南京信息工程大學 智能儀器課件第1章

智能儀器設計基礎理論教學：38學時實驗：10學時，4個實驗課程設計：呂富勇：3號樓N403,137051584471本課程主要內容：第一章緒論第二章智能儀器的輸入/輸出通道及接口技術第三章常見模擬量信號的檢測方法第四章智能儀器人機交互接口第五章智能儀器的典型數據處理功能第六章智能儀器自動測量和自檢技術第七章智能儀器可靠性與抗干擾技術第八章總線和數據通信技術第九章智能儀器設計實例第十章智能儀器的新發(fā)展2第一章緒論儀器發(fā)展概況1.1智能儀器發(fā)展趨勢1.2分類、組成和特點1.3設計要求、原則及步驟1.4首頁本章內容31.智能儀器的發(fā)展過程3.智能儀器的設計調試步驟

重點：2.內嵌式智能儀器的基本組成和各部分功能返回41.1智能儀器發(fā)展概況1.智能儀器發(fā)展a數據處理（過去）；模糊判斷、故障判斷、容錯技術、傳感器融合、機件壽命預測。含有微計算機或微處理器的測量儀器，擁有對數據的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定的智能作用。下頁上頁功能返回b知識處理（目前）；5體積龐大，功能單一，價格昂貴，開放性差，響應速度慢，精度低。2.各個時期的發(fā)展典型儀器萬用表、電子示波器、信號發(fā)生器等磁電式和電子式模擬儀器儀表特點下頁上頁返回50年代儀器的功能用硬件實現，幾乎沒有軟件的介入，完全由生產廠商在產品出廠前定義好，測量結果用指針顯示。模擬式（指針式）儀器。(第一代）6

典型儀器數字電壓表、數字功率計，數字頻率計基本工作原理下頁上頁返回60年代數字式儀器（第二代）在測量過程中將模擬信號轉換為數字信號，測量結果以數字形式顯示和輸出特點讀數清晰，響應速度快，精度高隨著集成電路的出現，以集成電路芯片為基礎。7特點測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好。智能儀器一般均配有GP-IB（或RS-232C、RS-485）等通信接口，可跟另外的智能儀器組成智能儀器系統功能下頁上頁返回70年代微處理器的出現和廣泛應用,產生以微處理器為核心,將計算機技術與測量儀器相結合的儀器.可根據被測參數的變化自動選擇合適的量程，進行自動校準、自動補償、自動判斷故障、優(yōu)化控制等，具有一定的人類智能作用。獨立式智能儀器（第三代）8下頁上頁返回三代儀器儀表●第一代為指針式（或模擬式）儀器儀表●第二代為數字式儀器儀表●第三代就是智能式儀器儀表9下頁上頁返回壓力變送器

10典型智能儀器—數字多用表11典型智能儀器—函數信號發(fā)生器12典型智能儀器—頻譜分析儀13超聲波探傷儀

超聲波測厚儀

電能質量分析儀

典型智能儀器14

基本工作原理下頁上頁返回80年代初將儀器中的測量部分配以相應的接口電路組成各種儀器卡，插入到PC機的插槽或擴展槽內，以個人計算機為基礎組成的智能儀器。將傳統的獨立儀器與計算機的軟件硬件資源相結合，利用PC機的硬件和軟件資源完成數據分析和顯示，儀器卡完成數據采集，具有較高的性價比。特點可充分發(fā)揮計算機的效能，靈活方便、標準化程度高、擴展性好。個人儀器（PC儀器）15下頁上頁返回80年代后期虛擬儀器（VirtualInstrument）

虛擬儀器

以通用計算機為基礎，加上特定的硬件接口設備和為實現特定功能而編制的軟件而形成的一種新型儀器。

美國國家儀器（NI）公司提出第四代16下頁上頁返回

虛擬儀器結構圖

17下頁上頁返回虛擬儀器三大組成模塊計算機儀器模塊軟件虛擬儀器個人計算機（各種通用計算機）各種傳感器信號調理器模數轉換器數據采集器數據分析

過程通訊圖形用戶界面等軟件18下頁上頁返回計算機和儀器模塊組成了虛擬儀器硬件測試平臺，完成被測輸入信號的采集、放大、模數轉換以及輸出信號的數模轉換等。當硬件確定后，用戶可以通過不同測試功能的軟件模塊（如數據分析、過程通訊以及圖形用戶界面等軟件）的組合實現不同的功能。同一個硬件系統，軟件不同，就可得到功能完全不同的測量儀器

