智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件第一章 緒論

智能儀器設(shè)計(jì)根底〔一〕11課程大綱第一章緒論1第三章智能儀器的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根底3第四章智能儀器的保護(hù)和抗干擾設(shè)計(jì)4第二章智能儀器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根底2第五章智能儀器的通訊及網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)52?第一章緒論?知識(shí)點(diǎn)智能儀器的開展歷史智能儀器的組成和特點(diǎn)智能儀器的開展方向知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)3?第二章智能儀器的硬件設(shè)計(jì)根底?2.1傳感器的根本構(gòu)成和典型輸出信號(hào)知識(shí)點(diǎn)1傳感器的基本構(gòu)成方法：基本型、電路參數(shù)型、多級(jí)變換型、參比補(bǔ)償型、差動(dòng)結(jié)構(gòu)型、反饋型知識(shí)點(diǎn)2典型傳感器的根本原理以及典型應(yīng)用針對(duì)傳感器的構(gòu)成方法分別舉例，電量：磁平衡電量互感器、霍爾傳感器；非電量：熱電堆測(cè)溫、超聲傳感器無損檢測(cè)知識(shí)點(diǎn)3傳感器的特性、典型輸出信號(hào)特性：線性度、一致性、靈敏度、滯環(huán)、重復(fù)性輸出信號(hào)：電壓和電流〔幅值、頻率或相位〕、電荷、電路參數(shù)4?第二章智能儀器的硬件設(shè)計(jì)根底?2.2智能儀器的前向通道設(shè)計(jì)〔1/2〕知識(shí)點(diǎn)1運(yùn)放基本原理、分類和非理想特性：基本放大電路，鏡像電流源，精密運(yùn)放，差分運(yùn)放和儀表運(yùn)放，隔離運(yùn)放，失調(diào)，偏移和噪聲，CMRR，PSRR、增益帶寬積知識(shí)點(diǎn)2運(yùn)放的負(fù)反響應(yīng)用偏差反響控制系統(tǒng)，運(yùn)放電路的控制框圖，濾波器，基于運(yùn)放的電壓-電流轉(zhuǎn)換，電流-電壓轉(zhuǎn)換，恒流源，電荷放大等典型電路知識(shí)點(diǎn)3A/D的根本原理、分類和非理想特性逐次逼近型、直接比較型、雙積分型，Sigma-Delta，分辨率，量化誤差，積分非線性，微分非線性5?第二章智能儀器的硬件設(shè)計(jì)根底?2.2智能儀器的前向通道設(shè)計(jì)〔2/2〕知識(shí)點(diǎn)4電路參數(shù)的檢測(cè)和弱信號(hào)的放大電路參數(shù)的檢測(cè)、信號(hào)的鎖相放大和相敏檢波技術(shù)6?第二章智能儀器的硬件設(shè)計(jì)根底?2.3智能儀器的微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)典型處理器的介紹：MCS-51，DSP知識(shí)點(diǎn)1微處理器與存儲(chǔ)器和外圍IC的接口技術(shù)：SRAM，F(xiàn)lash，EEPROM，A/D和D/A，雙口RAM；并行接口，SPI接口，IIC接口，SCI接口知識(shí)點(diǎn)2智能儀器的人機(jī)接口：LCD顯示，LED顯示，鍵盤設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)3基于CPLD和FPGA的接口電路設(shè)計(jì)方法：CPLD和FPGA原理，硬件描述語言，接口設(shè)計(jì)舉例高速數(shù)字電路的信號(hào)完整性分析：信號(hào)完整性原理，傳輸線理論根底，信號(hào)完整性分析實(shí)例知識(shí)點(diǎn)4知識(shí)點(diǎn)57?第二章智能儀器的硬件設(shè)計(jì)根底?2.4智能儀器的后向通道設(shè)計(jì)D/A的根本原理和信號(hào)的直接數(shù)字合成D/A的根本原理，性能指標(biāo)；DDS的技術(shù)原理；知識(shí)點(diǎn)1輸出信號(hào)的功率放大技術(shù)信號(hào)的線性功放原理；信號(hào)的開關(guān)功放原理；知識(shí)點(diǎn)2開關(guān)量輸出開關(guān)量的輸出隔離和驅(qū)動(dòng)；固態(tài)繼電器知識(shí)點(diǎn)38知識(shí)點(diǎn)4?