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1、智 能 仪 器l第一章 概述l第二章 数据采集技术l第三章 人机对话与数据通信l第四章 基本数据处理算法l第五章 智能仪器软件设计方法l第六章 可靠性与抗干扰技术l第七章 智能仪器可测试性设计 l第八章 智能仪器的设计实例l第九章 智能仪器的新发展智能仪器课程框架智能仪器课程框架2数据采集技术数据采集技术9集成设计基本型智能仪器集成设计基本型智能仪器3人机接口与通信人机接口与通信4数据处理数据处理5软件设计方法软件设计方法6可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术7可测试性技术可测试性技术8设计原则步骤与实例设计原则步骤与实例9虚拟化、网络化仪器虚拟化、网络化仪器一、从传统仪器到智能仪器一、从传统
2、仪器到智能仪器 仪器仪表、智能仪器、仪器仪表、智能仪器、重要性认识重要性认识 二、智能仪器的分类、基本结构与特点二、智能仪器的分类、基本结构与特点 4 4个层次、个层次、2 2种结构、种结构、3 3个特点个特点三、推动智能仪器发展的主要技术三、推动智能仪器发展的主要技术 传感器，传感器， A/D, A/D, 单片机和单片机和PCPC，DSP, DSP, 嵌入式系统嵌入式系统与片上系统与片上系统(SOC)(SOC)， FPGA/CPLD, FPGA/CPLD, 软件，网络与通信软件，网络与通信第一章第一章 绪绪 论论1.仪器仪表定义、作用、行业分类仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一
3、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。测量仪器测量仪器，分析仪器分析仪器，生物医疗仪器生物医疗仪器，地球探测仪器地球探测仪器，天文仪器，航空航天航海仪表，汽车仪表，电力，石天文仪器，航空航天航海仪表，汽车仪表，电力，石油，化工仪表等，遍及国民经济各个部门，深入到人油，化工仪表等，遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落。民生活的各个角落。 一、从传统仪器仪表到智能仪器一、从传统仪器仪表到智能仪器2 2、八类测试计量仪器、八类测试计量仪器几何量几何量：长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等器等
4、 机械量机械量：各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪、力矩各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪、力矩测量仪、振动测量仪等测量仪、振动测量仪等热工量热工量：温度、湿度、流量测量仪器等温度、湿度、流量测量仪器等光学参数光学参数：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学传递函数测量仪等。光学传递函数测量仪等。电离辐射电离辐射：各种放射性、核素计量，：各种放射性、核素计量，X X、射线及中子计量仪射线及中子计量仪器等。器等。 同学在学习和生活中，接触、使用或同学在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？了解哪些仪器仪表？ 时间频率：时间频率：各
5、种计时仪器与钟表、铯原子钟、时各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时 间频间频率测量仪等率测量仪等 电磁量：电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、交、直流电流表、电压表、功率表、RLCRLC测量测量仪、静电仪、磁参数测量仪等仪、静电仪、磁参数测量仪等无线电参数测量仪器无线电参数测量仪器 ：如示波器、信号发生器、如示波器、信号发生器、相位测量仪、频谱分析仪、动态信号分析仪等。相位测量仪、频谱分析仪、动态信号分析仪等。集成电路测试仪器集成电路测试仪器: :三代仪器仪表：三代仪器仪表：第一代为第一代为指针式指针式（或模拟式）仪器仪表（或模拟式）仪器仪表第二代为第二代为数字式数字式仪器仪表仪器仪表第三代就
