智能仪器课件1

1、智能仪器史丽红F楼203TELQ：748991207态度方式效率There is always a better way!凡事一定有更好的方法！综合成绩评定本课程期末最终成绩主要由以下两部分组成：平时成绩（20）【课堂考勤、作业】期末考试成绩（80）智能仪器课程框架数据采集技术集成设计基本型智能仪器人机接口与通信数据处理软件设计方法可靠性与抗干扰技术可测试性技术设计原则步骤与实例虚拟化、网络化仪器一、仪器仪表概述 仪器仪表、智能仪器、重要性认识 二、智能仪器的分类、基本结构与特点 4个层次、3个特点、2种结构三、推动智能仪器发展的主要技术 传感器， A/D, 单片机和

2、PC，DSP, 嵌入式系统与片上系统(SOC)， FPGA/CPLD, 软件，网络与通信第一章 概述1、仪表 仪表(meter)名称使用比较久，其设计目的为测量时间、距离、速度、强度等实现显示、记录或控制数量和流量，如控制气体流量和电流。 双金属温度计 一、仪器仪表概述 (Instrument)仪表的功能一般比较单一，通常是测量某一个信号并将它显示出来或传送给其它设备，或经过变换传送给执行器。在化工、热工及自动化生产过程中经常用到各种仪表，在日常生活中也有如水表，电表，汽车上的速度表等。当仪表需要输出控制量来控制其它设备时，通常被称为控制仪表，在自动控制系统中广泛使用控制仪表有调节器，变送器，

3、运算器、执行器等。电磁流量计 1151型压力变送器 右图为UL型阻移式物位计，它能对开口料仓与密闭料仓中的粉状、颗粒状、块状物料进行检测、报警及自动控制。可以在钢铁、耐火、水泥、橡胶、化纤、电力等工业长期运行，效果比较理想。2.传感器 国家标准GB7665-87对传感器（transducer/sensor）的定义为： “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 传感器也可称为变换器、探测器或检测器等。是检测仪表的重要组成部分，是信息获取的前端。 结构：独立安装的，如热电偶、热电阻（温度传感器）；与仪表电路一体化的，如压力变送器； 与仪表相比

4、较，传感器的种类似乎更广泛些，它基于各种物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配，进行能量和信息的转换。传感器常用的分类方法有：按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器 。位移变送器：输出420mA、05V或010V、05V的标准电信号 按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。 轮辐式称重传感器：适用于平台秤、汽车衡、轨道衡及料仓物位测量与控制。 下图为扩散硅无腔压力传感器/变送器：测量对象为粘稠性液体，适用于测量发动机喷油系统的油压、缸压、液压及药品制造和食品加工等方面，其变送器输出为：420mA或0

5、5V，二线或三线制。 3.仪器仪器 (instrument) 通常是指用于记录、测量、显示或控制的独立装置（设备）。与仪表相比较，仪器的结构比较复杂，测量功能比较多。4、传统的仪器仪表定义：对各种变量（参数）进行检测 (计量)、记录、调节和处理的各种装置的总称。（包含了自动化装置）。 仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装置。 最基本的作用：是延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。双踪示波器 高频信号源（300MHz标准信号源） 5、八类测试计量仪器几何量：长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等 机械量：各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪、力

6、矩测量仪、振动测量仪等热工量：温度、湿度、流量测量仪器等光学参数：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学传递函数测量仪等。电离辐射：各种放射性、核素计量，X、射线及中子计量仪器等。 时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时 间频率测量仪等 电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC测量仪、静电仪、磁参数测量仪等无线电参数测量仪器 ：如示波器、信号发生器、相位测量仪、频谱分析仪、动态信号分析仪等。 智能仪表：应用新的采集技术、处理技术、硬件平台和人工智能技术，使仪表的性能（如精度）、功能、可靠性、可维护性和可测试性都得到了提高。 含有微计算机或微处理器的测量仪器，拥有对数据的存储、

7、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能作用。 传统仪表：性能主要取决于仪表内部元器件的精密性和稳定性，元器件的温度漂移（包括零点和增益漂移）和时间漂移都会反应到测量结果和仪表输出中去。另外，传统仪表对其内部故障缺乏诊断和处置能力，往往在故障情况下给出结果，显然这种结果是不可能正确的。 体积庞大，功能单一，价格昂贵， 开放性差，响应速度慢，精度低 。 典型仪器万用表、电子示波器、信号发生器等磁电式和电子式模拟仪器仪表 。 特点50年代 仪器的功能用硬件实现，几乎没有软件的介入，完全由生产厂商在产品出厂前定义好，测量结果用指针显示。模拟式（指针式）仪器。二、仪器仪表的发展 典型仪器数字电

