第1讲智能仪器概论2015

1、第1章智能仪器概述智能仪器原理及设计机械与储运工程学院张 蓬第1章智能仪器概述 课程性质：实践课课程性质：实践课 课程安排：理论课（课程安排：理论课（10-1610-16学时）学时） 考核方式：平时成绩（考核方式：平时成绩（30%30%）+ +期末大作业成绩（期末大作业成绩（70%70%） 考试内容：以教材及课件中内容为主，适当增加相关考试内容：以教材及课件中内容为主，适当增加相关知识的考查。知识的考查。第1章智能仪器概述1.2 智能仪器的特点1.3 智能仪器课程简介1.4仿真设计软件简介第1章智能仪器概述 仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具

2、，是一个系统或装置。它的最基本作用是延伸扩展补是一个系统或装置。它的最基本作用是延伸扩展补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。 智能仪器是微机技术、电子技术与信息技术相结智能仪器是微机技术、电子技术与信息技术相结合的产物，随着新技术、新器件应用领域的扩大，合的产物，随着新技术、新器件应用领域的扩大，智能仪器已经成为现代仪器仪表发展的主流。智能仪器已经成为现代仪器仪表发展的主流。 智能仪器的特征是数字化、自动化、智能化。智能仪器的特征是数字化、自动化、智能化。第1章智能仪器概述仪器是多种科学技术的综合产物，品种繁多。仪器是多种科学技术的综合产物，品

3、种繁多。 按功能划分按功能划分：测量仪器、控制仪器（测控仪器）：测量仪器、控制仪器（测控仪器）按用途划分按用途划分：计算仪器、分析仪器、办公仪器、医：计算仪器、分析仪器、办公仪器、医 疗仪器、地震仪器、天文仪器、航空疗仪器、地震仪器、天文仪器、航空 仪器、石化仪器仪器、石化仪器第1章智能仪器概述按仪器测量物理量不同可划分为如下八种计量仪器按仪器测量物理量不同可划分为如下八种计量仪器： (1) (1) 几何量计量仪器几何量计量仪器 (2) (2) 热工量计量仪器热工量计量仪器 (3) (3) 机械量计量仪器机械量计量仪器 (4) (4) 时间频率计量仪器时间频率计量仪器 (5) (5) 电磁计量

4、仪器电磁计量仪器 (6) (6) 无线电参数测量仪器无线电参数测量仪器 (7) (7) 光学与声学参数测量仪器光学与声学参数测量仪器 (8) (8) 电离辐射计量仪器电离辐射计量仪器第1章智能仪器概述近代仪器技术经历了模模拟拟式式（1910s）数数字式字式（1950s）智能式智能式（1980s）三个发展阶段模拟式仪器（analog meter）用指针或记录笔表征过程变量的仪表。 数字式仪器（Digital instrument ）用数字形式表征过程变量的仪表。 智能式仪器（Intelligent Smart Instrument）第1章智能仪器概述第1章智能仪器概述第1章智能仪器概述 智能仪器

5、以微处理机为核心，应用数字技术和软件技术形成的电子仪器（普遍认同的定义）根据仪器组成形式划分：n微机内置式智能仪器n微机扩展式智能仪器第1章智能仪器概述 微机内内置式智能仪仪器微控制器（MCU）+扩展硬件+测控软件电电子仪仪器（将计算机嵌入仪器外形更像仪器）第1章智能仪器概述特点是小型化、多功能、低成本、专用性，可适应恶劣工作环境。第1章智能仪器概述 微机扩扩展式智能仪仪器通用微机 + 扩展硬件 + 测控软件 虚拟仪虚拟仪器（将仪器装入计算机外形更像计算机 ）第1章智能仪器概述8080年代后期年代后期虚拟仪虚拟仪器（器（Virtual InstrumentVirtual Instrument）

6、 虚拟仪虚拟仪器器 以通用以通用计计算机算机为为基基础础，加上特定的，加上特定的硬件接口硬件接口设备设备和和为实现为实现特定功能而特定功能而编编制的制的软软件而形成的一件而形成的一种种新型新型仪仪器。器。 美美国国国国家家仪仪器（器（NINI）公司提出）公司提出第1章智能仪器概述三大三大组组成模成模块块计计算机算机仪仪器模器模块块软软件件虚拟仪虚拟仪器器 个个人人计计算机算机（各（各种种通用通用计计算机）算机）各各种传种传感器感器 信信号调号调理器理器 模模数转换数转换器器 数数据采集器据采集器 数数据分析据分析 过过程通程通讯讯 图图形用形用户户界面等界面等软软件件第1章智能仪器概述GPIB

