南京信息工程大學(xué) 智能儀器課件第1章

智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論教學(xué)：38學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)：10學(xué)時(shí)，4個(gè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)：呂富勇：3號(hào)樓N403,137051584471本課程主要內(nèi)容：第一章緒論第二章智能儀器的輸入/輸出通道及接口技術(shù)第三章常見模擬量信號(hào)的檢測方法第四章智能儀器人機(jī)交互接口第五章智能儀器的典型數(shù)據(jù)處理功能第六章智能儀器自動(dòng)測量和自檢技術(shù)第七章智能儀器可靠性與抗干擾技術(shù)第八章總線和數(shù)據(jù)通信技術(shù)第九章智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例第十章智能儀器的新發(fā)展2第一章緒論儀器發(fā)展概況1.1智能儀器發(fā)展趨勢1.2分類、組成和特點(diǎn)1.3設(shè)計(jì)要求、原則及步驟1.4首頁本章內(nèi)容31.智能儀器的發(fā)展過程3.智能儀器的設(shè)計(jì)調(diào)試步驟

重點(diǎn)：2.內(nèi)嵌式智能儀器的基本組成和各部分功能返回41.1智能儀器發(fā)展概況1.智能儀器發(fā)展a數(shù)據(jù)處理（過去）；模糊判斷、故障判斷、容錯(cuò)技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測。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(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能，具有一定的智能作用。下頁上頁功能返回b知識(shí)處理（目前）；5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。2.各個(gè)時(shí)期的發(fā)展典型儀器萬用表、電子示波器、信號(hào)發(fā)生器等磁電式和電子式模擬儀器儀表特點(diǎn)下頁上頁返回50年代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，測量結(jié)果用指針顯示。模擬式（指針式）儀器。(第一代）6

典型儀器數(shù)字電壓表、數(shù)字功率計(jì)，數(shù)字頻率計(jì)基本工作原理下頁上頁返回60年代數(shù)字式儀器（第二代）在測量過程中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，測量結(jié)果以數(shù)字形式顯示和輸出特點(diǎn)讀數(shù)清晰，響應(yīng)速度快，精度高隨著集成電路的出現(xiàn)，以集成電路芯片為基礎(chǔ)。7特點(diǎn)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)功能下頁上頁返回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(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(dòng)選擇合適的量程，進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)判斷故障、優(yōu)化控制等，具有一定的人類智能作用。獨(dú)立式智能儀器（第三代）8下頁上頁返回三代儀器儀表●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9下頁上頁返回壓力變送器

10典型智能儀器—數(shù)字多用表11典型智能儀器—函數(shù)信號(hào)發(fā)生器12典型智能儀器—頻譜分析儀13超聲波探傷儀

超聲波測厚儀

電能質(zhì)量分析儀

典型智能儀器14

基本工作原理下頁上頁返回80年代初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PC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。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PC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。特點(diǎn)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。個(gè)人儀器（PC儀器）15下頁上頁返回80年代后期虛擬儀器（VirtualInstrument）

虛擬儀器

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)特定功能而編制的軟件而形成的一種新型儀器。

美國國家儀器（NI）公司提出第四代16下頁上頁返回

虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖

17下頁上頁返回虛擬儀器三大組成模塊計(jì)算機(jī)儀器模塊軟件虛擬儀器個(gè)人計(jì)算機(jī)（各種通用計(jì)算機(jī)）各種傳感器信號(hào)調(diào)理器模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)分析

過程通訊圖形用戶界面等軟件18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試平臺(tái)，完成被測輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及輸出信號(hào)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（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。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

軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心

軟件即儀器即：19目前較流行的虛擬儀器軟件環(huán)境

文本式的編程語言圖形化編程語言如：C、LabWindows／CVI，VisualBasic，VisualC++

如：LabView、HPVEE

虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)：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。20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)程化、網(wǎng)絡(luò)化、以及測量結(jié)果信息資源共享化，使一臺(tái)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)。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

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。最新發(fā)展--網(wǎng)絡(luò)化儀器優(yōu)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化儀器擴(kuò)充短信平臺(tái)21下頁上頁返回可實(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)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)。網(wǎng)絡(luò)化儀器實(shí)現(xiàn)過程發(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。22下頁上頁返回綜述：智能儀器是計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、人工智能、VLSI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、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(huì)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(dòng)智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發(fā)展的動(dòng)力?？梢灶A(yù)料，各種功能的智能儀器將會(huì)廣泛地使用在各個(gè)領(lǐng)域。23下頁上頁返回1.2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(dòng)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、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)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，而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。

2、多功能化24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(圖形及色彩)、聽覺(語音識(shí)別及語言領(lǐng)悟)、思維(推理、判斷、學(xué)習(xí)與聯(lián)想)等方面代替一部分人的腦力勞動(dòng)，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)，解決用傳統(tǒng)方法很難解決或根本無法解決的問題。3、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，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)域的發(fā)展趨勢。4、網(wǎng)絡(luò)化25下頁上頁返回1.3智能儀器的分類、組成和特點(diǎn)

