智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)和應(yīng)用實例

1、智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)和應(yīng)用實例 本門課程的特點：1、是測控技術(shù)與儀器學科的專業(yè)課2、課程具有很強實踐性 3、課程涉及的知識面廣4、是一門工程性、應(yīng)用性都非常強的課程 課程特點 課程內(nèi)容1、緒論2、智能儀器的硬件技術(shù)3、智能儀器的軟件技術(shù)4、由智能儀器組成的測控系統(tǒng)5、智能儀器的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)6、應(yīng)用實例課程內(nèi)容課程教材和參考書課程教材和參考書 教材：王祁主編智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)， 機械工業(yè)出版社 2010年 參考書：1、趙茂泰，智能儀器原理及應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，19992、孫宏軍等，智能儀器儀表，清華大學出版社，20073、尚振東張勇智能儀器工程設(shè)計 西安電子科技大學出版社 20074、張元良等，智能儀

2、表設(shè)計實用技術(shù)及實例 ,機械工業(yè)出版社 5、趙新民 智能儀器設(shè)計基礎(chǔ) , 哈爾濱工業(yè)大學出版社 6、付華 等，智能儀器設(shè)計 北京，國防工業(yè)出版社課程的考核方式1、平時考核成績，約占10%2、實驗成績，約占20%3、課程設(shè)計，約占20%4、課程結(jié)業(yè)綜合考試，約占50% 本課程總成績的組成第一部分 緒論緒論一、儀器儀表概述1.儀器儀表定義、作用、行業(yè)分類儀器儀表是信息獲取的手段、是認識世界的工具，是一個系統(tǒng)或裝置。最基本的作用：是延伸擴展補充或代替人的聽覺、 視覺、觸覺等器官的功能。測量儀器，分析儀器，生物醫(yī)療儀器，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

3、民經(jīng)濟各個部門，深入到人民生活的各個角落。 緒論緒論幾何量：長度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測量儀器等 機械量：各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量儀、力矩測量儀、振動測量儀等熱工量：溫度、濕度、流量測量儀器等光學參數(shù)：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學傳遞函數(shù)測量儀等。電離輻射：各種放射性、核素計量，X、射線及中子計量儀器等。 2、八類測試計量儀器緒論時間頻率：各種計時儀器與鐘表、銫原子鐘、時 間頻率測量儀等 電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率表、RLC測量儀、靜電儀、磁參數(shù)測量儀等無線電參數(shù)測量儀器 ：如示波器、信號發(fā)生器、相位測量儀、頻譜分析儀、動態(tài)信號分析儀等。集成

4、電路測試儀器:緒論3、儀器儀表的發(fā)展過程第一代為指針式（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緒論第一代是摸擬式電子儀器 基本結(jié)構(gòu)：電磁式 原理：基于電磁測量原理，使用指針來顯示最終的測量結(jié)果。舉例：大量指針式的電壓表、電流表、功率表及一些通用的測試儀器，均是典型的模擬式儀器。特點：這一代儀器功能簡單，精度低，響應(yīng)速度慢。 緒論第二代是數(shù)字式電子儀器 它們的基本結(jié)構(gòu)中離不開A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將待測的模擬信 號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示。它的精度高，速度快，讀數(shù)清晰、直觀，結(jié) 果可打印輸出，也容易與計算機技術(shù)相結(jié)合。同時因數(shù)字信號便于遠距離傳輸，所以數(shù)字 式電

5、子儀器適用于遙測和遙控。 緒論第三代就是智能儀器 它是在數(shù)字化的基礎(chǔ)上用微處理器裝備起來的，是計算機技術(shù)與電子儀器相結(jié)合的產(chǎn)物。它具有數(shù)據(jù)存儲、運算、邏輯判斷能力，能根據(jù)被測參數(shù)的變化自選量程，可自動校正、自動補償、自尋故障等，可以做一些需要人類的智慧才能完成的工作，即具備了一定的智能，故被稱為智能儀器。緒論4、智能儀器的概念智能儀器是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子集成技術(shù)等多學科技術(shù)與傳統(tǒng)測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計算機或微處理器的測量(或檢測)儀器，它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用(表現(xiàn)為智能的延伸或加強等) 。1984年：我國儀器學會成

