智能儀器概述

1、主講教師：趙鳳強主講教師：趙鳳強( (機電機電 B416B416）E-mailE-mail： 按應用分類：按應用分類：測量儀器測量儀器，分析儀器分析儀器，生物醫(yī)療儀生物醫(yī)療儀器器，地球探測儀器地球探測儀器，天文儀器，航空航天航海儀表，汽車儀表，電力,石油,化工儀表等，遍及國民經(jīng)濟各個部門，深入到人民生活的各個角落。 基于基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡總線的數(shù)據(jù)采集卡基于基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡總線的數(shù)據(jù)采集卡操 作 系 統(tǒng) ：操 作 系 統(tǒng) ： D O S , O S , Windows2000/9x/NTWindows2000/9x/NT最大最大I/0I/0速度：速度：1.5 Mbytes/s

2、 1.5 Mbytes/s （IEEE488.1)IEEE488.1) 7.7 Mbytes/s7.7 Mbytes/s (HS488)(HS488)尺寸：尺寸：133x107 mm133x107 mmNI的的PCI-GPIB卡卡GPIB（General-Purpose Interface Bus）-通用接口總線 NI的的DAQ及及VXI產(chǎn)品示例產(chǎn)品示例DAQ是英文Data Acquisition （數(shù)據(jù)采集） VXI總線總線 智能儀器儀器科學計算機科學智能儀器儀器科學計算機科學智能儀器對儀器儀表的發(fā)展以及科學實驗研究產(chǎn)生了深遠影響，是儀器設計的里程碑。 5 5、對儀器儀表重要性的認識、對儀器

3、儀表重要性的認識 現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展水平是國家科技水平現(xiàn)代儀器儀表的發(fā)展水平是國家科技水平和綜合國家力的重要體現(xiàn)，儀器儀表的制和綜合國家力的重要體現(xiàn)，儀器儀表的制造水平反映出國家的文明程度造水平反映出國家的文明程度。 高級智能智能人工智能人工智能趨勢系統(tǒng)辨識、模式系統(tǒng)辨識、模式識別識別計算機、信號處理計算機、信號處理聰敏電子、傳感、測量電子、傳感、測量兼容傳感類傳感類 初級智能初級智能模型化智能模型化智能 高級智能高級智能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: :微機內(nèi)置式 微機擴展式微機內(nèi)嵌式智能儀器 個人計算機儀器 將單片或多片的微機

4、芯片與儀器有機地結(jié)合在一起形成的單機。以個人計算機(PC)為核心的應用擴展型測量儀器。個人計算機儀器(PCI)或或稱微機卡式儀器。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)單片機或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印機打印機板鍵盤、開關(guān)鍵盤、開關(guān)、顯示器、顯示器傳 感傳 感器器電量非非電電量量輸入通道輸入通道輸出通道輸出通道微機擴展式智能儀器結(jié)構(gòu)圖微機擴展式智能儀器結(jié)構(gòu)圖計算機計算機總線擴展槽總線擴展槽軟件軟件插件插件n通接口接口插件插件2插件插件1電電源源PC總線總線GPIBVXI等底板或外部插件箱底板或外部插件箱12n 個人儀器結(jié)構(gòu)圖

5、 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” ” 靈活性強、可靠性強靈活性強、可靠性強 隨機誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準等處理隨機誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準等處理 改善測量的精確度改善測量的精確度 數(shù)字濾波、相關(guān)、卷積、反卷積、幅度譜、數(shù)字濾波、相關(guān)、卷積、反卷積、幅度譜、 相位譜、功率譜等信號分析相位譜、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)量的信息量一機多用一機多用 如智能化電力需求分析儀如智能化電力需求分析儀 1 1、傳感器技術(shù)、傳感器技術(shù)為適應智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感為適應智能儀器發(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

6、感器聾啞傳感器(Dumb Sensor) 智能傳感器智能傳感器(Smart Sensor)網(wǎng)絡化傳感器網(wǎng)絡化傳感器(Networked Sensor) http:/ 傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時代的產(chǎn)物。它的設傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時代的產(chǎn)物。它的設計指導思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號。這計指導思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號。這類傳感器的輸出幅值小，靈敏度低，而且功能單一，因而類傳感器的輸出幅值小，靈敏度低，而且功能單一，因而被稱為被稱為“聾啞傳感器聾啞傳感器”。聾啞傳感器聾啞傳感器智能傳感器智能傳感器微電子技術(shù)、光電子技術(shù)使加工工藝逐步成熟，新型材料尤其是計算機技術(shù)的

