第一章 智能儀器緒論

1、復(fù)旦大學(xué)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)教師：姚利紅Tel:157-2596-5312QQ:459203069E-mail:智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)一、一、智能儀器基本概念智能儀器基本概念 三三、智能儀器各模塊軟件設(shè)計智能儀器各模塊軟件設(shè)計 四四、抗干擾技術(shù)及數(shù)據(jù)處理抗干擾技術(shù)及數(shù)據(jù)處理 課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容二二、智能儀器硬件模塊智能儀器硬件模塊 微處理器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、輸微處理器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、輸出接口、外圍設(shè)備、通信接口出接口、外圍設(shè)備、通信接口五、智能儀器設(shè)計原則及實(shí)例五、智能儀器設(shè)計原則及實(shí)例 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀

2、器的廣泛應(yīng)用智能儀器的廣泛應(yīng)用智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器的廣泛應(yīng)用智能儀器的廣泛應(yīng)用智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器的廣泛應(yīng)用智能儀器的廣泛應(yīng)用智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器的廣泛應(yīng)用智能儀器的廣泛應(yīng)用智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器的廣泛應(yīng)用智能儀器的廣泛應(yīng)用智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器一般設(shè)計步驟智能儀器一般設(shè)計步驟智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器的模塊化設(shè)計思想智能儀器的模塊化設(shè)計思想 根據(jù)儀器的功能要求和技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)儀器的功能要求和技術(shù)指標(biāo)，

3、遵循自上向下、由大到小、由粗到細(xì)遵循自上向下、由大到小、由粗到細(xì)的思想，按儀器的功能層次，把硬件的思想，按儀器的功能層次，把硬件和軟件分成若干個模塊，分別進(jìn)行設(shè)和軟件分成若干個模塊，分別進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試；然后把它們連接起來，進(jìn)計和調(diào)試；然后把它們連接起來，進(jìn)行總調(diào)。行總調(diào)。 優(yōu)點(diǎn)：每一個模塊都相互獨(dú)立，優(yōu)點(diǎn)：每一個模塊都相互獨(dú)立，能進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計、研制、調(diào)試和修能進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計、研制、調(diào)試和修改。改。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)第一章第一章 緒論緒論從傳統(tǒng)儀器到智能儀器從傳統(tǒng)儀器到智能儀器一、一、重要性認(rèn)識、儀器儀表、智能儀器重要性認(rèn)識、儀器儀表、智能儀器智能儀器的分類、基本結(jié)

4、構(gòu)與特點(diǎn)智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)二、二、4 4個層次、個層次、2 2種結(jié)構(gòu)、種結(jié)構(gòu)、6 6個特點(diǎn)個特點(diǎn)智能儀器的發(fā)展智能儀器的發(fā)展 三、三、發(fā)展趨勢、促進(jìn)智能儀器發(fā)展的新技術(shù)發(fā)展趨勢、促進(jìn)智能儀器發(fā)展的新技術(shù)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)從傳統(tǒng)儀器到智能儀器從傳統(tǒng)儀器到智能儀器一、一、1.1.對儀器儀表重要性的認(rèn)識對儀器儀表重要性的認(rèn)識儀器儀表是：儀器儀表是： 國民經(jīng)濟(jì)的國民經(jīng)濟(jì)的“倍增器倍增器” 科學(xué)研究的科學(xué)研究的“先行官先行官” 現(xiàn)代戰(zhàn)爭的現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“戰(zhàn)斗力戰(zhàn)斗力” 法庭審判的法庭審判的“物化法官物化法官”在信息在信息“采集采集傳輸傳輸處理處理”的的信息獲取中，信息

5、獲取中，儀器儀表是源頭儀器儀表是源頭科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 錢學(xué)森：錢學(xué)森：“新技術(shù)革新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)是信息技術(shù)。命的關(guān)鍵技術(shù)是信息技術(shù)。信息技術(shù)由測量技術(shù)、計信息技術(shù)由測量技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)三部算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成。測量技術(shù)是關(guān)鍵分組成。測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。和基礎(chǔ)?！?門捷列夫：門捷列夫：“科科學(xué)是從測量開始的。學(xué)是從測量開始的。”智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 德米特里門捷列夫，19世 紀(jì)俄國化學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)了元素 周期律 并就此發(fā)表了世界上 第一份元素周期表。 1907年2月2日，這位

