智能儀器課件1

1、智能儀器史麗紅F樓203TELQ：748991207態(tài)度方式效率There is always a better way!凡事一定有更好的方法！綜合成績評定本課程期末最終成績主要由以下兩部分組成：平時成績（20）【課堂考勤、作業(yè)】期末考試成績（80）智能儀器課程框架數(shù)據(jù)采集技術(shù)集成設(shè)計基本型智能儀器人機(jī)接口與通信數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計方法可靠性與抗干擾技術(shù)可測試性技術(shù)設(shè)計原則步驟與實例虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化儀器一、儀器儀表概述 儀器儀表、智能儀器、重要性認(rèn)識 二、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點 4個層次、3個特點、2種結(jié)構(gòu)三、推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù) 傳感器， A/D, 單片機(jī)和

2、PC，DSP, 嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC)， FPGA/CPLD, 軟件，網(wǎng)絡(luò)與通信第一章 概述1、儀表 儀表(meter)名稱使用比較久，其設(shè)計目的為測量時間、距離、速度、強(qiáng)度等實現(xiàn)顯示、記錄或控制數(shù)量和流量，如控制氣體流量和電流。 雙金屬溫度計 一、儀器儀表概述 (Instrument)儀表的功能一般比較單一，通常是測量某一個信號并將它顯示出來或傳送給其它設(shè)備，或經(jīng)過變換傳送給執(zhí)行器。在化工、熱工及自動化生產(chǎn)過程中經(jīng)常用到各種儀表，在日常生活中也有如水表，電表，汽車上的速度表等。當(dāng)儀表需要輸出控制量來控制其它設(shè)備時，通常被稱為控制儀表，在自動控制系統(tǒng)中廣泛使用控制儀表有調(diào)節(jié)器，變送器，

3、運算器、執(zhí)行器等。電磁流量計 1151型壓力變送器 右圖為UL型阻移式物位計，它能對開口料倉與密閉料倉中的粉狀、顆粒狀、塊狀物料進(jìn)行檢測、報警及自動控制?？梢栽阡撹F、耐火、水泥、橡膠、化纖、電力等工業(yè)長期運行，效果比較理想。2.傳感器 國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器（transducer/sensor）的定義為： “能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。 傳感器也可稱為變換器、探測器或檢測器等。是檢測儀表的重要組成部分，是信息獲取的前端。 結(jié)構(gòu)：獨立安裝的，如熱電偶、熱電阻（溫度傳感器）；與儀表電路一體化的，如壓力變送器； 與儀表相比

4、較，傳感器的種類似乎更廣泛些，它基于各種物理的、化學(xué)的和生物的效應(yīng)，并受相應(yīng)的定律和法則所支配，進(jìn)行能量和信息的轉(zhuǎn)換。傳感器常用的分類方法有：按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器 。位移變送器：輸出420mA、05V或010V、05V的標(biāo)準(zhǔn)電信號 按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。 輪輻式稱重傳感器：適用于平臺秤、汽車衡、軌道衡及料倉物位測量與控制。 下圖為擴(kuò)散硅無腔壓力傳感器/變送器：測量對象為粘稠性液體，適用于測量發(fā)動機(jī)噴油系統(tǒng)的油壓、缸壓、液壓及藥品制造和食品加工等方面，其變送器輸出為：420mA或0

5、5V，二線或三線制。 3.儀器儀器 (instrument) 通常是指用于記錄、測量、顯示或控制的獨立裝置（設(shè)備）。與儀表相比較，儀器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，測量功能比較多。4、傳統(tǒng)的儀器儀表定義：對各種變量（參數(shù)）進(jìn)行檢測 (計量)、記錄、調(diào)節(jié)和處理的各種裝置的總稱。（包含了自動化裝置）。 儀器儀表是信息獲取的手段、是認(rèn)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(kuò)展、補充或代替人的聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。雙蹤示波器 高頻信號源（300MHz標(biāo)準(zhǔn)信號源） 5、八類測試計量儀器幾何量：長度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測量儀器等 機(jī)械量：各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量儀、力

6、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(xué)參數(shù)：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學(xué)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。 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。 智能儀表：應(yīng)用新的采集技術(shù)、處理技術(shù)、硬件平臺和人工智能技術(shù)，使儀表的性能（如精度）、功能、可靠性、可維護(hù)性和可測試性都得到了提高。 含有微計算機(jī)或微處理器的測量儀器，擁有對數(shù)據(jù)的存儲、

