智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、第一章第一章 緒論緒論儀器發(fā)展概況儀器發(fā)展概況1.1智能儀器發(fā)展趨勢智能儀器發(fā)展趨勢1.2分類、組成和特點(diǎn)分類、組成和特點(diǎn)1.3智能儀器中微處理器的選擇智能儀器中微處理器的選擇1.4首頁首頁本章內(nèi)容本章內(nèi)容1. 1. 智能儀器的發(fā)展過程智能儀器的發(fā)展過程3. 3. 智能儀器中常用單片機(jī)智能儀器中常用單片機(jī)l 重點(diǎn)重點(diǎn)：2. 2. 內(nèi)嵌式智能儀器的基本組成內(nèi)嵌式智能儀器的基本組成 和各部分功能和各部分功能 返 回1.1 1.1 測量儀器的發(fā)展概況測量儀器的發(fā)展概況1.1.智能儀器智能儀器發(fā)展發(fā)展a a 數(shù)據(jù)處理（過去）；數(shù)據(jù)處理（過去）；模糊判斷、故障判斷、容錯(cuò)技模糊判斷、故障判斷、容錯(cuò)技術(shù)、傳

2、感器融合、機(jī)件壽命預(yù)術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測測 。含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測量儀含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測量儀器，擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運(yùn)算、邏器，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，具有輯判斷及自動化操作等功能，具有一定的智能作用。一定的智能作用。下 頁上 頁功能功能返 回b b 知識處理（目前）知識處理（目前）； 體積龐大，功能單一，價(jià)格昂貴，體積龐大，功能單一，價(jià)格昂貴， 開放性差，響應(yīng)速度慢，精度低開放性差，響應(yīng)速度慢，精度低 。2. 2. 各個(gè)時(shí)期的發(fā)展各個(gè)時(shí)期的發(fā)展l 典型儀器典型儀器萬用表、電子示波器、信號發(fā)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生器

3、等磁電式和電子式模擬儀器儀表器儀表 l 特點(diǎn)特點(diǎn)下 頁上 頁返 回50年代年代 儀器的功能用硬件實(shí)現(xiàn)，幾乎沒有軟件的介儀器的功能用硬件實(shí)現(xiàn)，幾乎沒有軟件的介入，完全由生產(chǎn)廠商在產(chǎn)品出廠前定義好，測入，完全由生產(chǎn)廠商在產(chǎn)品出廠前定義好，測量結(jié)果用指針顯示。量結(jié)果用指針顯示。模擬式（指針式）儀器。模擬式（指針式）儀器。 2. 2. 各個(gè)時(shí)期的發(fā)展各個(gè)時(shí)期的發(fā)展l 典型儀器典型儀器數(shù)字電壓表、數(shù)字功率計(jì)，數(shù)數(shù)字電壓表、數(shù)字功率計(jì)，數(shù)字頻率計(jì)字頻率計(jì) 、數(shù)字式溫度傳感器、數(shù)字式溫度傳感器 l 基本工作原理基本工作原理下 頁上 頁返 回60年代年代數(shù)字式儀器數(shù)字式儀器在測量過程中將模擬信號轉(zhuǎn)換在測量過程

4、中將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，測量結(jié)果以數(shù)字為數(shù)字信號，測量結(jié)果以數(shù)字形式顯示和輸出形式顯示和輸出 l 特點(diǎn)特點(diǎn)讀數(shù)清晰，響應(yīng)速度快，精度高讀數(shù)清晰，響應(yīng)速度快，精度高 隨集成電路的出現(xiàn)，以集成電路芯片為基礎(chǔ)。隨集成電路的出現(xiàn)，以集成電路芯片為基礎(chǔ)。2. 2. 各個(gè)時(shí)期的發(fā)展各個(gè)時(shí)期的發(fā)展l 特點(diǎn)特點(diǎn)測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好。智能儀器一般均配測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好。智能儀器一般均配有有GP-IB（或（或RS-232C、RS-485）等通信接口，可跟）等通信接口，可跟另外的智能儀器組成另外的智能儀器組成智能儀器系統(tǒng)智能儀器系統(tǒng)l 功能功能下 頁上 頁返 回70年代年代微處理器的出現(xiàn)和廣泛