6、享有 世界盛譽(yù)的俄國化學(xué)家因心肌梗塞與世長辭，那一天距離他的73歲生日只有六天。他的名著、伴隨著元素周期律而誕生的化學(xué)原理，在十九世紀(jì)后期和二十世紀(jì)初，被國際化學(xué)界公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)著作，前后共出了八版，影響了一代又一代的化學(xué)家。 門捷列夫門捷列夫智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)錢學(xué)森錢學(xué)森 錢學(xué)森（1911.12.11-2009.10.31）浙江省杭州人。中國共產(chǎn)黨優(yōu)秀黨員、忠誠的共產(chǎn)主義戰(zhàn)士、享譽(yù)海內(nèi)外的杰出科學(xué)家，中國航天事業(yè)的奠基人，中國兩彈一星功勛獎?wù)芦@得者，被譽(yù)為“中國航天之父”、“中國導(dǎo)彈之父”、“中國自動化控制之父”和“火箭之王”。曾任美國麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院教授及

7、中國人民政治協(xié)商會議第六、七、八屆全國委員會副主席、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會名譽(yù)主席、全國政協(xié)副主席。上海交通大學(xué)圖書館、西安交通大學(xué)圖書館均以錢學(xué)森同志名字命名。 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 儀器儀表在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防軍工儀器儀表在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防軍工中發(fā)揮巨大作用。中發(fā)揮巨大作用。 王大珩院士：王大珩院士：“能能不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個民族、一個國家的創(chuàng)新民族、一個國家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)能力。發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)視為國家戰(zhàn)略。備應(yīng)當(dāng)視為國家戰(zhàn)略?！敝侵?能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)王大珩王大珩 王大珩（19

8、15.2.262011.7.21），原籍江 蘇州。1936年清華大學(xué)物理系畢業(yè)，“兩彈一星功勛獎?wù)隆鲍@得者，“中國光學(xué)之父”，應(yīng)用光學(xué)家，中國光學(xué)事業(yè)奠基人之一，中國科協(xié)副主席， 中國科學(xué)院、中國工程院院士。 王大珩主持制成了中國第一臺激光器，第一臺大型光測裝備和許多國防光學(xué)儀器。七十年代主持制定了全國第一個遙感科學(xué)規(guī)劃，領(lǐng)導(dǎo)了綜合性的航空遙感試驗。1986年3月和陳芳允、楊嘉墀、王淦昌等4名科學(xué)家向中央提出“發(fā)展中國的戰(zhàn)略性高技術(shù)”的建議，得到鄧小平同志批準(zhǔn)，由此國務(wù)院發(fā)出了“高技術(shù)發(fā)展計劃綱要”的通知，這一“綱要”被稱為“863計劃”。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)2.2.

9、儀器儀表及其發(fā)展儀器儀表及其發(fā)展 儀器儀表是儀器儀表是信息獲取信息獲取的工具、是的工具、是認(rèn)識世認(rèn)識世界界的工具，是的工具，是一個系統(tǒng)或裝置一個系統(tǒng)或裝置。 最基本的作用：延伸、擴(kuò)展、補(bǔ)充或代最基本的作用：延伸、擴(kuò)展、補(bǔ)充或代替人的聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。替人的聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。 測量儀器，分析儀器，生物醫(yī)療儀器，測量儀器，分析儀器，生物醫(yī)療儀器，地球探測儀器，天文儀器，航空航天航海儀地球探測儀器，天文儀器，航空航天航海儀表，汽車儀表，電力，石油，化工儀表等，表，汽車儀表，電力，石油，化工儀表等，遍及國民經(jīng)濟(jì)各個部門，深入到人民生活的遍及國民經(jīng)濟(jì)各個部門，深入到人民生活的各個