8、压表、数字功率计，数字频率计 基本工作原理60年代数字式仪器在测量过程中将模拟信号转换为数字信号，测量结果以数字形式显示和输出 特点读数清晰，响应速度快，精度高 随集成电路的出现，以集成电路芯片为基础。 特点测量范围宽、精度高、稳定性好。智能仪器一般均配有GP-IB（或RS-232C、RS-485）等通信接口，可跟另外的智能仪器组成智能仪器系统。 功能70年代微处理器的出现和广泛应用,产生以微处理器为核心,将计算机技术与测量仪器相结合的仪器. 可根据被测参数的变化自动选择合适的量程，进行自动校准、自动补偿、自动判断故障、优化控制等，具有一定的人类智能作用。 独立式智能仪器（简称智能仪器）三代仪

9、器仪表：第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表第二代为数字式仪器仪表第三代就是智能式仪器仪表基本结构是电磁式的，基于电磁测量原理采用指针来显示最终的测量结果。基本结构中主要是A/D转换环节，并以数字方式显示或打印测量结果。含有微计算机或微处理器的测量仪器，拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能作用。 工业自动化仪表的发展过程 机械式(基地式)-电动单元组合式(模拟)-微机化(模、数)-智能仪表（全数字） 模拟式示波器弹簧压力表数字式超声波探伤仪四、仪器仪表的重要性1984年：我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器专业学组”；1986年：IMEKO(国际测量联合会)以“智能

10、仪器”为主题召开了专门的讨论会；1988年：IFAC (国际自动控制联合会) 的理事会正式确定“智能元件及仪器”。近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。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。 仪器仪表是： 国民经济的“倍增器”科学研究的“先行官”现代战争的“战斗力”法庭审判的“物化法官”门捷列夫：“科学是从测量开始的”钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术是关键和基础” 科学仪器是信

11、息的源头 科学仪器产业是信息产业王大珩院士：“能不能创造高水平的科学仪器和设备体现了一个民族、一个国家的创新能力。发展科学仪器设备应当视为国家战略” 英国著名科学家H.Pavy曾经明确指出：“Nothing begets good science like development of a good instrument”（发展一种好的仪器对于一门科学的贡献超过了任何其他事情） 美国能源部杰出科学家R. F. Hirsch博士在最近一篇获奖演说中指出：“由新工具开创的科学新方向远比由新概念开创的科学新方向要多。由概念驱动的革命影响是用新概念去阐明旧事物。而由工具驱动的革命影响是去发现需要阐明的

12、新事物”第二节 智能仪器的分类、基本结构与特点智能仪器四个层次 高级人工智能趋势系统辨识、模式识别初级智能计算机、信号处理聪敏、电子、传感、测量兼容聪敏仪器类 初级智能仪器类 模型化智能仪器类 高级智能仪器类 1.分类以电子、传感、测量技术为基础，是智能仪器最低级的类别。具有拟人的记忆、存储、运算、判断、简单决策等功能，但没有自学习、自适应功能，是应用比较广泛的一类。以建模的数学方法及系统辨识技术作为支持，具有一定的自适应自学习能力。是智能仪器的最高级别，人工智能的应用是其显著特征，具有较强的自适应、自学习、自组织、自决策等能力。 2.智能仪器的基本结构 其结构可有两种基本类型:微机内嵌式微机

13、扩展式将单片或多片的微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成的单机，属于嵌入式系统（Embedded System），其形态是仪器。这类智能仪器通常为某种测量目的设计，硬件与软件都是根据待测量、测控要求、性能指标来设计，针对性比较强，其人机界面比较简单，输入按键比较少，输出有采用数码管显示器或液晶显示器，体积小，测试精度高，可靠性高，一般还有符合某些协议的通信接口，应用十分广泛。智能仪器狭义上通常就是指这种单机型智能仪器，这也是本教材要着重分析的智能仪器。利用微机强大的功能完成信号调理、A/D转换、数字处理、数据存储、显示、打印、通信等各项任务。 高级汽车的燃料喷射系统、空调系统、音响部分、AB

14、S系统、卫星定位系统、安全气囊系统等多处都含有微机 。MCURAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印机仪器面板（键盘、开关、显示器）传感器电量非电量内嵌微处理器智能仪器的基本结构输入通道输出通道微机扩展式以个人计算机(PC)为核心的应用扩展型测量仪器。将检测功能扩展到微机中，由特定的硬件模块完成被测输入信号的采集，放大，以及输出信号的数模转换等功能，利用微机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，称为个人计算机仪器(PCI)或微机卡式仪器。其形态是计算机或微机系统。个人仪器、VXI总线仪器、虚拟仪器等属于微机扩展式仪器。个人仪器系统 个人仪器是在智能仪器的基础上，伴随着

