自動化與智能儀器

1、一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器 二二 、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點 4 4個層次、個層次、2 2種結(jié)構(gòu)、種結(jié)構(gòu)、3 3個特點個特點三、三、 推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù) 傳感器，傳感器， A/D, A/D, 單片機(jī)和單片機(jī)和PCPC，DSP, DSP, FPGA/CPLD, FPGA/CPLD, 軟件，網(wǎng)絡(luò)與通信軟件，網(wǎng)絡(luò)與通信智能儀器智能儀器1.儀器儀表定義、作用、行業(yè)分類儀器儀表是信息獲取的工具、是認(rèn)識世界的工具，是一個系統(tǒng)或裝置。最基本的作用：是延伸擴(kuò)展補(bǔ)充或代替人的聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。一、從傳統(tǒng)儀器

2、儀表到智能儀器一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器2 2、八類測試計量儀器八類測試計量儀器幾何量幾何量：長度、角度、形貌、相互位置、位移、距離長度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測量儀器等測量儀器等 機(jī)械量機(jī)械量：各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量儀、各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量儀、力矩測量儀、振動測量儀等力矩測量儀、振動測量儀等熱工量熱工量：溫度、濕度、流量測量儀器等溫度、濕度、流量測量儀器等光學(xué)參數(shù)光學(xué)參數(shù)：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀等。量儀、光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀等。電離輻射：電離輻射：各種放射性、核素計量，各種放射

3、性、核素計量，X X、射線及中子射線及中子計量儀器等。計量儀器等。 時間頻率：時間頻率：各種計時儀器與鐘表、時間頻率測量各種計時儀器與鐘表、時間頻率測量儀等儀等 電磁量：電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率表、靜交、直流電流表、電壓表、功率表、靜電儀、磁參數(shù)測量儀等電儀、磁參數(shù)測量儀等電子參數(shù)：電子參數(shù)：無線電參數(shù)測量儀器無線電參數(shù)測量儀器 如示波器、如示波器、信號發(fā)生器、相位測量儀、頻譜分析儀、動態(tài)信號發(fā)生器、相位測量儀、頻譜分析儀、動態(tài)信號分析儀等。信號分析儀等。三代儀器儀表：三代儀器儀表：第一代為第一代為指針式指針式（或模擬式）儀器儀表（或模擬式）儀器儀表第二代為第二代為數(shù)字式數(shù)字式儀器

4、儀表儀器儀表第三代就是第三代就是智能式智能式儀器儀表儀器儀表智能儀器是智能儀器是計算機(jī)技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含計算機(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)或微處理器的測量有微計算機(jī)或微處理器的測量( (或檢測或檢測) )儀器，儀器，它擁有對它擁有對數(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，具有一定智能的作用有一定智能的作用( (表現(xiàn)為智能的延伸或加強(qiáng)等表現(xiàn)為智能的延伸或加強(qiáng)等) ) 。3、智能儀器的概念與歷史近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數(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)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測等，使智能儀

5、器的功能向更高的層次發(fā)展。二二 、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點智能儀器四個層次智能儀器四個層次 高級智能智能人工智能人工智能趨勢模型化模型化系統(tǒng)辨識、模式識別系統(tǒng)辨識、模式識別初級智能初級智能計算機(jī)、信號處理計算機(jī)、信號處理聰敏電子、傳感、測量電子、傳感、測量兼容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儀器類 高級智能儀器類高級智能儀器類 1.分類分類2 2、智能儀器的基本結(jié)構(gòu)、智能儀器的基本結(jié)構(gòu) 其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型: :微機(jī)內(nèi)嵌式微機(jī)擴(kuò)展式將單片或多片的微機(jī)芯片與儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成的單機(jī)。