7、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、自補償?shù)男乱淮鷤鞲衅髦悄軅鞲衅鳌鞲屑夹g(shù)的一次革命，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。 將網(wǎng)絡接口芯片與智能傳感器集成起來并使通信協(xié)議將網(wǎng)絡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固化到智能傳感器的ROMROM中時，就產(chǎn)生子網(wǎng)絡傳感器；中時，就產(chǎn)生子網(wǎng)絡傳感器；IEEEl451.2IEEEl451.2工作組建立了智能傳感器接口模塊工作組建立了智能傳感器接口模塊(STIM)(STIM)標準，描述了傳感器網(wǎng)絡適配器或微處理器之間的硬標準，描述了傳感器網(wǎng)絡適配器或微處理器之間的硬件和軟件接口，是件和軟件接口

8、，是IEEEl451IEEEl451網(wǎng)絡傳感器標準的重要組網(wǎng)絡傳感器標準的重要組成部分，使傳感器能與各種網(wǎng)絡連接。成部分，使傳感器能與各種網(wǎng)絡連接。網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡傳感器智能傳感器和網(wǎng)絡化傳感器的飛速發(fā)展可大大智能傳感器和網(wǎng)絡化傳感器的飛速發(fā)展可大大提高信號檢測能力，進而推動智能儀器總體性提高信號檢測能力，進而推動智能儀器總體性能的提高。能的提高。 AD芯片是現(xiàn)代科學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，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，增強可靠性，從而實現(xiàn)智

9、能儀器的多功能化 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)是通過硬件來完是通過硬件來完成乘法和加法運算的，極大地增強了智能儀器成乘法和加法運算的，極大地增強了智能儀器的數(shù)字濾波、的數(shù)字濾波、FFT、相關(guān)、卷積等信號處理能、相關(guān)、卷積等信號處理能力。力。新型新型DSP芯片接口功能大大加強，甚至集成了芯片接口功能大大加強，甚至集成了DSP與與ARM雙核。雙核。FPGA(Field Programmable Gates Array，現(xiàn)場，現(xiàn)場可編程門陣列可編程門陣列)CPLD(Complex Programmabl

10、e Logic Device，復雜可編程邏輯器件復雜可編程邏輯器件)FPGACPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應用場合，它可以替代幾十甚至合等邏輯電路應用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用上百塊通用IC芯片。芯片。這種芯片具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動的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)系的描述，就能實現(xiàn)一種新的功能。連接關(guān)系的描述，就能實現(xiàn)一種新的功能。 （1）FPGACPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到數(shù)十萬門，它所能實

11、現(xiàn)的功能單片邏輯門數(shù)已達到數(shù)十萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。 （2）FPGACPLD芯片在出廠之前都做過百分芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設計人員承擔投片風險和費用，之百的測試，不需要設計人員承擔投片風險和費用，設計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關(guān)的軟設計人員只需在自己的實驗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)費用硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能指定。研制開發(fā)費用相對較低。相對較低。 （3） FPGACPLD芯片和芯片和EPROM配合使用時，配合使用時，用戶可以反復地編程、擦除、使用或者在

12、外圍電路不用戶可以反復地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況就可實現(xiàn)不同的功能。動的情況就可實現(xiàn)不同的功能。 （4）FPGACPLD芯片的電路設計周期很短。軟芯片的電路設計周期很短。軟件包中不但有各種輸入工具和仿真工具，而且還有版圖件包中不但有各種輸入工具和仿真工具，而且還有版圖設計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設計人員在很短的設計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設計人員在很短的時間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至時間內(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。當電路有少量改動時，更能顯示出最后芯片的制作。當電路有少量改動時，更能顯示出FPGACPLD的優(yōu)勢。它大大加

