1 緒論(1).ppt

1、智能儀表設(shè)計(jì),電氣工程學(xué)院 徐一鳴,一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器 儀器儀表、智能儀器、重要性認(rèn)識(shí) 二 、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 4個(gè)層次、2種結(jié)構(gòu)、3個(gè)特點(diǎn) 三、 推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù) 傳感器， A/D, 單片機(jī)和PC，DSP, FPGA/CPLD, 軟件，網(wǎng)絡(luò)與通信 四、智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程框架,第一章 緒 論,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(shí)世界的工具，是一個(gè)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。,測(cè)量?jī)x器，分析儀器，生物醫(yī)療儀器，地球探測(cè)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

2、等，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，深入到人民生活的各個(gè)角落。,一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器,2、八類測(cè)試計(jì)量?jī)x器 幾何量：長(zhǎng)度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測(cè)量?jī)x器等 機(jī)械量：各種測(cè)力儀、硬度儀、加速度與速度測(cè)量?jī)x、力矩測(cè)量?jī)x、振動(dòng)測(cè)量?jī)x等 熱工量：溫度、濕度、流量測(cè)量?jī)x器等 光學(xué)參數(shù)：如光度計(jì)、光譜儀、色度計(jì)、激光參數(shù)測(cè)量?jī)x、光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x等。 電離輻射：各種放射性、核素計(jì)量，X、射線及中子計(jì)量?jī)x器等。,同學(xué)在學(xué)習(xí)和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？,時(shí)間頻率：各種計(jì)時(shí)儀器與鐘表、銫原子鐘、時(shí)間頻率測(cè)量?jī)x等 電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率表、RLC測(cè)量?jī)x、靜電儀、磁參數(shù)測(cè)量?jī)x等 電

3、子參數(shù)：無線電參數(shù)測(cè)量?jī)x器 如示波器、信號(hào)發(fā)生器、相位測(cè)量?jī)x、頻譜分析儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀等。,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(shù)字式儀器儀表 第三代就是智能式儀器儀表,智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量?jī)x器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量(或檢測(cè))儀器，它擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能，具有一定智能的作用(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,1984年：我國(guó)儀器學(xué)會(huì)成立“自動(dòng)測(cè)試與智能儀器專業(yè)學(xué)組”； 1986年：IMEKO(國(guó)際測(cè)量聯(lián)合會(huì))以“智能儀器”為主題召開了專門的討論會(huì)； 1988年：IFAC (國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)

4、合會(huì)) 的理事會(huì)正式確定“智能元件及儀器”。,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(shí)處理發(fā)展。 模糊判斷、故障診斷、容錯(cuò)技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測(cè)等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。,智能儀器對(duì)儀器儀表的發(fā)展以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，是儀器設(shè)計(jì)的里程碑。,4、對(duì)儀器儀表重要性的認(rèn)識(shí),儀器儀表是： 國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”科學(xué)研究的“先行官”現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的“戰(zhàn)斗力”法庭審判的“物化法官”,門捷列夫：“科學(xué)是從測(cè)量開始的” 錢學(xué)森：“新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)是信息技術(shù)。信息技術(shù)由測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成。測(cè)量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)” 科學(xué)儀器是信息的源頭 科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)

5、,王大珩院士：“能不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個(gè)民族、一個(gè)國(guó)家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)視為國(guó)家戰(zhàn)略”,英國(guó)著名科學(xué)家H.Pavy曾經(jīng)明確指出：“Nothing begets good science like development of a good instrument” （發(fā)展一種好的儀器對(duì)于一門科學(xué)的貢獻(xiàn)超過了任何其他事情）,美國(guó)能源部杰出科學(xué)家R. F. Hirsch博士在最近一篇獲獎(jiǎng)演說中指出：“由新工具開創(chuàng)的科學(xué)新方向遠(yuǎn)比由新概念開創(chuàng)的科學(xué)新方向要多。由概念驅(qū)動(dòng)的革命影響是用新概念去闡明舊事物。而由工具驅(qū)動(dòng)的革命影響是去發(fā)現(xiàn)需要闡明的新事物”,二 、智能儀器的分

6、類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),智能儀器四個(gè)層次,1.分類,2、智能儀器的基本結(jié)構(gòu),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)。,以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測(cè)量?jī)x器。個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器(PCI)或稱微機(jī)卡式儀器。,單片機(jī)或DSP RAM、 EPROM I/O接口,D/A,A/D,外部通信 RS232 USB,打印機(jī),板 （鍵盤、開關(guān)、顯示器,傳感器,電量,非電量,內(nèi)嵌微處理器智能儀器的基本結(jié)構(gòu),輸入通道,輸出通道,個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)圖,普通臺(tái)式PCI,工控機(jī)PCI,筆記本PCI,測(cè)量過程的軟件控制： CPU 軟件控制測(cè)量過程 “以軟代硬” 靈活

7、性強(qiáng)、可靠性強(qiáng) 數(shù)據(jù)處理 ： 隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準(zhǔn)等處理改善測(cè)量的精確度 數(shù)字濾波、相關(guān)、卷積、反卷積、幅度譜、 相位譜、功率譜等信號(hào)分析 提供更多高質(zhì)量的信息量 多功能化 ：一機(jī)多用 如智能化電力需求分析儀,3、智能儀器的特點(diǎn),三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù),傳感器技術(shù) A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強(qiáng)儀器的 功能與測(cè)量范圍 單片機(jī) DSP的廣泛應(yīng)用 ASIC、FPGACPLD技術(shù) LabVlEW等圖形化軟件技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù),1、傳感器技術(shù) 為適應(yīng)智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感器不斷涌現(xiàn)。 聾啞傳感器(Dumb Sensor) 智能傳感器(Smart Sensor) 網(wǎng)絡(luò)化傳感