1.3.1智能儀器的分類智能儀器系統(tǒng)微機(jī)內(nèi)嵌（內(nèi)藏）式微機(jī)擴(kuò)展式26下頁上頁返回微機(jī)內(nèi)嵌式:將微機(jī)作為核心部件嵌入到智能儀器中，儀器包含一個(gè)或多個(gè)微機(jī)，屬于嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）。利用微機(jī)強(qiáng)大的功能完成信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、打印、通信等各項(xiàng)任務(wù)。高級(jí)汽車的燃料噴射系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、音響部分、ABS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)舉例：27下頁上頁返回微機(jī)擴(kuò)展式：將檢測功能擴(kuò)展到微機(jī)中，由特定的硬件模塊完成被測輸入信號(hào)的采集，放大，以及輸出信號(hào)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一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)。前面介紹的個(gè)人儀器、VXI總線儀器、虛擬儀器等屬于微機(jī)擴(kuò)展式儀器。舉例微機(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。注意：28下頁上頁返回1.3.2智能儀器的組成智能儀器硬件軟件人機(jī)接口電路微處理器存儲(chǔ)器輸入通道通信接口電路等部分核心作用程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)傳感器信號(hào)調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換電路完成信號(hào)的濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等輸出通道D/A轉(zhuǎn)換電路放大驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行部件將處理器處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)鍵盤顯示器實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)或其它儀器的聯(lián)系29下頁上頁返回微機(jī)內(nèi)嵌式基本結(jié)構(gòu):30下頁上頁返回1.3.2智能儀器的特點(diǎn)

1)操作自動(dòng)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、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(dòng)化。

2)自測功能

自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、觸發(fā)電平自動(dòng)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(dòng)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(dòng)輸出與其匹配的信號(hào)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)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(dòng)時(shí)運(yùn)行，也可在儀器工作中運(yùn)行，極大地方便了儀器的維護(hù)。31下頁上頁返回3)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、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)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

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、工作狀態(tài)以及處理結(jié)果以數(shù)字或圖形形式輸出。32下頁上頁返回5)可程控操作能力一般都配有GPIB、RS232C、RS485、USB等標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可以接收計(jì)算機(jī)的命令，使其具有可程控操作的功能，方便與PC機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動(dòng)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學(xué)習(xí)學(xué)會(huì)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。33下頁上頁返回1.4智能儀器設(shè)計(jì)要求、原則及步驟1.4.1智能儀器設(shè)計(jì)的基本要求

1)功能及技術(shù)指標(biāo)要求智能儀器應(yīng)具備的功能如輸出形式、人機(jī)對話、通信、報(bào)警提示、儀器狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整等。儀器的主要技術(shù)指標(biāo)如精度、測量范圍、工作環(huán)境條件、穩(wěn)定性等。34下頁上頁返回

儀器的故障將造成整個(gè)生產(chǎn)過程混亂，甚至引起嚴(yán)重后果，所以儀器能否正常可靠地工作，將直接影響測量結(jié)果，也將影響工作效率和儀器的信譽(yù)，為保證儀器能長時(shí)間穩(wěn)定的工作，應(yīng)采取各種措施提高儀器的可靠性。2)可靠性要求注意：

在硬件方面，應(yīng)合理選擇元器件，即在設(shè)計(jì)時(shí)對元器件的負(fù)載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術(shù)參數(shù)留有一定的余量，并對元器件進(jìn)行老化和篩選。另外，采用在極限情況下進(jìn)行試驗(yàn)，即在研制過程中，讓樣機(jī)承受低溫、高溫、沖擊、振動(dòng)、干擾、煙霧等試驗(yàn)，以保證其對環(huán)境的適應(yīng)性。在軟件方面，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，并對軟件進(jìn)行全面測試?？蓽p小軟件故障率，提高軟件可靠性。35下頁上頁返回在儀器設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮操作方便，控制開關(guān)或按鈕不要太多、太復(fù)雜，盡量降低對操作人員專業(yè)知識(shí)的要求，從而使操作者無需專門訓(xùn)練，便能掌握儀器的使用方法，便于產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。另外，儀器結(jié)構(gòu)要盡量規(guī)范化、模塊化，并配有現(xiàn)場故障診斷程序，一旦發(fā)生故障，能保證有效地對故障進(jìn)行定位，以便更換相應(yīng)的模塊，使儀器具有良好的可維護(hù)性。3)便于操作和維護(hù)結(jié)構(gòu)工藝是影響儀器可靠性的重要因素之一，依據(jù)儀器工作環(huán)境條件，確定是否需要防水、防塵、防爆密封，是否需要抗沖擊、抗振動(dòng)、抗腐蝕等設(shè)計(jì)工藝結(jié)構(gòu)；認(rèn)真考慮儀器的總體結(jié)構(gòu)、部件間的連接關(guān)系、面板的美化等，使產(chǎn)品造型優(yōu)美、色澤柔和、外廓整齊、美觀大方。4)儀器工藝結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計(jì)要求

36下頁上頁返回1.4.2智能儀器的設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)人員根據(jù)儀器功能和設(shè)計(jì)要求提出儀器設(shè)計(jì)的總?cè)蝿?wù)，繪制硬件和軟件總框圖(總體設(shè)計(jì))。然后將任務(wù)分解成一批可獨(dú)立表征的子任務(wù)，直到每個(gè)子任務(wù)足夠簡單，可以直接而且容易地實(shí)現(xiàn)為止。子任務(wù)可采用某些通用模塊，并可作為單獨(dú)的實(shí)體進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。1．從整體到局部(自頂向下)的原則:模塊化設(shè)計(jì)方式，簡化設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，結(jié)構(gòu)靈活，維修方便快捷、便于擴(kuò)充和更新，增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性，以最低的難度和最高的可靠性組成系統(tǒng)。特點(diǎn)37下頁上頁返回不應(yīng)