7、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定的智能作用。 傳統(tǒng)儀表：性能主要取決于儀表內(nèi)部元器件的精密性和穩(wěn)定性，元器件的溫度漂移（包括零點和增益漂移）和時間漂移都會反應(yīng)到測量結(jié)果和儀表輸出中去。另外，傳統(tǒng)儀表對其內(nèi)部故障缺乏診斷和處置能力，往往在故障情況下給出結(jié)果，顯然這種結(jié)果是不可能正確的。 體積龐大，功能單一，價格昂貴， 開放性差，響應(yīng)速度慢，精度低 。 典型儀器萬用表、電子示波器、信號發(fā)生器等磁電式和電子式模擬儀器儀表 。 特點50年代 儀器的功能用硬件實現(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，測量結(jié)果用指針顯示。模擬式（指針式）儀器。二、儀器儀表的發(fā)展 典型儀器數(shù)字電

8、壓表、數(shù)字功率計，數(shù)字頻率計 基本工作原理60年代數(shù)字式儀器在測量過程中將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，測量結(jié)果以數(shù)字形式顯示和輸出 特點讀數(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)。 特點測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好。智能儀器一般均配有GP-IB（或RS-232C、RS-485）等通信接口，可跟另外的智能儀器組成智能儀器系統(tǒng)。 功能70年代微處理器的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用,產(chǎn)生以微處理器為核心,將計算機(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)行自動校準(zhǔn)、自動補償、自動判斷故障、優(yōu)化控制等，具有一定的人類智能作用。 獨立式智能儀器（簡稱智能儀器）三代儀

9、器儀表：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基本結(jié)構(gòu)是電磁式的，基于電磁測量原理采用指針來顯示最終的測量結(jié)果?；窘Y(jié)構(gòu)中主要是A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，并以數(shù)字方式顯示或打印測量結(jié)果。含有微計算機(jī)或微處理器的測量儀器，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，具有一定的智能作用。 工業(yè)自動化儀表的發(fā)展過程 機(jī)械式(基地式)-電動單元組合式(模擬)-微機(jī)化(模、數(shù))-智能儀表（全數(shù)字） 模擬式示波器彈簧壓力表數(shù)字式超聲波探傷儀四、儀器儀表的重要性1984年：我國儀器學(xué)會成立“自動測試與智能儀器專業(yè)學(xué)組”；1986年：IMEKO(國際測量聯(lián)合會)以“智能

10、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”。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(jī)件壽命預(yù)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(xué)實驗研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，是儀器設(shè)計的里程碑。 儀器儀表是： 國民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”科學(xué)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”門捷列夫：“科學(xué)是從測量開始的”錢學(xué)森：“新技術(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(jī)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(xué)儀器是信

11、息的源頭 科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)王大珩院士：“能不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)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(xué)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)視為國家戰(zhàn)略” 英國著名科學(xué)家H.Pavy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(xué)的貢獻(xiàn)超過了任何其他事情） 美國能源部杰出科學(xué)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(xué)新方向遠(yuǎn)比由新概念開創(chuàng)的科學(xué)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

12、新事物”第二節(jié) 智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點智能儀器四個層次 高級人工智能趨勢系統(tǒng)辨識、模式識別初級智能計算機(jī)、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.分類以電子、傳感、測量技術(shù)為基礎(chǔ)，是智能儀器最低級的類別。具有擬人的記憶、存儲、運算、判斷、簡單決策等功能，但沒有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能，是應(yīng)用比較廣泛的一類。以建模的數(shù)學(xué)方法及系統(tǒng)辨識技術(shù)作為支持，具有一定的自適應(yīng)自學(xué)習(xí)能力。是智能儀器的最高級別，人工智能的應(yīng)用是其顯著特征，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織、自決策等能力。 2.智能儀器的基本結(jié)構(gòu) 其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型:微機(jī)內(nèi)嵌式微機(jī)

13、擴(kuò)展式將單片或多片的微處理器與傳統(tǒng)儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成的單機(jī)，屬于嵌入式系統(tǒng)（Embedded System），其形態(tài)是儀器。這類智能儀器通常為某種測量目的設(shè)計，硬件與軟件都是根據(jù)待測量、測控要求、性能指標(biāo)來設(shè)計，針對性比較強(qiáng)，其人機(jī)界面比較簡單，輸入按鍵比較少，輸出有采用數(shù)碼管顯示器或液晶顯示器，體積小，測試精度高，可靠性高，一般還有符合某些協(xié)議的通信接口，應(yīng)用十分廣泛。智能儀器狹義上通常就是指這種單機(jī)型智能儀器，這也是本教材要著重分析的智能儀器。利用微機(jī)強(qiáng)大的功能完成信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理、數(shù)據(jù)存儲、顯示、打印、通信等各項任務(wù)。 高級汽車的燃料噴射系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、音響部分、AB