8、器(Networked Sensor),傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時(shí)代的產(chǎn)物。它的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號(hào)。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“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(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(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鳌Ｖ悄軅鞲衅鞯某霈F(xiàn)是傳感技術(shù)的一次革命，對(duì)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

9、、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),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ROM中時(shí)，就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)傳感器； 為解決現(xiàn)場(chǎng)總線的多樣性問題，IEEEl4512工作組建立了智能傳感器接口模塊(STIM)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)描述了傳感器網(wǎng)絡(luò)適配器或微處理器之間的硬件和軟件接口，是IEEEl451網(wǎng)絡(luò)傳感器標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，為使傳感器能與各種網(wǎng)絡(luò)連接提供了條件和方便。,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)展可大大提高信號(hào)檢測(cè)能力，進(jìn)而推動(dòng)智能儀器總體性能的提高。,AD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(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的

10、關(guān)鍵。在向高速，向低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。 AD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(shí)現(xiàn)智能儀器的多功能化,2、A/D等新器件增強(qiáng)儀器的功能與測(cè)量范圍,3.單片機(jī)、DSP處理器廣泛應(yīng)用,單片機(jī):8031、8051、89C51、MSP430,TMS320系列等高速單片數(shù)字信號(hào)處理器(DSPDigital Signal Processor)是通過硬件來完成乘法和加法運(yùn)算的，極大地增強(qiáng)了智能儀器的數(shù)字濾波、FFF、相關(guān)、卷積等信號(hào)處理能力。 新型DSP芯片接口功能大大加強(qiáng)，甚至集成了DSP與ARM雙核。,4、ASI

11、C、FPGACPLD技術(shù),ASIC(Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路)無論在價(jià)格、集成度，還是在產(chǎn)量、產(chǎn)值方面均取得了飛速發(fā)展。因此，對(duì)儀器設(shè)計(jì)者來說，很有意義的一項(xiàng)工作是把一些性能要求很高的線路單元設(shè)計(jì)成專用集成電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)。,FPGA(Field Programmable Gates Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列) CPLD(Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件) FPGACPLD的規(guī)模比較大，適合于時(shí)序、組合等邏輯電路應(yīng)用場(chǎng)合，它可以替代

12、幾十甚至上百塊通用IC芯片。 這種芯片具有可編程性和實(shí)現(xiàn)方案容易改動(dòng)的特點(diǎn)。電路保持不動(dòng)的情況下，改變內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述，就能實(shí)現(xiàn)一種新的功能。,比較典型的有Xilinx公司的FPGA器件系列 Altera公司的CPLD器件系列。,（1）FPGACPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達(dá)到數(shù)十萬門，它所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。,應(yīng)用FPGACPLD的優(yōu)點(diǎn),（2）FPGACPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測(cè)試，不需要設(shè)計(jì)人員承擔(dān)投片風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，設(shè)計(jì)人員只需在自己的實(shí)驗(yàn)室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能指定。研制開發(fā)費(fèi)用相對(duì)較低。,（3）FPG

13、ACPLD芯片和EPROM配合使用時(shí)，用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動(dòng)的情況下用不同的EPROM就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。,（4）FPGACPLD芯片的電路設(shè)計(jì)周期很短。軟件包中不但有各種輸入工具和仿真工具，而且還有版圖設(shè)計(jì)工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作(物理版圖映射)。當(dāng)電路有少量改動(dòng)時(shí)，更能顯示出FPGACPLD的優(yōu)勢(shì)。它大大加快了新產(chǎn)品的試制速度，減少了庫(kù)存風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)計(jì)錯(cuò)誤所帶來的危險(xiǎn)，從而提高了企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力和應(yīng)變能力。,（5）電路設(shè)計(jì)人員使用FPGACPLD進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不需要具備專門的IC

14、(集成電路)深層次的知識(shí)，F(xiàn)PGACPLD軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計(jì)人員更能集中精力進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。FPGACPLD適合于正向設(shè)計(jì)(從電路原理圖到芯片級(jí)的設(shè)計(jì))，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)也非常有利。,在計(jì)算機(jī)和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是PCI儀器發(fā)展的關(guān)鍵。軟件就是儀器成為流行的說法。 NI（National Instruments）公司1986年設(shè)計(jì)的LabVlEWl.0，2011年發(fā)展到Labview2011，推動(dòng)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，完成對(duì)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。 虛擬儀器系統(tǒng)由用戶定義；儀器硬件模塊化；可重用和重新配置；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(12年)，開發(fā)維護(hù)費(fèi)用低。,5、LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)虛擬儀器,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的測(cè)試儀器和測(cè)試技術(shù)產(chǎn)生革命性變化。表現(xiàn)在兩個(gè)方面： 智能儀器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制與故障診斷等； 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)，將分散的各種不同測(cè)試設(shè)備掛接在網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)。,6、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù),網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)主要由兩大部分組成： 組成系統(tǒng)的基本功能單元(PC儀器、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量?jī)x器