智能儀器原理及應(yīng)用

1、第1章 導(dǎo) 論 第1章 導(dǎo) 論 1.1 智能儀器概述智能儀器概述 1.2 智能儀器應(yīng)用實例簡介智能儀器應(yīng)用實例簡介 1.3 本課程的內(nèi)容、本課程的內(nèi)容、 教學(xué)目標(biāo)及要求教學(xué)目標(biāo)及要求 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 1實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 1.1 智能儀器概述智能儀器概述 1.1.1 1.1.1 智能儀器的發(fā)展概況智能儀器的發(fā)展概況 智能儀器是一類新型的、內(nèi)部裝有微處理器或單片機的微機化電子儀器，它是由傳統(tǒng)的電子儀器發(fā)展而來的，但在結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵上已經(jīng)發(fā)生了本質(zhì)的變化。 回顧電子儀器的發(fā)展歷程，我們可以發(fā)現(xiàn)，從儀器使用的器件來看大致經(jīng)歷了三個階段，即真空管時代/晶體管時代/集成電路時代。若從

2、儀器的工作原理來看，又可以分為以下幾個階段： 2實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 第一代，模擬式電子儀器（又稱指針式儀器）。這一代儀器應(yīng)用和處理的信號均為模擬量，如指針式電壓表、電流表、 功率表及一些通用的測試儀器，均為典型的模擬式儀器。這一代儀器的特點是：體積大、功能簡單、精度低、響應(yīng)速度慢。 第二代，數(shù)字式電子儀器，如數(shù)字電壓表、數(shù)字式測溫儀、 數(shù)字頻率計等。它們的基本工作原理是將待測的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并進(jìn)行測量，測量結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示。數(shù)字式電子儀器與第一代模擬式電子儀器相比，具有精度高、速度快、讀數(shù)清晰、直觀的特點。 其結(jié)果既能以數(shù)字形式輸出顯示，還可以通過打印機打印輸出。此

3、外，由于數(shù)字信號便于遠(yuǎn)距離傳輸， 因此數(shù)字式電子儀器適用于遙測遙控。 3實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 第三代，智能型儀器。這一代儀器是計算機科學(xué)、通信技術(shù)、微電子學(xué)、 數(shù)字信號處理、人工智能、VLSI等新興技術(shù)與傳統(tǒng)電子儀器相結(jié)合的產(chǎn)物。智能型儀器的主要特征是儀器內(nèi)部含有微處理器（或單片機），它具有數(shù)據(jù)存儲、運算和邏輯判斷的能力，能根據(jù)被測參數(shù)的變化自動選擇量程，可實現(xiàn)自動校正、自動補償、自尋故障，以及遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)、遙測遙控等功能，可以做一些需要人類的智慧才能完成的工作。 也就是說， 這種儀器具備了一定的智能， 故稱為智能儀器。 4實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 1) 硬件結(jié)構(gòu)簡單一般

4、要求智能儀器中有大量的I/O口，并且需要有定時或計數(shù)功能，有的還需要通信功能， 而MCS51單片機片內(nèi)具有32根I/O口線、 兩個16位定時/計數(shù)器，還有一個全雙工的串行口。這樣，在使用MCS51單片機后可大大簡化儀器的硬件結(jié)構(gòu)，降低儀器的造價。 5實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 2) 運算速度高一般儀器儀表均要求在零點幾秒內(nèi)完成一個周期的測量、 計算和輸出操作，如許多測量儀器都是動態(tài)顯示的，即要求它們能對測量對象的參數(shù)進(jìn)行實時測量顯示。由于人的反應(yīng)時間一般小于0.5 s，故要求在0.5 s內(nèi)完成一次測量顯示。如果要求采用多次測量取平均值，則速度要求更高。而不少儀器的計算比較復(fù)雜，不僅要求有