6、以個人計算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測量儀器。個人計算機(jī)儀器(PCI)PCI)或或稱微機(jī)卡式儀器。單片機(jī)或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印機(jī)打印機(jī)板（鍵盤、開關(guān)、鍵盤、開關(guān)、顯示器顯示器傳感器傳感器電量非非電電量量內(nèi)嵌微處理器智能儀器的基本結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌微處理器智能儀器的基本結(jié)構(gòu)輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道 個人儀器結(jié)構(gòu)圖 普通臺式普通臺式PCI工控機(jī)工控機(jī)PCI筆記本筆記本PCI個人儀器結(jié)構(gòu)圖個人儀器結(jié)構(gòu)圖個人計算機(jī)個人計算機(jī)總線擴(kuò)展槽總線擴(kuò)展槽軟件軟件儀器插件插件通用接口接口儀器儀器插件插件儀器插件儀器插件電電源源PC總線總線GPIB總線擴(kuò)展底板或

7、外部插件箱擴(kuò)展底板或外部插件箱12n測量過程的軟件控制：測量過程的軟件控制： CPU CPU 軟件控制測量過程軟件控制測量過程 “ “以軟代硬以軟代硬” ” 靈活性靈活性強(qiáng)強(qiáng)、可靠性可靠性強(qiáng)強(qiáng)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 ： 隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準(zhǔn)等處理隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準(zhǔn)等處理改善測量的精確度改善測量的精確度 數(shù)字濾波卷積、反卷積、幅度譜、數(shù)字濾波卷積、反卷積、幅度譜、 相位譜、相位譜、功率譜等信號分析功率譜等信號分析提供更多高質(zhì)量的信息量提供更多高質(zhì)量的信息量多功能化多功能化 ：一機(jī)多用一機(jī)多用 如智能化電力需求分析儀如智能化電力需求分析儀 三、推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)三、推動智能

8、儀器發(fā)展的主要技術(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)儀器的等新器件的發(fā)展將顯著增強(qiáng)儀器的 功能與測量范圍功能與測量范圍 單片機(jī)單片機(jī) DSPDSP的廣泛應(yīng)用的廣泛應(yīng)用 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) 1 1、傳感器技術(shù)、傳感器技術(shù)為適應(yīng)智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感為適應(yīng)智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感器不斷涌現(xiàn)。器不斷涌現(xiàn)。聾啞傳感器聾啞傳感器(Dumb Sensor) (Dumb Sensor) 智能傳感器智能傳感器(Smart Sensor)

9、(Smart Sensor)網(wǎng)絡(luò)化傳感器網(wǎng)絡(luò)化傳感器(Networked Sensor)(Networked Sensor) 傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時代傳統(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)思想是把外部信的產(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。息變換成模擬電壓或電流信號。這類傳這類傳感器的輸出幅值小，靈敏度低，而且功感器的輸出幅值小，靈敏度低，而且功能單一，因而被稱為能單一，因而被稱為“聾啞傳感器聾啞傳感器”。聾啞傳感器聾啞傳感器微電子技術(shù)、光電子技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展，加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷被開發(fā)出來。在高新技術(shù)的滲透下，尤其是計算機(jī)硬件和軟件

10、技術(shù)的滲入，使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、自補(bǔ)償?shù)男乱淮鷤鞲衅髦悄軅鞲衅?。智能傳感器的出現(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。 智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)逐步走向成熟并滲透到各行各業(yè)，各種高可靠、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)逐步走向成熟并滲透到各行各業(yè)，各種高可靠、低功耗、低成本、微體積的網(wǎng)絡(luò)接口芯片被開發(fā)出來，微電子低功耗、低成本、微體積的網(wǎng)絡(luò)接口芯片被開發(fā)出來，微電子機(jī)械加工技術(shù)機(jī)械加工技術(shù), ,將網(wǎng)絡(luò)接口芯片與智能傳感器集成起來并使通信將網(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的協(xié)議固化到智能傳感器的ROMROM中時，就產(chǎn)生子網(wǎng)

11、絡(luò)傳感器中時，就產(chǎn)生子網(wǎng)絡(luò)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)化傳感器的飛速發(fā)展可大大智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)化傳感器的飛速發(fā)展可大大提高信號檢測能力，進(jìn)而推動智能儀器總體性提高信號檢測能力，進(jìn)而推動智能儀器總體性能的提高。能的提高。 A AD D芯片是現(xiàn)代科學(xué)儀器不可缺少的核心部件之一，它的速度的提高是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。在向高速，向低功耗、高分辨率、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(稱為混合電路)傳感器與控制電路都集成在一塊芯片上，這將縮小體積，增強(qiáng)可靠性，從而實現(xiàn)智能儀器的多功能化2、A/DA/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