6、立“自動測試與智能儀器專業(yè)學組”；1986年：IMEKO(國際測量聯(lián)合會)以“智能儀器”為主題召開了專門的討論會；1988年：IFAC (國際自動控制聯(lián)合會) 的理事會正式確定“智能元件及儀器”。緒論近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展。模糊判斷、故障診斷、容錯技術(shù)、傳感器融合、機件壽命預測等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。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(shè)計的里程碑。 儀器儀表是： 國民經(jīng)濟的“倍增器”科學研究的“先行官”現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“戰(zhàn)斗力”法庭審判的“物化法官”5、對儀器儀表重要性的認識緒論門捷列夫：“科學是從測量開始的”錢學森：“新技

7、術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)是信息技術(shù)。信息技術(shù)由測量技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成。測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)” 科學儀器是信息的源頭 科學儀器產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)緒論王大珩院士：“能不能創(chuàng)造高水平的科學儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個民族、一個國家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學儀器設(shè)備應(yīng)當視為國家戰(zhàn)略” 緒論英國著名科學家曾經(jīng)明確指出：“Nothing begets good science like development of a good instrument”（發(fā)展一種好的儀器對于一門科學的貢獻超過了任何其他事情） 緒論美國能源部杰出科學家R. F. Hirsch博士在最近一篇獲獎演說中指出：“由新工具開創(chuàng)的科學新方向遠

8、比由新概念開創(chuàng)的科學新方向要多。由概念驅(qū)動的革命影響是用新概念去闡明舊事物。而由工具驅(qū)動的革命影響是去發(fā)現(xiàn)需要闡明的新事物”緒論智能儀器四個層次 高級人工智能趨勢系統(tǒng)辨識、模式識別初級智能計算機、信號處理聰敏電子、傳感、測量兼容聰敏儀器類 初級智能儀器類 模型化智能儀器類 高級智能儀器類 1.分類二、智能儀器分類、基本結(jié)構(gòu)與特點緒論其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型:微機內(nèi)嵌式微機擴展式將單片或多片的微處理器與傳統(tǒng)儀器有機地結(jié)合在一起形成的單機，其形態(tài)是儀器。以個人計算機(PC)為核心的應(yīng)用擴展型測量儀器。個人計算機儀器(PCI)或稱微機卡式儀器。其形態(tài)可以是計算機。緒論 2.智能儀器的基本結(jié)構(gòu) MCUR

9、AM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USBLAN打印機面板（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)輸入通道輸出通道緒論微機擴展式智能儀器的基本結(jié)構(gòu)個人計算機總線擴展槽軟件儀器插件n通用接口儀器插件2儀器插件1電源PC總線擴展底板或外部插件箱GPIB總線緒論 個人儀器結(jié)構(gòu)圖 普通臺式PCI工控機PCI筆記本PCI微機擴展式緒論測量過程的軟件控制： CPU 軟件控制測量過程 “以軟代硬” 靈活性強、可靠性強數(shù)據(jù)處理 ： 數(shù)字濾波、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 相關(guān)、卷積、反卷積、幅度譜、相位譜、功率譜等信號分析提供更多高質(zhì)量的

10、信息多功能化 ：一機多用(如智能化電力需求分析儀) 3.智能儀器的特點緒論 60年代末，數(shù)字化儀器的自動化程度已經(jīng)很高，如可實現(xiàn)自穩(wěn)零放大、自動極性判斷、自動量程切換、自動報警、過載保護、非線性補償、多功能測試、數(shù)百點巡回檢測等等。但隨著上述功能的增加，使其硬件結(jié)構(gòu)越來越復雜，而導致體積及重量增大、成本上升、可靠性降低，給其進一步的發(fā)展造成很大困難。但當引入微計算機技術(shù)，使測量過程改用軟件控制之 后，上述困難即得到很好的解決，它不僅簡化了硬件結(jié)構(gòu)、縮小了體積及功耗、提高了可靠性、增加了靈活性，而且使儀器的自動化程度更高，如實現(xiàn)簡單人機對話、自檢、 自診、自校準以及CRT顯示及輸出打印和制圖等等