15、个人计算机(PC)登上电子测量的舞台而创造出的一种崭新的仪器品种，它是将原智能仪器中的测量部分配以相应的接口电路制成各种仪器卡，插入到PC的总线插槽或扩展箱内，而原智能仪器所需的键盘、显示器以及存储器等均借助于PC机的资源，就构成了早期的个人仪器（又称PC仪器或仪器卡）。 个人仪器结构图个人计算机总线扩展槽软件仪器插件通用接口仪器插件仪器插件电源PC总线GPIB总线扩展底板或外部插件箱12nPC 机USB 设备 个人仪器结构图 普通台式PCI工控机PCI笔记本PCI微机扩展式A/D转换器D/A转换器输入电路模拟执行器I/O接口被测量微处理器MPU程序存储器(ROM)数据存储器(RAM)标准仪用

16、通讯接口键盘显示接口键盘显示外部仪用标准总线 智能仪器 卡式仪器的演变计算机部分测试部分 卡式仪器将智能仪器中的测量部分配以相应的接口，制成各种功能的仪器卡，插入到PC机的扩展槽中，而原智能仪器中的微机系统、键盘、显示器、存贮器、电源等均借助于PC机的资源而构成的。卡式仪器的硬件结构计算机仪器卡缺少仪器面板 建立软面板软面板卡式仪器的基本形态插入仪器卡计算机卡式仪器区别智能仪器一个显著特点是用“软面板”实现对仪器的操作软面板是显示在CRT上用作图软件生成的仪器面板图形（类似仪器硬面板）用户通过操作鼠标器移动光标的方式控制软面板上的按键、旋钮等3、 智能仪器的特点 微处理器的引入使许多原来用硬件

17、电路难以解决或根本无法解决的问题，由于利用软件而获得较好的解决。 智能仪器可以通过数据处理进行自动校正非线性补偿、数字滤波等，修正和克服由各种传感器、变换器、放大器等引进的误差和干扰，从而提高仪器的精度和其他性能。智能仪器一般都具有很高的自动化水平。微机系统都具有通信的功能，通过相关的协议，使智能仪器很容易与其他计算机系统通信，也可以用很多智能仪器构成自动测控系统。智能仪器采用微处理器，从而可以用软件代替许多硬件电路的工作，这样，仪器可以简化结构、减小体积、降低成本和提高可靠性。 智能仪器通常都具有自测试和自诊断功能 第三节 推动智能仪器发展的主要技术 传感器技术 A/D等新器件的发展将显著增

18、强仪器的性能与测量范围 单片机与DSP的广泛应用 嵌入式系统与片上系统(SOC) ASIC、FPGACPLD技术 LabVlEW等图形化软件技术 网络与通信技术 智能仪器的微型化技术1、传感器技术为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。聋哑传感器(Dumb Sensor) 智能传感器(Smart Sensor)网络化传感器(Networked Sensor) 传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产物。它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号。这类传感器的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被称为“聋哑传感器”。 微电子技术、光电子技术的迅猛发展，加工工艺逐步成熟，新型敏感

19、材料不断被开发出来。在高新技术的渗透下，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入，使微处理器和传感器得以结合，产生了具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器智能传感器。网络通信技术逐步走向成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、低功耗、低成本、微体积的网络接口芯片被开发出来，微电子机械加工技术,将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到智能传感器的ROM中时，就产生了网络传感器。为解决现场总线的多样性问题，IEEEl4512工作组建立了智能传感器接口模块(STIM)标准，该标准描述了传感器网络适配器或微处理器之间的硬件和软件接口，是IEEEl451网络传感器标准的重要组成部分，为

20、使传感器能与各种网络连接提供了条件和方便。AD芯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信号采集的关键。在向高速，低功耗、高分辨率、高性能的方向发展。AD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。2、A/D等新器件增强仪器的功能与测量范围3.单片机、DSP处理器广泛应用单片机:8031、8051、89C51、MSP430、AVR、 ARM TMS320系列等高速单片数字信号处理器(DSP Digital Signal Processor)是通过硬件来完成乘法和加法运算的，极大地增强

21、了智能仪器的数字滤波、FFF、相关、卷积等信号处理能力。新型DSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了DSP与ARM双核。许多公司还采用了数字模拟混合集成技术，将AD、DA、锁相环以及USB、CAN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，进一步提高了系统的可靠性。 51系列单片机的时钟频率目前可以提高至3340MHz，提升到20 MIPS。集成片上Flash存储器，集成密度高并实现了ISP(在系统烧录程序)和IAP(在应用烧录程序)。例如Philips公司P89C51RC2RD2 、32KB64KBFlash存储器，8KB容量的RAM。瑞典Xemic公司生产的XE8301，其工作