12、3.單片機(jī)、DSP處理器廣泛應(yīng)用單片機(jī):8031、8051、89C51、MSP430 TMS320 TMS320系列等高速單片數(shù)字信號處理器系列等高速單片數(shù)字信號處理器(DSPDigital Signal Processor)(DSPDigital Signal Processor)是通過硬是通過硬件來完成乘法和加法運(yùn)算的，極大地增強(qiáng)了智件來完成乘法和加法運(yùn)算的，極大地增強(qiáng)了智能儀器的數(shù)字濾波、能儀器的數(shù)字濾波、FFFFFF、相關(guān)、卷積等信號、相關(guān)、卷積等信號處理能力。處理能力。新型新型DSPDSP芯片接口功能大大加強(qiáng)，甚至集成了芯片接口功能大大加強(qiáng)，甚至集成了DSPDSP與與ARMARM雙核

13、。雙核。4 4、ASICASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技術(shù)技術(shù)ASIC(Application Specific Integrated ASIC(Application Specific Integrated CircuitsCircuits，專用集成電路專用集成電路) )無論在價格、集成無論在價格、集成度，還是在產(chǎn)量、產(chǎn)值方面均取得了飛速發(fā)度，還是在產(chǎn)量、產(chǎn)值方面均取得了飛速發(fā)展。因此，對儀器設(shè)計者來說，很有意義的展。因此，對儀器設(shè)計者來說，很有意義的一項工作是把一些性能要求很高的線路單元一項工作是把一些性能要求很高的線路單元設(shè)計成專用集成電路而使智能儀器的結(jié)構(gòu)更設(shè)計成專用集成電

14、路而使智能儀器的結(jié)構(gòu)更緊湊，性能更優(yōu)良，保密性更強(qiáng)。緊湊，性能更優(yōu)良，保密性更強(qiáng)。FPGA(Field Programmable Gates ArrayFPGA(Field Programmable Gates Array，現(xiàn)場可編現(xiàn)場可編程門陣列程門陣列) )CPLD(Complex Programmable Logic DeviceCPLD(Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可復(fù)雜可編程邏輯器件編程邏輯器件) )FPGAFPGACPLDCPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應(yīng)用場合，它可以替代幾十甚至上百塊

15、通用電路應(yīng)用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用ICIC芯芯片。片。這種芯片具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動的特點。這種芯片具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動的特點。電路保持不動的情況下，改變內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描電路保持不動的情況下，改變內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述，就能實現(xiàn)一種新的功能。述，就能實現(xiàn)一種新的功能。在計算機(jī)和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是在計算機(jī)和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是PCIPCI儀器發(fā)展的關(guān)鍵。儀器發(fā)展的關(guān)鍵。軟件就是儀器成為流行的說法軟件就是儀器成為流行的說法。美國國家儀器有限公司美國國家儀器有限公司NI （National InstrumentsNational Instr

16、uments）公司公司19861986年設(shè)計的年設(shè)計的LabVlEWlLabVlEWl0 0，20032003年發(fā)展到年發(fā)展到Labview7Labview70 0，推動虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。，推動虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。圖形化編程語言建立的虛擬儀器面板，圖形化編程語言建立的虛擬儀器面板，完成對儀器完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示功能。的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示功能。虛擬儀器系統(tǒng)由用戶定義虛擬儀器系統(tǒng)由用戶定義；儀器硬件模塊化儀器硬件模塊化；可重；可重用和重新配置；用和重新配置；系統(tǒng)功能、規(guī)?？赏ㄟ^修改軟件、系統(tǒng)功能、規(guī)?？赏ㄟ^修改軟件、更換儀器硬件而增減；技術(shù)更新速度快更換儀器硬件而增減；技術(shù)更新速度快(12(12年年) )，開發(fā)維護(hù)費用低。開發(fā)維護(hù)費用低。5 5、LabVlEWLabVlEW等圖形化軟件技術(shù)等圖形化軟件技術(shù)虛擬儀器虛擬儀器 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將對