智能儀器課程總結(jié).doc

智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)實習(xí)總結(jié) 院系： 電氣與信息工程學(xué)院 班級： 測控09-2班 姓名： 張福生 學(xué)號： 20091478 第1章 緒論1.1 智能儀器概述智能儀器的定義：智能儀器是含有微型計算機(jī)或者微型處理器的測量儀器，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。智能儀器的出現(xiàn)，極大地擴(kuò)充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。1.2 智能儀器的結(jié)構(gòu)和特點隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成了CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器甚至A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片(即單片機(jī))出現(xiàn)了。以單片機(jī)為主體，將計算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，又組成了所謂的“智能化測量控制系統(tǒng)”，也就是智能儀器。 與傳統(tǒng)儀器儀表相比，智能儀器具有以下功能特點： （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(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機(jī)或微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。 （2）具有自測功能，包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準(zhǔn)、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運(yùn)行，同時也可在儀器工作中運(yùn)行，極大地方便了儀器的維護(hù)。 （3）具有數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能儀器由于采用了單片機(jī)或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進(jìn)行上述測量，而且還具有對測量結(jié)果進(jìn)行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來，也有效地提高了儀器的測量精度。 （4）具有友好的人機(jī)對話能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。 （5）具有可程控操作能力。一般智能儀器都配有GPIB、RS232C、RS485等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便地與PC機(jī)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(tǒng)，來完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。1.3 發(fā)展概況80年代，微處理器被用到儀器中，儀器前面板開始朝鍵盤化方向發(fā)展，測量系統(tǒng)常通過IEEE488總線連接。不同于傳統(tǒng)獨(dú)立儀器模式的個人儀器得到了發(fā)展等。 90年代，儀器儀表的智能化突出表現(xiàn)在以下幾個方面：微電子技術(shù)的進(jìn)步更深刻地影響儀器儀表的設(shè)計；DSP芯片的問世，使儀器儀表數(shù)字信號處理功能大大加強(qiáng)；微型機(jī)的發(fā)展，使儀器儀表具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；圖像處理功能的增加十分普遍；VXI總線得到廣泛的應(yīng)用。 近年來，智能化測量控制儀表的發(fā)展尤為迅速。國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣智能化測量控制儀表，例如，能夠自動進(jìn)行差壓補(bǔ)償?shù)闹悄芄?jié)流式流量計，能夠進(jìn)行程序控溫的智能多段溫度控制儀，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID和各種復(fù)雜控制規(guī)律的智能式調(diào)節(jié)器，以及能夠?qū)Ω鞣N譜圖進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理的智能色譜儀等。1.4 發(fā)展趨勢（1）微型化微型智能儀器指微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)用于儀器的生產(chǎn)中，從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器。它能夠完成信號的采集、線性化處理、數(shù)字信號處理，控制信號的輸出、放大、與其他儀器的接口、與人的交互等功能。微型智能儀器隨著微電子機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價格不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能，而且能在自動化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。