5、應(yīng)用微處理器的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用,產(chǎn)生以微處理器為產(chǎn)生以微處理器為核心核心,將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的儀器將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測量儀器相結(jié)合的儀器. 可根據(jù)被測參數(shù)的變化自動選擇合適的量程，進(jìn)行可根據(jù)被測參數(shù)的變化自動選擇合適的量程，進(jìn)行自動校準(zhǔn)、自動補(bǔ)償、自動判斷故障、優(yōu)化控制等，自動校準(zhǔn)、自動補(bǔ)償、自動判斷故障、優(yōu)化控制等，具有一定的人類智能作用。具有一定的人類智能作用。 獨(dú)立式智能儀器（簡稱智能儀器）獨(dú)立式智能儀器（簡稱智能儀器）智能儀器由于引入了計(jì)算機(jī)，功能強(qiáng)大，性能優(yōu)異，使用靈活、方便，是現(xiàn)階段高檔電子儀器的主體。如污染測試儀，強(qiáng)度測試儀，等都采用智能技術(shù)的現(xiàn)代化精密檢測儀器，又比如智能機(jī)

6、器人。 2. 2. 各個(gè)時(shí)期的發(fā)展各個(gè)時(shí)期的發(fā)展l基本工作原理基本工作原理下 頁上 頁返 回80年代初年代初將儀器中的測量部分配以相應(yīng)的接口電路組成將儀器中的測量部分配以相應(yīng)的接口電路組成各種儀器卡，插入到各種儀器卡，插入到PC機(jī)的插槽或擴(kuò)展槽內(nèi)，機(jī)的插槽或擴(kuò)展槽內(nèi)，以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)組成的智能儀器。以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)組成的智能儀器。將傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器與計(jì)算機(jī)的軟件硬件資源相結(jié)合，將傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器與計(jì)算機(jī)的軟件硬件資源相結(jié)合，利用利用PCPC機(jī)的硬件和軟件資源完成數(shù)據(jù)分析和顯示，機(jī)的硬件和軟件資源完成數(shù)據(jù)分析和顯示，儀器卡完成數(shù)據(jù)采集，具有較高的性價(jià)比。儀器卡完成數(shù)據(jù)采集，具有較高的性價(jià)比。l

7、特點(diǎn)特點(diǎn)可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的效能，靈活方便、可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的效能，靈活方便、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、擴(kuò)展性好。標(biāo)準(zhǔn)化程度高、擴(kuò)展性好。個(gè)人儀器（個(gè)人儀器（PC儀器）儀器）2. 2. 各個(gè)時(shí)期的發(fā)展各個(gè)時(shí)期的發(fā)展下 頁上 頁返 回80年代后期年代后期虛擬儀器（虛擬儀器（Virtual Instrument） 虛擬儀器虛擬儀器 以通用計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，加上特以通用計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，加上特定的硬件接口設(shè)備和為實(shí)現(xiàn)特定的硬件接口設(shè)備和為實(shí)現(xiàn)特定功能而編制的軟件而形成的定功能而編制的軟件而形成的一種新型儀器。一種新型儀器。 美國國家儀器（美國國家儀器（NI）公司提出）公司提出下 頁上 頁返 回三大組成模塊三大組成模塊計(jì)算

8、機(jī)計(jì)算機(jī)儀器模塊儀器模塊軟件軟件虛擬儀器虛擬儀器 個(gè)人計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)（各種通用計(jì)算機(jī)）（各種通用計(jì)算機(jī)）各種傳感器各種傳感器 信號調(diào)理器信號調(diào)理器 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析 過程通訊過程通訊 圖形用戶界面等軟件圖形用戶界面等軟件 虛擬儀器虛擬儀器下 頁上 頁返 回 計(jì)算機(jī)和儀器模塊組成了虛擬儀器硬件測計(jì)算機(jī)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、模試平臺，完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換等。當(dāng)硬件確數(shù)轉(zhuǎn)換以及輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換等。當(dāng)硬件確定后，用戶可以通過不同測試功能的軟件模塊定后，用戶可以通過不同測

9、試功能的軟件模塊（如數(shù)據(jù)分析、過程通訊以及圖形用戶界面等（如數(shù)據(jù)分析、過程通訊以及圖形用戶界面等軟件）的組合實(shí)現(xiàn)不同的功能。軟件）的組合實(shí)現(xiàn)不同的功能。同一個(gè)硬件系統(tǒng)，軟件不同，就同一個(gè)硬件系統(tǒng)，軟件不同，就可得到功能完全不同的測量儀器可得到功能完全不同的測量儀器 軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心 即：即：目前較流行的目前較流行的虛擬儀器軟件環(huán)境虛擬儀器軟件環(huán)境 文本式的編程語言文本式的編程語言 圖形化編程語言圖形化編程語言 如：C、Lab WindowsCVI， Visual Basic， Visual C+ 如：LabView、HPVEE 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)：虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)：