10、角落。各個角落。 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 1915191519281928年年, ,美國首先研制出了峰值美國首先研制出了峰值電子電壓表并使其商品化；電子電壓表并使其商品化；19521952年年, ,美國美國NLSNLS公司首先研制出電子管式公司首先研制出電子管式4 4位數(shù)字電壓位數(shù)字電壓表；表； 2020世紀(jì)世紀(jì)60-7060-70年代年代 , ,計算機(jī)的引入使儀計算機(jī)的引入使儀器具備了系統(tǒng)測量和測量數(shù)據(jù)的控制、分器具備了系統(tǒng)測量和測量數(shù)據(jù)的控制、分析、處理、計算與顯示輸出功能；析、處理、計算與顯示輸出功能； 2020世紀(jì)世紀(jì)80-9080-90年代，微處理器被用到年代

11、，微處理器被用到儀器中，從而實(shí)現(xiàn)了儀器的智能化，儀器儀器中，從而實(shí)現(xiàn)了儀器的智能化，儀器的人機(jī)交互更加友好，測量規(guī)模不斷夸大，的人機(jī)交互更加友好，測量規(guī)模不斷夸大，測量精度和速度不斷提高，信息處理能力測量精度和速度不斷提高，信息處理能力不斷增強(qiáng)。不斷增強(qiáng)。儀器儀表發(fā)展史儀器儀表發(fā)展史智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 第一代為第一代為模擬式（或稱指針式）模擬式（或稱指針式）儀儀器儀表器儀表三代儀器儀表：三代儀器儀表：以以電磁測量電磁測量為基本原為基本原理，利用指針顯示測理，利用指針顯示測量結(jié)果。量結(jié)果。主要缺點(diǎn)是功能簡主要缺點(diǎn)是功能簡單、精度低、響應(yīng)單、精度低、響應(yīng)速度慢速度慢模擬

12、式電子電壓表智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 第二代為第二代為數(shù)字式數(shù)字式儀器儀表儀器儀表三代儀器儀表：三代儀器儀表：數(shù)字式電子電壓表將被測將被測模擬信號轉(zhuǎn)換成模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號數(shù)字信號進(jìn)行測量，測進(jìn)行測量，測量結(jié)果以量結(jié)果以數(shù)字?jǐn)?shù)字形式輸出形式輸出顯示。顯示。優(yōu)點(diǎn)：精度高、響應(yīng)速優(yōu)點(diǎn)：精度高、響應(yīng)速度快、讀數(shù)清晰、直觀，度快、讀數(shù)清晰、直觀，測量結(jié)果可打印輸出，易與計算機(jī)相結(jié)合，測量結(jié)果可打印輸出，易與計算機(jī)相結(jié)合，由于數(shù)字信號便于遠(yuǎn)距離傳輸，也適于遙測由于數(shù)字信號便于遠(yuǎn)距離傳輸，也適于遙測遙控遙控。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 第三代就是第三代就是智能式

13、智能式儀器儀表儀器儀表三代儀器儀表：三代儀器儀表： 優(yōu)點(diǎn)：功耗低、體積優(yōu)點(diǎn)：功耗低、體積小、可靠性高、價格低小、可靠性高、價格低廉等。廉等。加入了加入了微處理器芯片微處理器芯片，具，具有運(yùn)算、判斷、記憶、控有運(yùn)算、判斷、記憶、控制功能，可自動校正、自制功能，可自動校正、自動補(bǔ)償、自尋故障等。動補(bǔ)償、自尋故障等。智能電能表智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)3.3.智能儀器的概念與歷史智能儀器的概念與歷史 智能儀器是智能儀器是計算機(jī)技術(shù)與測量儀計算機(jī)技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計算機(jī)器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計算機(jī)或微處理器的測量或微處理器的測量( (或檢測或檢測) )儀器。儀器

14、。 它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運(yùn)算、邏它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運(yùn)算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用一定智能的作用( (表現(xiàn)為智能的延伸表現(xiàn)為智能的延伸或加強(qiáng)等或加強(qiáng)等) ) 。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 19841984年：我國儀器學(xué)會成立年：我國儀器學(xué)會成立“自動測試自動測試與智能儀器專業(yè)學(xué)組與智能儀器專業(yè)學(xué)組”； 19861986年：年：IMEKO(IMEKO(國際測量聯(lián)合會國際測量聯(lián)合會) )以以“智能儀器智能儀器”為主題召開了專門的討論為主題召開了專門的討論會；會； 19881988年：年：IFAC (IFAC (國際自動控制聯(lián)合