例如，目前要同時測量一個病人的幾個不同的參量，并進(jìn)行某些參量的控制，通常病人的體內(nèi)要插進(jìn)幾個管子，這增加了病人感染的機(jī)會，微型智能儀器能同時測量多參數(shù)，而且體積小，可植入人體，使得這些問題得到解決。 （2） 多功能多功能本身就是智能儀器儀表的一個特點。例如，為了設(shè)計速度較快和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，儀器生產(chǎn)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(shù)發(fā)生器。這種多功能的綜合型產(chǎn)品不但在性能上（如準(zhǔn)確度）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。 （3） 人工智能化人工智能是計算機(jī)應(yīng)用的一個嶄新領(lǐng)域，利用計算機(jī)模擬人的智能，用于機(jī)器人、醫(yī)療診斷、專家系統(tǒng)、推理證明等各方面 。智能儀器的進(jìn)一步發(fā)展將含有一定的人工智能，即代替人的一部分腦力勞動，從而在視覺（圖形及色彩辨讀）、聽覺（語音識別及語言領(lǐng)悟）、思維（推理、判斷、學(xué)習(xí)與聯(lián)想）等方面具有一定的能力。這樣，智能儀器可無需人的干預(yù)而自主地完成檢測或控制功能。顯然，人工智能在現(xiàn)代儀器儀表中的應(yīng)用，使我們不僅可以解決用傳統(tǒng)方法很難解決的一類問題，而且可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的問題。 （4） 網(wǎng)絡(luò)化融合ISP和EMIT技術(shù)，實現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的Internet接入。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域滲透，實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Internet的通訊能力以及對設(shè)計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級、功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。 在系統(tǒng)編程技術(shù)（In-System Programming，簡稱ISP技術(shù)）是對軟件進(jìn)行修改、組態(tài)或重組的一種最新技術(shù)。它是LATTICE半導(dǎo)體公司首先提出的一種使我們在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中的每個環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣給最終用戶以后，具有對其器件、電路板或整個電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時進(jìn)行組態(tài)或重組能力的最新技術(shù)。ISP技術(shù)消除了傳統(tǒng)技術(shù)的某些限制和連接弊病，有利于在板設(shè)計、制造與編程。ISP硬件靈活且易于軟件修改，便于設(shè)計開發(fā)。由于ISP器件可以像任何其他器件一樣，在印刷電路板（PCB）上處理，因此編程ISP器件不需要專門編程器和較復(fù)雜的流程，只要通過PC機(jī)，嵌入式系統(tǒng)處理器甚至INTERNET遠(yuǎn)程網(wǎng)進(jìn)行編程。EMIT嵌入式微型因特網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)是emWare公司創(chuàng)立ETI（eXtend the Internet）擴(kuò)展Internet聯(lián)盟時提出的，它是一種將單片機(jī)等嵌入式設(shè)備接入Internet的技術(shù)。利用該技術(shù)，能夠?qū)?位和16位單片機(jī)系統(tǒng)接入Internet，實現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳/下載數(shù)據(jù)文件等功能。（5）虛擬儀器室智能儀器的發(fā)展的新禁斷 測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PC機(jī)的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機(jī)組成測量儀器。這種基于PC機(jī)的測量儀器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器?？梢?，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”。 傳統(tǒng)的智能儀器主要在儀器技術(shù)中用了某種計算機(jī)技術(shù)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，而虛擬儀器則強(qiáng)調(diào)在通用的計算機(jī)技術(shù)中吸收儀器技術(shù)。