第三章智能儀器的軟件設(shè)計(jì)根底?克服隨機(jī)誤差的算法：限幅濾波，中值濾波，算術(shù)平均濾波，遞推平均濾波，加權(quán)平均濾波，一階慣性濾波，復(fù)合濾波知識(shí)點(diǎn)2克服系統(tǒng)誤差的軟件算法：利用誤差模型修正法，曲線擬合法，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表修正法知識(shí)點(diǎn)1相關(guān)消噪和小波去噪技術(shù)知識(shí)點(diǎn)3模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能儀器中的應(yīng)用9?第四章智能儀器的保護(hù)和抗干擾?知識(shí)點(diǎn)1公共阻抗耦合干擾及去耦合設(shè)計(jì)：數(shù)?；旌想娐返墓柴詈细蓴_原理印刷板上的去耦合設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)2信號(hào)的隔離：變壓器隔離及高頻調(diào)制技術(shù)光隔離技術(shù)（光耦，光纖）知識(shí)點(diǎn)3敏感元件或電路的保護(hù)：電路中的浪涌和靜電泄放，浪涌的吸收，靜電泄放的保護(hù)敏感電路的EMI濾波器知識(shí)點(diǎn)4電磁屏蔽和接地技術(shù)：電磁屏蔽的電磁場(chǎng)基礎(chǔ)，屏蔽的材料因素一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地，屏蔽的接地10?第五章智能儀器的通訊和網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)?知識(shí)點(diǎn)1并行通訊總線：GPIB總線，VXI總線,PXI總線知識(shí)點(diǎn)2串行通訊總線：RS-232,RS-422/485,通用串行總線USB知識(shí)點(diǎn)3基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信接口TCP/IP，開發(fā)范例知識(shí)點(diǎn)4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，硬件平臺(tái)，操作系統(tǒng)，開發(fā)范例11第一講緒論智能儀器的重要作用1智能儀器的組成、特點(diǎn)和分類

3智能儀器的開展方向4智能儀器的開展過程212第一講緒論1.1智能儀器的重要作用〔1〕概念1信息技術(shù)包括測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，而測(cè)量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。智能儀器是對(duì)物質(zhì)世界的信息進(jìn)行測(cè)量和控制的基礎(chǔ)手段和設(shè)備，使信息產(chǎn)業(yè)的源頭和組成部分概念2智能儀器是認(rèn)識(shí)世界的工具，是人們對(duì)物質(zhì)實(shí)體及其屬性進(jìn)行觀察、監(jiān)視、測(cè)定、驗(yàn)證、記錄、傳輸、變換、顯示、分析和處理與控制的各種器具與系統(tǒng)的總稱。概念3智能儀器是集傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、現(xiàn)代光學(xué)、精密機(jī)械等多種高新技術(shù)于一體的產(chǎn)品，其用途也從傳統(tǒng)儀器的單純數(shù)據(jù)采集開展為集數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸、信號(hào)處理及控制于一體的測(cè)控設(shè)備。13第一講緒論1.1智能儀器的重要作用〔2〕概念4在工業(yè)生產(chǎn)中，智能儀器是“倍增器〞。美國商務(wù)部20世紀(jì)90年代的調(diào)查說明，4%美國儀器產(chǎn)業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值，拉動(dòng)相關(guān)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值高達(dá)66%?