7、GPIBSerialSerialDAQDAQProcessProcessororUnit Under TeUnit Under TeststVXIVXIImage AcquImage AcquisitionisitionMotionMotionControlControlPXIPXIApplicationApplicationSoftwareSoftwareHardware & Driver SoftwareHardware & Driver SoftwareWindows/CVI LabVIEW LabVIEW美国国家仪器公司（National Instruments ）第1

8、章智能仪器概述普通PC存在一些不可避免的弱点，用它构建的虚拟仪器存在一定可靠性问题。NI于1997年推出PXIPXI标准PCI在仪器领域的扩展(PCI eXtensions for Instrumentation)第1章智能仪器概述在虚拟仪器中，硬件仅起着信号的输入/输出功能，软软件才是仪仪器的关键关键。虚拟仪器开发语言： 文本式编编程语语言：如Visual Basic、C+、 Visual C 、labwidows/CVI等 图图形化编编程语语言：LabVIEW、HP-VEE等第1章智能仪器概述LabView（Laboratory Virtual instrument Engineering

9、） 专为数据采集、仪器控制、数据分析和数据表达而设计的开发软件。适合于用户组建小型虚拟仪器或用于大系统中某个分系统的编程。 第1章智能仪器概述程序流程图 图形化的程序语言，又称为“”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是程序流程图。前面板特点：图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。 第1章智能仪器概述Lab Windows/CVI（C compiler for Virtual Instruments ）基于ANSI C的虚拟仪器集成开发环境（平台）为工程师和科学家提供用于创建仪器控制、数据采集、分析测试的全套编程工具。第1章智能仪器概述源代码调试窗口用户界面窗口特点：具

10、有丰富的库函数、专业化的图形控件和灵活的交互式编程环境，且具有与C语言程序较好的融合性。第1章智能仪器概述网络化仪器仪表（随着网络化仪器仪表（随着internetinternet的的出现形成的）出现形成的） 第1章智能仪器概述两类两类智能智能仪仪器比器比较较微机内置式智能仪器 体积小、灵活性高、成本低，但产品研发要求较高的软软硬件硬件综综合技能合技能，且开发周期较长，适合于作为定型产品方案。微机扩展式智能仪器 功能强、性能优、上手快（无需硬件方面的技能无需硬件方面的技能） 但仪器成本较高，适合于科研和尖端应用领域。从工程应用角度来看，两者各有利弊。因而本课程将以嵌入式智能嵌入式智能仪仪器器为教

11、学为教学目目标标，探讨其工作原理、设计、应用方面的内容。第1章智能仪器概述1 1测量过程的软件控制测量过程的软件控制 简化了硬件结构，缩小了体积及功耗，提高了可靠简化了硬件结构，缩小了体积及功耗，提高了可靠性，增加了灵活性，而且使仪器的自动化程度更高。性，增加了灵活性，而且使仪器的自动化程度更高。这就是人们常说的这就是人们常说的“以软件代硬件以软件代硬件”的效果。的效果。 随着微型计算机时钟频率的大幅度提高，与全硬件随着微型计算机时钟频率的大幅度提高，与全硬件实时控制的差距越来越小。实时控制的差距越来越小。第1章智能仪器概述2 2数据处理数据处理 主要体现在误差剔除、精度补偿、函数运算、对在主

12、要体现在误差剔除、精度补偿、函数运算、对在线信号实时采集、存储、显示和分析、数值滤波、线信号实时采集、存储、显示和分析、数值滤波、时域分析、频域分析。在生物医疗、语音分析、模时域分析、频域分析。在生物医疗、语音分析、模式识别和故障诊断等方面都有广泛的应用。一台智式识别和故障诊断等方面都有广泛的应用。一台智能仪器也是信号分析仪器。能仪器也是信号分析仪器。3 3多功能化多功能化 智能仪器的测量过程、软件控制及数据处理功能智能仪器的测量过程、软件控制及数据处理功能一机多用的多功能化易于实现，从而多功能化成为这一机多用的多功能化易于实现，从而多功能化成为这类仪器的又一特点。类仪器的又一特点。第1章智能

