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1、课 程 简 介,课程名称： 智能仪器设计 课程性质： 专业必修课 学 时：32学时（讲授：28，实验4） 学 分： 2 适用对象：测控技术与仪器专业,教材及参考书：,1、赵新民，王祁. 智能仪器设计基础. 哈尔滨工业大学出版社，2001 2、王祁. 智能仪器设计基础. 机械工业出版社，2010 3、史健芳. 智能仪器设计基础. 电子工业出版社，2009 4、付华等. 智能仪器设计. 国防工业出版社，2007 等,第一章 绪 论,1.1 智能仪器发展概况 1.2 智能仪器的特点 1.3 智能仪器的层次与基本结构 1.4 虚拟仪器 1.5 自动测试系统,“是关于知识的学科 怎样表示知识以及怎样获得
2、知识并使用知识的科学”。 “是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作”。 智能的特征：学习、推理、思考、规划等。 相关研究领域：专家系统、机器学习、模式识别、自然语言理解、机器人学、智能决策支持系统、人工神经网络等。,2、智能仪器的定义 智能仪器是计算机技术与电测技术相结合的产物。它是在数字化的基础上利用微处理器进行测量过程管理和数据处理，使仪器具有运算、逻辑判断、数据存储能力，并能根据被测参数的变化自动选择量程，可自动校正、自动补偿、自诊断等，即具备了一定的初级智能，因此被称为智能仪器 。 本课程讨论的智能仪器是指含有微处理器的测量仪器。 “数据处理 知识处理”,3、仪器仪表的发展
3、(从传统仪器仪表到智能仪器） 仪器仪表是信息获取的手段，是认识世界的工具，是一个系统或装置。 最基本的作用：是延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。 仪器仪表已遍及国民经济的各个部门，深入到人民生活的各个角落。如：。 “大家在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？哪些具备一定的智能？”,三代仪器仪表： 第一代为指针式（模拟式）仪器仪表 第二代为数字式仪器仪表 第三代就是智能式仪器仪表,智能仪器的发展主要包括以下两种形式： （1）对传统仪器的改进 如：变送器、万用表、示波器等。 以智能变送器为例：SMAR、ROSEMOUNT等公司的HART协议压力变送器与常规变送器相比，
4、内嵌微处理器，具有远程通信能力。主要优点如下： 精度高，远高于同类常规变送器，一般为0.1%。 量程比大，如Honeywell的ST系列，达400:1，减少备件 可对环境温度变化的影响进行补偿 具有远程通信能力 自诊断功能强，减少维护量，缩短修复时间 可选PID模块 等,HART 设备的两种网络配置,Point-to-point communication *,* HART Communication Application Guide from http:/www.hcf- (available in 2012),Multidrop connection *,* HART Communica
5、tion Application Guide from http:/www.hcf- (available in 2012),（2）新型仪器的出现 CAM：计算机辅助制造 CAT：计算机辅助测试（测试成品、半成品工件质量） 如：PCBT设备。 故障诊断系统（仪器、机械等） 动态信号分析技术（数字滤波、FFT、小波等） 其它：如条形码识别、图像识别、GPS等。 近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。 模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。,智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实验研究产生了深远影响，是仪器设计的里程碑。 对仪器
6、仪表重要性的认识： 仪器仪表是： 国民经济的“倍增器”科学研究的“先行官”现代战争的“战斗力”法庭审判的“物化法官”,门捷列夫：“科学是从测量开始的” 钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通信技术三部分组成，其中，测量技术是关键和基础。” 科学仪器是信息的源头 科学仪器产业是信息产业 王大珩院士：“能不能创造高水平的科学仪器和设备体现了一个民族、一个国家的创新能力。发展科学仪器设备应当视为国家战略”,4、推动智能仪器发展的主要技术,传感器技术 A/D等新器件的发展将显著增强仪器的性能与测量范围 单片机与DSP的广泛应用 嵌入式系统与片上系统(SOC) AS
7、IC、FPGACPLD技术 LabVIEW等图形化软件技术 网络与通信技术,（1）、传感器技术 为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现: 聋哑传感器(Dumb Sensor) 智能传感器(Smart Sensor) 网络化传感器(Networked Sensor),传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产物。它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号。这类传感器的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被称为“聋哑传感器”。,聋哑传感器,微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工艺逐步成熟，新型敏感材料不断被开发出来。在高新技术的渗透下，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入，使微
8、处理器和传感器得以结合，产生了具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器智能传感器。智能传感器的出现是传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。,智能传感器,网络通信技术逐步走向成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、低功耗、低成本、微体积的网络接口芯片被开发出来，微电子机械加工技术,将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到智能传感器的ROM中时，就产生了网络传感器； 为解决现场总线的多样性问题，IEEE l451.2工作组建立了智能变送器接口模块(Smart Transducer Interface Module, STIM)标准，定义了变送器电子数据表单（T