11、。這就是人們常說的“以軟（件）代硬（件）”的效果。 軟件轉(zhuǎn)換帶來很大的方便，而且靈活性很強，當需改變功能時，只改變程序即可，并不需要改變硬件結(jié)構(gòu)。因此，靈活性強，但工作速度相對硬件邏輯較慢，這是軟件控制的特點。這一特點，使它在一些要求速度很高的地方，如實時處理或?qū)崟r控制等方面的應(yīng)用受到一定限制。 在提高測量精確度方面，大量的工作是對隨機誤差及系統(tǒng)誤差進行處理。過去傳統(tǒng)的方法是用手工的方法對測量結(jié)果進行事后處理，不僅工作量大，效率低，而且往往會受到一些主觀因素的影響，使處理的結(jié)果不理想。在智能儀器中采用軟件對測量結(jié)果進行及時的、在線的處理可收到很好的效果，不僅方便、快速，而且可以避免主觀因素的影

12、響，使測量的精確度及處理結(jié)果的質(zhì)量都大為提高。由于可以實現(xiàn)各種算法，不僅可實現(xiàn)各種誤差的計算及補償，而且使在線測量儀器中常遇到的諸如非線性校準等問題也易于解決。 對測量結(jié)果的再加工，可使智能儀器提供更多高質(zhì)量的信息量。例如，一些信號分析儀器在微計算機的控制下，不僅可以實時采集信號的實際波形，在CRT上復現(xiàn)，并可在時間軸上進行展開或壓縮，還可對所采集的樣本進行數(shù)字濾波，將淹沒于干擾中的信號提取出來；也可對樣本進行時域的（如相關(guān)分析、卷積、反卷積，傳遞函數(shù)等）或頻域的（如幅值譜、相位譜、功率譜等）分析。這樣就可以從原有的測量結(jié)果中提取更多的信息量。這類智能儀器在生物醫(yī)療、語音分析、模式識別和故障診

13、斷等各個方面有廣泛的應(yīng)用。 智能儀器的測量過程、軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能使一機多用的多功能化易于實現(xiàn)，成為這類儀器的又一特點。例如，用于電力系統(tǒng)電能管理的一種智能化電力需求分析儀可以測量單相或三相電源的有功功率、無功功率、視在功率、電能、頻率、各相電壓、電流、功率因數(shù)等，還可測量出電能利用的峰值、峰時、谷值、谷時及各項超界時間，可以預置用電量需求計劃、自備時鐘及日歷，具有自動記錄、打印、報警及控制等許多功能。這樣多的功能如果不用微機控制，在一臺儀器中是難以實現(xiàn)的。 傳感器技術(shù) A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強儀器的 性能與測量范圍 單片機與DSP的廣泛應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC) ASIC

14、、FPGACPLD技術(shù) LabVlEW等圖形化軟件技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 三、推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù)緒論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)化傳感器(Networked Sensor) 緒論 傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時代的產(chǎn)物。它的設(shè)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，因而被稱為“聾啞傳感器”。聾啞傳感器緒論微電子技術(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，尤其是計算機

15、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、自補償?shù)男乱淮鷤鞲衅髦悄軅鞲衅?。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感技術(shù)的一次革命，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。 智能傳感器緒論網(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、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，就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)傳感器；為解決現(xiàn)場總線的多樣性問題，IEEEl4512工作組建立了智能傳感器接口模塊(STIM)標準，該標準描述了傳感器網(wǎng)絡(luò)適配器或微處理器之間的硬件和軟件接口，是IEEEl45

16、1網(wǎng)絡(luò)傳感器標準的重要組成部分，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)展可大大提高信號檢測能力，進而推動智能儀器總體性能的提高。 緒論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)高速信號采集的關(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)智能儀器的多功能化。2、A/D等新器件增強儀器的功能與測量范圍緒論3.單片機、DSP處理器廣泛應(yīng)用單片機:8031、8051、89C51、MSP430、AVR、 ARM

17、TMS320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、FFF、相關(guān)、卷積等信號處理能力。新型DSP芯片接口功能大大加強，甚至集成了DSP與ARM雙核。緒論許多公司還采用了數(shù)字模擬混合集成技術(shù)，將AD、DA、鎖相環(huán)以及USB、CAN總線接口等都集成到單片機中，大大地減少片外附加器件的數(shù)目，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。 51系列單片機的時鐘頻率目前可以提高至3340MHz，提升到20 MIPS。集成片上Flash存儲器，集成密度高并實現(xiàn)了ISP(在系統(tǒng)燒錄程序)和IAP(在應(yīng)用燒錄程序)。例

