智能仪器绪论

1、 测量仪器测量仪器，分析仪器分析仪器，生物医疗仪器生物医疗仪器，地球探测地球探测 仪器仪器，天文仪器，航空航天航海仪表，汽车仪表， 电力，石油，化工仪表等，遍及国民经济各个部 门，深入到人民生活的各个角落。 基于基于USBUSB总线的数据采集卡总线的数据采集卡 基于基于PCIPCI总线的数据采集卡总线的数据采集卡 操 作 系 统 ：操 作 系 统 ： D O S , O S , Windows2000/9x/NTWindows2000/9x/NT 最大最大I/0I/0速度：速度： 1.5 Mbytes/s 1.5 Mbytes/s （IEEE488.1)IEEE488.1) 7.7 Mbyte

2、s/s7.7 Mbytes/s (HS488)(HS488) 尺寸：尺寸：133x107 mm133x107 mm NINI的的PCI-GPIBPCI-GPIB卡卡 NINI的的DAQDAQ及及VXIVXI产品示例产品示例 智能仪器仪器科学计算机科学智能仪器仪器科学计算机科学 智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实 验研究产生了深远影响，是仪器设计的 里程碑。 5 5、对仪器仪表重要性的认识、对仪器仪表重要性的认识 现代仪器仪表的发展水平是国家科技水平现代仪器仪表的发展水平是国家科技水平 和综合国家力的重要体现，仪器仪表的制和综合国家力的重要体现，仪器仪表的制 造水平反映出国家的文明程度造水平反映

3、出国家的文明程度。 1 1、智能仪器的基本结构、智能仪器的基本结构 其结构可有两种基本类型其结构可有两种基本类型: : 微机内置式微机扩展式 将单片或多片的 微机芯片与仪器 有机地结合在一 起形成的单机。 以个人计算机(PC)为核 心的应用扩展型测量仪 器。个人计算机仪器 (PCI)PCI)或或称微机卡式仪器。 个人仪器结构图 微机扩展式 CPU CPU 软件控制测量过程软件控制测量过程 “以软代硬以软代硬” 灵活性强、可靠性强灵活性强、可靠性强 随机误差、系统误差、非线性校准等处理随机误差、系统误差、非线性校准等处理 改善测量的精确度改善测量的精确度 数字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、数

4、字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、 相位谱、功率谱等信号分析相位谱、功率谱等信号分析 提供更多高质量的信息量提供更多高质量的信息量 一机多用一机多用 如智能化电力需求分析仪如智能化电力需求分析仪 1 1、传感器技术、传感器技术 为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感 器不断涌现。器不断涌现。 聋哑传感器聋哑传感器(Dumb Sensor) (Dumb Sensor) 智能传感器智能传感器(Smart Sensor)(Smart Sensor) 网络化传感器网络化传感器(Networked Sensor)(Networked Sensor) A AD D芯

5、片是现代科学仪器不可缺少的核心部件 之一，它的速度的提高是实现高速数据采集的 关键。在向高速，向低功耗、高分辨率、高性 能的方向发展。 A AD D等电路与微处理器集成在一块(称为混合电 路) 传感器与控制电路都集成在一块芯片上，这将 缩小体积，增强可靠性，从而实现智能仪器的 多功能化 TMSTMS320320系列等高速单片数字信号处理器系列等高速单片数字信号处理器 (DSP(DSPDigital Signal Processor)Digital Signal Processor)是通过硬是通过硬 件来完成乘法和加法运算的，极大地增强了智件来完成乘法和加法运算的，极大地增强了智 能仪器的数字滤

6、波、能仪器的数字滤波、FFTFFT、相关、卷积等信号、相关、卷积等信号 处理能力。处理能力。 新型新型DSPDSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了芯片接口功能大大加强，甚至集成了 DSPDSP与与ARMARM双核。双核。 许多公司还采用了数字许多公司还采用了数字模拟混合集成技术，将模拟混合集成技术，将A AD D、 D DA A、锁相环以及、锁相环以及USBUSB、CANCAN总线接口等都集成到单片总线接口等都集成到单片 机中，大大地减少片外附加器件的数目，进一步提高机中，大大地减少片外附加器件的数目，进一步提高 了系统的可靠性。了系统的可靠性。 51 51系列单片机的时钟频率目前可以提高至系