6、是第三代就是智能式智能式仪器仪表仪器仪表智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量有微计算机或微处理器的测量( (或检测或检测) )仪器，仪器，它拥有对它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用有一定智能的作用( (表现为智能的延伸或加强等表现为智能的延伸或加强等) ) 。3、智能仪器的概念与历史19841984年：我国仪器学会成立年：我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器专业学组自动测试与智能仪器专业学组”；19861986年：年：IME
7、KO(IMEKO(国际测量联合会国际测量联合会) )以以“智能仪器智能仪器”为主题召开了专为主题召开了专门的讨论会；门的讨论会；19881988年：年：IFAC (IFAC (国际自动控制联合会国际自动控制联合会) ) 的理事会正式确定的理事会正式确定“智能智能元件及仪器元件及仪器”。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。生了深远影响，是仪器设计的里程碑。 4 4、对
8、仪器仪表重要性的认识、对仪器仪表重要性的认识仪器仪表是：仪器仪表是： 国民经济的国民经济的“倍增器倍增器”科学研究的科学研究的“先行官先行官”现代战争的现代战争的“战斗力战斗力”法庭审判的法庭审判的“物化法官物化法官”门捷列夫：门捷列夫：“科学是从测量开始的科学是从测量开始的”钱学森：钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。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、通信息技术由测量技术、计算机技术、通 讯技术三讯技术三部分组成。测量技术是关键和基础部分组成。测量技术是关键和基础” 科学仪器是科学仪器是信息的源头信息的源头 科学仪器产业是科学仪器产业是信息产业信息产业二二
9、 、智能仪器的分类、基本结构与特点、智能仪器的分类、基本结构与特点智能仪器四个层次智能仪器四个层次 高级人工智能人工智能趋趋势势系统辨识、模式识别系统辨识、模式识别初级智能初级智能计算机、信号处理计算机、信号处理聪敏电子、传感、测量电子、传感、测量兼兼容容聪敏仪器类聪敏仪器类 初级智能仪器类初级智能仪器类 模型化智能仪器类模型化智能仪器类 高级智能仪器类高级智能仪器类 1.1.分类分类 2. 2.智能仪器的基本结构智能仪器的基本结构 其结构可有两种基本类型其结构可有两种基本类型: :微机内嵌式微机内嵌式微机扩展式微机扩展式将单片或多片的微处将单片或多片的微处理器与传统仪器有机理器与传统仪器有机
10、地结合在一起形成的地结合在一起形成的单机单机, ,其形态是仪器。其形态是仪器。以个人计算机以个人计算机(PC)(PC)为核心的为核心的应用扩展型测量仪器。个人应用扩展型测量仪器。个人计算机仪器计算机仪器(PCI)(PCI)或称微机或称微机卡式仪器卡式仪器。其形态可以是计算机。MCURAM、EPROMI/O接口接口D/AA/D外部通信RS232USB打印机打印机板（键盘、开关、显键盘、开关、显示器示器传感器传感器电电量量非非电电量量内嵌微处理器智能仪器的基本结构内嵌微处理器智能仪器的基本结构输入通道输入通道输出通道输出通道个人仪器结构图个人仪器结构图个人计算机个人计算机总线扩展槽总线扩展槽软件软
11、件仪器插插件件通用接接口口仪仪器器插插件件仪仪器器插插件件电源电源PC总线总线GPIB总线扩展底板或外部插件箱扩展底板或外部插件箱12nPC 机USB 设备 个人仪器结构图 普通台式普通台式PCI工控机工控机PCI笔记本笔记本PCI微机扩展式微机扩展式测量过程的软件控制：测量过程的软件控制： CPU CPU 软件控制测量过程软件控制测量过程 “以软代硬以软代硬” ” 灵活性灵活性强、强、可靠性可靠性强强数据处理数据处理 ： 数字滤波、随机误差、系统误差、非线性校准等处数字滤波、随机误差、系统误差、非线性校准等处理理改善测量的精确度改善测量的精确度 相关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率谱等相
12、关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率谱等信号分析信号分析提供更多高质量的信息提供更多高质量的信息多功能化多功能化 ：一机多用一机多用( (智能化电力需求分析仪智能化电力需求分析仪) ) 3.3.智能仪器的特点智能仪器的特点三、推动智能仪器发展的主要技术三、推动智能仪器发展的主要技术 传感器技术传感器技术 A/DA/D等新器件的发展等新器件的发展将显著增强仪器的将显著增强仪器的 性能与测量范围性能与测量范围 单片机与单片机与DSPDSP的广泛应用的广泛应用 嵌入式系统与片上系统嵌入式系统与片上系统(SOC)(SOC) ASICASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技术技术 LabVlEWL