18、如Philips公司P89C51RC2RD2、32KB64KBFlash存儲器，8KB容量的RAM。瑞典Xemic公司生產(chǎn)的XE8301，其工作電壓的范圍為，1 MIPS時電流為200A，暫停模式下僅需要1A電流維持時鐘的運行。4、嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC)將使 智能儀器的設(shè)計提升到一個新階段 計算機可以分成通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)(簡稱嵌入式系統(tǒng))。而嵌入式系統(tǒng)則是指把微處理器、單片機(微控制器)、DSP芯片等作為“控制與處理部件”，雖然嵌入式系統(tǒng)的核心是計算機，但它是以某種設(shè)備的形式出現(xiàn)的，其外觀不再具備計算機的形態(tài)。很顯然，智能儀器屬于嵌入式系統(tǒng)，它雖然以微型計算機為核心，但

19、它不以計算機的形態(tài)出現(xiàn)；而是作為宿主設(shè)備的控制器智能地體現(xiàn)儀器設(shè)備的功能。緒論 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展曾出現(xiàn)過兩次高潮。1976年8048微控制器的問世和1980年MCS-5l微控制器的問世，推動了第一次嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的浪潮。 經(jīng)過20世紀90年代PC機技術(shù)大發(fā)展的孕育，又迅速掀起了第二次嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的浪潮。這次嵌入式系統(tǒng)的明顯特點是肢解了PC機最新兩項成熟技術(shù)：互聯(lián)網(wǎng)和多媒體。 為了滿足互聯(lián)網(wǎng)和多媒體嵌入式設(shè)備的高速性和實時編解碼的復雜技術(shù)需要，支持嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動通信設(shè)備、多媒體設(shè)備的開發(fā)，第二次嵌入式系統(tǒng)的主力器件已讓位于32位的DSP-RISC雙核結(jié)構(gòu)的微處理器。很顯然，這類微處理器也

20、為智能儀器網(wǎng)絡(luò)化和智能化的進一步擴展提供了堅實的基礎(chǔ)。 嵌入式系統(tǒng)的深入發(fā)展將使智能儀器的設(shè)計提升到一個新的階段，尤其是能運行操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)平臺，由于它具備多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口、文件和目標管理等功能，并具有大量的應(yīng)用程序接口(API)，將會使研制復雜智能儀器變得容易。緒論 片上系統(tǒng)(SOC)的發(fā)展更是為智能儀器的開發(fā)及性能的提高開辟了更加廣闊的前景。 SOC的核心思想就是要把整個應(yīng)用電子系統(tǒng)(除無法集成的電路)全部集成在一個芯片中，避免了大量PCB板的設(shè)計及板級調(diào)試工作；SOC是以功能IP(Intellectual Property)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)固件和電路綜合技術(shù)。 在SOC設(shè)計中

21、，設(shè)計者面對的不再是電路芯片，而是根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)的固件特性和功能要求，選擇相應(yīng)的單片機CPU內(nèi)核和成熟優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊，這樣就基本上消除了器件信息障礙，加快了設(shè)計速度，SOC將使系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)發(fā)生革命性的變化，這標志一個全新時代已經(jīng)到來。 緒論5、ASIC、FPGACPLD技術(shù)ASIC(Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路)無論在價格、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，對儀器設(shè)計者來說，很有意義的一項工作是把一些性能要求很高的線路單元設(shè)計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。緒論FPGA(Fi

22、eld Programmable Gates Array，現(xiàn)場可編程門陣列)CPLD(Complex Programmable Logic Device，復雜可編程邏輯器件)FPGACPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應(yīng)用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。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)部硬件連接關(guān)系的描述，就能實現(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)

23、集成。應(yīng)用FPGACPLD的優(yōu)點 （2）FPGACPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承擔投片風險和費用，設(shè)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)境來完成芯片的功能設(shè)定。研制開發(fā)費用相對較低。 （3） FPGACPLD芯片和EPROM(Flash存儲器)配合使用時，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下用不同的EPROM(Flash存儲器)就可實現(xiàn)不同的功能。 （4）FPGACPLD芯片的電路設(shè)計周期很短。軟件包中不但有各種輸入工具和仿真工具，而且還有版圖設(shè)計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)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，直至最后芯片的制作(物理版圖映射)。當電路有少量改動時，更能顯示出FPGACPLD的優(yōu)勢。它大大加快了新產(chǎn)品的試制速度，減少了庫存風險與設(shè)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(yīng)變能力。 （5）電路設(shè)計