，F(xiàn)代化大生產(chǎn)，沒有各種測(cè)量與控制設(shè)備，就不能正常平安工作。概念5在科學(xué)研究中，智能儀器是“先行官〞?？茖W(xué)儀器是開展高新技術(shù)所必需的根底手段和設(shè)備，離開了科學(xué)儀器，一切科學(xué)研究都無法進(jìn)行。概念6在軍事上，智能儀器是“戰(zhàn)斗力〞。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，奪取技術(shù)優(yōu)勢(shì)已成為軍事戰(zhàn)略的根本目標(biāo)。主要目標(biāo)是全球監(jiān)視與通信和精確打擊固定以及瞬變目標(biāo)。智能儀器的測(cè)控精度決定了武器系統(tǒng)的打擊精度。14第一講緒論1.1智能儀器的重要作用〔3〕概念7智能儀器還是當(dāng)今社會(huì)的“物化法官〞。在檢查產(chǎn)品質(zhì)量、監(jiān)測(cè)環(huán)境污染、檢查違禁藥物服用、識(shí)別指紋和假鈔、偵破刑事案件等，無一不依靠儀器進(jìn)行“判斷〞。概念8智能儀器的開展水平是國家科技水平和綜合國力的重要表達(dá)，智能儀器的制造水平是國家科技水平的表達(dá)。世界興旺國家都高度重視和支持儀器的開展。15第一講緒論1.2智能儀器的開展過程〔1〕歷程1第一代儀器為模擬儀器，大量指針式電壓表、電流表、功率表及一些通用測(cè)試儀器均為典型的模擬式儀器。模擬儀器功能簡單、精度低、響應(yīng)速度慢。歷程220世紀(jì)50年代初，儀器的開展取得了重大突破。數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)使各種數(shù)字儀器相繼問世。在電測(cè)量領(lǐng)域，被測(cè)電壓先經(jīng)過整流、濾波，轉(zhuǎn)化為直流量，在經(jīng)過電壓/頻率轉(zhuǎn)換后進(jìn)行計(jì)數(shù)。典型如數(shù)字電壓表、數(shù)字功率計(jì)、數(shù)字頻率計(jì)等，數(shù)字顯示或打印。歷程320世紀(jì)60年代中期，儀器技術(shù)又一次取得了進(jìn)展，即計(jì)算機(jī)的引入使儀器的功能發(fā)生了質(zhì)的變化，從個(gè)別參數(shù)的測(cè)量轉(zhuǎn)變成整個(gè)系統(tǒng)特征參數(shù)的測(cè)量；從單純接收顯示轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂?、分析、處理、存?chǔ)與顯示輸出；從單臺(tái)儀器進(jìn)行測(cè)量到用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量。16第一講緒論1.2智能儀器的開展過程〔2〕歷程420世紀(jì)70年代以后，隨著微處理器的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了突破傳統(tǒng)概念的新一代儀器，即—智能儀器。這類儀器內(nèi)置單片機(jī)或體積很小的微處理器，儀器的功能由硬件和軟件結(jié)合來完成。1974年出現(xiàn)電壓電流波形等間隔采樣技術(shù)，揭開了智能儀器應(yīng)用大幕。歷程5歷程6近年來，DSP芯片的大量問世，使得智能儀器的數(shù)字信號(hào)處理功能大大加強(qiáng)；微型計(jì)算機(jī)的開展，使智能儀器具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和圖像處理能力?？偩€技術(shù)的開展那么使得網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Internet技術(shù)進(jìn)入測(cè)控領(lǐng)域。虛擬儀器是智能儀器開展的新的里程碑，虛擬儀器以PC為核心，由測(cè)量應(yīng)用軟件支持，具有虛擬的儀器操作面板，足夠的儀器硬件或通信功能的測(cè)量信息處理裝置?！败浖褪翘摂M儀器〞。