智能仪器设计-1

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1、第七章 智能仪器设计第一节 智能仪器的设计原则及研制步骤一、智能仪器设计的基本要求 二、智能仪器的设计原则 三、智能仪器的研制步骤 智能仪器的研制开发是一个较为复杂的过程智能仪器的研制开发是一个较为复杂的过程 。为完成仪器的功能，实现仪器的指标，提高。为完成仪器的功能，实现仪器的指标，提高 研制效率，并能取得一定的研制效益，应遵循研制效率，并能取得一定的研制效益，应遵循 正确的设计原则、按照科学的研制步骤来开发正确的设计原则、按照科学的研制步骤来开发 智能仪器。智能仪器。一、智能仪器设计的基本要求无论仪器的规模多大，其基本设计要求大无论仪器的规模多大，其基本设计要求大 体上是相同的，在设计和研

2、制智能仪器时必须体上是相同的，在设计和研制智能仪器时必须 予以认真考虑。予以认真考虑。 1 1、功能及技术指标应满足要求、功能及技术指标应满足要求主要技术指标：主要技术指标：精度、测量范围、工作环境条精度、测量范围、工作环境条 件、稳定性。件、稳定性。应具备的功能：应具备的功能：输出、人机对话、通信、报警输出、人机对话、通信、报警 提示、仪器状态的自动调整等功能。提示、仪器状态的自动调整等功能。2可靠性要高仪器可靠性是最突出也是最重要的，因为 仪器能否正常可靠地工作，将直接影响测量 结果的正确与否，也将影响工作效率和仪器 信誉，在线检测与控制类仪器更是如此，由 于仪器的故障将造成整个生产过程的

3、混乱， 甚至引起严重后果。所以，在智能仪器的设所以，在智能仪器的设 计过程中，计过程中，应采取各种措施提高仪器的可靠应采取各种措施提高仪器的可靠 性，从而保证仪器能长时间稳定地工作。性，从而保证仪器能长时间稳定地工作。第一，硬件：仪器所用元器件的质量和仪器结构 工艺是影响可靠性的重要因素，故应合理选择 元器件和采用在极限情况下进行试验的方法。所谓合理选择元器件是指在设计时对元器 件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数 应留有一定的余量，并对元器件进行老化和筛 选。极限情况下的试验是指在研制过程中，一 台样机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰 、烟雾等试验，以保证其对环境的适应性。第二，软件：

4、采用模块化设计方法，不仅易 于编程和调试，也可减小软件故障率和提 高软件的可靠性。同时，对软件进行全面 测试也是检验错误排除故障的重要手段。 在仪器设计过程中，应考虑操作方便，尽 量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产 品的推广应用。仪器的控制开关或按钮不能太 多、太复杂，操作程序应简单明了，从而使操 作者无需专门训练，便能掌握仪器的使用方法 。智能仪器还应有很好的可维护性，为此， 仪器结构要规范化、模块化，并配有现场故障 诊断程序，一旦发生故障，能保证有效地对故 障进行定位，以便更换相应的模块，使仪器尽 快地恢复正常运行。3 3便于操作和维护便于操作和维护4仪器工艺结构与造型设计要求仪器结

5、构工艺是影响可靠性的重要因素。要 依据仪器工作环境条件，是否需要防水、防尘、 防爆密封，是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等 要求，设计工艺结构；仪器的造型设计亦极为重要。总体结构的安排 、部件间的连接关系、面板的美化等都必须认真 考虑，最好由结构专业人员设计，使产品造型优 美、色泽柔和、外廓整齐、美观大方。二、智能仪器的设计原则 1.从整体到局部(自顶向下)的设计原 则2.较高的性能价格比原则3.组合(集成)化与开放式设计原则 1、从整体到局部(自顶向下)的设计 原则在硬件或软件设计时，把复杂的、难处 理的问题，分为若干个较简单的、容易处理 的问题，然后再一个个地加以解决。仪器功能和仪器功能和要

6、求提出总任务绘制硬件和软件总功能框图分解成可独立表征的一批子任务：单独的实体进行设计和调试子任务分解：足够简单容易实现低级子任务： 采用通用模块 最低的难度 最高的可靠性2.较高的性能价格比原则l仪器的造价：研制成本、生产成本、使 用成本。l设计时不盲目追求复杂、高级的方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采 用简单成熟的方案，意味着元器件少， 开发、调试、生产方便，可靠性高。 样机研制成本：系统设计、调试和软件开发 ，硬件成本不是考虑的主要因素。 生产成本：生产数量越大，每台产品的平均 研制费就越低，仪器硬件成本对产品的生产成 本有很大影响。 使用成本：维护费、备件费、运转费、管理 费、培训

7、费等。 必须综合分析后做出选用方案的正确决策。 3组合化与开放式设计原则在科学技术飞速发展的今天，设计智能仪器系统面临 三个突出的问题：u 产品更新换代太快；u 市场竞争日趋激烈；u 如何满足用户不同层次和不断变化的要求。在电子工业和计算机工业中推 行一种不同于传统设计思想的所谓 “开放系统”的设计思想。“开放系统”的设计思想l在技术上兼顾今天和明天，既从当前实 际可能出发，又留下容纳未来新技术机 会的余地；l向系统的不同配套档次开放，在经营上 兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社 会的公共参与，为发挥各方面厂商的积 极性创造条件；l向用户不断变化的特殊要求开放，在服 务上兼顾通用的基本设计和用