13、abVlEW等图形化软件技术等图形化软件技术 网络与通信技术网络与通信技术 1 1、传感器技术、传感器技术为为适适应应智智能能仪仪器器发发展展的的需需要要，各各种种新新型型传传感感器器不不断断涌现。涌现。聋哑传感器聋哑传感器(Dumb Sensor) (Dumb Sensor) 智能传感器智能传感器(Smart Sensor)(Smart Sensor)网络化传感器网络化传感器(Networked Sensor)(Networked Sensor) 传传统统的的传传感感器器是是模模拟拟仪仪器器仪仪表表时时代代的的产产物物。它它的的设设计计指指导导思思想想是是把把外外部部信信息息变变换换成成模模
14、拟拟电电压压或或电电流流信信号号。这这类类传传感感器器的的输输出出幅幅值值小小，灵灵敏敏度度低低，而而且且功功能能单单一一，因因而而被被称称为为“聋哑传感器聋哑传感器”。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。 智能传感器网网络络通通信信技技术术逐逐步步走走向向成成熟熟并并渗渗透透到到各各行行各各业业，各
15、各种种高高可可靠靠、低低功功耗耗、低低成成本本、微微体体积积的的网网络络接接口口芯芯片片被被开开发发出出来来，微微电电子子机机械械加加工工技技术术, ,将将网网络络接接口口芯芯片片与与智智能能传传感感器器集集成成起起来来并并使使通通信信协协议议固固化化到到智智能能传传感感器器的的ROMROM中时，就产生了网络传感器中时，就产生了网络传感器；为为解解决决现现场场总总线线的的多多样样性性问问题题，IEEEl451IEEEl4512 2工工作作组组建建立立了了智智能能传传感感器器接接口口模模块块(STIM)(STIM)标标准准，该该标标准准描描述述了了传传感感器器网网络络适适配配器器或或微微处处理理
16、器器之之间间的的硬硬件件和和软软件件接接口口，是是IEEEl451IEEEl451网网络络传传感感器器标标准准的的重重要要组组成成部部分分，为为使使传传感器能与各种网络连接提供了条件和方便。感器能与各种网络连接提供了条件和方便。网络传感器网络传感器智智能能传传感感器器和和网网络络化化传传感感器器的的飞飞速速发发展展可可大大大大提提高高信信号检测能力，进而推动智能仪器总体性能的提高。号检测能力，进而推动智能仪器总体性能的提高。 A AD D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。A AD D等电路与微处理器集
17、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/DA/D等新器件增强仪器的功能与测量范围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、AVR、 ARMARM TMS320TMS320系系 列列 等等 高高 速速 单单 片片 数数 字字 信信 号号 处处 理理 器器(DSPDigital (DSPDigital Signal Signal Processor)Processor)是是通通过过硬硬件件来来完完成成乘乘法法和和加加法法运运算算的的，极极大大
18、地地增增强强了了智智能能仪仪器器的的数字滤波、数字滤波、FFTFFT、相关、卷积等信号处理能力。、相关、卷积等信号处理能力。新新型型DSPDSP芯芯片片接接口口功功能能大大大大加加强强，甚甚至至集集成成了了DSPDSP与与ARMARM双核。双核。4 4、嵌入式系统与片上系统、嵌入式系统与片上系统(SOC)(SOC)将使将使 智能仪器的设计提升到一个新阶段智能仪器的设计提升到一个新阶段 计计算算机机可可以以分分成成通通用用计计算算机机系系统统和和嵌嵌入入式式计计算算机机系系统统( (简简称称嵌嵌入入式式系系统统) )。而而嵌嵌入入式式系系统统则则是是指指把把微微处处理理器器、单单片片机机( (微
19、微控控制制器器) )、DSPDSP芯芯片片等等作作为为“控控制制与与处处理理部部件件”，虽虽然然嵌嵌入入式式系系统统的的核核心心是是计计算算机机，但但它它是是以以某某种种设设备备的的形形式式出出现现的的，其其外外观观不不再再具具备备计计算算机机的的形形态态。很很显显然然，智智能能仪仪器器属属于于嵌嵌入入式式系系统统，它它虽虽然然以以微微型型计计算算机机为为核核心心，但但它它不不以以计计算算机机的的形形态态出出现现；而而是是作作为为宿宿主主设设备备的的控控制制器器智智能能地地体体现现仪器设备的功能。仪器设备的功能。 片上系统片上系统(SOC)(SOC)的发展更是为智能仪器的开发及性能的提高开的发
