智能仪器第一章PPT课件.ppt

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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、网络化仪器一一、从传统仪器到智能仪器、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, 嵌入式系统与片上嵌入式系统与片上系统系统(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。 一一、从传统仪器仪表到智能仪器、从传统仪器仪表到智能仪器2 2、八类、八类测试计量仪器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 、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

9、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

10、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件仪器插件插件通用接口接口仪器仪器插件插件仪器插件仪器插件电电源源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

11、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

12、分析仪) ) 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 LabVlEWLabVlEW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、传感器技术为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。涌现。聋哑

13、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) 传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产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。模拟电压或电流信号。这类传感器的输出幅这类传感器的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被称值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被称为为“聋哑传感器聋哑传感器”。聋哑传感器聋哑传感器微电子技

14、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、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, ,将网将网络接口芯片与智能传感器集成起

15、来并使通信协议固化到智能传感器的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ROMROM中时，就产生中时，就产生了了网络传感器网络传感器；为解决现场总线的多样性问题，为解决现场总线的多样性问题，IEEEl451IEEEl4512 2工作组建立了智能传感器接工作组建立了智能传感器接口模块口模块(STIM)(STIM)标准，该标准描述了传感器网络适配器或微处理器之间的标准，该标准描述了传感器网络适配器或微处理器之间的硬件和软件接口，是硬件和软件接口，是IEEEl451IEEEl451网络传感器标准网络传感器标准的重要组成部分，为使传的重要组成部分，为使传感器能与各种网络连接提供了条

16、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能传感器和网络化传感器的飞速发展可大大提高信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。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

17、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 TMS TMS320320系列等高速单片数字信号处理器系列等高速单片数字信号处理器(DSPDigital Signal Processor)(DSPDigital Signal Processor)是通过硬件来是通过硬件来完成乘法和加法运算的，极大地增强了智能仪器的完成乘法和加法运算的，极大地增强了智能仪器的数字滤波、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。新型新型DSPDSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了芯片接口功能大大加强，甚至

18、集成了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 计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系统计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系统( (简称简称嵌入式系统嵌入式系统) )。而。而嵌入式系统则是指把微处理器、单片机嵌入式系统则是指把微处理器、单片机( (微控制器微控制器) )、DSPDSP芯片等作为芯片等作为“控制与处理部件控制与处理部件”，虽然嵌虽然嵌入式系统的核心是计算机，但它是以某种设备的形式出现入式系统的核心是计算机，但它是以某种设备的形式

19、出现的，其外观不再具备计算机的形态。很显然，的，其外观不再具备计算机的形态。很显然，智能仪器属智能仪器属于嵌入式系统，于嵌入式系统，它虽然以微型计算机为核心，但它不以计它虽然以微型计算机为核心，但它不以计算机的形态出现；而是算机的形态出现；而是作为宿主设备的控制器智能地体现作为宿主设备的控制器智能地体现仪器设备的功能。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。 SOCSOC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

20、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，

21、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 Specific Integrated ASIC(Application Specific Integrated CircuitsCircuits，专用集成电路，专用集成电路) )无论在价格、集成度，无论在价格、集成度，还是在产量、产值方面均取得了飞速发展

22、。因此，还是在产量、产值方面均取得了飞速发展。因此，对仪器设计者来说，很有意义的一项工作是把一对仪器设计者来说，很有意义的一项工作是把一些性能要求很高的线路单元设计成专用集成电路些性能要求很高的线路单元设计成专用集成电路而使智能仪器的结构更紧凑，性能更优良，保密而使智能仪器的结构更紧凑，性能更优良，保密性更强。性更强。FPGA(Field Programmable Gates ArrayFPGA(Field Programmable Gates Array，现场可编程门阵现场可编程门阵列列) )CPLD(Complex Programmable Logic DeviceCPLD(Complex

23、 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

24、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芯片的规模也越来越大，其单片逻辑芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到数十万门，它所能实现的功能也越来越强，同门数已达到数十万门，它所能实现的功能也越来越强，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

25、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） FPGAFPGACPLDCPLD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)就可实现不同的功能。就可实现不同的功能。 在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是PCIPCI仪仪器发展的关键。器发展

26、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 InstrumentsNational Instruments）公司）公司19861986年设计的年设计的LabVlEWlLabVlEWl0 0，20032003年发展到年发展到Labview7Labview70 0，推动虚拟仪器，推动虚拟仪器技术的发展。技术的发展。 图形化编程语言建立的虚拟仪器面板，图形化编程语言建立的虚拟仪器面板，完成对仪器的完成对仪器的控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。 虚拟仪器系统由用户定义虚拟仪器系统由用户定义；仪器硬件模块化仪器

27、硬件模块化；可重用；可重用和重新配置；和重新配置；系统功能、规模可通过修改软件、更换仪器系统功能、规模可通过修改软件、更换仪器硬件而增减；技术更新速度快硬件而增减；技术更新速度快(1(12 2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芯片的电路设计周期很短。软件包中不芯片的电路设计周期很短。软件包中不但有各种输入工具和仿真工具，而且还有版图设计工具和编但有各种输入工具和仿真工具，而且还有版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电程器等全线

28、产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作( (物理版物理版图映射图映射) )。当电路有少量改动时，更能显示出。当电路有少量改动时，更能显示出FPGAFPGACPLDCPLD的优的优势。它大大加快了新产品的试制速度，减少了库存风险与设势。它大大加快了新产品的试制速度，减少了库存风险与设计错误所带来的危险，从而提高了企业在市场上的竞争能力计错误所带来的危险，从而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。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，

29、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。 随着网络技术、通信技术的高速发展与广泛应随着网络技术、通信技术的高速发展与广泛应用，网络化测试技术受到广泛关注，这必将对网络用，网络化测试技术受到广泛关注，这必将对

30、网络时代的测试仪器和测试技术产生革命性变化。表现时代的测试仪器和测试技术产生革命性变化。表现在两个方面：在两个方面： 智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等；故障诊断等；构建网络化测试系统，将分散的各种不同测试设构建网络化测试系统，将分散的各种不同测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源、信息共享，备挂接在网络上，通过网络实现资源、信息共享，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、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： 组成系统的基

31、本功能单元组成系统的基本功能单元(PC(PC仪器、网络化测量仪器、网络仪器、网络化测量仪器、网络化传感器、网络化测量模块化传感器、网络化测量模块) )； 连接各基本功能单元的通信网络。用于测试和控制的网络与连接各基本功能单元的通信网络。用于测试和控制的网络与以信息共享为目的的信息网不同，前者采用工业以信息共享为目的的信息网不同，前者采用工业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。