軟件系統是虛擬儀器的核心

軟件即儀器即：19目前較流行的虛擬儀器軟件環(huán)境

文本式的編程語言圖形化編程語言如：C、LabWindows／CVI，VisualBasic，VisualC++

如：LabView、HPVEE

虛擬儀器的優(yōu)點：測量精度高、速度快、可重復性好、開關、電纜少、系統組建時間短、測量功能易于擴展等優(yōu)點，有最終取代大量的傳統儀器成為儀器領域主流產品的趨勢。20下頁上頁返回在測量測試領域，將儀器、昂貴的外圍設備、測試對象以及數據庫等資源納入網絡，對測量實現遠程化、網絡化、以及測量結果信息資源共享化，使一臺儀器為更多的用戶所使用，降低了測試系統的成本，實現資源共享，共同完成測試任務。這種借助于網絡通信技術與虛擬儀器技術共享軟硬件的結合體稱為

可以使測試人員不受時間和空間的限制，隨時隨地獲取所需信息，同時還可以實現測試設備的遠距離測試與診斷，提高測試效率，減少測試人員的工作量，方便修改、擴展。最新發(fā)展--網絡化儀器優(yōu)點網絡化儀器擴充短信平臺21下頁上頁返回可實現任意時間、任何地點對系統的遠程訪問，實時獲得儀器的工作狀態(tài)；通過友好的用戶界面，對遠程儀器的功能和狀態(tài)進行控制和檢測，將遠程儀器測得的數據經網絡迅速傳遞給本地計算機。網絡化儀器實現過程發(fā)展方向網絡化儀器是一種涉及多門學科、涵蓋范圍更寬、應用領域更廣的儀器范疇，可以做到從任何地點、任意時間獲取所需要的任何地方的測量信息。儀器正朝著數字化、網絡化和多媒體化方向發(fā)展。22下頁上頁返回綜述：智能儀器是計算機科學、電子學、數字信號處理、人工智能、VLSI等新興技術與傳統儀器儀表技術的結合。隨著專用集成電路、個人儀器、網絡技術等相關技術的發(fā)展，智能儀器將會得到更加廣泛的應用。作為智能儀器核心部件的單片計算機技術是推動智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發(fā)展的動力?？梢灶A料，各種功能的智能儀器將會廣泛地使用在各個領域。23下頁上頁返回1.2智能儀器發(fā)展趨勢

隨著微電子、微機械、信息等技術的不斷發(fā)展，使具有傳統智能儀器功能、體積小的微型智能儀器技術不斷成熟，在自動化技術、航天、軍事、生物技術、醫(yī)療等領域具有獨特的作用。隨其價格的不斷降低，應用領域將不斷擴大。1、微型化多功能是智能儀器儀表的一個特點。例如，為了設計速度較快和結構較復雜的數字系統，儀器生產廠家制造了具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數發(fā)生器。這種多功能的綜合型產品不但在性能上比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。

2、多功能化24下頁上頁返回

人工智能是利用計算機模擬人的智能，使智能儀器在視覺(圖形及色彩)、聽覺(語音識別及語言領悟)、思維(推理、判斷、學習與聯想)等方面代替一部分人的腦力勞動，具有一定的人工智能作用，無需人的干預可自主地完成檢測或控制任務，解決用傳統方法很難解決或根本無法解決的問題。3、人工智能化計算機網絡技術的日益成熟提供了將測控、計算機和通信技術相結合的現實可能。利用網絡技術將各個分散的測量儀器設備連在一起，各儀器設備之間通過網絡交換數據、信息，實現各種數據、信息跨地域、跨時間的傳輸與交換，使測量不再是單個儀器設備相互獨立操作的簡單組合，而是一個統一的高效的整體，實現各儀器資源的共享和測量功能的優(yōu)化，是國防、通信、鐵路、航空、航天、氣象以及制造等行業(yè)或領域的發(fā)展趨勢。4、網絡化25下頁上頁返回1.3智能儀器的分類、組成和特點