22、电压的范围为1.25.5V，1 MIPS时电流为200A，暂停模式下仅需要1A电流维持时钟的运行。4、嵌入式系统与片上系统(SOC)将使 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统(简称嵌入式系统)。而嵌入式系统则是指把微处理器、单片机(微控制器)、DSP芯片等作为“控制与处理部件”，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，其外观不再具备计算机的形态。很显然，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态出现；而是作为宿主设备的控制器智能地体现仪器设备的功能。 嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮。1976年8048微

23、控制器的问世和1980年MCS-5l微控制器的问世，推动了第一次嵌入式系统发展的浪潮。 经过20世纪90年代PC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是肢解了PC机最新两项成熟技术：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32位的DSP-RISC双核结构的微处理器。很显然，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。 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，尤其是能运行操作系统

24、的嵌入式系统平台，由于它具备多任务、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(API)，将会使研制复杂智能仪器变得容易。 片上系统(SOC)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。 SOC的核心思想就是要把整个应用电子系统(除无法集成的电路)全部集成在一个芯片中，避免了大量PCB板的设计及板级调试工作；SOC是以功能IP(Intellectual Property)为基础的系统固件和电路综合技术。 在SOC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CPU内核和成熟优化的IP内核模块，这样就基本上消除

25、了器件信息障碍，加快了设计速度，SOC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。 5、ASIC、FPGACPLD技术ASIC(Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路)无论在价格、集成度，还是在产量、产值方面均取得了飞速发展。因此，对仪器设计者来说，很有意义的一项工作是把一些性能要求很高的线路单元设计成专用集成电路而使智能仪器的结构更紧凑，性能更优良，保密性更强。FPGA(Field Programmable Gates Array，现场可编程门阵列)CPLD(Complex Programmable Logic Dev

26、ice，复杂可编程逻辑器件)FPGACPLD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IC芯片。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述，就能实现一种新的功能。比较典型的有Xilinx公司的FPGA器件系列Altera公司的CPLD器件系列。 （1）FPGACPLD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越来越强，同时也可以实现系统集成。应用FPGACPLD的优点 （2）FPGACPLD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，设计人员只需在自己的

27、实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的功能设定。研制开发费用相对较低。 （3） FPGACPLD芯片和EPROM(Flash存储器)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情况下用不同的EPROM(Flash存储器)就可实现不同的功能。 （4）FPGACPLD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，直至最后芯片的制作(物理版图映射)。当电路有少量改动时，更能显示出FPGACPLD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

28、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。 （5）电路设计人员使用FPGACPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识，FPGACPLD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。FPGACPLD适合于正向设计(从电路原理图到芯片级的设计)，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PCI仪器发展的关键。 NI（National Instruments）公司1986年设计的LabVlEWl0，2003年发展到Labview70，推动虚拟仪器技术的发展。 图形化编程语言建立的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据采集、

29、数据分析和数据显示功能。 虚拟仪器系统由用户定义；仪器硬件模块化；可重用和重新配置；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(12年)，开发维护费用低。6、LabVlEW等图形化软件技术虚拟仪器 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： 智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等；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、信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。7、网络与通信技术 网络化测试系统主要由两大部分组成： 组

30、成系统的基本功能单元(PC仪器、网络化测量仪器、网络化传感器、网络化测量模块)； 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，前者采用工业Ethernet，后者采用快速Ethernet。 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； 系统的实时性和时间的确定性； 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 器和存储器，具有网络化接口。第二章 智能仪器的数据采集技术 数据采集系统的组成结构模拟信号调理传统A/D转换器及接口技术 -型ADC原理与接口技术 数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析 数据采集系

31、统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。第一节 数据采集系统的组成结构 传感器模拟信号调理数据采集电路微机系统图2.1 数据采集系统的基本组成 数据采集系统是智能仪器中被测对象与微机之间的联系通道，因微机只能接收数字信号，而被测对象常常是非电量，所以，数据采集系统的前一道环节是感受被测对象，并把被测非电量转换为可用电信号的传感器，后一道环节是将模拟电信号转换成数字电信号的数据采集电路。除数字传感器外，大多数传感器都是将模拟非电量转换为模拟电量，而且这些模拟电量

32、通常不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需要进行适当的信号调理。 多路模拟输入通道数据采集系统实际的数据采集系统往往需要同时测量多种或同一种物理量的多个测量点。因此按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为两大类型：集中式采集（各路共用一个）分布式采集（每路各用一个） 一、多路模拟信号集中采集式 1. 集中式数据采集系统的典型结构之一传感器1传感器2传感器3调理调理调理模拟多路开关A/D计算机控制逻辑S/H多路共用采集电路分时采集多路被测信号分别由各自的传感器和信号调理电路组成的通道经多路转换开关切换，进入公用的S/H和A/D进行数据采集。返回它的特点是多路信号共同使用一个S/H和A/D ，简化了电路结构，降低了成本。但是它对信号的采集是由模拟多路切换器分时切换、轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据，这样就产生了