15、會國際自動控制聯(lián)合會) ) 的理事會正式確定的理事會正式確定“智能元件及儀器智能元件及儀器”； 19891989年年5 5月在我國武漢召開了第一屆測月在我國武漢召開了第一屆測試技術(shù)與智能儀器國際學(xué)術(shù)討論會。試技術(shù)與智能儀器國際學(xué)術(shù)討論會。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 近年來，智能儀器已開始從較為近年來，智能儀器已開始從較為成熟的成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展。 模糊判斷、故障診斷、容錯技術(shù)、模糊判斷、故障診斷、容錯技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測等，使智傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。 智能儀器對儀

16、器儀表的發(fā)展以及智能儀器對儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實(shí)驗研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，是儀科學(xué)實(shí)驗研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，是儀器設(shè)計的里程碑。器設(shè)計的里程碑。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 幾何量：幾何量：長度、角度、形長度、角度、形貌、相互位置、位移、距貌、相互位置、位移、距離測量儀器等離測量儀器等 機(jī)械量：機(jī)械量：各種測力儀、硬各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量度儀、加速度與速度測量儀、力矩測量儀、振動測儀、力矩測量儀、振動測量儀等量儀等 熱工量：熱工量：溫度、濕度、流溫度、濕度、流量測量儀器等量測量儀器等八類測試計量儀器八類測試計量儀器智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 光學(xué)

17、參數(shù)：光學(xué)參數(shù)：如光度計、光如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學(xué)傳遞函數(shù)測測量儀、光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀等量儀等 電離輻射：電離輻射：各種放射性、各種放射性、核素計量，核素計量，X X、射線及射線及中子計量儀器等中子計量儀器等 時間頻率：時間頻率：各種計時儀器各種計時儀器與鐘表、銫原子鐘、時與鐘表、銫原子鐘、時 間間頻率測量儀等頻率測量儀等 八類測試計量儀器八類測試計量儀器智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 電磁量：電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率交、直流電流表、電壓表、功率表、表、RLCRLC測量儀、靜電儀、磁參數(shù)測量儀等測量儀、靜電儀、磁參數(shù)測量

18、儀等 無線電參數(shù)測量儀器：無線電參數(shù)測量儀器：如示波器、信號發(fā)如示波器、信號發(fā)生器、相位測量儀、頻譜分析儀、動態(tài)信生器、相位測量儀、頻譜分析儀、動態(tài)信號分析儀等號分析儀等八類測試計量儀器八類測試計量儀器智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 在學(xué)習(xí)和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？是否體現(xiàn)出智能儀器的先進(jìn)性、便捷性及其重要性？思考：思考：智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)二、二、1.1.智能儀器的分類智能儀器的分類四個層次四個層次 聰敏儀器類聰敏儀器類 初級智能儀器類初級智能儀器類 模型化智能儀器類模型化智能

19、儀器類 高級智能儀器類高級智能儀器類 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器的四個層次智能儀器的四個層次1 1）聰敏儀器類）聰敏儀器類 以電子、傳感、測量技術(shù)為基礎(chǔ)。特以電子、傳感、測量技術(shù)為基礎(chǔ)。特點(diǎn)是通過巧妙的設(shè)計而獲得某一有特色的點(diǎn)是通過巧妙的設(shè)計而獲得某一有特色的功能。功能。2 2）初級智能儀器類）初級智能儀器類 除了應(yīng)用電子、傳感、測量技術(shù)外，除了應(yīng)用電子、傳感、測量技術(shù)外，主要特點(diǎn)是應(yīng)用了計算機(jī)及信號處理技術(shù)，主要特點(diǎn)是應(yīng)用了計算機(jī)及信號處理技術(shù)，這類儀器已具有了擬人的記憶、存儲、運(yùn)這類儀器已具有了擬人的記憶、存儲、運(yùn)算、判斷、簡單決策等功能。算、判斷、簡單決策等功