作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和升級性，能為用戶帶來極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的智能儀器所無法比擬的應(yīng)用前景和市場。第2章 智能儀器中的微處理器2.1 智能儀器中微處理器的選擇 在智能儀器中，單片機(jī)是核心，因此在硬件設(shè)計是應(yīng)首先考慮單片機(jī)的選擇。然后再確定與之配套的外圍芯片。在選擇單片機(jī)時，要考慮的因素有字長、尋址能力、指令功能、執(zhí)行速度、中斷能力以及市場對該種單片機(jī)的軟、硬件支持狀態(tài)等。當(dāng)前市場中單片機(jī)的種類和型號很多，有8位、16位、以及32位的；有輸入輸出功能強(qiáng)大、輸入輸出引腳多的；其內(nèi)含ROM和RAM各不相同，有擴(kuò)展方便的，有不能擴(kuò)展的；有帶片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器，有不帶片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器的。因此要結(jié)合系統(tǒng)IO通道數(shù)，選擇合適的單片機(jī)型號，使其既滿足測控對象的要求，又不浪費(fèi)資源。2.2 單片機(jī)單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）， 單片機(jī)芯片，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片位控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)，和計算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。2.3 實習(xí)過程中單片機(jī)的應(yīng)用在完達(dá)山乳業(yè)有限公司的實習(xí)過程中，我對于單片機(jī)的控制功能有了更深一步的了解和掌握，在對原奶高溫殺毒的過程中溫度必須是適宜的，對溫度的控制就是應(yīng)用了單片機(jī)的控制功能，先是編出一套完整的控制程序，將其輸入單片機(jī)然后連接設(shè)備和控制機(jī)，這樣就很輕松的對原奶加工時的溫度控制的相當(dāng)好。這也讓我更熟練的掌握了單片機(jī)這一功能。第3章 數(shù)據(jù)采集技術(shù)3.1 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。數(shù)據(jù)采 集技術(shù)廣泛引用在各個領(lǐng)域。比如攝像頭，麥克風(fēng)，都是數(shù)據(jù)采集工具。3.2 數(shù)據(jù)處理方式根據(jù)處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)方式、工作方式，以及數(shù)據(jù)的時間空間分布方式的不同，數(shù)據(jù)處理有不同的方式。不同的處理方式要求不同的軟件和硬件支持。每種處理方式都有自己的特點，應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用問題的實際環(huán)境選擇合適的處理方式。數(shù)據(jù)處理主要有四種分類方式（1）根據(jù)處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)方式區(qū)分，有聯(lián)機(jī)處理方式和脫機(jī)處理方式。（2）根據(jù)數(shù)據(jù)處理時間的分配方式區(qū)分，有批處理方式、分時處理方式和實時處理方式。（3）根據(jù)數(shù)據(jù)處理空間的分布方式區(qū)分，有集中式處理方式和分布處理方式。（4）根據(jù)計算機(jī)中央處理器的工作方式區(qū)分，有單道作業(yè)處理方式、多道作業(yè)處理方式和交互式處理方式。 數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和加工的技術(shù)過程。包括對各種原始數(shù)據(jù)的分析、整理、計算、編輯等的加工和處理。比數(shù)據(jù)分析含義廣。隨著計算機(jī)的日益普及，在計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)值計算所占比重很小，通過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行信息管理已成為主要的應(yīng)用。如側(cè)繪制圖管理、倉庫管理、財會管理、交通運(yùn)輸管理，技術(shù)情報管理、辦公室自動化等。在地理數(shù)據(jù)方面既有大量自然環(huán)境數(shù)據(jù)（土地、水、氣候、生物等各類資源數(shù)據(jù)），也有大量社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)（人口、交通、工農(nóng)業(yè)等），常要求進(jìn)行綜合性數(shù)據(jù)處理。故需建立地理數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)地整理和存儲地理數(shù)據(jù)減少冗余，發(fā)展數(shù)據(jù)處理軟件，充分利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和處理。3.3數(shù)據(jù)處理在實習(xí)當(dāng)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)在企業(yè)當(dāng)中是必不可少的一項內(nèi)容，其中對于加工之后奶制品當(dāng)中的各成分的指標(biāo)是有明確的規(guī)定的。