13、仪器概述1.1 智能仪器概述1.2 智能仪仪器的特点1.3 智能仪器课程简介1.4仿真设计软件简介第1章智能仪器概述 具有自动校准功能 可消除零位漂移误差，自动进行周期性校准。 工作原理 智能天平1.2 1.2 智能智能仪仪器的特点器的特点第1章智能仪器概述 自动量程切换功能如何提高测试精度和读数的分辨率？程控放大器PGARARff 1第1章智能仪器概述 具有复杂数据处理功能 通过数字滤波、非线性校正，系统误差修正等软件算法，可提高仪器的测量准确度。第1章智能仪器概述 可提供丰富的人机交互形式 通过键盘、按钮、触摸屏输入命令或参数； 通过数码管、显示器观察仪器运行结果； 通过打印机、USB、W

14、eb复制测量信息。第1章智能仪器概述 具有仪器自检功能，能及时发现问题 自检类型：开机自检、周期性自检、键控自检 检查内容：特殊功能部件工作状态 如，RAM的读写数据是否一致； 显示器是否正常发光； A/D转换结果是否正确； ROM是否信息有误； 第1章智能仪器概述 能方便地进行功能扩展 可以通过更改软件实现新的功能相同硬件+专用软件专用仪器第1章智能仪器概述1.1 智能仪器的概念1.2 智能仪器的特点1.3 智能仪器课程简介1.4 仿真设计软件简介第1章智能仪器概述学习学习目目标标了解智能仪器的工作原理、系统组成和设计方法，掌握智能仪器软件编程与开发的基本技能。主要主要内内容容硬件设计：51

15、MCU基本电路 + 串行接口技术软件设计：智能仪器常用功能的软件编程方法软件工具：仿真软件Proteus + 编译软件Keil C常用算法：测量算法与控制算法学习方式理论教学 + 实践环节 + 答辩 = 32h第1章智能仪器概述查阅资料：了解工作原理、制定设计方案电路设计：51MCU系统+虚拟传感器软件开发：C51+汇编语言编程设计报告：方案+软硬设计+分析分组答辩：PPT+仿真运行 关于考试 完成一台智能仪器的仿真设计任务(大作业)第1章智能仪器概述参考教材第1章 单片机基础知识概述第2章 MCS-51单片机结构及原理第3章 单片机的汇编语言与程序设计第4章 单片机的C51语言第5章 单片机

16、的中断系统第6章 单片机的定时器/计数器第7章 单片机的串行通信技术第8章 单片机接口技术第第9章章 单单片机片机应应用系用系统统的的设计与开发设计与开发附附录录 实验实验指指导导第1章智能仪器概述单单片机片机课课程程学习网学习网站站（http:/ 智能仪器的概念1.2 智能仪器的特点1.3 智能仪器科研实例1.4 仿真设计软件简介第1章智能仪器概述英国Labcenter公司的电路分析与实物仿真软件提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能（类似于multisim软件）可仿真多种MCU，如51系列、AVR，PIC等可仿真多种外围电路，如8251、键盘，LED等可提供

17、多种调试虚拟仪器，如示波器、信号源等可实现从概念到产品的完整设计1.4 1.4 仿仿真设计软真设计软件件ProteusProteus简简介介第1章智能仪器概述第1章智能仪器概述ProteusProteus是是集集智能原理智能原理图输图输入系入系统统（ISISISIS）和和高高级级布布线与编辑软线与编辑软件件（ARESARES）两两大功能大功能与与一体的一体的电电子子设计设计系系统统。第1章智能仪器概述1.4.1 ISISISIS智能原理图输入系统数字与模拟电路原理图绘制数字与模拟电路仿真运行单片机汇编程序编译调试(Intelligent Schematic Input System)第1章智能

18、仪器概述单片机系统原理图单片机系统原理图数数字字与与模模拟电拟电路原理路原理图绘图绘制制第1章智能仪器概述测频电路原理图第1章智能仪器概述子电路及模块电路子子电电路路 模模块电块电路路第1章智能仪器概述子电路子电路F1F1电路原理图电路原理图第1章智能仪器概述模块电路模块电路VCO1VCO1电路原理图电路原理图第1章智能仪器概述可利用线路探针进行电路测量利用不同利用不同颜颜色色电电路路连线显连线显示相示相应电压应电压利用箭利用箭头显头显示示电电流方向流方向 探探针实时显针实时显示示电压电压/ /电电流流值值暂暂停停时时，使用，使用Virtual InstrumentsVirtual Instr

19、uments按按钮钮，可，可显显示元件示元件参数参数信息信息 数数字字与与模模拟电拟电路仿路仿真运真运行行第1章智能仪器概述可利用信号发生器作为电路激励源 DCDC：直流电压源 SineSine：正弦波发生器 PulsePulse：模拟脉冲发生器 ExpExp：指数脉冲发生器 SFFMSFFM：单频率调频波信号发生器 PwlinPwlin：任意分段线性脉冲信号发生器 FileFile： ASCII文件信号发生器 AudioAudio：音频信号发生器 DStateDState：稳态逻辑电平发生器 DEdgeDEdge：单边沿信号发生器 DPulseDPulse：单周期数字脉冲发生器 DClock