20、能。 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器的四個層次智能儀器的四個層次3 3）模型化智能儀器類）模型化智能儀器類 在初級智能儀器的基礎(chǔ)上應(yīng)用了建模在初級智能儀器的基礎(chǔ)上應(yīng)用了建模技術(shù)和方法，這類儀器可對被測對象狀態(tài)技術(shù)和方法，這類儀器可對被測對象狀態(tài)或行為作出評估，可以建立對環(huán)境、干擾、或行為作出評估，可以建立對環(huán)境、干擾、儀器參數(shù)變化作出自適應(yīng)反映的數(shù)學(xué)模型，儀器參數(shù)變化作出自適應(yīng)反映的數(shù)學(xué)模型，并對測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。并對測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。4 4）高級智能儀器類）高級智能儀器類 是智能儀器的最高級別，這類儀器多運(yùn)是智能儀器的最高級別，這類儀器多運(yùn)用模糊判斷、容錯技術(shù)、傳感融

21、合、人工智用模糊判斷、容錯技術(shù)、傳感融合、人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)。有較強(qiáng)的自適應(yīng)、自能、專家系統(tǒng)等技術(shù)。有較強(qiáng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織、自決策、自推理能力。學(xué)習(xí)、自組織、自決策、自推理能力。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)其結(jié)構(gòu)可有兩其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型種基本類型微機(jī)內(nèi)嵌式微機(jī)內(nèi)嵌式微機(jī)擴(kuò)展式微機(jī)擴(kuò)展式 將單片或多片將單片或多片的微處理器與的微處理器與傳統(tǒng)儀器有機(jī)傳統(tǒng)儀器有機(jī)地結(jié)合在一起地結(jié)合在一起形成的單機(jī)，形成的單機(jī)，其形態(tài)是儀器。其形態(tài)是儀器。 以個人計算機(jī)以個人計算機(jī)(PC)(PC)為為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測量儀器。稱為個人計量儀器。稱為個人計算機(jī)儀器算

22、機(jī)儀器(PCI)(PCI)或稱或稱微機(jī)卡式儀器。其形微機(jī)卡式儀器。其形態(tài)可以是計算機(jī)。態(tài)可以是計算機(jī)。2.2.智能儀器的基本結(jié)構(gòu)智能儀器的基本結(jié)構(gòu)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器基本結(jié)構(gòu)微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器基本結(jié)構(gòu)MCURAM、EPROMI/O接口接口D/AA/D外部通信及外部通信及外圍設(shè)備外圍設(shè)備鍵盤、開關(guān)、鍵盤、開關(guān)、顯示器等顯示器等傳感器傳感器非非電電量量輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道信號信號調(diào)理調(diào)理電路電路電量電量智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)微微機(jī)機(jī)內(nèi)內(nèi)嵌嵌式式智智能能儀儀器器硬件硬件軟件軟件 人機(jī)接口電路人機(jī)接口電路微處理器微處理器存

23、儲器存儲器輸入通道輸入通道通信接口電路等部分通信接口電路等部分核心作用核心作用程序存儲器程序存儲器 數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器 存儲程序存儲程序 和數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù) 傳感器傳感器信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 完成信號的濾完成信號的濾波、放大、模波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等數(shù)轉(zhuǎn)換等 輸出通道輸出通道D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路放大驅(qū)動電路放大驅(qū)動電路執(zhí)行部件執(zhí)行部件 將處理器處理后將處理器處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號為模擬信號鍵盤鍵盤 顯示器顯示器 實(shí)現(xiàn)儀器與計算機(jī)或?qū)崿F(xiàn)儀器與計算機(jī)或其它儀器的聯(lián)系其它儀器的聯(lián)系 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 微處理器內(nèi)嵌式智能儀器以單

24、片微處理器內(nèi)嵌式智能儀器以單片機(jī)或機(jī)或DSPDSP等微處理器為核心，負(fù)責(zé)測等微處理器為核心，負(fù)責(zé)測量過程的過程控制和數(shù)據(jù)處理，并具量過程的過程控制和數(shù)據(jù)處理，并具有多種接口，便于與計算機(jī)和其他設(shè)有多種接口，便于與計算機(jī)和其他設(shè)備連接。備連接。 微處理器內(nèi)嵌式智能儀器的主要微處理器內(nèi)嵌式智能儀器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，可做成便攜式或手持優(yōu)點(diǎn)是體積小，可做成便攜式或手持式，使用方便。而且具有很好的電磁式，使用方便。而且具有很好的電磁兼容性，可工作于惡劣的環(huán)境中。兼容性，可工作于惡劣的環(huán)境中。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)微機(jī)擴(kuò)展式智能儀器基