5、浮點運算功能，還要求有函數(shù)(如正弦函數(shù)、開平方等)計算能力，這就對智能儀器中的微處理器的運算能力和運算速度提出了較高的要求。MCS51單片機的時鐘可達(dá)12 MHz， 大多數(shù)運算指令執(zhí)行時間僅1 s，并具有硬件乘法、 除法指令，運算速度很高。 6實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 3) 控制功能強智能儀器的測量過程和各種測量電路均由單片機來控制， 一般情況下這些控制端都是一根I/O線。由于MCS51單片機具有布爾處理功能，包括一整套位處理指令、位控制轉(zhuǎn)移指令和位控制I/O功能，這使得它特別適用于儀器儀表的控制。 7實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 智能儀器一般是指采用了微處理器（或單片機）的電子儀

6、器。由智能儀器的基本組成可知，在物理結(jié)構(gòu)上，微型計算機包含于電子儀器中，微處理器及其支持部件是智能儀器的一個組成部分；但是從計算機的角度來看，測試電路與鍵盤、 通信接口及顯示器等部件一樣，可看作是計算機的一種外圍設(shè)備。 因此， 智能儀器實際上是一個專用的微型計算機系統(tǒng)， 它主要由硬件和軟件兩大部分組成。 硬件部分主要包括主機電路、模擬量（或開關(guān)量）輸入輸出通道、人機聯(lián)系部件與接口電路、串行或并行數(shù)據(jù)通信接口等， 其組成結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。 8實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 圖 1-1 智能儀器硬件組成框圖 被測量輸入電路A/D 轉(zhuǎn)換接口D/A 轉(zhuǎn)換接口驅(qū)動與執(zhí)行電路控制量鍵盤輸入接口面板鍵盤

7、顯示器接口CRT、LED、LCD等程序存儲器EPROM打印機接口微型打印機數(shù)據(jù)存儲器RAM通信接口RS-232、GPIB等單片微型計算機9實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 智能儀器的主體部分是由單片機及其擴(kuò)展電路（程序存儲器EPROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM及輸入輸出接口等）組成的。主機電路是智能儀器區(qū)別于傳統(tǒng)儀器的核心部件，用于存儲程序、 數(shù)據(jù)，執(zhí)行程序并進(jìn)行各種運算、數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)各種控制功能。輸入電路和A/D 轉(zhuǎn)換接口構(gòu)成了輸入通道；而D/A轉(zhuǎn)換接口及驅(qū)動電路則構(gòu)成了輸出通道；鍵盤輸入接口、顯示器接口及打印機接口等用于溝通操作者與智能儀器之間的聯(lián)系，屬于人機接口部件；通信接口則用來實現(xiàn)智能儀器

8、與其他儀器或設(shè)備交換數(shù)據(jù)和信息。 10實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 智能儀器的軟件包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。 其中，監(jiān)控程序主要是面向儀器操作面板、鍵盤和顯示器的管理程序。其內(nèi)容包括：通過鍵盤操作輸入并存儲所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)。通過控制I/O接口電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集； 對儀器進(jìn)行預(yù)定的設(shè)置；對所測試和記錄的數(shù)據(jù)與狀態(tài)進(jìn)行各種處理；以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果等。接口管理程序主要面向通信接口，其作用是接收并分析來自通信接口總線的各種有關(guān)信息、操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼， 并通過通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來響應(yīng)計算

9、機的遠(yuǎn)程控制命令。 11實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 智能儀器的工作過程是：外部的輸入信號（被測量）先經(jīng)過輸入電路進(jìn)行變換、放大、整形和補償?shù)忍幚恚缓笤俳?jīng)模擬量通道的A/D轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號， 送入單片機。單片機對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理、分析、計算等一系列工作， 并將運算結(jié)果存入數(shù)據(jù)存儲器RAM中。同時，可通過顯示器接口送至顯示器顯示，或通過打印機接口送至微型打印機打印輸出，也可以將輸出的數(shù)字量經(jīng)模擬量通道的D/A轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸出，并經(jīng)過驅(qū)動與執(zhí)行電路去控制被控對象， 還可以通過通信接口（例如RS-232、 GPIB等）實現(xiàn)與其他智能儀器的數(shù)據(jù)通信，完成更復(fù)雜的測量與控制