1.3.1智能儀器的分類智能儀器系統微機內嵌（內藏）式微機擴展式26下頁上頁返回微機內嵌式:將微機作為核心部件嵌入到智能儀器中，儀器包含一個或多個微機，屬于嵌入式系統（EmbeddedSystem）。利用微機強大的功能完成信號調理、A/D轉換、數字處理、數據存儲、顯示、打印、通信等各項任務。高級汽車的燃料噴射系統、空調系統、音響部分、ABS系統、衛(wèi)星定位系統、安全氣囊系統等多處都含有微機舉例：27下頁上頁返回微機擴展式：將檢測功能擴展到微機中，由特定的硬件模塊完成被測輸入信號的采集，放大，以及輸出信號的數模轉換等功能，利用微機的硬件和軟件資源完成數據分析和顯示，給使用者的感覺首先是一個微機系統。前面介紹的個人儀器、VXI總線儀器、虛擬儀器等屬于微機擴展式儀器。舉例微機內嵌式智能儀器是智能儀器設計的基礎，本書著重介紹。注意：28下頁上頁返回1.3.2智能儀器的組成智能儀器硬件軟件人機接口電路微處理器存儲器輸入通道通信接口電路等部分核心作用程序存儲器數據存儲器存儲程序和數據傳感器信號調理電路A/D轉換電路完成信號的濾波、放大、模數轉換等輸出通道D/A轉換電路放大驅動電路執(zhí)行部件將處理器處理后的數字信號轉換為模擬信號鍵盤顯示器實現儀器與計算機或其它儀器的聯系29下頁上頁返回微機內嵌式基本結構:30下頁上頁返回1.3.2智能儀器的特點

1)操作自動化

儀器的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關閉合、數據采集、傳輸與處理以及顯示打印等功能用微控制器控制，實現了測量過程的自動化。

2)自測功能

自動調零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉換、觸發(fā)電平自動調整、自補償、自適應等，能適應外界的變化。比如：能自動補償環(huán)境溫度、壓力等對被測量的影響，能補償輸入的非線性，并根據外部負載的變化自動輸出與其匹配的信號等。自校準自學習通過自校準(校準零點、增益等)來保證自身的準確度。自診斷能檢測出故障的部位甚至故障的原因。自測試功能可以在儀器啟動時運行，也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護。31下頁上頁返回3)數據分析和處理功能采用了單片機或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯電路難以解決或根本無法解決的問題，可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統的數字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數字萬用表不僅能進行上述測量，而且還具有對測量結果進行諸如零點平移、取平均值、求極值、統計分析等復雜的數據處理功能，使用戶從繁重的數據處理中解放出來，而且有效提高了儀器的測量精度。4)友好的人機對話功能

使用鍵盤代替?zhèn)鹘y儀器中的切換開關，操作人員通過鍵盤輸入命令，用對話方式選擇測量功能和設置參數。同時，智能儀器能輸出多種形式的數據，如通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及處理結果以數字或圖形形式輸出。32下頁上頁返回5)可程控操作能力一般都配有GPIB、RS232C、RS485、USB等標準通信接口，可以接收計算機的命令，使其具有可程控操作的功能，方便與PC機和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統，完成更復雜的測試任務。

注意：智能儀器還能通過自學習學會處理更多更復雜的程序。但不是所有的智能儀器都必須具備上述所有功能，在設計具體的智能儀器時應根據實際需要確定其功能。33下頁上頁返回1.4智能儀器設計要求、原則及步驟1.4.1智能儀器設計的基本要求

1)功能及技術指標要求智能儀器應具備的功能如輸出形式、人機對話、通信、報警提示、儀器狀態(tài)的自動調整等。儀器的主要技術指標如精度、測量范圍、工作環(huán)境條件、穩(wěn)定性等。34下頁上頁返回

儀器的故障將造成整個生產過程混亂，甚至引起嚴重后果，所以儀器能否正常可靠地工作，將直接影響測量結果，也將影響工作效率和儀器的信譽，為保證儀器能長時間穩(wěn)定的工作，應采取各種措施提高儀器的可靠性。2)可靠性要求注意：

