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1、智能仪表原理与设计智能仪表原理与设计叶西宁 ()智能仪表与智能仪表与PCPC联网联网智能仪表概述智能仪表概述智能仪表硬件设计智能仪表硬件设计智能仪表软件设计智能仪表软件设计1.3 智能仪表的开发工具智能仪表的开发工具1.0 智能仪表的发展智能仪表的发展1.1 智能仪表的功能和组成智能仪表的功能和组成1.2 智能仪表的设计思想和研制步骤智能仪表的设计思想和研制步骤第一章第一章 概述概述 客观世界是一个物质世界，人们为了认识物质世客观世界是一个物质世界，人们为了认识物质世界，就必须对表征物质运动的各种信号进行测量。界，就必须对表征物质运动的各种信号进行测量。一个完整的一个完整的测试过程测试过程包括
2、：包括：信息的采集信息的采集信息的变换与传输信息的变换与传输信息的处理和分析信息的处理和分析信息的显示和记录信息的显示和记录1.0 1.0 智能仪表的发展智能仪表的发展基地式：基地式：2020世纪世纪5050年代年代单元组合式：单元组合式：DDZ,QDZ 20DDZ,QDZ 20世纪世纪6060年代年代计算机：计算机：DDC,DCS 20DDC,DCS 20世纪世纪7070年代年代先进控制和优化控制：先进控制和优化控制：CIPS,FCS 20CIPS,FCS 20世纪世纪8080年年代以后代以后 自动化仪表的发展经历了如下过程：自动化仪表的发展经历了如下过程：模拟仪表模拟仪表数字仪表数字仪表智
3、能仪表。智能仪表。控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展n生产装置实施先进控制成为发展主流；生产装置实施先进控制成为发展主流；n过程优化受到普遍关注；过程优化受到普遍关注；n传统的传统的DCSDCS在走向国际统一标准的开放式在走向国际统一标准的开放式系统；系统；nDCSDCS与与FCSFCS相结合；相结合；n综合自动化系统（综合自动化系统（CIPSCIPS）是发展方向。）是发展方向。当前自动控制系统及仪表发展的一些主要特点当前自动控制系统及仪表发展的一些主要特点 仪表的智能性越来越强。仪表的智能性越来越强。智能是随外界条件变化而作出的一种正确智能是随外界条件变化而作出的一种正确反应的
4、能力。将人的智能引入仪表，即将人工反应的能力。将人的智能引入仪表，即将人工智能的理论和方法应用于仪表产品，则可实现智能的理论和方法应用于仪表产品，则可实现仪表智能化。仪表智能化。什么是智能化什么是智能化？智能仪表的定义智能仪表的定义：智能仪表是计算机技术与测试技术相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量仪器，它具有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有的还具有自校正、自诊断、自适应、自学习的功能，具有一定智能的作用。实际上目前大多内装单片机的仪表只具有运算、判断能力，用“智能化”的标准来衡量尚有差距，称之 为微机化仪表更为确切。智能仪器的发展智能仪器的发展 智能仪表的出现至今已
5、有近三十年的历史。随微电子技术、微机械技术、微计算机技术、控制技术而发展。在2020世纪世纪7070年代年代，随着微处理技术的发展，智能仪表开始发展起来2020世纪世纪8080年代初期年代初期，出现了高性能的数字万用表，其数据处理功能一般包括百分误差、绝对误差、最大值及最小值、峰-峰值、平均值、有效值、方差及标准差等。并且有的还具有自动校准技术。到了到了2020世纪世纪9090年代，年代，在高准确度、高性能、多功能的测量仪器中已经很少有不采用微计算机技术的了。近年来近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器信息融合等等，使智能仪器的功能
6、向更高的层次发展。国际、国内也越来越重视19841984年年：我国电磁测量信息处理仪器学会正式成立“自动测试与智能仪器专业学组”19861986年年，IMEKO(International Measurement Confederation,国际测量联合会)以“智能仪器”为主题召开了专门的讨论会，19881988年，年，IFAC(International federation of Automatic Control,国际自动控制联合会)的理事会正式确定“智能元件及仪器”（Intelligent Components and Instruments）为其系列学术委员会之一19891989年年