9、ransducer Electronic Data Sheet, TEDS）和变送器与微处理器间的通信协议和接口，为使传感器能与各种网络连接，传感器“即插即用”，提供了条件和方便。 Transducers (Sensors/Actuators). IEEE 1451 处于不断发展完善之中。,网络传感器,智能传感器和网络化传感器的飞速发展可大大提高信号检测能力，进而推动智能仪器总体性能的提高。,Framework of IEEE1451.1 and IEEE1451.2 interfaces *,* Kang Lee, “IEEE 1451: A standard in support of s
10、mart transducer networking,” in Proceedings of the 17th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2000, IMTC 2000.,An application of IEEE1451-based sensors on a network *,* Kang Lee, “IEEE 1451: A standard in support of smart transducer networking,” in Proceedings of the 17th IEEE
11、Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2000, IMTC 2000.,Wireless sensor networks (WSNs),Architecture of the system proposed for the monitoring of temperature-sensitive products inside a refrigerated vehicle *,* Carullo, A.; Corbellini, S.; Parvis, M.; Vallan, A.“A Wireless Sensor Net
12、work for Cold-Chain Monitoring”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Volume: 58 , Issue: 5, 2009, May, pp.1405-1411.,Dipartimento di Elettronica, Politecnico di Torino, Torino, Italy 电子系, 都灵理工大学, 都灵, 意大利.,* Kim, Y; Evans, RG; Iversen, WM, ”Remote sensing and control of an irrigatio
13、n system using a distributed wireless sensor network”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,Volume: 57 ,Issue: 7 ,July, 2008, Pages: 1379-1387.,Remote sensing and control of an irrigation system using a distributed wireless sensor network *,Northern Plains Agricultural Research Labor
14、atory, Sidney, USA,AD芯片是现代科学仪器不可缺少的核心部件之一，它的速度的提高是实现高速信号采集的关键。在向高速，低功耗、高分辨率、高性能的方向发展。 AD等电路与微处理器集成在一块(称为混合电路),传感器与控制电路都集成在一块芯片上，这将缩小体积，增强可靠性，从而实现智能仪器的多功能化。,（2）A/D等新器件增强仪器的功能与测量范围,（3）.单片机、DSP处理器广泛应用,单片机: 8031、8051、89C51、MSP430、ARM,TMS-320系列等高速单片数字信号处理器(DSP- Digital Signal Processor)是通过硬件来完成乘法和加法运算的，极
15、大地增强了智能仪器的数字滤波、FFF、相关、卷积等信号处理能力。 新型DSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了DSP与ARM双核。,许多公司还采用了数字模拟混合集成技术，将A/D,D/A,锁相环,以及USB,CAN总线接口等都集成到单片机中，大大地减少片外附加器件的数目，进一步提高了系统的可靠性。,51系列单片机的时钟频率目前可以提高至33-40MHz，提升到20 MIPS。集成片上Flash存储器，集成密度高并实现了ISP(在系统烧录程序)和IAP(在应用烧录程序)。,例如: Philips公司P89C51RC2/RD2有32KB/64KB Flash存储器，8KB容量的RAM。,（4）嵌入式
16、系统与片上系统(SOC)将使 智能仪器的设计提升到一个新阶段,计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统)。 嵌入式系统是指完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统*。便于优化设计，减小尺寸，降低成本。 实例：打印机、路由器、洗衣机、PLCs等。 智能仪器属于嵌入式系统，它虽然以微型计算机为核心，但它不以计算机的形态出现。,* http:/zh.wikipedia.org,嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮。1976年8048微控制器的问世和1980年MCS-5l微控制器的问世，推动了第一次嵌入式系统发展的浪潮。 经过20世纪90年代PC机技术大发展的孕育，又迅速掀起了第二次嵌入式系统发展的浪潮。这次嵌入式系统的明显特点是肢解了PC机最新两项成熟技术：互联网和多媒体。 为了满足互联网和多媒体嵌入式设备的高速性和实时编解码的复杂技术需要，支持嵌入式网络设备、移动通信设备、多媒体设备的开发，第二次嵌入式系统的主力器件已让位于32位的DSP-RISC双核结构的微处理器。很显然，这类微处理器也为智能仪器