25、本結(jié)構(gòu)微機(jī)擴(kuò)展式智能儀器基本結(jié)構(gòu)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 微機(jī)擴(kuò)展式智能儀器又稱為個人計微機(jī)擴(kuò)展式智能儀器又稱為個人計算機(jī)儀器（算機(jī)儀器（PCIPCI）或微機(jī)卡式儀器。）或微機(jī)卡式儀器。 其優(yōu)點(diǎn)是使用靈活，可以利用其優(yōu)點(diǎn)是使用靈活，可以利用PCPC已有的硬件和軟件資源，以便縮短研已有的硬件和軟件資源，以便縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本；并且可以利發(fā)周期，降低研發(fā)成本；并且可以利用用PCPC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和內(nèi)存容量，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和內(nèi)存容量，用于更復(fù)雜、更高層次的信息處理，用于更復(fù)雜、更高層次的信息處理，從而使儀器的功能更強(qiáng)大。從而使儀器的功能更強(qiáng)大。智智 能能 儀儀

26、器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)普通臺式普通臺式PCI（插卡式）（插卡式）工控機(jī)工控機(jī)PCI筆記本筆記本PCI（插件箱式）（插件箱式）微機(jī)微機(jī)擴(kuò)展式擴(kuò)展式智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)3.3.智能儀器的特點(diǎn)智能儀器的特點(diǎn) 智能儀器匯集各種高新技術(shù)智能儀器匯集各種高新技術(shù) 智能儀器是電子技術(shù)、計算技術(shù)、傳感技智能儀器是電子技術(shù)、計算技術(shù)、傳感技術(shù)、信號處理、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的新技術(shù)相融術(shù)、信號處理、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的新技術(shù)相融合的產(chǎn)物。新原理、新設(shè)計概念、新器件、合的產(chǎn)物。新原理、新設(shè)計概念、新器件、新材料和新工藝技術(shù)都在智能儀器中得到新材料和新工藝

27、技術(shù)都在智能儀器中得到應(yīng)用。應(yīng)用。 測量過程的軟件控制測量過程的軟件控制 智能儀器用軟件控制測量過程，可以方便智能儀器用軟件控制測量過程，可以方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、自檢、自診斷、及輸出地實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、自檢、自診斷、及輸出打印和制圖等功能。打印和制圖等功能?！耙攒洿惨攒洿病?” 靈活靈活性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力 數(shù)字濾波、隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校數(shù)字濾波、隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準(zhǔn)等處理準(zhǔn)等處理改善測量的精確度改善測量的精確度 相關(guān)、卷積、反卷積、幅度譜、相位譜、功相關(guān)、卷積、反卷積、幅度譜、相位譜

28、、功率譜等信號分析率譜等信號分析提供更多高質(zhì)量的信息提供更多高質(zhì)量的信息 多功能化多功能化 一機(jī)多用一機(jī)多用 例如：智能化電度表例如：智能化電度表 可測量電流、電壓、相位，可測量電流、電壓、相位，計算功率、電能等，還可以計算功率、電能等，還可以 分時計費(fèi)、預(yù)置電量、報警等。分時計費(fèi)、預(yù)置電量、報警等。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 操作自動化操作自動化 智能儀器通常都能自動選擇量程、自檢和自智能儀器通常都能自動選擇量程、自檢和自校準(zhǔn)，有的還具有很強(qiáng)的自測試和自診斷功校準(zhǔn)，有的還具有很強(qiáng)的自測試和自診斷功能。能。 對外開放性以及友好的人機(jī)對話能力對外開放性以及友好的人機(jī)對話能力