20、DClock：数字时钟信号发生器 DPatternDPattern：模式信号发生器第1章智能仪器概述模拟脉冲激励源 包括方波、锯齿波、三角波及单周期短脉冲模模拟拟脉冲脉冲信信号输号输出出第1章智能仪器概述音频信号激励源 使用Windows WAV 文件作为输入文件。结合音频分析图表，可以听到电路对音频信号处理后的声音。 音音频频信信号号输输出出第1章智能仪器概述数字时钟信号激励源 数数字字时钟时钟信信号输号输出出第1章智能仪器概述可利用虚拟仪器检测电路工作状态n虚拟示波器(OSCILLOSCOPE)n逻辑分析仪(LOGIC ANALYSER)n定时计数器(COUNTER TIMER)n虚拟终端

21、(VIRUAL TERMINAL)nSPI调试器(SPI DEBUGGER)nI2C调试器(I2C DEBUGGER)n信号发生器(SIGNAL GENERATOR)n模式发生器(PATTERN GENERATOR)n电压表和电流表（voltmeters/ammeters） 第1章智能仪器概述虚拟示波器第1章智能仪器概述调调幅信幅信号号输输出出信信号发号发生生器器参数设参数设置置虚拟信号发生器第1章智能仪器概述虚拟终端第1章智能仪器概述第一步：输入单片机系统原理图单单片机片机汇编汇编程序程序编译调试编译调试第1章智能仪器概述第二步：建立汇编源代码文件选择选择代代码码生成工具生成工具建立新的源代

22、建立新的源代码码文件文件定定义义新的源代新的源代码码文件名文件名称称第1章智能仪器概述第三步:进行源代码调试 （自带编译器）第1章智能仪器概述C51语语言言开发环开发环境；境；汇编语汇编语言言开发环开发环境；境；可可进进行行纯软纯软件仿件仿真真；可可与与Proteus联联合仿合仿真真。 第三方程序编译器Keil第1章智能仪器概述Proteus与Keil联合调试KeilKeil处处于于运运行行状态状态PROTEUSPROTEUS同同时时进进入入运运行行状态状态第1章智能仪器概述仿真运行效果第1章智能仪器概述 1.4.2 ARESPCB设计系统(A Advanced R Routing and E

23、 Editing S Softwae) PCB的布局布线 规则检查 设计输出第1章智能仪器概述从从ISISISIS到到AESAES在ISIS中设计好的原理图，确认器件封装正确后就可直接导出网络表并开始PCB设计。第1章智能仪器概述布局布线第1章智能仪器概述三维预览 便于观察器件布局和展示设计效果第1章智能仪器概述CADCAM输出生成PCB（丝印层、打孔层、元件层）的加工文件第1章智能仪器概述第一章小结智能仪器的定义：以微处理机为核心，应用数字技术和软件技术形成的电子仪器智能仪器的分类：微机内置式智能仪器+微机扩展式智能仪器（虚拟仪器）智能仪器的特点：自动校准 、自动量程切换、复杂数据处理、多样

24、化人机交互形式、仪器自检、便于功能扩展智能仪器的结构：MCU+模入/出+人机交互+数据锁存+功率扩展仿真开发工具： Proteus + Keil C第1章智能仪器概述第1章智能仪器概述 重要性 ： 微处理器（MPU）是智能仪器的核心部件，智能仪器硬件和软件的设计与微处理器有着密切的关系，微处理器的结构和特性对智能仪器的性能也有很大影响。 内容 ： 基于 8051内核的单片机、PIC系列单片机、基于ARM内核的单片机、基于AVR的单片机、DSP型单片机。1.4 1.4 智能智能仪仪器中微器中微处处理器的理器的选择选择第1章智能仪器概述1.4.1 1.4.1 单单片机片机概概述述 单片机是在一块芯