14、S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) 。MCURAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印機(jī)儀器面板（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)輸入通道輸出通道微機(jī)擴(kuò)展式以個人計算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測量儀器。將檢測功能擴(kuò)展到微機(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，稱為個人計算機(jī)儀器(PCI)或微機(jī)卡式儀器。其形態(tài)是計算機(jī)或微機(jī)系統(tǒng)。個人儀器、VXI總線儀器、虛擬儀器等屬于微機(jī)擴(kuò)展式儀器。個人儀器系統(tǒng) 個人儀器是在智能儀器的基礎(chǔ)上，伴隨著

15、個人計算機(jī)(PC)登上電子測量的舞臺而創(chuàng)造出的一種嶄新的儀器品種，它是將原智能儀器中的測量部分配以相應(yīng)的接口電路制成各種儀器卡，插入到PC的總線插槽或擴(kuò)展箱內(nèi)，而原智能儀器所需的鍵盤、顯示器以及存儲器等均借助于PC機(jī)的資源，就構(gòu)成了早期的個人儀器（又稱PC儀器或儀器卡）。 個人儀器結(jié)構(gòu)圖個人計算機(jī)總線擴(kuò)展槽軟件儀器插件通用接口儀器插件儀器插件電源PC總線GPIB總線擴(kuò)展底板或外部插件箱12nPC 機(jī)USB 設(shè)備 個人儀器結(jié)構(gòu)圖 普通臺式PCI工控機(jī)PCI筆記本PCI微機(jī)擴(kuò)展式A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器輸入電路模擬執(zhí)行器I/O接口被測量微處理器MPU程序存儲器(ROM)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)標(biāo)準(zhǔn)儀用

16、通訊接口鍵盤顯示接口鍵盤顯示外部儀用標(biāo)準(zhǔn)總線 智能儀器 卡式儀器的演變計算機(jī)部分測試部分 卡式儀器將智能儀器中的測量部分配以相應(yīng)的接口，制成各種功能的儀器卡，插入到PC機(jī)的擴(kuò)展槽中，而原智能儀器中的微機(jī)系統(tǒng)、鍵盤、顯示器、存貯器、電源等均借助于PC機(jī)的資源而構(gòu)成的?？ㄊ絻x器的硬件結(jié)構(gòu)計算機(jī)儀器卡缺少儀器面板 建立軟面板軟面板卡式儀器的基本形態(tài)插入儀器卡計算機(jī)卡式儀器區(qū)別智能儀器一個顯著特點是用“軟面板”實現(xiàn)對儀器的操作軟面板是顯示在CRT上用作圖軟件生成的儀器面板圖形（類似儀器硬面板）用戶通過操作鼠標(biāo)器移動光標(biāo)的方式控制軟面板上的按鍵、旋鈕等3、 智能儀器的特點 微處理器的引入使許多原來用硬件

17、電路難以解決或根本無法解決的問題，由于利用軟件而獲得較好的解決。 智能儀器可以通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行自動校正非線性補償、數(shù)字濾波等，修正和克服由各種傳感器、變換器、放大器等引進(jìn)的誤差和干擾，從而提高儀器的精度和其他性能。智能儀器一般都具有很高的自動化水平。微機(jī)系統(tǒng)都具有通信的功能，通過相關(guān)的協(xié)議，使智能儀器很容易與其他計算機(jī)系統(tǒng)通信，也可以用很多智能儀器構(gòu)成自動測控系統(tǒng)。智能儀器采用微處理器，從而可以用軟件代替許多硬件電路的工作，這樣，儀器可以簡化結(jié)構(gòu)、減小體積、降低成本和提高可靠性。 智能儀器通常都具有自測試和自診斷功能 第三節(jié) 推動智能儀器發(fā)展的主要技術(shù) 傳感器技術(shù) A/D等新器件的發(fā)展將顯著增

18、強(qiáng)儀器的性能與測量范圍 單片機(jī)與DSP的廣泛應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)(SOC) ASIC、FPGACPLD技術(shù) LabVlEW等圖形化軟件技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 智能儀器的微型化技術(shù)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) 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(dǎo)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”。 微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，加工工藝逐步成熟，新型敏感

19、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(jī)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?。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(jī)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(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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IEEEl451網(wǎng)絡(luò)傳感器標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，為

20、使傳感器能與各種網(wǎng)絡(luò)連接提供了條件和方便。AD芯片是現(xiàn)代科學(xué)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(qiáng)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(qiáng)儀器的功能與測量范圍3.單片機(jī)、DSP處理器廣泛應(yīng)用單片機(jī):8031、8051、89C51、MSP430、AVR、 ARM TMS320系列等高速單片數(shù)字信號處理器(DSP Digital Signal Processor)是通過硬件來完成乘法和加法運算的，極大地增強(qiáng)