7、列单片机的时钟频率目前可以提高至333340MHz40MHz，提，提 升到升到20 MIPS20 MIPS。集成片上。集成片上FlashFlash存储器，集成密度高并实现了存储器，集成密度高并实现了 ISP(ISP(在系统烧录程序在系统烧录程序) )和和IAP(IAP(在应用烧录程序在应用烧录程序) )。 例如例如PhilipsPhilips公司公司P89C51RC2P89C51RC2RD2 RD2 、32KB32KB64KBFlash64KBFlash存储存储 器，器，8KB8KB容量的容量的RAMRAM。 瑞典瑞典XemicXemic公司生产的公司生产的XE8301XE8301，其工作电压

8、的范围为，其工作电压的范围为1.21.2 5.5V5.5V，1 MIPS1 MIPS时电流为时电流为200A200A，暂停模式下仅需要，暂停模式下仅需要1A1A电流电流 维持时钟的运行。维持时钟的运行。 4 4、嵌入式系统与片上系统、嵌入式系统与片上系统(SOC)(SOC)将使将使 智能仪器的设计提升到一个新阶段智能仪器的设计提升到一个新阶段 计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系 统统( (简称嵌入式系统简称嵌入式系统) )。而。而嵌入式系统则是指把微处嵌入式系统则是指把微处 理器、单片机理器、单片机( (微控制器微控制器) )、DSPDSP

9、芯片等作为芯片等作为“控制与控制与 处理部件处理部件”，虽然嵌入式系统的核心是计算机，但虽然嵌入式系统的核心是计算机，但 它是以某种设备的形式出现的，其外观不再具备计它是以某种设备的形式出现的，其外观不再具备计 算机的形态。很显然，算机的形态。很显然，智能仪器属于嵌入式系统，智能仪器属于嵌入式系统， 它虽然以微型计算机为核心，但它不以计算机的形它虽然以微型计算机为核心，但它不以计算机的形 态出现；而是态出现；而是作为宿主设备的控制器智能地体现仪作为宿主设备的控制器智能地体现仪 器设备的功能。器设备的功能。 嵌入式系统的发展曾出现过嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮两次高潮。19761976年年8

10、0488048微控微控 制制器的问世和器的问世和19801980年年MCS-5lMCS-5l微控制器的问世，推动了第一次嵌微控制器的问世，推动了第一次嵌 入式系统发展的浪潮。入式系统发展的浪潮。 经过经过2020世纪世纪9090年代年代PCPC机技术大发展的孕育，又迅速掀起机技术大发展的孕育，又迅速掀起 了第二次嵌入式系统发展的浪潮。这次嵌入式系统的明显特点了第二次嵌入式系统发展的浪潮。这次嵌入式系统的明显特点 是肢解了是肢解了PCPC机最新两项成熟技术：机最新两项成熟技术：互联网和多媒体。互联网和多媒体。 为了满足互联网和多媒体嵌入式设备的高速性和实时编解码为了满足互联网和多媒体嵌入式设备的

11、高速性和实时编解码 的复杂技术需要，支持嵌入式网络设备、移动通信设备、多媒的复杂技术需要，支持嵌入式网络设备、移动通信设备、多媒 体设备的开发，第二次嵌入式系统的主力器件已让位于体设备的开发，第二次嵌入式系统的主力器件已让位于3232位的位的 DSP-RISCDSP-RISC双核结构的微处理器。很显然，双核结构的微处理器。很显然，这类微处理器也为智这类微处理器也为智 能仪器网络化和智能化的进一步扩展提供了坚实的基础。能仪器网络化和智能化的进一步扩展提供了坚实的基础。 嵌入式系统的深入发展将使智能仪器的设计提升到一个新嵌入式系统的深入发展将使智能仪器的设计提升到一个新 的阶段的阶段，尤其是能运行

12、操作系统的嵌入式系统平台，尤其是能运行操作系统的嵌入式系统平台，由于它具由于它具 备备多任务、网络支持、图形窗口、文件和目标管理等功能，并多任务、网络支持、图形窗口、文件和目标管理等功能，并 具有大量的应用程序接口具有大量的应用程序接口(API)(API)，将会使研制复杂智能仪器变得，将会使研制复杂智能仪器变得 容易容易。 片上系统片上系统(SOC)(SOC)的发展更是为智能仪器的开发及性能的发展更是为智能仪器的开发及性能 的提高开辟了更加广阔的前景。的提高开辟了更加广阔的前景。 SOCSOC的核心思想就是要把整个应用电子系统的核心思想就是要把整个应用电子系统( (除无法集除无法集 成的电路成