10、測量精度高、速度快、可重復(fù)性好、開關(guān)、測量精度高、速度快、可重復(fù)性好、開關(guān)、電纜少、系統(tǒng)組建時(shí)間短、測量功能易于擴(kuò)展等電纜少、系統(tǒng)組建時(shí)間短、測量功能易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，有最終取代大量的傳統(tǒng)儀器成為儀器領(lǐng)域優(yōu)點(diǎn)，有最終取代大量的傳統(tǒng)儀器成為儀器領(lǐng)域主流產(chǎn)品的趨勢主流產(chǎn)品的趨勢 。下 頁上 頁返 回 在測量測試領(lǐng)域，將儀器、昂貴的外圍設(shè)備、測在測量測試領(lǐng)域，將儀器、昂貴的外圍設(shè)備、測試對象以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，對測量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)地試對象以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，對測量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)地化、網(wǎng)絡(luò)化、以及測量結(jié)果信息資源共享化，使一臺化、網(wǎng)絡(luò)化、以及測量結(jié)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

11、統(tǒng)的成本，儀器為更多的用戶所使用，降低了測試系統(tǒng)的成本，實(shí)現(xiàn)資源共享，共同完成測試任務(wù)。實(shí)現(xiàn)資源共享，共同完成測試任務(wù)。這種借助于網(wǎng)絡(luò)這種借助于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)共享軟硬件的結(jié)合體稱為網(wǎng)通信技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)共享軟硬件的結(jié)合體稱為網(wǎng)絡(luò)化儀器絡(luò)化儀器。如網(wǎng)絡(luò)化流量計(jì)、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、網(wǎng)絡(luò)化。如網(wǎng)絡(luò)化流量計(jì)、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、網(wǎng)絡(luò)化示波器、網(wǎng)絡(luò)化分析儀和網(wǎng)絡(luò)化計(jì)量表等示波器、網(wǎng)絡(luò)化分析儀和網(wǎng)絡(luò)化計(jì)量表等. 網(wǎng)絡(luò)化儀器網(wǎng)絡(luò)化儀器網(wǎng)絡(luò)化儀器網(wǎng)絡(luò)化儀器網(wǎng)絡(luò)化儀器，如現(xiàn)場總線智能儀表，是適合在遠(yuǎn)程測網(wǎng)絡(luò)化儀器，如現(xiàn)場總線智能儀表，是適合在遠(yuǎn)程測控中使用的儀器，既可以像普通儀器那樣按設(shè)定程序控中使用的儀器

12、，既可以像普通儀器那樣按設(shè)定程序?qū)ο嚓P(guān)物理量進(jìn)行自動測量、控制、存儲和顯示測量對相關(guān)物理量進(jìn)行自動測量、控制、存儲和顯示測量結(jié)果及控制狀態(tài)；同時(shí)具有重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特征，經(jīng)結(jié)果及控制狀態(tài)；同時(shí)具有重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特征，經(jīng)授權(quán)的儀器使用者，通過授權(quán)的儀器使用者，通過Internet可以遠(yuǎn)程對儀器進(jìn)可以遠(yuǎn)程對儀器進(jìn)行功能操作、獲取測量結(jié)果并對儀器實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)置行功能操作、獲取測量結(jié)果并對儀器實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)置參數(shù)和故障診斷，控制其在參數(shù)和故障診斷，控制其在Internet上動態(tài)發(fā)布信息。上動態(tài)發(fā)布信息。它們與計(jì)算機(jī)一樣，成了網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，很方便它們與計(jì)算機(jī)一樣，成了網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，很方便地就能與就近

13、的網(wǎng)絡(luò)通信線纜直接連接，而且地就能與就近的網(wǎng)絡(luò)通信線纜直接連接，而且“即插即插即用即用”，直接將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)送上網(wǎng)；用戶通過瀏覽，直接將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)送上網(wǎng)；用戶通過瀏覽器或符合規(guī)范的應(yīng)用程序即可實(shí)時(shí)瀏覽到這些信息器或符合規(guī)范的應(yīng)用程序即可實(shí)時(shí)瀏覽到這些信息(包括處理后的數(shù)據(jù)、儀器儀表的面板圖像等包括處理后的數(shù)據(jù)、儀器儀表的面板圖像等)。 基于基于Internet的測控系統(tǒng)中前端模塊不僅完成信號的測控系統(tǒng)中前端模塊不僅完成信號的采集和控制，還兼顧實(shí)施對信號的分析與傳輸，的采集和控制，還兼顧實(shí)施對信號的分析與傳輸，使用者可以很方便地實(shí)現(xiàn)各種測量功能模塊的添加、使用者可以很方便地實(shí)現(xiàn)各種測量功能模塊