7、5 5月，月，在武汉召开了第一届测试技术与智能仪器国际学术讨论会智能仪表正趋向于多功能、高精度、低功耗、小型化、成套化，操作也更为简便。1.1 1.1 智能仪表的功能和组成智能仪表的功能和组成1.1.1 1.1.1 智能仪表的基本组成智能仪表的基本组成智能仪表包括硬件硬件和软件软件两大部分，其功能很大程度上取决于软件。硬件部分硬件部分:智能仪表硬件包括主机电路(微处理器：单片机或嵌入式系统)、输入输出通道、人机联系部件与接口电路以及串行或并行通信接口。光电隔离光电隔离光电隔离键盘输入显示器模数转换开关量入模拟量入数模转换光电隔离通信接口开关量出模拟量出主机电路智能仪表的硬件组成智能仪表的硬件组
8、成单片机技术发展动向单片机技术发展动向在HCMOS基础上的全盘 CMOS 化，该器件具有本质低功耗、宽电压范围等优良性能。单片机字长有4、8、16和32位，但当前主流机型仍是8位机。8位单片机还会不断改进和完善。程序存储器已从片内或外接EPROM发展为OTPROM（一次性编程只读存储器）和FlashROM(快擦写存储器)硬件的特点：硬件的特点：单片机内部资源不断丰富和扩大，如存储容量增大，I/O口数量增多，许多外部接口电路(ADC、PWM、WDT等)集成到单片机中。嵌入式系统。新一代的单片机采用 RISC(精简指令集)体系结构，较之传统 CISC,指令的运行速度有了很大的提高。软件部分软件部分
9、:监控监控主程序主程序初始化管理键盘管理显示管理中断管理时钟管理诊断管理手自动管理智能仪表软件软件包括监控程序、中断处理(服务)程序以及能实现各种算法的功能模块。功能模块功能模块逻辑运算 测量算法输入输出键盘程序显示程序控制算法实时时钟数字滤波标度变换数据处理非线性校正PID控制先进控制复杂控制智能控制1.1.2 智能仪表的特点智能仪表的特点仪表中使用单片微机、ASIC专用集成电路或DSP 数字信号处理芯片、集成开关电源，并采用表面贴装技术。仪表符合可靠性设计、电磁兼容性设计、耐环境性设计、人机工程学设计、造型设计的要求。仪表具有自动校零、满度和切换量程以及自动补偿和修正各类误差的功能，以实现
10、高精度检测。仪表具有符合标准协议的通信接口，可实现联网。仪表具有自诊断功能,一旦发现故障即能告警,并 能及时处理。仪表具有多种输入、输出方式和多种控制功能,可任意设置或组态。1.1.3 过程控制中常见的智能仪表过程控制中常见的智能仪表现场类智能变送、执行仪表，例如智能式压力、差压、流量、物位、温度、成分等传感、变送器以及执行器。控制、显示、记录类智能仪表，例如自整定 PID调节仪、可编程调节器、可编程控制器、流量积算仪、大屏幕无纸记录仪等。当前流行的虚拟仪器(VI)采用虚拟现实技术，在计算机上加入特定的硬件和软件，使之完成许多仪器的功能，成为新一代的仪器仪表。1.2.1 智能仪表的设计思想智能
11、仪表的设计思想模块化设计：模块化设计：依据仪表的功能要求和技术经济指标,自顶向下（由大到小）地按仪表功能层次把硬件和软件分成若干个模块,分别进行设计和调试,然后把它们连接起来,进行总调,这就是设计仪表的基本思想。1.2 智能仪表的设计思想和研制步骤智能仪表的设计思想和研制步骤模块的连接：模块的连接：软件模块的连接,一般是通过监控主程序调用各种功能模块，或采用中断的方法实时地执行相应的服务模块来实现；硬件模块（模板）的连接一般是以主机模块为核心，通过内部总线（数据总线、地址总线和控制总线）连接其它模块。1.2.2 设计、研制的主要内容设计、研制的主要内容确定设计任务和仪表功能，提出设计初步方案。
12、绘制硬件及软件总框图，确定硬件类型和数量，注意单片机的选择以及权衡硬、软件的比例。硬件电路的设计、研制和调试。用专业软件CAD 绘图布线，力求标准化、规范化。仪表总调、性能测定。对设计所要求的全部功能进行测试，发现问题，应及时修改，直至满足设计指标。最后要写出性能测试报告。仪表结构设计，力求造型优美、色泽柔和、美观大方、外廓整齐、细部精致，便于操作、维修。应用软件的设计、程序编制和调试。注意结构清晰、编程规范。通常，用仿真器进行调试。1.3 智能仪表的开发工具智能仪表的开发工具单片机本身没有开发能力，必须借助开发工具来研制、调试智能仪表的硬件和软件。开发工具由主处理器、显示器、键盘、在线仿真器、编程器、打印机以及开发所需要的软件组成的一个系统，故又称为开发系统。1.3.1 开发工具的功能开发工具的功能编程能力调试、运行能力仿真功能1.3.2 开发工具的种类开发工具的种类简易型开发系统软件模拟开发系统通用型开发系统专用开发系统单片机的在线编程技术