13、的电路) )全部集成在一个芯片中，避免了大量全部集成在一个芯片中，避免了大量PCBPCB板的设计板的设计 及板级调试工作及板级调试工作；SOCSOC是以功能是以功能IP(Intellectual Property)IP(Intellectual Property) 为基础的系统固件和电路综合技术。为基础的系统固件和电路综合技术。 在在SOCSOC设计中，设计者面对的不再是电路芯片，而是根据设计中，设计者面对的不再是电路芯片，而是根据 所设计系统的固件特性和功能要求，选择相应的单片机所设计系统的固件特性和功能要求，选择相应的单片机CPUCPU 内核和成熟优化的内核和成熟优化的IPIP内核模块，这

14、样就基本上内核模块，这样就基本上消除了器件信消除了器件信 息障碍，息障碍，加快了设计速度，加快了设计速度，SOCSOC将使系统设计技术发生革命将使系统设计技术发生革命 性的变化，这标志一个全新时代已经到来。性的变化，这标志一个全新时代已经到来。 FPGA(Field Programmable Gates ArrayFPGA(Field Programmable Gates Array，现场可编，现场可编 程门阵列程门阵列) ) CPLD(Complex Programmable Logic DeviceCPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可，复杂可

15、 编程逻辑器件编程逻辑器件) ) FPGAFPGACPLDCPLD的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑 电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用ICIC芯芯 片。片。 这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。 电路保持不动的情况下，改变内部硬件连接关系的描电路保持不动的情况下，改变内部硬件连接关系的描 述，就能实现一种新的功能。述，就能实现一种新的功能。 比较典型的有比较典型的有Xilinx公司的公司的FPGA器件系列器件系列 Altera公司的公司的CPLD器件

16、系列。器件系列。 （1 1）FPGAFPGACPLDCPLD芯片的规模也越来越大，其单芯片的规模也越来越大，其单 片逻辑门数已达到数十万门，它所能实现的功能也片逻辑门数已达到数十万门，它所能实现的功能也 越来越强，同时也可以实现系统集成。越来越强，同时也可以实现系统集成。 （2 2）FPGAFPGACPLDCPLD芯片在出厂之前都做过百分之百芯片在出厂之前都做过百分之百 的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计 人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件 环境来完成芯片的最终功能指定。研制开发

17、费用相对环境来完成芯片的最终功能指定。研制开发费用相对 较低。较低。 （3 3）FPGAFPGACPLDCPLD芯片和芯片和EPROMEPROM配合使用时，用户配合使用时，用户 可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的 情况下用不同的情况下用不同的EPROMEPROM就可实现不同的功能。就可实现不同的功能。 （4 4）FPGAFPGACPLDCPLD芯片的电路设计周期很短。软件芯片的电路设计周期很短。软件 包中不但有各种输入工具和仿真工具，而且还有版图设包中不但有各种输入工具和仿真工具，而且还有版图设 计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在

18、很短的时计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时 间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最 后芯片的制作后芯片的制作( (物理版图映射物理版图映射) )。当电路有少量改动时，。当电路有少量改动时， 更能显示出更能显示出FPGAFPGACPLDCPLD的优势。它大大加快了新产品的优势。它大大加快了新产品 的试制速度，减少了库存风险与设计错误所带来的危险，的试制速度，减少了库存风险与设计错误所带来的危险， 从而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。从而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。 （5 5）电路设计人员使用）电路设计人员

19、使用FPGAFPGACPLDCPLD进行电路设计时，进行电路设计时， 不需要具备专门的不需要具备专门的IC(IC(集成电路集成电路) )深层次的知识，深层次的知识，FPGAFPGA CPLDCPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行 电路设计。电路设计。FPGAFPGACPLDCPLD适合于正向设计适合于正向设计( (从电路原理图从电路原理图 到芯片级的设计到芯片级的设计) )，对知识产权的保护也非常有利。，对知识产权的保护也非常有利。 在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是PCIPCI 仪器发