29、智能儀器具有各種接口，可方便地進(jìn)行擴(kuò)智能儀器具有各種接口，可方便地進(jìn)行擴(kuò)展和對外通信，并且隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，展和對外通信，并且隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器也逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測量。智能儀器也逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測量。 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智能儀器的發(fā)展智能儀器的發(fā)展 三、三、1.1.智能儀器的發(fā)展趨勢智能儀器的發(fā)展趨勢 智能儀器的總體發(fā)展趨勢是朝著智能儀器的總體發(fā)展趨勢是朝著微型化、集成化、數(shù)字化、智能化、微型化、集成化、數(shù)字化、智能化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化的方向發(fā)多功能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展；并且儀器的性能、精度、靈敏度、展；并且儀器的性能、精度、靈敏度、可靠性等

30、技術(shù)指標(biāo)也將不斷提高?？煽啃缘燃夹g(shù)指標(biāo)也將不斷提高。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)2.2.促進(jìn)智能儀器發(fā)展的新技術(shù)促進(jìn)智能儀器發(fā)展的新技術(shù) 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) A/DA/D等新器件的發(fā)展將顯著增強(qiáng)儀器等新器件的發(fā)展將顯著增強(qiáng)儀器的性能與測量范圍的性能與測量范圍 單片機(jī)與單片機(jī)與DSPDSP的廣泛應(yīng)用的廣泛應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC)(SOC) ASICASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技術(shù)技術(shù) LabVlEWLabVlEW等圖形化軟件技術(shù)等圖形化軟件技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 傳感器技

31、術(shù)傳感器技術(shù)為適應(yīng)智能儀器發(fā)展的需要，各種新為適應(yīng)智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感器不斷涌現(xiàn)。型傳感器不斷涌現(xiàn)。u 聾啞傳感器聾啞傳感器 (Dumb Sensor) (Dumb Sensor) u 智能傳感器智能傳感器 (Smart Sensor)(Smart Sensor)u 網(wǎng)絡(luò)化傳感器網(wǎng)絡(luò)化傳感器 (Networked Sensor)(Networked Sensor) 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時代的產(chǎn)物，它的設(shè)計指導(dǎo)思想是把外代的產(chǎn)物，它的設(shè)計指導(dǎo)思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號。部信息變換成模擬電壓

32、或電流信號。這類傳感器的輸出幅值小，靈敏度低，這類傳感器的輸出幅值小，靈敏度低，而且功能單一，因而被稱為而且功能單一，因而被稱為“聾啞傳聾啞傳感器感器”。聾啞傳感器聾啞傳感器智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)微處理器和傳感器得以結(jié)合，產(chǎn)生了具有微處理器和傳感器得以結(jié)合，產(chǎn)生了具有一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補(bǔ)償?shù)男乱淮鷤鞲衅餮a(bǔ)償?shù)男乱淮鷤鞲衅髦悄軅鞲衅?。智能傳感器。智智能傳感器的出現(xiàn)是傳感技術(shù)的一次革命，能傳感器的出現(xiàn)是傳感技術(shù)的一次革命，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 智能傳感器智能傳感器智智 能能 儀

33、儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)微電子機(jī)械加工技術(shù)微電子機(jī)械加工技術(shù), ,將網(wǎng)絡(luò)接口芯片與將網(wǎng)絡(luò)接口芯片與智能傳感器集成起來并使通信協(xié)議固化到智能傳感器集成起來并使通信協(xié)議固化到智能傳感器的智能傳感器的ROMROM中時，就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)中時，就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)傳感器。傳感器。網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)化傳智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)化傳感器的飛速發(fā)展可大大感器的飛速發(fā)展可大大提高信號檢測能力，進(jìn)提高信號檢測能力，進(jìn)而推動智能儀器總體性而推動智能儀器總體性能的提高。能的提高。 智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)A AD D芯片是智能儀器核心部件之一，其芯片是智能儀器核心部件之一，其速度的提高是實(shí)

34、現(xiàn)高速信號采集的關(guān)鍵。速度的提高是實(shí)現(xiàn)高速信號采集的關(guān)鍵。目前，目前，ADCADC器件向著高速，低功耗、高器件向著高速，低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。分辨率、高性能的方向發(fā)展。A AD D等電路與微處理器集成在一塊等電路與微處理器集成在一塊( (稱為稱為混合電路混合電路) )，并且傳感器與控制電路也集，并且傳感器與控制電路也集成在一塊芯片上，這將縮小體積，增強(qiáng)成在一塊芯片上，這將縮小體積，增強(qiáng)可靠性?？煽啃?。 A/D A/D等新器件增強(qiáng)儀器的功能與測量范圍等新器件增強(qiáng)儀器的功能與測量范圍智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 單片機(jī)、單片機(jī)、DSPDSP處理器的廣泛應(yīng)用處理器的廣