20、展更是为智能仪器的开发及性能的提高开辟了更加广阔的前景。辟了更加广阔的前景。 SOC SOC的核心思想就是要把整个应用电子系统的核心思想就是要把整个应用电子系统( (除无法集成的电路除无法集成的电路) )全部集成在一个芯片中，避免了大量全部集成在一个芯片中，避免了大量PCBPCB板的设计及板级调试工作；板的设计及板级调试工作；SOCSOC是以功能是以功能IP(Intellectual Property)IP(Intellectual Property)为基础的系统固件和电路综为基础的系统固件和电路综合技术。合技术。 在在SOCSOC设计中，设计者面对的不再是电路芯片，而是根据所设计系设计中，设
21、计者面对的不再是电路芯片，而是根据所设计系统的固件特性和功能要求，选择相应的单片机统的固件特性和功能要求，选择相应的单片机CPUCPU内核和成熟优化的内核和成熟优化的IPIP内核模块，这样就基本上内核模块，这样就基本上消除了器件信息障碍，消除了器件信息障碍，加快了设计速度，加快了设计速度，SOCSOC将使系统设计技术发生革命性的变化，这标志一个全新时代已经将使系统设计技术发生革命性的变化，这标志一个全新时代已经到来。到来。 5 5、ASICASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技术技术ASIC(Application ASIC(Application Specific Specific I
22、ntegrated Integrated CircuitsCircuits，专专用用集集成成电电路路) )无无论论在在价价格格、集集成成度度，还还是是在在产产量量、产产值值方方面面均均取取得得了了飞飞速速发发展展。因因此此，对对仪仪器器设设计计者者来来说说，很很有有意意义义的的一一项项工工作作是是把把一一些些性性能能要要求求很很高高的的线线路路单单元元设设计计成成专专用用集集成成电电路路而而使使智智能能仪仪器器的的结结构构更更紧紧凑凑，性性能能更更优优良良，保保密密性更强。性更强。FPGA(Field Programmable Gates ArrayFPGA(Field Programmabl
23、e Gates Array，现场可编程门阵现场可编程门阵列列) )CPLD(Complex Programmable Logic DeviceCPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻复杂可编程逻辑器件辑器件) )FPGAFPGACPLDCPLD的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用用场合，它可以替代几十甚至上百块通用ICIC芯片。芯片。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。电路保这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。电路保持不动的情况下，改变内部硬
24、件连接关系的描述，就能实现持不动的情况下，改变内部硬件连接关系的描述，就能实现一种新的功能。一种新的功能。比较典型的有比较典型的有Xilinx公司的公司的FPGA器件系列器件系列Altera公司的公司的CPLD器件系列。器件系列。 （1 1）FPGAFPGACPLDCPLD芯芯片片的的规规模模也也越越来来越越大大，其其单单片片逻逻辑辑门门数数已已达达到到数数十十万万门门，它它所所能能实实现现的的功功能能也也越越来来越越强强，同同时也可以实现系统集成。时也可以实现系统集成。应用应用FPGACPLD的优点的优点 （2 2）FPGAFPGACPLDCPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，芯片在出
25、厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的功能的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的功能设定。研制开发费用相对较低。设定。研制开发费用相对较低。 （3 3） FPGA FPGACPLDCPLD芯片和芯片和EPROM(EPROM(Flash存储器存储器)配合使用时，配合使用时，用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的况下用不同的EPROM(EPROM(Flash存储器存储器)