在硬件方面，應合理選擇元器件，即在設計時對元器件的負載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術參數留有一定的余量，并對元器件進行老化和篩選。另外，采用在極限情況下進行試驗，即在研制過程中，讓樣機承受低溫、高溫、沖擊、振動、干擾、煙霧等試驗，以保證其對環(huán)境的適應性。在軟件方面，采用模塊化設計方法，并對軟件進行全面測試?？蓽p小軟件故障率，提高軟件可靠性。35下頁上頁返回在儀器設計過程中，應考慮操作方便，控制開關或按鈕不要太多、太復雜，盡量降低對操作人員專業(yè)知識的要求，從而使操作者無需專門訓練，便能掌握儀器的使用方法，便于產品的推廣應用。另外，儀器結構要盡量規(guī)范化、模塊化，并配有現場故障診斷程序，一旦發(fā)生故障，能保證有效地對故障進行定位，以便更換相應的模塊，使儀器具有良好的可維護性。3)便于操作和維護結構工藝是影響儀器可靠性的重要因素之一，依據儀器工作環(huán)境條件，確定是否需要防水、防塵、防爆密封，是否需要抗沖擊、抗振動、抗腐蝕等設計工藝結構；認真考慮儀器的總體結構、部件間的連接關系、面板的美化等，使產品造型優(yōu)美、色澤柔和、外廓整齊、美觀大方。4)儀器工藝結構與造型設計要求

36下頁上頁返回1.4.2智能儀器的設計原則

設計人員根據儀器功能和設計要求提出儀器設計的總任務，繪制硬件和軟件總框圖(總體設計)。然后將任務分解成一批可獨立表征的子任務，直到每個子任務足夠簡單，可以直接而且容易地實現為止。子任務可采用某些通用模塊，并可作為單獨的實體進行設計和調試。1．從整體到局部(自頂向下)的原則:模塊化設計方式，簡化設計，縮短設計周期，結構靈活，維修方便快捷、便于擴充和更新，增強系統的適應性，以最低的難度和最高的可靠性組成系統。特點37下頁上頁返回不應盲目追求復雜、高級的方案。在滿足性能指標的前提下，盡可能采用簡單成熟的方案。就第一臺樣機而言，樣機的硬件成本不是考慮的主要因素，系統設計、調試和軟件開發(fā)等研制費用是主要的。當樣機投入生產時，儀器硬件成本成為產品成本的重要因素。生產數量越大，每臺產品的平均研制費用越低。儀器投入使用時，應考慮維護費、備件費、運轉費、管理費、培訓費等。在綜合考慮各種因素后正確選用合理的設計方案。2．較高的性能價格比原則科學技術飛速發(fā)展，產品更新換代快、市場競爭激烈，設計時采用開放式設計原則，留下容納未來新技術的余地，同時向系統的不同配套檔次開放、向用戶不斷變化的特殊要求開放、兼顧通用和專用設計，以便滿足用戶不同層次、不斷變化的要求。3．開放式設計原則38下頁上頁返回1.4.3智能儀器的設計步驟確定設計任務并擬定設計方案硬件和軟件研制

軟硬件綜合調試整機性能測試和評估

三個階段

39下頁上頁返回項目調研了解現狀和動向，明確任務、確定指標功能

寫出設計任務書

擬定設計方案

1、確定設計任務、擬定設計方案40下頁上頁返回《儀器設計任務書》主要作用：a.研制單位設計儀器的立項基礎；b.反映儀器的結構、規(guī)定儀器的功能指標，是研制人員的設計目標；c.作為研制完畢進行項目驗收的依據。主要內容：a.儀器名稱、用途、特點及簡要設計思想;b.主要技術指標;c.儀器應具備的功能；d．儀器的設備規(guī)模；e．系統的操作規(guī)范。41下頁上頁返回根據設計任務說明書制定設計方案。最好提出幾種可能的方案，每種方案包括儀器的工作原理、采用的技術路線等，然后對各方案進行可行性論證，包括理論分析、計算及必要的模擬實驗，驗證方案是否可達到設計要求，最后從總體的先進性、可靠性、成本、制作周期、可維護性等各方面比較、擇優(yōu)，綜合制定設計方案。2．擬定總體設計方案舉例：溫度采集系統42下頁上頁返回3．方案實施根據儀器總體方案，確定儀器的核心部件

設計和調試儀器根據總體設計方案，確定系統的核心部件，軟硬件的分配，采用自上而下的設計方法，把儀器劃分成便于實現的功能模塊，繪制各模塊軟硬件的工作流程圖，并分別進行調試，各模塊調試通過之后，再進行統調，完成智能儀器的設計。具體包含：43下頁上頁返回（1）根據儀器總體方案，確定儀器的核心部件