10、任務(wù)。 12實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 1.1.3 1.1.3 智能儀器的主要功能和特點智能儀器的主要功能和特點 單片機的出現(xiàn)與應(yīng)用，對科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域都產(chǎn)生了極大的影響，與此同時也導(dǎo)致了一場儀器儀表技術(shù)的巨大變革。單片機在智能儀器中的具體功能可歸結(jié)為兩大類： 對測試過程的控制和對測試數(shù)據(jù)、結(jié)果的處理。單片機對測試過程的控制主要表現(xiàn)在單片機可以接受來自面板鍵盤和通信接口傳來的命令信息，解釋并執(zhí)行這些命令。例如， 發(fā)出一個控制信號給測試電路，以啟動某種操作、設(shè)置或改變量程、工作方式等，也可通過查詢方式或設(shè)置成中斷方式， 使單片機及時了解電路的工作情況，以便正確地控制儀器的整個工作過程。

11、13實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 1) 具有友好的人機對話功能 智能儀器使用鍵盤代替了傳統(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， 智能儀器還可以通過顯示屏將儀器的運行情況、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。 2) 自動校正零點、滿度和切換量程智能儀器的自校正功能大大降低了因儀器的零點漂移和特性變化所造成的誤差，而量程的自動切換又給使用帶來了很大的方便， 并可以提高測量精度和讀數(shù)的分辨率。 14實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 3) 多點快速檢測智能儀器能對多個參數(shù)（模擬量或開關(guān)量信號）進(jìn)行快速、實時檢測，

12、以便及時了解生產(chǎn)過程的各種工況。 4) 自動修正各類測量誤差許多傳感器的固有特性是非線性的，且受環(huán)境溫度、壓力等參數(shù)的影響，從而給智能儀器帶來了測量誤差。在智能儀器中，只要能掌握這些誤差的規(guī)律，就可以依靠軟件進(jìn)行修正。常見的有測溫元件的非線性校正、熱電偶冷端溫度補償、氣體流量的溫度壓力補償?shù)取?15實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 5) 數(shù)字濾波通過對主要干擾信號特性的分析，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波算法， 可以有效地抑制各種干擾（例如低頻干擾、脈沖干擾）的影響。 6) 數(shù)據(jù)處理智能儀器能實現(xiàn)各種復(fù)雜運算，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和加工處理，例如統(tǒng)計分析、查找排序、標(biāo)度變換、函數(shù)逼近和頻譜分析等。 16實用

13、精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 7) 各種控制規(guī)律智能儀器能實現(xiàn)PID及各種復(fù)雜的控制規(guī)律，例如，可進(jìn)行串級、前饋、解耦、非線性、純滯后、自適應(yīng)、模糊等控制，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 8) 多種輸出形式智能儀器的輸出形式有數(shù)字（或指針）顯示、打印記錄和聲光報警， 也可以輸出多點模擬量（或開關(guān)量）信號。 17實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 9) 數(shù)據(jù)通信智能儀器配有GP-IB、 RS-232、 RS-485等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便地與其他儀器和計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以便構(gòu)成不同規(guī)模的計算機測量控制系統(tǒng)。 10) 自診斷和故障監(jiān)控在運行過程中，智能儀器可以自動地對儀器本身各組成部分進(jìn)行一系列的