14、的添加、刪除以及不同網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的選擇。刪除以及不同網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的選擇。其次，對測量、控制信號等的傳輸，是建立在公共其次，對測量、控制信號等的傳輸，是建立在公共的的Internet上的。有了前端嵌入式模塊，系統(tǒng)的測上的。有了前端嵌入式模塊，系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)安全有效的傳輸便成為可能。量數(shù)據(jù)安全有效的傳輸便成為可能。再有，測得結(jié)果的表達(dá)和輸出也有了較大改進(jìn)，一再有，測得結(jié)果的表達(dá)和輸出也有了較大改進(jìn)，一方面，不管身在何處，使用者都可通過客戶機(jī)方便方面，不管身在何處，使用者都可通過客戶機(jī)方便地瀏覽到各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解設(shè)備現(xiàn)在的工作情況；地瀏覽到各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解設(shè)備現(xiàn)在的工作情況；另一方面，在客戶端的

15、控制中心，智能化軟件和數(shù)另一方面，在客戶端的控制中心，智能化軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都可被調(diào)用來對測得結(jié)果分析，以及為使據(jù)庫系統(tǒng)都可被調(diào)用來對測得結(jié)果分析，以及為使用者下達(dá)控制指令或作決策提供幫助。用者下達(dá)控制指令或作決策提供幫助。 網(wǎng)絡(luò)化儀器網(wǎng)絡(luò)化儀器可以使測試人員不受時(shí)間和空間的限制，可以使測試人員不受時(shí)間和空間的限制，隨時(shí)隨地獲取所需信息，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)測隨時(shí)隨地獲取所需信息，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備的遠(yuǎn)距離測試與診斷，提高測試效率，試設(shè)備的遠(yuǎn)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(kuò)展。減少測試人員的工作量，方便修改、擴(kuò)展。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任何地點(diǎn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問

16、，實(shí)可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任何地點(diǎn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問，實(shí)時(shí)獲得儀器的工作狀態(tài)；通過友好的用戶界面，對遠(yuǎn)時(shí)獲得儀器的工作狀態(tài)；通過友好的用戶界面，對遠(yuǎn)程儀器的功能和狀態(tài)進(jìn)行控制和檢測，將遠(yuǎn)程儀器測程儀器的功能和狀態(tài)進(jìn)行控制和檢測，將遠(yuǎn)程儀器測得的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迅速傳遞給本地計(jì)算機(jī)。得的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迅速傳遞給本地計(jì)算機(jī)。 實(shí)現(xiàn)過程：實(shí)現(xiàn)過程：網(wǎng)絡(luò)化儀器網(wǎng)絡(luò)化儀器 下 頁上 頁返 回網(wǎng)絡(luò)化儀器網(wǎng)絡(luò)化儀器 發(fā)展方向：發(fā)展方向：網(wǎng)絡(luò)化儀器是一種涉及多門學(xué)科、涵蓋范圍更網(wǎng)絡(luò)化儀器是一種涉及多門學(xué)科、涵蓋范圍更寬、應(yīng)用領(lǐng)域更廣的儀器范疇，可以做到從任何地寬、應(yīng)用領(lǐng)域更廣的儀器范疇，可以做到從任何地點(diǎn)、任意時(shí)間獲取所需要的

17、任何地方的測量信息。點(diǎn)、任意時(shí)間獲取所需要的任何地方的測量信息。儀器正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展。儀器正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展。下 頁上 頁返 回智能儀器是計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、數(shù)字智能儀器是計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、數(shù)字信號處理、人工智能、信號處理、人工智能、VLSI等新興技術(shù)與傳等新興技術(shù)與傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)的結(jié)合。隨著專用集成電路、統(tǒng)儀器儀表技術(shù)的結(jié)合。隨著專用集成電路、個(gè)人儀器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智個(gè)人儀器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器將會得到更加廣泛的應(yīng)用。作為智能能儀器將會得到更加廣泛的應(yīng)用。作為智能儀器核心部件的單片計(jì)算機(jī)技術(shù)是推動智能儀器核心部件的單