20、展的关键。仪器发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法软件就是仪器成为流行的说法。 NINI（National InstrumentsNational Instruments）公司）公司19861986年设计的年设计的 LabVlEWl.0LabVlEWl.0，20102010年发展到年发展到Labview2010Labview2010，推动虚拟，推动虚拟 仪器技术的发展。仪器技术的发展。 图形化编程语言建立的虚拟仪器面板图形化编程语言建立的虚拟仪器面板，完成对仪器，完成对仪器 的控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。的控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。 虚拟仪器系统由用户定义；仪器硬件

21、模块化；可重虚拟仪器系统由用户定义；仪器硬件模块化；可重 用和重新配置；系统功能、规模可通过修改软件、用和重新配置；系统功能、规模可通过修改软件、 更换仪器硬件而增减；技术更新速度快更换仪器硬件而增减；技术更新速度快(1(12 2年年) )， 开发维护费用低。开发维护费用低。 随着网络技术、通信技术的高速发展与广泛随着网络技术、通信技术的高速发展与广泛 应用，网络化测试技术受到广泛关注，这必将应用，网络化测试技术受到广泛关注，这必将 对网络时代的测试仪器和测试技术产生革命性对网络时代的测试仪器和测试技术产生革命性 变化。表现在两个方面：变化。表现在两个方面： 智能仪器要上网，完成数据传输、远程

22、控智能仪器要上网，完成数据传输、远程控 制与故障诊断等；制与故障诊断等； 构建网络化测试系统，将分散的各种不同构建网络化测试系统，将分散的各种不同 测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源、测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源、 信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统 的测试任务。的测试任务。 7 7、网络与通信技术、网络与通信技术 网络化测试系统主要由两大部分组成：网络化测试系统主要由两大部分组成： 组成系统的基本功能单元组成系统的基本功能单元(PC(PC仪器、网络化测量仪器、仪器、网络化测量仪器、 网络化传感器、网络化测量模块网络化传感器、网络化测

23、量模块) )； 连接各基本功能单元的通信网络。用于测试和控制连接各基本功能单元的通信网络。用于测试和控制 的网络与以信息共享为目的的信息网不同，前者采用工的网络与以信息共享为目的的信息网不同，前者采用工 业业EthernetEthernet，后者采用快速，后者采用快速EthernetEthernet。 构建网络化测试系统需考虑的问题：构建网络化测试系统需考虑的问题： 系统要具有开放性和互操作性；系统要具有开放性和互操作性； 系统的实时性和时间的确定性；系统的实时性和时间的确定性； 系统的成本尽可能低，通用性好；系统的成本尽可能低，通用性好； 基本功能单元必须是智能化的，带有本地微理基本功能单元

24、必须是智能化的，带有本地微理 器和存储器，具有网络化接口。器和存储器，具有网络化接口。 思考题思考题 1 1你在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？属于你在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？属于 哪种类型？指出它们的共同之处、主要区别。选择一种仪器，针哪种类型？指出它们的共同之处、主要区别。选择一种仪器，针 对其存在的问题或不足，提出改进设想。对其存在的问题或不足，提出改进设想。 2 2结合你对智能仪器概念的理解，讨论结合你对智能仪器概念的理解，讨论“智能化智能化”的层次。的层次。 3 3仪器仪表的重要性体现在哪些方面？仪器仪表的重要性体现在哪些方面？ 4 4简述推动智能仪器

25、发展的主要技术。简述推动智能仪器发展的主要技术。 5 5学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础，回顾主要内容。学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础，回顾主要内容。 6 6智能仪器有哪几种结构形式？对其作简要描述。智能仪器有哪几种结构形式？对其作简要描述。 7 7智能仪器设计时采用智能仪器设计时采用FPGAFPGACPLDCPLD有哪些优点？有哪些优点？ 基于基于USBUSB总线的数据采集卡总线的数据采集卡 基于基于PCIPCI总线的数据采集卡总线的数据采集卡 智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实 验研究产生了深远影响，是仪器设计的 里程碑。 个人仪器结构图 微机扩展式 在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是PCIPCI 仪器发展的关键。仪器发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法软件就是仪器成为流行的说法。 NINI（Natio