14、測試，一旦發(fā)現(xiàn)故障即能報警，并顯示出故障部位，以便及時處理。有的智能儀器還可以在故障存在的情況下，自行改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，繼續(xù)正常工作，即在一定程度上具有容忍錯誤存在的能力。 18實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 11) 掉電保護(hù)儀器內(nèi)部裝有后備電池和電源自動切換電路。當(dāng)?shù)綦姇r， 能自動地將電池接至RAM，使數(shù)據(jù)不致丟失。也可以采用電可改寫只讀存儲器EEPROM來代替RAM，存儲重要數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)掉電保護(hù)的功能。也許在一些常規(guī)儀器中，通過增加器件或變換電路也能或多或少地實現(xiàn)以上的一些功能，但往往要付出較大的代價。 性能上的些許提高，會使儀器的成本大大增加。而在智能儀器中，性能的提高、功能的擴(kuò)大是比較容

15、易實現(xiàn)的， 往往不會使儀器成本大幅度增加。因此，低廉的單片機芯片使得智能儀器具有較高的性能價格比。 19實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 1.1.41.1.4智能儀器的發(fā)展趨勢智能儀器的發(fā)展趨勢1. 1. 微型化微型化 智能儀器的微型化是指將微電子技術(shù)、微機械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)用于智能儀器的設(shè)計與生產(chǎn)中，從而使儀器成為體積較小、功能齊全的智能化儀器。它能夠完成信號采集， 線性化處理，數(shù)字信號處理，控制信號的輸出、放大，與其他儀器接口以及與人交互等功能。微型智能儀器隨著微電子技術(shù)、 微機械技術(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)域也必將不斷擴(kuò)大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能，

16、 而且能在自動化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療等領(lǐng)域起到獨特的作用。20實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 2. 2. 多功能化多功能化 多功能本身就是智能儀器的一個特點。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)生器等多種功能合一的函數(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。 21實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 3. 3. 人工智能化人工智能化 人工智能是計算機應(yīng)用的一個嶄新領(lǐng)域，利用計算機模擬人的智能，用于機器人、醫(yī)療診斷、專家系統(tǒng)、推理證

17、明等各個方面。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，智能儀器可以無需人的干預(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，而且還可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的一些問題。 22實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 4. 4. 部分結(jié)構(gòu)虛擬化部分結(jié)構(gòu)虛擬化測試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。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展， 人們利用PC機強大的圖形環(huán)境和在線幫

18、助功能，建立了圖形化的虛擬儀器面板，完成了對儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等功能。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機組成測量儀器。這種基于PC機的測量儀器稱之為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)， 只要使用不同的軟件編程， 就可以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，因此，也有人稱“軟件就是儀器”。 23實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 5. 5. 通信與控制網(wǎng)絡(luò)化通信與控制網(wǎng)絡(luò)化 在系統(tǒng)編程技術(shù)（InSystem 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)。ISP技術(shù)消除了傳統(tǒng)技術(shù)的某些限制和連接

19、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器件不需要專門的編程器和較復(fù)雜的流程，只要通過PC機、嵌入式系統(tǒng)處理器，甚至Internet遠(yuǎn)程網(wǎng)就可進(jìn)行編程。 24實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 1.2 智能儀器應(yīng)用實例簡介智能儀器應(yīng)用實例簡介 1.2.1 1.2.1 電話遙控的基本原理電話遙控的基本原理電話遙控的最初目的是想利用電話線路，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱家用電器電源的接通或斷開。 其遙控接收控制器（即電話遙控器）的基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。 25實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論

20、圖 1-2 電話遙控器的組成 電話線家用電器檢測與控制本機電話譯碼開關(guān)電話遙控器26實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 電話遙控器的基本工作原理是，當(dāng)遠(yuǎn)處的遙控者通過電話線路撥通本機電話時，遙控器的檢測與控制電路根據(jù)設(shè)定的振鈴次數(shù)自動地將電話線路與譯碼電路接通，遙控者即可通過遠(yuǎn)處的電話機的按鍵向電話遙控器輸入開、關(guān)家用電器的密碼信號。當(dāng)譯碼電路收到按鍵信號并確認(rèn)為正確的命令后，直接控制開、關(guān)電路動作，以打開或關(guān)閉家用電器的電源開關(guān)；如果接收的是非法命令，則立即掛機，從而實現(xiàn)了家用電器遠(yuǎn)距離遙控的功能。 27實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 1.2.21.2.2智能型電話遙控器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理