26、就可实现不同的功能。就可实现不同的功能。 在在计计算算机机和和必必要要的的仪仪器器硬硬件件确确定定之之后后，软软件件就就是是PCIPCI仪仪器器发展的关键。发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法软件就是仪器成为流行的说法。 NINI（ National National InstrumentsInstruments） 公公 司司 19861986年年 设设 计计 的的LabVlEWlLabVlEWl0 0，20032003年年发发展展到到Labview7Labview70 0，推推动动虚虚拟拟仪仪器器技技术的发展。术的发展。 图图形形化化编编程程语语言言建建立立的的虚虚拟拟仪仪器器面面板板，完
27、完成成对对仪仪器器的的控控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。制、数据采集、数据分析和数据显示功能。 虚虚拟拟仪仪器器系系统统由由用用户户定定义义；仪仪器器硬硬件件模模块块化化；可可重重用用和和重重新新配配置置；系系统统功功能能、规规模模可可通通过过修修改改软软件件、更更换换仪仪器器硬硬件件而增减；技术更新速度快而增减；技术更新速度快(12(12年年) )，开发维护费用低。，开发维护费用低。6 6、LabVlEWLabVlEW等图形化软件技术等图形化软件技术虚拟仪器虚拟仪器 （4 4）FPGAFPGACPLDCPLD芯芯片片的的电电路路设设计计周周期期很很短短。软软件件包包中中不不但但有有各
28、各种种输输入入工工具具和和仿仿真真工工具具，而而且且还还有有版版图图设设计计工工具具和和编编程程器器等等全全线线产产品品，电电路路设设计计人人员员在在很很短短的的时时间间内内就就可可完完成成电电路路的的输输入入、编编译译、优优化化、仿仿真真，直直至至最最后后芯芯片片的的制制作作( (物物理理版版图图映映射射) )。当当电电路路有有少少量量改改动动时时，更更能能显显示示出出FPGAFPGACPLDCPLD的的优优势势。它它大大大大加加快快了了新新产产品品的的试试制制速速度度，减减少少了了库库存存风风险险与与设设计计错错误误所所带带来来的危险，从而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。的危险，从
29、而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。 （5 5）电路设计人员使用）电路设计人员使用FPGAFPGACPLDCPLD进行电路设计时，不需进行电路设计时，不需要具备专门的要具备专门的IC(IC(集成电路集成电路) )深层次的知识，深层次的知识，FPGAFPGACPLDCPLD软件易软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。FPGAFPGACPLDCPLD适合于正向设计适合于正向设计( (从电路原理图到芯片级的设计从电路原理图到芯片级的设计) )，对知识，对知识产权的保护也非常有利。产权的保护也非常有利。 随随着着网网络络技技术术、通
30、通信信技技术术的的高高速速发发展展与与广广泛泛应应用用，网网络络化化测测试试技技术术受受到到广广泛泛关关注注，这这必必将将对对网网络络时时代代的的测测试试仪仪器器和和测测试试技技术术产产生生革革命命性性变变化化。表表现现在两个方面：在两个方面： 智智能能仪仪器器要要上上网网，完完成成数数据据传传输输、远远程程控控制制与与故故障诊断等；障诊断等；构构建建网网络络化化测测试试系系统统，将将分分散散的的各各种种不不同同测测试试设设备备挂挂接接在在网网络络上上，通通过过网网络络实实现现资资源源、信信息息共共享享，协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。7 7
31、、网络与通信技术、网络与通信技术 网络化测试系统主要由两大部分组成：网络化测试系统主要由两大部分组成： 组组成成系系统统的的基基本本功功能能单单元元(PC(PC仪仪器器、网网络络化化测测量量仪仪器器、网网络络化传感器、网络化测量模块化传感器、网络化测量模块) )； 连连接接各各基基本本功功能能单单元元的的通通信信网网络络。用用于于测测试试和和控控制制的的网网络络与与以以信信息息共共享享为为目目的的的的信信息息网网不不同同，前前者者采采用用工工业业EthernetEthernet，后后者采用快速者采用快速EthernetEthernet。 构建网络化测试系统需考虑的问题：构建网络化测试系统需考虑的问题： 系统要具有开放性和互操作性；系统要具有开放性和互操作性； 系统的实时性和时间的确定性；系统的实时性和时间的确定性； 系统的成本尽可能低，通用性好；系统的成本尽可能低，通用性好； 基本功能单元必须是智能化的，带有本地微理基本功能单元必须是智能化的，带有本地微理 器和存储器，具有网络化接口。器和存储器，具有网络化接口。
