智能仪器第01-02讲

1、第一章 导论本章重点： 智能仪器的发展过程、现状及未来的发展趋势； 智能仪器的组成原理、基本结构及主要性能特点； 本课程学习的主要目标、内容及要求，为课程的学习做好准备。1.1 智能仪器概述教学目的： 了解智能仪器的发展过程、现状及未来的发展趋势； 掌握智能仪器的组成及主要功能和特点。教学重点：智能仪器的组成及主要功能和特点。 智能仪器智能仪器是计算机技术与电子测量技术有机结合的新一代电子测量仪器。 与传统仪器的区别：传统仪器是将大量分立元件、中小规模集成电路用硬接线的方式构成，电路一旦定型，功能即确定。智能仪器是硬件和软件相结合的设计，很多功能是由软件实现的。所以，设计、制造、升级、扩充功能

2、较容易。由于其智能化、快速、准确、便于测控和遥测、遥控，故应用越来越广泛。1.1.1 电子仪器的发展概况一 第一代 模拟式（指针式）电子仪器被测和处理的信号均为模拟信号。各种指针式电测仪表就是其典型代表。特点：体积大、功能简单、精度低、响应速度慢。二 第二代 数字式电子仪器基本工作原理是将模拟信号转换成数字信号并进行测量。如数字电压表、数字频率计等。特点：精度高、速度快、读数清晰直观。其测量结果可数显或打印，数字信号便于远传，故适用于遥测遥控。三 第三代 智能型仪器是传统电子仪器与计算机、通信、微电子、数字信号处理、人工智能等新兴技术相结合的产物。主要特征：其内部嵌有微处理器。具有数据存储、运

3、算、逻辑判断、逻辑处理和通信能力即具备一定的智能。故称为智能仪器。 由于单片机具有体积小、功耗低、功能强、价格低等特点，广泛应用于智能仪器，故本课程重点介绍以应用广泛的MCS-51单片机为核心构成的智能仪器。1.1.2 智能仪器的基本组成一 硬件部分主要由单片机、模拟量和开关量I/O通道、人-机联系部件及其接口电路、数据通信接口等组成。1. 主机电路：常由单片机构成，也是区别于传统仪器的核心部件。主要用于存储程序、数据，执行程序进而实现各种运算、数据处理和各种控制功能。2. 输入通道：模拟量输入通道由输入电路和A/D转换接口构成。用于对被测量的输入信号进行所需的各种变换、放大、滤波、采样-保持

4、、A/D转换等处理，经A/D接口送入计算机。开关量输入信号只要电平匹配则可直接送入计算机。3. 输出通道：模拟量输出通道由D/A转换器及驱动电路等构成。用于将主机处理的结果转换为模拟量并输出。开关量输出信号可直接由计算机输出或经隔离、驱动电路输出。4. 人机接口：由键盘、显示器和打印机接口等组成。用于实现人机对话。5. 通信接口：用于实现智能仪器与其它仪器、设备或计算机系统交换数据和信息。6. 电源系统：用于为智能仪器各部分提供合格的能源供应。以上1、6部分是必需的，其他部分则根据具体应用需求确定取舍。二 软件部分主要由监控程序和通信接口管理程序两部分组成。1. 监控程序主要包括以下功能：(1

5、). 对键盘、显示器和打印机的管理。(2). 通过控制I/O接口对数据进行采集。(3). 对所测试和记录的数据与状态进行的各种处理。(4). 显示（或打印）各种状态信息以及测量数据的处理结果。2. 通信接口管理程序：主要作用是接收并分析来自通信总线的各种信息、操作方式与工作参数的程控操作码，并向总线输出仪器现行的工作状态及测量数据的处理结果。三 工作过程下面以粮食储备库多路温湿度巡检仪为例介绍其工作过程。1. 传感器将温度、湿度转换为电信号后，由输入电路进行所需的各种变换、放大、滤波、非线性补偿等处理，经A/D转换器转换为数字量后经接口送入计算机。2. 计算机对输入数据进行存储、加工处理、分析