21、智能型電話遙控器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理根據(jù)上述電話遙控的基本原理，遙控的命令是通過電話線路傳遞給遙控接收器的。當(dāng)命令的內(nèi)容改變且密碼的位數(shù)較多時，采用常規(guī)元器件組成的電話遙控器的譯碼電路將隨密碼位數(shù)的增加而成倍增加，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大，實現(xiàn)起來困難且成本提高了很多，同時可靠性也會降低。而采用單片計算機作為中心控制部件后，則可以利用軟件的分析、計算及存儲等靈活的功能，在基本不增加硬件的情況下，實現(xiàn)遙控過程的智能化和多功能化。根據(jù)這一原理設(shè)計的智能型電話遙控器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-3所示。28實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 圖 1-3 智能型電話遙控器的結(jié)構(gòu)框圖 電話線取樣及整形音頻發(fā)送與接收提機

22、及線路報警信號智能芯片AT89C51單片機放大驅(qū)動隔離電路訊響電路顯示電路可控硅繼電器29實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 遙控器的工作原理是：在正常情況下，單片機不斷地查詢電話振鈴信號、提機信號及線路監(jiān)測信號，當(dāng)有電話打入時， 單片機自動檢測振鈴信號并計數(shù)。當(dāng)振鈴達(dá)到設(shè)定次數(shù)后單片機自動模擬摘機，并通過訊響電路發(fā)出輸入密碼提示音，然后等待并接收密碼。此時，操作者即可利用音頻電話的按鍵輸入開機、關(guān)機或其他遙控密碼。單片機通過電話線路及音頻接收電路接收到密碼信號后，經(jīng)過與預(yù)先設(shè)定的命令密碼比較、 分析和處理，以確定此密碼是否有效。若有效，則執(zhí)行相應(yīng)的操作并發(fā)出提示音，操作者可根據(jù)話筒傳來的提示音

23、來了解所操作的結(jié)果是否正確； 若單片機確認(rèn)輸入密碼無效，遙控器則立即掛機， 不予響應(yīng)。 30實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 1.3 本課程的內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)及要求本課程的內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)及要求 1.3.11.3.1課程內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)課程內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)本課程的主要內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)包括三個方面：一是通過介紹智能儀器的基本組成結(jié)構(gòu)、工作原理、智能儀器的典型處理功能以及智能儀器的數(shù)據(jù)通信方式，使學(xué)生初步了解智能儀器的結(jié)構(gòu)主要包括哪幾部分，它是如何工作的；智能儀器與傳統(tǒng)的儀器儀表有何區(qū)別，它們的主要特點是什么；智能儀器的智能化主要表現(xiàn)在哪些方面，有哪些典型的處理方法；智能儀器是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的，有哪些數(shù)據(jù)通信方式等。 31實用精品課件PPT第1章 導(dǎo) 論 二是通過三種不同類型且具有代表性的智能儀器的組成原理及應(yīng)用實例，進(jìn)一步闡述智能儀器各主要部件的電路結(jié)構(gòu)、工作原理，智能儀器的特點以及不同類型儀器的軟、硬件設(shè)計思路；并對智能儀器使用中的常見故障、故障產(chǎn)生的原因及其處理方法，智能儀器的抗干擾措施等作了詳細(xì)的介紹（第7章），使學(xué)生進(jìn)一步熟悉實際的智能儀器的主要部件、儀器的基本結(jié)構(gòu)，深入了解其工作原理、調(diào)試及使用方法等，為今后的應(yīng)用作好準(zhǔn)備。三是對智能儀器的最新發(fā)展成果進(jìn)行了論述，