬件和軟件技術(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、自補償?shù)男乱淮鷤鞲衅髦悄軅鞲衅?。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感技術(shù)的一次革命，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。,智能傳感器,網(wǎng)絡通信技術(shù)逐步走向成熟并滲透到各行各業(yè)，各種高可靠

9、、低功耗、低成本、微體積的網(wǎng)絡接口芯片被開發(fā)出來，微電子機械加工技術(shù),將網(wǎng)絡接口芯片與智能傳感器集成起來并使通信協(xié)議固化到智能傳感器的ROM中時，就產(chǎn)生了網(wǎng)絡傳感器； 為解決現(xiàn)場總線的多樣性問題，IEEEl4512工作組建立了智能傳感器接口模塊(STIM)標準，該標準描述了傳感器網(wǎng)絡適配器或微處理器之間的硬件和軟件接口，是IEEEl451網(wǎng)絡傳感器標準的重要組成部分，為使傳感器能與各種網(wǎng)絡連接提供了條件和方便。,網(wǎng)絡傳感器,智能傳感器和網(wǎng)絡化傳感器的飛速發(fā)展可大大提高信號檢測能力，進而推動智能儀器總體性能的提高。,AD芯片是現(xiàn)代科學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

10、關(guān)鍵。在向高速，向低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。 AD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,3.單片機、DSP處理器廣泛應用,單片機:8031、8051、89C51、MSP430,TMS320系列等高速單片數(shù)字信號處理器(DSPDigital Signal Processor)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、FFF、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。,4、ASI

11、C、FPGACPLD技術(shù),ASIC(Application Specific Integrated Circuits，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。,FPGA(Field Programmable Gates Array，現(xiàn)場可編程門陣列) CPLD(Complex Programmable Logic Device，復雜可編程邏輯器件) FPGACPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應用場合，它可以替代

12、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。,（1）FPGACPLD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。,應用FPGACPLD的優(yōu)點,（2）FPGACPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設計人員承擔投片風險和費用，設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）FPG

13、ACPLD芯片和EPROM配合使用時，用戶可以反復地編程、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。,（4）FPGACPLD芯片的電路設計周期很短。軟件包中不但有各種輸入工具和仿真工具，而且還有版圖設計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設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)。當電路有少量改動時，更能顯示出FPGACPLD的優(yōu)勢。它大大加快了新產(chǎn)品的試制速度，減少了庫存風險與設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變能力。,（5）電路設計人員使用FPGACPLD進行電路設計時，不需要具備專門的IC

14、(集成電路)深層次的知識，F(xiàn)PGACPLD軟件易學易用，可以使設計人員更能集中精力進行電路設計。FPGACPLD適合于正向設計(從電路原理圖到芯片級的設計)，對知識產(chǎn)權(quán)的保護也非常有利。,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（National Instruments）公司1986年設計的LabVlEWl.0，2011年發(fā)展到Labview2011，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(12年)，開發(fā)維護費用低。,5、LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)虛擬儀器,隨著網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應用，網(wǎng)絡化測試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將對網(wǎng)絡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)絡化測試系統(tǒng)，將分散的各種不同測試設備掛接在網(wǎng)絡上，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復雜系統(tǒng)的測試任務。,6、網(wǎng)絡與通信技術(shù),網(wǎng)絡化測試系統(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)絡化測量儀器