18、片計(jì)算機(jī)技術(shù)是推動智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發(fā)展的動力。可以預(yù)料，各種功能的智能儀發(fā)展的動力。可以預(yù)料，各種功能的智能儀器將會廣泛地使用在各個(gè)領(lǐng)域。器將會廣泛地使用在各個(gè)領(lǐng)域。 智能儀器發(fā)展前景智能儀器發(fā)展前景下 頁上 頁返 回1.21.2智能儀器發(fā)展趨勢智能儀器發(fā)展趨勢 隨著微電子、微機(jī)械、信息等技術(shù)的不斷發(fā)展，使具有隨著微電子、微機(jī)械、信息等技術(shù)的不斷發(fā)展，使具有傳統(tǒng)智能儀器功能、體積小的微型智能儀器技術(shù)不斷成熟，在傳統(tǒng)智能儀器功能、體積小的微型智能儀器技術(shù)不斷成熟，在自動化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療等領(lǐng)域具有獨(dú)特的自動化技術(shù)、航

19、天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療等領(lǐng)域具有獨(dú)特的作用。隨其價(jià)格的不斷降低，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。作用。隨其價(jià)格的不斷降低，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。1 1、微型化、微型化 多功能是智能儀器儀表的一個(gè)特點(diǎn)。例如，為了設(shè)計(jì)速多功能是智能儀器儀表的一個(gè)特點(diǎn)。例如，為了設(shè)計(jì)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)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)品不但在性能上比專用脈沖發(fā)生器。這種多功能的綜合型產(chǎn)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

20、能上提供了較好的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。解決方案。 2 2、多功能化、多功能化下 頁上 頁返 回 人工智能是利用計(jì)算機(jī)模擬人的智能，使智能儀器在視覺人工智能是利用計(jì)算機(jī)模擬人的智能，使智能儀器在視覺(圖形及色彩圖形及色彩)、聽覺、聽覺(語音識別及語言領(lǐng)悟語音識別及語言領(lǐng)悟)、思維、思維(推理、判斷、推理、判斷、學(xué)習(xí)與聯(lián)想學(xué)習(xí)與聯(lián)想)等方面代替一部分人的腦力勞動，具有一定的人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(yù)可自主地完成檢測或控制任務(wù)，解工智能作用，無需人的干預(yù)可自主地完成檢測或控制任務(wù)，解決用傳統(tǒng)方法很難解決或根本無法解決的

21、問題。決用傳統(tǒng)方法很難解決或根本無法解決的問題。3 3、人工智能化、人工智能化 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟提供了將測控、計(jì)算機(jī)和通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟提供了將測控、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)實(shí)可能。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各個(gè)分散的測量儀信技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)實(shí)可能。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各個(gè)分散的測量儀器設(shè)備連在一起，各儀器設(shè)備之間通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)、信息，器設(shè)備連在一起，各儀器設(shè)備之間通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)、信息，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)、信息跨地域、跨時(shí)間的傳輸與交換，使測量不實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)、信息跨地域、跨時(shí)間的傳輸與交換，使測量不再是單個(gè)儀器設(shè)備相互獨(dú)立操作的簡單組合，而是一個(gè)統(tǒng)一的再是單個(gè)儀器設(shè)備相互獨(dú)立操作的簡單組合，而是一

22、個(gè)統(tǒng)一的高效的整體，實(shí)現(xiàn)各儀器資源的共享和測量功能的優(yōu)化，是國高效的整體，實(shí)現(xiàn)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(lǐng)域的防、通信、鐵路、航空、航天、氣象以及制造等行業(yè)或領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。發(fā)展趨勢。4 4、網(wǎng)絡(luò)化、網(wǎng)絡(luò)化下 頁上 頁返 回1.3 1.3 智能儀器的分類、組成和特點(diǎn)智能儀器的分類、組成和特點(diǎn) 1.3.11.3.1智能儀器的分類智能儀器的分類智能儀器系統(tǒng)智能儀器系統(tǒng) 微機(jī)內(nèi)嵌（內(nèi)藏）式微機(jī)內(nèi)嵌（內(nèi)藏）式 微機(jī)擴(kuò)展式微機(jī)擴(kuò)展式 下 頁上 頁返 回微機(jī)內(nèi)嵌式微機(jī)內(nèi)嵌式 : 將微機(jī)作為核心部件嵌入到智能儀器中，儀將微機(jī)作為核心部件嵌入到智能儀