35、泛應(yīng)用單片機(jī)：單片機(jī)：1) 1)指令執(zhí)行速度提升指令執(zhí)行速度提升 機(jī)器周期：機(jī)器周期：12T 6T 12T 6T 時鐘頻率：時鐘頻率：3340MHz 20MIPS3340MHz 20MIPS2)2)實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了ISP(ISP(在系統(tǒng)編程在系統(tǒng)編程) )和和 IAPIAP（在應(yīng)用編程）（在應(yīng)用編程）3 3）低電壓、低功耗、低價位、）低電壓、低功耗、低價位、LPCLPC（線性預(yù)測編碼）（線性預(yù)測編碼）TMS320TMS320系列系列DSP (DSP (數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器) ) 通過硬通過硬件完成乘法和加法運(yùn)算，極大地增強(qiáng)了智能件完成乘法和加法運(yùn)算，極大地增強(qiáng)了智能儀器的數(shù)字濾波、儀器的數(shù)

36、字濾波、FFTFFT、相關(guān)、卷積等信號、相關(guān)、卷積等信號處理能力。新型處理能力。新型DSPDSP芯片甚至集成了芯片甚至集成了DSPDSP與與ARMARM雙核。雙核。智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)u嵌入式系統(tǒng)的深入發(fā)展將使智能儀器的設(shè)嵌入式系統(tǒng)的深入發(fā)展將使智能儀器的設(shè)計提升到一個新的階段，由于它具備多任務(wù)、計提升到一個新的階段，由于它具備多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口、文件和目標(biāo)管理等功網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口、文件和目標(biāo)管理等功能，將會使研制復(fù)雜智能儀器變得容易。能，將會使研制復(fù)雜智能儀器變得容易。u片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)(SOC) (SOC) 的核心思想就是要把整個的核心思想就是要把整個應(yīng)

37、用電子系統(tǒng)應(yīng)用電子系統(tǒng)( (除無法集成的電路除無法集成的電路) )全部集成全部集成在一個芯片中，避免大量在一個芯片中，避免大量PCBPCB板的設(shè)計及板板的設(shè)計及板級調(diào)試工作。級調(diào)試工作。 SOCSOC的發(fā)展更是為智能儀器的開發(fā)及性能的的發(fā)展更是為智能儀器的開發(fā)及性能的提高開辟了更加廣闊的前景。提高開辟了更加廣闊的前景。 嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC)(SOC)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) ASIC ASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技術(shù)技術(shù)ASIC(Application Specific Integr

38、ated CircuitsASIC(Application Specific Integrated Circuits）專用集成電路專用集成電路) ) 在價格、集成度以及產(chǎn)量、在價格、集成度以及產(chǎn)量、產(chǎn)值方面均取得了飛速發(fā)展。對儀器設(shè)計者產(chǎn)值方面均取得了飛速發(fā)展。對儀器設(shè)計者來說，很有意義的一項工作是來說，很有意義的一項工作是把一些性能要把一些性能要求很高的線路單元設(shè)計成求很高的線路單元設(shè)計成 專用集成電路而使智能儀專用集成電路而使智能儀器的結(jié)構(gòu)更緊湊，性能更器的結(jié)構(gòu)更緊湊，性能更優(yōu)良，保密性更強(qiáng)。優(yōu)良，保密性更強(qiáng)。（音視頻解碼芯片）（音視頻解碼芯片）智智 能能 儀儀 器器 設(shè)設(shè) 計計 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)應(yīng)用應(yīng)用FPGAFPGACPLDCPLD的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)p 通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的功能通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的功能設(shè)定，研制開發(fā)費(fèi)用相對較低。設(shè)定，研制開發(fā)費(fèi)用相對較低。p FPGA/CPLDFPGA/CPLD芯片和芯片和EPROM(FlashEPROM(Flash存