17第一講緒論1.2智能儀器的開展過程〔3〕18第一講緒論1.2智能儀器的開展過程〔4〕19第一講緒論1.3智能儀器的組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)非電量電量MUXA/DREFCLOCKBUSMCU&DSPEEPROMBUSRAMI/OLANRS232/485CAND/AREFBUS傳感器前向通道后向通道功放微處理器系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備總線通信總線20第一講緒論1.3智能儀器的特點(diǎn)〔1〕特點(diǎn)1【智能儀器功能的多樣化】運(yùn)算和邏輯判斷功能；誤差消除和校準(zhǔn)；零點(diǎn)、平均值、極值和統(tǒng)計(jì)分析；專家系統(tǒng)，數(shù)據(jù)融合，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)校準(zhǔn)，故障診斷和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。特點(diǎn)2特點(diǎn)3【智能儀器構(gòu)成的柔性化】即儀器的硬件功能軟件化，包括兩個(gè)方面：一是儀器硬件越來越通用，不同的儀器功能由軟件實(shí)現(xiàn)；二是微處理器速度越來越快，原來由硬件完成的測(cè)量功能可由軟件來替代，軟件算法在儀器中的分量越來越重?！局悄軆x器的集成化和模塊化】大規(guī)模集成電路技術(shù)的開展使得儀器的核心處理器和電路集成化程度越來越高，體積那么越來越小；儀器的硬件組成越來越模塊化，增加測(cè)量功能只需要增加模塊化的硬件。21第一講緒論1.3智能儀器的特點(diǎn)〔2〕特點(diǎn)4【智能儀器的網(wǎng)絡(luò)化】配有GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485等通訊接口，具有遠(yuǎn)程操作能力；具有Ethernet接口，可連接Internet實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化；具備無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙通訊和GPRS通訊能力。特點(diǎn)5【智能儀器的可視化】測(cè)控過程和結(jié)果的圖形化輸出，包括體、流場(chǎng)、人機(jī)交互、醫(yī)學(xué)分析、科學(xué)計(jì)算可視化以及可視化理論和復(fù)雜對(duì)象的建模與基于模型的可視化研究；組態(tài)軟件：Labviewer，LabWindows/CVI，Matlab22第一講緒論1.3智能儀器的分類分類1按照被測(cè)物理量的不同：〔1〕幾何量計(jì)量儀器；〔2〕熱工量計(jì)量儀器；〔3〕機(jī)械量計(jì)量儀器；〔4〕時(shí)間頻率計(jì)量儀器；〔5〕電磁計(jì)量儀器；〔6〕無線電參數(shù)計(jì)量儀器；〔7〕光學(xué)與聲學(xué)測(cè)量儀器；〔8〕電離輻射測(cè)量儀器。分類2按照應(yīng)用領(lǐng)域及自身技術(shù)特性：〔1〕工業(yè)自動(dòng)化儀表與系統(tǒng)〔工業(yè)生中監(jiān)控和自動(dòng)控制系統(tǒng)〕；〔2〕科學(xué)儀器〔科學(xué)研究，計(jì)量測(cè)試，環(huán)境監(jiān)測(cè)等〕；〔3〕電子與電工測(cè)量儀器〔低頻、高頻、超高頻、微波等各個(gè)頻段的測(cè)量專用儀器〕；〔4〕醫(yī)療儀器；〔5〕各類專用儀器〔農(nóng)業(yè)、氣象、水文、航天等〕；23第一講緒論1.4智能儀器的開展方向關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：〔1〕微分析技術(shù)〔微檢測(cè)、微加工、微光源、微分光系統(tǒng)、微傳感器等〕；〔2〕生物、化學(xué)傳感器〔生物芯片技術(shù)、新型化學(xué)傳感技術(shù)、智能傳感技術(shù)〕；〔3〕成像技術(shù)〔廣義成像、納米級(jí)高分辨率成像、圖像信息處理〕；〔4〕儀器的聯(lián)用技術(shù)〔色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、色譜-光譜聯(lián)用等〕；〔5〕實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)〔L