23、器中，儀器包含一個(gè)或多個(gè)微機(jī)，屬于嵌入式系統(tǒng)器包含一個(gè)或多個(gè)微機(jī)，屬于嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）。利用微機(jī)強(qiáng)大的功能）。利用微機(jī)強(qiáng)大的功能完成信號調(diào)理、完成信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理、數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理、數(shù)據(jù)存儲、顯示、打印、通信等各項(xiàng)任務(wù)。顯示、打印、通信等各項(xiàng)任務(wù)。 高級汽車的燃料噴射系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、音響高級汽車的燃料噴射系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、音響部分、部分、ABS系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)等多處都含有微機(jī)等多處都含有微機(jī) 舉例：舉例：下 頁上 頁返 回微機(jī)擴(kuò)展式微機(jī)擴(kuò)展式 ： 將檢測功能擴(kuò)展到微機(jī)中，由特定的硬件模將檢測功能擴(kuò)展

24、到微機(jī)中，由特定的硬件模塊完成被測輸入信號的采集，放大，以及輸出信塊完成被測輸入信號的采集，放大，以及輸出信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換等功能，利用微機(jī)的硬件和軟件資號的數(shù)模轉(zhuǎn)換等功能，利用微機(jī)的硬件和軟件資源完成數(shù)據(jù)分析和顯示，給使用者的感覺首先是源完成數(shù)據(jù)分析和顯示，給使用者的感覺首先是一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)。一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)。 前面介紹的個(gè)人儀器、前面介紹的個(gè)人儀器、VXI總線儀器、虛擬總線儀器、虛擬儀器等屬于微機(jī)擴(kuò)展式儀器。儀器等屬于微機(jī)擴(kuò)展式儀器。舉例舉例微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器是智能儀器微機(jī)內(nèi)嵌式智能儀器是智能儀器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本書著重介紹。設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本書著重介紹。注意：下 頁上 頁返 回1.3.21.3.2智能儀器

25、的組成智能儀器的組成智能智能儀器儀器硬件硬件軟件軟件 人機(jī)接口電路人機(jī)接口電路微處理器微處理器存儲器存儲器輸入通道輸入通道通信接口電路等部分通信接口電路等部分核心作用核心作用程序存儲器程序存儲器 數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器 存儲程序存儲程序 和數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù) 傳感器傳感器信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 完成信號的濾完成信號的濾波、放大、模波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等數(shù)轉(zhuǎn)換等 輸出通道輸出通道D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路放大驅(qū)動電路放大驅(qū)動電路執(zhí)行部件執(zhí)行部件 將處理器處理后將處理器處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號為模擬信號鍵盤鍵盤 顯示器顯示器 實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)或?qū)崿F(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)或其它儀器

26、的聯(lián)系其它儀器的聯(lián)系 下 頁上 頁返 回 微機(jī)內(nèi)嵌式基本結(jié)構(gòu)微機(jī)內(nèi)嵌式基本結(jié)構(gòu) :下 頁上 頁返 回1.3.2 1.3.2 智能儀器的特點(diǎn)智能儀器的特點(diǎn) 1) 操作自動化操作自動化 儀器的整個(gè)測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)閉合、儀器的整個(gè)測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)閉合、數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理以及顯示打印等功能用微控制器控制，數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理以及顯示打印等功能用微控制器控制，實(shí)現(xiàn)了測量過程的自動化。實(shí)現(xiàn)了測量過程的自動化。 2) 自測功能自測功能 自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動校準(zhǔn)、自診斷及量程自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動校準(zhǔn)、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換、觸發(fā)電平自動調(diào)整、自補(bǔ)

27、償、自適應(yīng)等，能適應(yīng)外自動轉(zhuǎn)換、觸發(fā)電平自動調(diào)整、自補(bǔ)償、自適應(yīng)等，能適應(yīng)外界的變化。比如：能自動補(bǔ)償環(huán)境溫度、壓力等對被測量的影界的變化。比如：能自動補(bǔ)償環(huán)境溫度、壓力等對被測量的影響，能補(bǔ)償輸入的非線性，并根據(jù)外部負(fù)載的變化自動輸出與響，能補(bǔ)償輸入的非線性，并根據(jù)外部負(fù)載的變化自動輸出與其匹配的信號等。自校準(zhǔn)自學(xué)習(xí)通過自校準(zhǔn)其匹配的信號等。自校準(zhǔn)自學(xué)習(xí)通過自校準(zhǔn)(校準(zhǔn)零點(diǎn)、增益等校準(zhǔn)零點(diǎn)、增益等)來保證自身的準(zhǔn)確度。自診斷能檢測出故障的部位甚至故障的來保證自身的準(zhǔn)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(shí)運(yùn)行，也可在儀器工作中原因。自測試功能可以在儀器啟動時(shí)運(yùn)