具有智能控制作用的部件對儀器整體性能、價格、研制周期等起決定性作用，直接影響硬件、軟件的設計，是整個儀器的核心。智能儀器中的智能控制部件通?？蛇x單片機（μP）、信號處理器（DSP）、可編程控制器（PLC）或微計算機（MPC）等。大型的智能儀器系統可能包括多種多個智能控制部件，小型的智能儀器一般只用其中之一，應根據具體情況選擇。44下頁上頁返回1).單片機

單片機是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、時鐘、定時/計數器、串行、并行I/O口等的微型計算機，有些型號的單片機包括A/D、D/A、模擬比較器、脈寬調制器、USB口等，功能強、體積小、價格低、支持軟件多、便于開發(fā)，智能儀器多選單片機作為智能控制部件。在選擇具體型號時，應考慮字長、指令功能、尋址范圍、尋址方式、內部存儲器容量、位處理、中斷處理能力、配套硬件、芯片價格及開發(fā)平臺等。本書的智能控制部件以單片機為主。45

目前常用的單片機有Intel公司的MCS-51/52系列，美國Silabs公司的F系列單片機如8051F02X，在需要A/D、D/A、比較器、多中斷時比較合適。Philips公司的LPC92X是一款較低價位的單片機，適合于許多集成度高、成本低的場合，如PC920/921/922采用了高性能的處理器結構，集成了許多系統級功能，指令執(zhí)行時間只需2到4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件。這樣可大大減少元件的數目和電路板面積，降低系統的成本，滿足多方面的性能要求。8位，16位，32位46

目前常用的單片機(8位、16位)：ATMEL公司：AT89C/S系，AT90S系列、ATMEGA系列(AVR單片機)，ATiny系列。最早生產FLASH單片機。TI：混合信號處理器MSP430系列，低功耗。MSP430x1xx8MHz系列,MSP430F2xx16MHz系列,MSP430C3xx傳統8MHz系列MSP430x4xx8/16MHzLCD系列,MSP430F5xx25MHz系列AD公司單片機：帶有溫度傳感器、高分辯率AD轉換器。MicroChip：PIC16、PIC17、DSPIC等系列。低成本STC：STC89C系列，STC12C系列。(中國,宏晶科技，深圳，http:///index.htm)飛利浦：P87LPC、P89LPC、8X552系列Motorola單片機:典型的代表有:8位機M6805,M68HC05系列,8位增強型M68HC11,M68HC12,16位機M68HC16,32位機M683XX.SunPlus（凌陽）：SPCA61A系列Winbond：W77系列、W78系列。日立半導體：H8瑞薩系列。三菱：M16C系列47

目前常用的單片機(32位)：32位單片機，一般稱為ARM，ARM7、ARM9系列速度高，外設豐富。主要有ATMEL公司的AT91系列ARM單片機。

AT91SAM9261三星公司的S3C44BO,S3C2410,S3c2440,S3C6410等NXP（恩智浦）(2006年從飛利浦公司獨立出來)：LPC2000，LPC3000系列ARM

48下頁上頁返回2).DSP

DSP比單片機集成度高、速度快、容量大，主要用于信號處理及其它高速要求的場合，DSP器件采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時存取程序和數據。內置高速硬件乘法器、增強的多級流水線、使DSP器件具有高速的數據運算能力。DSP器件指令執(zhí)行時間比16位單片機快8～10倍，完成一次乘運算的時間比單片機快16～30倍，DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了快速傅里葉變換（FFT）和濾波器的運算速度。但DSP目前價格較高。在滿足速度要求的情況下可首選單片機。二家：TI、AD公司

49下頁上頁返回3).PLC

PLC是為工業(yè)測控系統專門設計的高可靠產品，適合中規(guī)模的現場檢測及控制，用PLC設計的系統便于更改和維護。一般指一個完整的計算機系統，包括基本輸入輸出設備及常用外圍設備，具有完善的操作系統。其選型應根據系統可靠性要求確定。4).微計算機50下頁上頁返回（2）設計和調試儀器硬件電路的設計和調試硬件電路的設計過程是根據硬件框圖按模塊分別對各單元電路進行設計，然后進行硬件合成，構成一個完整的硬件電路圖。完成設計之后，繪制印刷電路板，然后進行裝配與調試。51下頁上頁返回硬件設計采用功能強的芯片以簡化電路修改和擴展，硬件資源需留有足夠的余地自診斷功能，需附加設計有關的監(jiān)測報警電路硬件抗于擾措施線路板注意與