其中對于各成分的含量的檢測就用到了數(shù)據(jù)采集技術(shù)。得到的都是各個成分的含量，然后通過數(shù)據(jù)采集技術(shù)通過計算機(jī)分析處理。 第4章 智能儀器中的通信接口技術(shù)4.1 差錯控制技術(shù)4.1.1差錯控制技術(shù)基本類型 由于通信線路上總有噪聲存在，噪聲和有用信息中的結(jié)果，就會出現(xiàn)差錯。 噪聲可分為兩類，一類是熱噪聲，另一類是沖擊噪聲。熱噪聲引起的差錯是一種隨機(jī)差錯， 亦即某個碼元的出錯具有獨(dú)立性，與前后碼元無關(guān)。 沖擊噪聲是由短暫原因造成的，例如電機(jī)的啟動、停止，電器設(shè)備的放弧等，沖擊噪聲引起 的差錯是成群的，其差錯持續(xù)時間稱為突發(fā)錯的長度。衡量信道傳輸性能的指標(biāo)之一是誤碼率PO。PO=錯誤接收的碼元數(shù)/接收的總碼元數(shù) 目前普通電話線路中，當(dāng)傳輸速率在6002400bit/s時，PO在 之間，對于大多數(shù)通信系統(tǒng)，PO在之間，而計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸則要求誤碼率低于。4.1.2 差錯控制的基本方式 差錯控制方式基本上分為兩類，一類稱為“反饋糾錯”，另一類稱為“前向糾錯”。在這 兩類基礎(chǔ)上又派生出一種稱為“混合糾錯”。 (1)反饋糾錯 這種方式在是發(fā)信端采用某種能發(fā)現(xiàn)一定程度傳輸差錯的簡單編碼方法對所傳信息進(jìn)行編碼 ，加入少量監(jiān)督碼元，在接收端則根據(jù)編碼規(guī)則收到的編碼信號進(jìn)行檢查，一量檢測出(發(fā) 現(xiàn))有錯碼時，即向發(fā)信端發(fā)出詢問的信號，要求重發(fā)。發(fā)信端收到詢問信號時，立即重發(fā) 已發(fā)生傳輸差錯的那部分發(fā)信息，直到正確收到為止。所謂發(fā)現(xiàn)差錯是指在若干接收碼元中 知道有一個或一些是錯的，但不一定知道錯誤的準(zhǔn)確位置。圖61給出了“差錯控制”的 示意方框 (2)前向糾錯 這種方式是發(fā)信端采用某種在解碼時能糾正一定程度傳輸差錯的較復(fù)雜的編碼方法，使接收 端在收到信碼中不僅能發(fā)現(xiàn)錯碼，還能夠糾正錯碼。在圖61中，除去虛線所框部分就是前 向糾錯的方框示意圖。采用前向糾錯方式時，不需要反饋信道，也無需反復(fù)重發(fā)而延誤傳輸 時間，對實時傳輸有利，但是糾錯設(shè)備比較復(fù)雜。 (3)混合糾錯 混合糾錯的方式是：少量糾錯在接收端自動糾正，差錯較嚴(yán)重，超出自行糾正能力時，就向 發(fā)信端發(fā)出詢問信號，要求重發(fā)。因此，“混合糾錯”是“前向糾錯”及“反饋糾錯”兩種 方式的混合。對于不同類型的信道，應(yīng)采用不同的差錯控制技術(shù)，否則就將事倍功半。反饋糾錯可用于雙向數(shù)據(jù)通信，前向糾錯則用于單向數(shù)字信號的傳輸，例如廣播數(shù)字電視系統(tǒng)，因為這種系統(tǒng)沒有反饋通道。4.2 現(xiàn)場總線技術(shù)1、 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)： 它的軟件是系統(tǒng)的重要組成部分，控制系統(tǒng)的軟件有組態(tài)軟件、維護(hù)軟件、仿真軟件、設(shè)備軟件和監(jiān)控軟件等。首先選擇開發(fā)組態(tài)軟件、控制操作人機(jī)接口軟件MMI。通過組態(tài)軟件，完成功能塊之間的連接，選定功能塊參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中對系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計算。優(yōu)化控制及邏輯控制報警、監(jiān)視、顯示、報表等。 2、現(xiàn)場總線的測量系統(tǒng)： 其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數(shù)字信號，具有高分辨率，準(zhǔn)確性高、抗干擾、抗畸變能力強(qiáng)，同時還具有儀表設(shè)備的狀態(tài)信息，可以對處理過程進(jìn)行調(diào)整。 3、設(shè)備管理系統(tǒng)： 可以提供設(shè)備自身及過程的診斷信息、管理信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息（包括智能儀表）、廠商提供的設(shè)備制造信息。例如FisherRosemoune公司，推出AMS管理系統(tǒng)，它安裝在主計算機(jī)內(nèi)，由它完成管理功能，可以構(gòu)成一個現(xiàn)場設(shè)備的綜合管理系統(tǒng)信息庫，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)備的可靠性分析以及預(yù)測性維護(hù)。將被動的管理模式改變?yōu)榭深A(yù)測性的管理維護(hù)模式AMS軟件是以現(xiàn)場服務(wù)器為平臺的T型結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場服務(wù)器上支撐模塊化，功能豐富的應(yīng)用軟件為用戶提供一個圖形化界面。 4、總線系統(tǒng)計算機(jī)服務(wù)模式： 以客戶機(jī)/服務(wù)器模式是目前較為流行的網(wǎng)絡(luò)計算