28、行，也可在儀器工作中運(yùn)行，極大地方便了儀器的維護(hù)。運(yùn)行，極大地方便了儀器的維護(hù)。 下 頁上 頁返 回3)數(shù)據(jù)分析和處理功能數(shù)據(jù)分析和處理功能 采用了單片機(jī)或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯電采用了單片機(jī)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(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流加以解決。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，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(diǎn)平移、取平均值

29、、求極而且還具有對測量結(jié)果進(jìn)行諸如零點(diǎn)平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計(jì)分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，使用戶從繁重的數(shù)據(jù)值、統(tǒng)計(jì)分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來，而且有效提高了儀器的測量精度。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(jī)對話功能友好的人機(jī)對話功能 使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān)，操作人員通過鍵盤使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān)，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(shè)置參數(shù)。同時(shí)，智能輸入命令，用對話方式選擇測量功能和設(shè)置參數(shù)。同時(shí)，智能儀器能輸出多種形式的數(shù)據(jù)，如通過顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、儀器能輸出多種形式的數(shù)據(jù)，如通過顯示屏

30、將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及處理結(jié)果以數(shù)字或圖形形式輸出。工作狀態(tài)以及處理結(jié)果以數(shù)字或圖形形式輸出。 1.3.2 1.3.2 智能儀器的特點(diǎn)智能儀器的特點(diǎn) 下 頁上 頁返 回5) 可程控操作能力可程控操作能力 一般都配有一般都配有GPIB、RS232C、RS485、USB等標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可以接收計(jì)算機(jī)的命令，使其具有可程控操通信接口，可以接收計(jì)算機(jī)的命令，使其具有可程控操作的功能，方便與作的功能，方便與PC機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要機(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)，完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。的多種功能的自動測量系統(tǒng)，完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。 注意：智能儀器還能通過自

31、學(xué)習(xí)學(xué)會處理更多更復(fù)雜的智能儀器還能通過自學(xué)習(xí)學(xué)會處理更多更復(fù)雜的程序。但不是所有的智能儀器都必須具備上述所有功程序。但不是所有的智能儀器都必須具備上述所有功能，在設(shè)計(jì)具體的智能儀器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定其能，在設(shè)計(jì)具體的智能儀器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定其功能。功能。1.3.2 1.3.2 智能儀器的特點(diǎn)智能儀器的特點(diǎn) 重要性 ： 微處理器（MPU）是智能儀器的核心部件，智能儀器硬件和軟件的設(shè)計(jì)與微處理器有著密切的關(guān)系，微處理器的結(jié)構(gòu)和特性對智能儀器的性能也有很大影響。 內(nèi)容 ： 基于 8051內(nèi)核的單片機(jī)、PIC系列單片機(jī)、基于ARM內(nèi)核的單片機(jī)、基于AVR的單片機(jī)、DSP型單片機(jī)。1.4 智能儀

32、器中微處理器的選擇智能儀器中微處理器的選擇1.4.1 1.4.1 單片機(jī)概述單片機(jī)概述 單片機(jī)是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、時(shí)鐘、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行、并行I/O口等的微型計(jì)算機(jī)，有些型號的單片機(jī)包括A/D、D/A、模擬比較器、脈寬調(diào)制器、USB口等，功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低、支持軟件多、便于開發(fā)，智能儀器多選單片機(jī)作為智能控制部件。不同單片機(jī)的區(qū)別主要是在CPU的字長、結(jié)構(gòu)，存儲器的容量和種類，以及I/O功能等方面。在選擇具體型號時(shí)，應(yīng)考慮字長、指令功能、尋址范圍、尋址方式、內(nèi)部存儲器容量、位處理、中斷處理能力、配套硬件、芯片價(jià)格及開發(fā)平臺等。字長:4位、8位、16位、32位。 8

33、位單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，應(yīng)用 廣泛。本書智能控件以八位單片機(jī)為主指令系統(tǒng)：指令越豐富，尋址方式越多，操作功能 越強(qiáng)，編程更加靈活，但并不是越多越好，應(yīng)面向具體問題。CISC:數(shù)據(jù)線和指令線分時(shí)復(fù)用,取指令和取數(shù)據(jù)不 能同時(shí)進(jìn)行，速度受限，價(jià)格亦高 PISC:數(shù)據(jù)線和指令線分離,提高了運(yùn)算速度,這種單片機(jī)指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，便于超小型化設(shè)計(jì)。比如：Microchip的PIC系列、Zilog的286系列、Atmel的AT90S系列等。 1.4.1 1.4.1 單片機(jī)概述單片機(jī)概述 早期的單片機(jī)(8031)系統(tǒng)，基本采用傳統(tǒng)的三總線結(jié)構(gòu)，由單片機(jī)及簡單外圍電路構(gòu)