8、户的专用 要求等等。开放式系统设计的具体方法l基于国际上流行的工业标准微机总线结 构，针对不同的用户系统要求，选用相 应的有关功能模块组合成最终用户的应 用系统。l系统设计者将主要精力放在分析设计目 标，确定总体结构，选择系统配件等方 面，而不是放在部件模块设计及用于解 决专用软件的开发设计上。组合化（集成化）设计方法l开放式体系结构和总线系统技术的发展，导致 了工业测控系统采用组合化设计方法的流行，即针对不同的应用系统要求，选用成熟的现成 硬件模板和软件进行组合。l组合化设计的基础是模块化(又称积木化)，硬 、软件功能模块化是实现最佳系统设计的关键 。 将系统划分成若干硬、软件产品的模块，由

9、专 门的研究机构根据积累的经验尽可能完善地设计， 并制定其规格系列，用这些现成的功能模块可以迅 速配套成各种用途的应用系统，简化设计并缩短设 计周期。结构灵活，便于扩充和更新，使系统的适应性 强。在使用中可根据需要，通过更换一些模板或进 行局部结构改装以满足不断变化的特殊要求。维修方便快捷。模块大量采用LSI和VLSI芯片 ，在故障出现时，只需更换IC芯片或功能模板，修 理时间可以降低到最低限度。功能模板可以组织批量生产，使质量稳定并降 低成本。 组合化设计方法的优点组合化设计方法的优点三、智能仪器的研制步骤 确定设计任务并拟定设计确定设计任务并拟定设计 方案方案 硬件和软件研制硬件和软件研制

10、 软硬件综合调试软硬件综合调试整机性能测试和评估整机性能测试和评估3 3个个阶段阶段1、确定设计任务、拟定设计方案项目调研了解现状和动向，项目调研了解现状和动向，明确任务明确任务, ,确定指标、功能确定指标、功能 写出设计任务书写出设计任务书 拟定设计方案拟定设计方案项目调研做好详细的项目调研（即系统需求 调查）是对研制新系统准确定位的关键 。首先要调查市场或用户的需求，了 解用户对未来新系统的希望和要求，通 过对各种需求信息进行分析综合，得出 市场或用户是否需要新系统的结论。 其次，应对国内外同类系统的状况 进行调查。调查的主要内容包括： 原有系统的结构、功能以及存在的问题 ； 国内外同类系

11、统的最新发展情况以及与新 系统有关的各种技术资料； 同行业中哪些用户已经采用了新的系统， 它们的结构、功能、使用情况以及所产生的 经济效益。经过需求调查，整理出需求报告，作为 系统可行性分析的主要依据。显然，需求报 告的准确性将左右可行性分析的结果。 可行性分析可行性分析将对新系统开发研制的必 要性及可实现性给出明确的结论，根据这 一结论决定系统的开发研制工作是否进行 下去。可行性分析通常从以下几个方面进行 论证： 市场或用户需求； 经济效益和社会效益； 技术支持与开发环境； 现在的竞争力与未来的生命力。仪器设计任务书 主要作用：a.研制单位设计仪器的立项基础； b.反映仪器的结构，规定仪器的

12、功 能指标，是研制人员的设计目标；c.作为研制完毕进行项目验收的依据 。仪器设计任务书 主要内容：a.仪器名称、用途、特点及简要设计思想；b.主要技术指标； c.仪器应具备的功能；d.仪器的设备规模； e.系统的操作规范。 拟定设计方案 仪器设计任务书仪器设计任务书硬件与软件的划分硬件与软件的划分 、折中、折中确定微机系统的构成确定微机系统的构成硬件设计方案硬件设计方案软件设计方案软件设计方案2硬件、软件研制阶段 硬件研制：采用功能强的芯片以简化电路修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路硬件抗干扰措施线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排 等问题，必须考

13、虑到安装、调试和维修的方便 软件设计：对软件设计做一个总体规划程序功能块划分确定算法 分配系统资源和设计流程图 编写程序 程序调试和纠错以及各部分程序连接及 系统总调 系统定义定义说明各输入/输出口的功能，确定信息交换的方式、 与系统接口方式、所占口地址、读取和输出方式等。在程序存储器和数据存储器区域中，合理分配存储空间 ，其中包括系统主程序、常数表格、数据暂存区域、堆栈区域 和入口地址等。 对面板控制开关、按键等输入量以及显示、打印等输出 量也必须给予定义，以此作为编程依据。针对可能出现的由干扰引起的错误进行容错设计，给出 错误处理方案，以达到提高软件可靠性的目的。明确所设计的用户程序应达到

14、的精度、速度指标。 系统软件的一般结构 3仪器综合调试及整机性能测试系统调试，以排除硬件故障和纠正软件 错误，并解决硬件和软件之间的协调问题 。 1. 1. 硬件调试硬件调试2.2. 软件调试软件调试3.3. 整机性能测试整机性能测试硬件调试硬件调试动态调试动态调试静态调试静态调试测试软件测试软件查查板、电源、板、电源、 芯片芯片软件调试软件调试模块程序调试模块程序调试初级子程序调试初级子程序调试测试软件测试软件不需要调用其不需要调用其 它子程序它子程序监控程序调试监控程序调试 先独立后联机 先分块后组合 先单步后连续性能测试性能测试整机性能测试，需按照设计任务书规整机性能测试，需按照设计任务书规 定的设计要求拟定一个测试方案，对各项定的设计要求拟定一个测试方案，对各项 功能和指标进行逐项测试。如果某项指标功能和指标进行逐项测试。如果某项指标 不符合要求，还得查明原因，作相应调整不符合要求，还得查明原因，作相应调整 ，直至完全达到设计要求为止。，直至完全达到设计要求为止。