13、快了新產(chǎn)品試制速度，的優(yōu)勢。它大大加快了新產(chǎn)品試制速度，減少了庫存風險與設計錯誤所帶來的危險，從而提高了減少了庫存風險與設計錯誤所帶來的危險，從而提高了企業(yè)在市場上的競爭能力和應變能力。企業(yè)在市場上的競爭能力和應變能力。 （5）電路設計人員使用）電路設計人員使用FPGACPLD進行電路設計時，進行電路設計時，不需要具備專門的不需要具備專門的IC(集成電路集成電路)深層次的知識，深層次的知識，F(xiàn)PGACPLD軟件易學易用，可以使設計人員更能集中精力軟件易學易用，可以使設計人員更能集中精力進行電路設計。進行電路設計。在計算機和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是在計算機和必要的儀器硬件確定之后，軟件就

14、是PCIPCI儀器發(fā)展的關(guān)鍵。軟件就是儀器成為流行的說法。儀器發(fā)展的關(guān)鍵。軟件就是儀器成為流行的說法。NINI（National InstrumentsNational Instruments）公司）公司19861986年設計的年設計的LabVlEWl.0LabVlEWl.0，20032003年發(fā)展到年發(fā)展到LabVlEW7.0LabVlEW7.0，推動虛擬，推動虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。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，完成對儀器圖形化編程語言建立的虛擬儀器面板，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；儀

15、器硬件模塊化；可重虛擬儀器系統(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)模可通過修改軟件、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)維護費用低。開發(fā)維護費用低。 隨著網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛隨著網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應用，網(wǎng)絡化測試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將應用，網(wǎng)絡化測試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將對網(wǎng)絡時代的測試儀器和測試技術(shù)產(chǎn)生革命性對網(wǎng)絡時代的測試儀器和測試技術(shù)產(chǎn)生革命性變化。表現(xiàn)在兩個方面：變化。表現(xiàn)在兩個方面： 智能儀器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠程控智能儀

16、器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制與故障診斷等；制與故障診斷等；構(gòu)建網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)，將分散的各種不同構(gòu)建網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)，將分散的各種不同測試設備掛接在網(wǎng)絡上，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)資源、測試設備掛接在網(wǎng)絡上，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復雜系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復雜系統(tǒng)的測試任務。的測試任務。6 6、網(wǎng)絡與通信技術(shù)、網(wǎng)絡與通信技術(shù) 網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)主要由兩大部分組成：網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)主要由兩大部分組成：組成系統(tǒng)的基本功能單元組成系統(tǒng)的基本功能單元(PC(PC儀器、網(wǎng)絡化測量儀器、儀器、網(wǎng)絡化測量儀器、網(wǎng)絡化傳感器、網(wǎng)絡化測量模塊網(wǎng)絡化傳感器、網(wǎng)絡化測量模塊) )；連接各基本

17、功能單元的通信網(wǎng)絡。用于測試和控制的連接各基本功能單元的通信網(wǎng)絡。用于測試和控制的網(wǎng)絡與以信息共享為目的的信息網(wǎng)不同，前者采用工業(yè)網(wǎng)絡與以信息共享為目的的信息網(wǎng)不同，前者采用工業(yè)EthernetEthernet，后者采用快速以太網(wǎng)。，后者采用快速以太網(wǎng)。 構(gòu)建網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)需考慮的問題：構(gòu)建網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)需考慮的問題： 系統(tǒng)要具有開放性和互操作性；系統(tǒng)要具有開放性和互操作性； 系統(tǒng)的實時性和時間的確定性；系統(tǒng)的實時性和時間的確定性； 系統(tǒng)的成本盡可能低，通用性好；系統(tǒng)的成本盡可能低，通用性好； 基本功能單元必須是智能化的，帶有本地微處理基本功能單元必須是智能化的，帶有本地微處理 器和存儲器，具有網(wǎng)絡化接口。器和存儲器，具有網(wǎng)絡化接口。智能儀器設計智能儀器設計課程框架課程框架虛擬儀器、網(wǎng)絡化儀器虛擬儀器、網(wǎng)絡化儀器數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)人機接口與通信人機接口與通信數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理軟件設計方法軟件設計方法可靠性與抗干擾技術(shù)可靠性與抗干擾技術(shù)可測試性技術(shù)可測試性技術(shù)設計原則步驟與實例設計原則步驟與實例 思考題思考題 1 1你在學習和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？你在學習和生活中，接觸、使用或了解哪些儀器儀表？屬于哪種類型？指出它們的共同之處、主要區(qū)別。選擇一種屬于哪種類型？指出它們的共同之處、主要區(qū)別。選擇一種儀器