34、成，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線、控制線。在此基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展成需要的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種單片機(jī)指令功能強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)。它可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域，尤其適于用于控制對象比較復(fù)雜的某些場合。如智能儀器儀表、通信產(chǎn)品、工業(yè)控制系統(tǒng)。但采用傳統(tǒng)并行總線結(jié)構(gòu)的單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)外部硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化困難，系統(tǒng)資源利用率較低，加上單片機(jī)應(yīng)用的廣泛性及多樣性，帶有各種總線接口的單片機(jī)不斷推出。如帶I2C總線的單片機(jī)、帶CAN總線的單片機(jī)、帶USB總線的單片機(jī)，以及帶以太網(wǎng)接口的單片機(jī)等。1.4.1 1.4.1 單片機(jī)概述單片機(jī)概述 目前常用的單片機(jī)有Intel 公司的MCS-51/52系列、Motorola 公司MC6

35、8系列、PIC16CXX系列及與之兼容的多種改進(jìn)升級型芯片，如Philip公司的80C51系列等。另外，美國Silabs公司的F系列單片機(jī)如C8051F02X，在需要AD、DA、比較器、多端口、多中斷時(shí)比較合適的。Philips公司的LPC92X是一款較低價(jià)位的單片機(jī)，適合于許多集成度高、成本低的場合，如LPC920/921/922采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，集成了許多系統(tǒng)級的功能，指令執(zhí)行時(shí)間只需2到4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本，可以滿足多方面的性能要求。1.4.1 1.4.1 單片機(jī)概述單片機(jī)概述1.4.21.4.2基于基于 8

36、051 8051內(nèi)核的單片機(jī)內(nèi)核的單片機(jī) MCS-51系列單片機(jī)是20世紀(jì)80年代由美國Intel公司推出的一種8位單片機(jī)，主要有8031系列，8051系列。其片內(nèi)集成并行I/O口、串行I/O口、16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、RAM、ROM等。最高時(shí)鐘頻率為12MHz，指令系統(tǒng)采用CISC體系?？偩€結(jié)構(gòu)為三總線。 優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)性能及開發(fā)手段都較成熟，高性能，高速度，體積小，價(jià)格低廉，可重復(fù)編程和方便功能擴(kuò)展 應(yīng)用領(lǐng)域：智能儀器設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化設(shè)備、家電產(chǎn)品及玩具 1.4.3 MSP4301.4.3 MSP430系列單片機(jī)系列單片機(jī) MSP430系列單片機(jī)是美國TI（德州儀器）公司1996年推出的超低功耗

37、、高集成度的16位單片機(jī)，由CPU、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、外圍模塊、振蕩器/系統(tǒng)時(shí)鐘模塊和控制電路組成，對存儲器進(jìn)行統(tǒng)一編址，利用公共存儲器空間對系統(tǒng)全部功能模塊進(jìn)行尋址。特點(diǎn)：運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域：家用儀表、液晶顯示的智能化儀器智能檢測與 控制系統(tǒng)、醫(yī)療與運(yùn)動設(shè)備、家用電器和保安系統(tǒng)等1.4.4 PIC1.4.4 PIC系列單片機(jī)系列單片機(jī) PIC系列單片機(jī)是Microchip公司的產(chǎn)品，在單片機(jī)行業(yè)首先引入RISC結(jié)構(gòu)，是嵌入式應(yīng)用的主流產(chǎn)品。采用精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）和哈佛雙總線、兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性價(jià)比的8位微處理器。特點(diǎn)：高速、低電壓、低功耗、I/O口驅(qū)動能力強(qiáng)、一次 性編程OTP、芯片的價(jià)格低、體積小、指令簡單、指令數(shù)量少、易學(xué)易用。應(yīng)用領(lǐng)域：辦公自動化設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品、通信、智能儀器儀表、汽車電子、金融電子和工業(yè)控制等。1.4.51.4.5基于基于ARMARM內(nèi)核的單片機(jī)內(nèi)核的單片機(jī)ARM（Advanced RISC