6、、计算等操作，并将运算结果存入RAM中。3. 运算结果可以通过显示器接口送至显示器进行显示或通过打印机接口送至打印机打印输出。根据设定的参数与运算结果的分析比较和判断控制通风、抽湿等设备的运转。需要的话，可以将输出的数字量经过D/A转换接口转换成模拟量信号输出，并经过驱动电路去控制被控对象。4. 需要的话还可以通过通信接口实现与其他智能仪器的数据通信，完成更复杂的测量与控制任务。第02讲1.1.3 智能仪器的主要功能和特点 与传统仪器相比较，由于使用了计算机，使仪器对测量过程的控制和对测试数据、结果的处理产生了根本性的改变。使智能仪器具备以下主要功能特点1. 自动校正零点、满度，自动修正各类测

7、量误差。测量精度高。2. 强大的数据存储和数据处理能力。由软件实现各种运算、数字滤波、统计分析、查找排序、标度变换、函数逼近和频谱分析功能等。3. 自动切换量程、具有友好的人-机对话功能。4. 可实现各种控制功能。可实现PID控制及各种复杂的控制规律。5. 数据通信与多种输出形式。便于通过标准总线组成各种规模的自动测控系统。6. 自诊断、故障监控和掉电保护。1.1.4 智能仪器的发展趋势1. 微型化。如巡航导弹控制部分、植入病人体内的多参量测量仪等。2. 多功能化。如数字任意波形发生器、人体生命特征测量仪等。3. 人工智能化。具有视觉、听觉、思维等。4. 部分结构虚拟化。如由PC机的软件生成虚

8、拟仪器的面板等-软件就是仪器。5. 通信与控制网络化。6. 微功耗。1.2 智能仪器应用实例简介（删）1.3 本课程的内容、教学目标及要求第二章 智能仪器典型处理功能及实现方法本章重点： 智能仪器常见故障的自检原理及其实现方法； 智能仪器的各种自动测量功能及其实现方法； 智能仪器中典型的误差类型、引起误差的原因及其处理方法； 智能仪器典型的数字滤波技术及其实现方法。2.1 智能仪器故障的自检教学目的： 了解自检原理、自检方式的种类及特点； 掌握常见的自检项目和自检方法。教学重点：常见的自检项目和自检方法。概述1. 什么是自检自检是自动故障检测和故障诊断的简称。故障检测是确定系统是否发生故障，故

9、障诊断是确定故障发生的具体部位。2. 自检的必要性(1). 仪器的故障会影响整个测控系统的正常工作，甚至危及人身安全及设备安全；(2). 任何仪器设备长期运行不发生任何故障几乎是不可能的；(3). 系统构成越来越复杂，人工检查费时、耗力甚至是不可能的，例如卫星、有毒有害场所等人们无法到达的环境就无法实现人工检查。3. 自检的内容通常包括键盘、显示器、存储器、I/O通道、接插件和总线等。4. 自检的基本原理与方法自检实质上是配合硬件运行一段专门编制并存放在ROM中的自检程序，对仪器的主要部件或测试点进行自动检测。自检程序将这些测试点的当前测试值与存放在ROM中的正常值进行比较，若两者相等或在允许

10、误差范围之内，则显示OK；否则，给出故障声、光信息并显示故障代码，如Error X，便于维护人员及时发现并确定故障部位。自检主要由软件完成。5. 实现自检的前提条件 由于自检实质上是配合硬件运行一段专门编制并存放在ROM中的自检程序，这就要求自检时CPU、总线、时钟、电源、附加的自检电路和自检程序必须工作正常可靠。否则，自检无法正常进行。2.1.1 自检方式的种类及特点一 开机自检在仪器开机或复位之后进行的自检。开机自检是仪器正式运行前的全面检查，检查项目要尽可能全面。如果开机自检正常则进入正常测量程序，若发现故障则声光报警并显示故障代码，以提醒用户。二 周期性自检为确保仪器始终处于正常工作状态，应使用周期性自检。周期性自检是将自检内容分成若干项，程序设计时安插在每次测量的间隙进行一项自检，经若干次测量后便可完成全部自检项目，如此周而复始。由于每个自检项目耗时极短，且安插在每次测量的间隙，不影