21、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(qiáng)，甚至集成了DSP與ARM雙核。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(jī)中，大大地減少片外附加器件的數(shù)目，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性。 51系列單片機(jī)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

22、電壓的范圍為1.25.5V，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(jī)可以分成通用計算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計算機(jī)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(jī)(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(jī)，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(jī)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(jī)為核心，但它不以計算機(jī)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。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展曾出現(xiàn)過兩次高潮。1976年8048微

23、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(jì)90年代PC機(jī)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(jī)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(fù)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，這類微處理器也為智能儀器網(wǎng)絡(luò)化和智能化的進(jìn)一步擴(kuò)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)

24、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(biāo)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(fù)雜智能儀器變得容易。 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，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(jī)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

25、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(biāo)志一個全新時代已經(jīng)到來。 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(qiáng)。FPGA(Field Programmable Gates Array，現(xiàn)場可編程門陣列)CPLD(Complex Programmable Logic Dev

26、ice，復(fù)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(dá)到數(shù)十萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng)，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)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(dān)投片風(fēng)險和費用，設(shè)計人員只需在自己的

27、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(fù)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(dāng)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(fēng)險與設(shè)計錯誤

28、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)計人員使用FPGACPLD進(jìn)行電路設(shè)計時，不需要具備專門的IC(集成電路)深層次的知識，F(xiàn)PGACPLD軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計人員更能集中精力進(jìn)行電路設(shè)計。FPGACPLD適合于正向設(shè)計(從電路原理圖到芯片級的設(shè)計)，對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)也非常有利。 在計算機(jī)和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是PCI儀器發(fā)展的關(guān)鍵。 NI（National Instruments）公司1986年設(shè)計的LabVlEWl0，2003年發(fā)展到Labview70，推動虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。 圖形化編程語言建立的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、

29、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、更換儀器硬件而增減；技術(shù)更新速度快(12年)，開發(fā)維護(hù)費用低。6、LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)虛擬儀器 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)受到廣泛關(guān)注，這必將對網(wǎng)絡(luò)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： 智能儀器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制與故障診斷等；構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)，將分散的各種不同測試設(shè)備掛接在網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復(fù)雜系統(tǒng)的測試任務(wù)。7、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)主要由兩大部分組成： 組

30、成系統(tǒng)的基本功能單元(PC儀器、網(wǎng)絡(luò)化測量儀器、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、網(wǎng)絡(luò)化測量模塊)； 連接各基本功能單元的通信網(wǎng)絡(luò)。用于測試和控制的網(wǎng)絡(luò)與以信息共享為目的的信息網(wǎng)不同，前者采用工業(yè)Ethernet，后者采用快速Ethernet。 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)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)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； 基本功能單元必須是智能化的，帶有本地微理 器和存儲器，具有網(wǎng)絡(luò)化接口。第二章 智能儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)模擬信號調(diào)理傳統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) -型ADC原理與接口技術(shù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及舉例 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析 數(shù)據(jù)采集系

31、統(tǒng)簡稱DAS（Data Acquisition System），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行取樣、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示或打印的裝置。第一節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 傳感器模擬信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集電路微機(jī)系統(tǒng)圖2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是智能儀器中被測對象與微機(jī)之間的聯(lián)系通道，因微機(jī)只能接收數(shù)字信號，而被測對象常常是非電量，所以，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前一道環(huán)節(jié)是感受被測對象，并把被測非電量轉(zhuǎn)換為可用電信號的傳感器，后一道環(huán)節(jié)是將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號的數(shù)據(jù)采集電路。除數(shù)字傳感器外，大多數(shù)傳感器都是將模擬非電量轉(zhuǎn)換為模擬電量，而且這些模擬電量

32、通常不宜直接用數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，還需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理。 多路模擬輸入通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要同時測量多種或同一種物理量的多個測量點。因此按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個還是每路各用一個，多路模擬輸入通道可分為兩大類型：集中式采集（各路共用一個）分布式采集（每路各用一個） 一、多路模擬信號集中采集式 1. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一傳感器1傳感器2傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理模擬多路開關(guān)A/D計算機(jī)控制邏輯S/H多路共用采集電路分時采集多路被測信號分別由各自的傳感器和信號調(diào)理電路組成的通道經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，進(jìn)入公用的S/H和A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。返回它的特點是多路信號共同使用一個S/H和A/D ，簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了成本。但是它對信號的采集是由模擬多路切換器分時切換、輪流選通的，因而相鄰兩路信號在時間上是依次被采集的，不能獲得同一時刻的數(shù)據(jù)，這樣就產(chǎn)生了