25、片上集成了CPU、RAM、ROM、时钟、定时/计数器、串行、并行I/O口等的微型计算机，有些型号的单片机包括A/D、D/A、模拟比较器、脉宽调制器、USB口等，功能强、体积小、价格低、支持软件多、便于开发，智能仪器多选单片机作为智能控制部件。不同单片机的区别主要是在CPU的字长、结构，存储器的容量和种类，以及I/O功能等方面。在选择具体型号时，应考虑字长、指令功能、寻址范围、寻址方式、内部存储器容量、位处理、中断处理能力、配套硬件、芯片价格及开发平台等。第1章智能仪器概述字长:4位、8位、16位、32位。 8位单片机结构简单，体积小，成本低，应用 广泛。本书智能控件以八位单片机为主指令系统：指

26、令越丰富，寻址方式越多，操作功能 越强，编程更加灵活，但并不是越多越好，应面向具体问题。CISC:数据线和指令线分时复用,取指令和取数据不 能同时进行，速度受限，价格亦高 PISC:数据线和指令线分离,提高了运算速度,这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，便于超小型化设计。比如：Microchip的PIC系列、Zilog的286系列、Atmel的AT90S系列等。 1.4.1 1.4.1 单单片机片机概概述述第1章智能仪器概述 早期的单片机(8031)系统，基本采用传统的三总线结构，由单片机及简单外围电路构成，具有独立的数据线、地址线、控制线。在此基础上可以扩展成需要的应用

27、系统结构。这种单片机指令功能强、可扩展性强。它可以应用于各种领域，尤其适于用于控制对象比较复杂的某些场合。如智能仪器仪表、通信产品、工业控制系统。但采用传统并行总线结构的单片机内部结构复杂，系统外部硬件设计优化困难，系统资源利用率较低，加上单片机应用的广泛性及多样性，带有各种总线接口的单片机不断推出。如带I2C总线的单片机、带CAN总线的单片机、带USB总线的单片机，以及带以太网接口的单片机等。1.4.1 1.4.1 单单片机片机概概述述第1章智能仪器概述 目前常用的单片机有Intel 公司的MCS-51/52系列、Motorola 公司MC68系列、PIC16CXX系列及与之兼容的多种改进升

28、级型芯片，如Philip公司的80C51系列等。另外，美国Silabs公司的F系列单片机如C8051F02X，在需要AD、DA、比较器、多端口、多中断时比较合适的。Philips公司的LPC92X是一款较低价位的单片机，适合于许多集成度高、成本低的场合，如LPC920/921/922采用了高性能的处理器结构，集成了许多系统级的功能，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本，可以满足多方面的性能要求。1.4.1 1.4.1 单单片机片机概概述述第1章智能仪器概述.2基于基于 8051 8051内内核的核的单单

29、片机片机 MCS-51系列单片机是20世纪80年代由美国Intel公司推出的一种8位单片机，主要有8031系列，8051系列。其片内集成并行I/O口、串行I/O口、16位定时器/计数器、RAM、ROM等。最高时钟频率为12MHz，指令系统采用CISC体系。总线结构为三总线。 优点：技术性能及开发手段都较成熟，高性能，高速度，体积小，价格低廉，可重复编程和方便功能扩展 应用领域：智能仪器设计、机电一体化设备、家电产品及玩具 第1章智能仪器概述1.4.3 MSP4301.4.3 MSP430系列系列单单片机片机 MSP430系列单片机是美国TI（德州仪器）公司1996年推出的超低功耗、高集成度的1

30、6位单片机，由CPU、程序存储器、数据存储器、外围模块、振荡器/系统时钟模块和控制电路组成，对存储器进行统一编址，利用公共存储器空间对系统全部功能模块进行寻址。特点：运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境应用领域：家用仪表、液晶显示的智能化仪器智能检测与 控制系统、医疗与运动设备、家用电器和保安系统等第1章智能仪器概述1.4.4 PIC1.4.4 PIC系列系列单单片机片机 PIC系列单片机是Microchip公司的产品，在单片机行业首先引入RISC结构，是嵌入式应用的主流产品。采用精简指令集计算机（RISC）和哈佛双总线、两级指令流水线结构的高性价比的8位微处理器。特点：高速

31、、低电压、低功耗、I/O口驱动能力强、一次 性编程OTP、芯片的价格低、体积小、指令简单、指令数量少、易学易用。应用领域：办公自动化设备、消费电子产品、通信、智能仪器仪表、汽车电子、金融电子和工业控制等。第1章智能仪器概述.5基于基于ARMARM内内核的核的单单片机片机ARM（Advanced RISC Machines）公司是英国的著名半导体设计公司，ARM公司设计的ARM结构是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的，是现在嵌入式系统32位里的主流单片机。ARM公司设计的32位处理器，以内核耗电少、成本低、功能强、特有16/32位双指令集，使ARM芯片具有高性能、廉价、低耗能的特征