智能仪器绪论

智能仪器绪论第1页/共44页课程类型：专业教育课程必修先修课程：数字电子技术、模拟电子技术、微机原理及接口技术、EDA技术

使用教材：智能仪器设计基础，赵新民主编，哈尔滨工业大学出版社参

考

书：赵茂泰，智能仪器原理及应用，电子工业出版社林君程德福，智能仪器，机械工业出版社

宋万杰等，CPLD技术及其应用，西安电子科技大学出版社

第2页/共44页学时分配：本课程共56学时，其中讲课48学时，实验8学时成绩的考察方法及评定标准：总评成绩以百分制计算，平时和实验成绩占30%，期末考试成绩占70%教学内容：

章节内容学时第一章绪论（智能仪器的发展概况、特点、基本结构）2第二章器件基础（D/A、A/D、程控放大器、模拟开关等）12第三章智能仪器通信接口（GP-IB接口）4第四章数据采集系统（数据采集系统的组成及设计技术）8第五章智能仪器设计（智能仪器设计方法、抗干扰技术）14第六章实验技术基础（可编程逻辑器件及其应用、开发软件的使用、HDL程序设计）

8第3页/共44页第一章绪论一、从传统仪器到智能仪器

仪器仪表、智能仪器、重要性认识

二、智能仪器的基本结构与特点

2种结构、3个特点三、推动智能仪器发展的主要技术

传感器，A/D,单片机，DSP,FPGA/CPLD,软件，网络与通信四、智能仪器的发展趋势第4页/共44页一、从传统仪器到智能仪器

1.仪器仪表定义、作用、行业分类仪器仪表是信息获取的工具、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。测量仪器，分析仪器，生物医疗仪器，地球探测仪器，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。

第5页/共44页2、八类测试计量仪器几何量：长度、角度、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、γ射线及中子计量仪器等。第6页/共44页★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★电子参数：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。第7页/共44页3、四代仪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第8页/共44页第四代虚拟仪器基于USB总线的数据采集卡基于PCI总线的数据采集卡第9页/共44页操作系统：DOS,Windows2000/9x/NT最大I/0速度：1.5Mbytes/s（IEEE488.1)

7.7Mbytes/s(HS488)尺寸：133x107mmNI的PCI-GPIB卡第10页/共44页NI的DAQ及VXI产品示例第11页/共44页虚拟数字示波器的软面板第12页/共44页4、智能仪器的概念与历史概念:智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量(或检测)仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等)。也可以理解为传统仪器仪表的智能化、数字化发展。智能仪器＝仪器科学＋计算机科学第13页/共44页近年来，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。

第14页/共44页5、对仪器仪表重要性的认识仪器仪表是：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”

第15页/共44页王大珩院士：“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”

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”

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，仪器仪表的制造水平反映出国家的文明程度。

第16页/共44页1、智能仪器的基本结构

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)或称微机卡式仪器。二、智能仪器的基本结构与特点第17页/共44页微机内置式智能仪器的结构图第18页/共44页第19页/共44页第20页/共44页微机扩展式智能仪器的结构图第21页/共44页

个人仪器结构图

微机扩展式普通台式PCI工控机PCI笔记本PCI第22页/共44页第23页/共44页◆测量过程的软件控制：

CPU→软件控制测量过程

“以软代硬”→灵活性强、可靠性强◆数据处理：

随机误差、系统误差、非线性校准等处理→改善测量的精确度

数字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率谱等信号分析→提供更多高质量的信息量◆多功能化：一机多用

如智能化电力需求分析仪3、智能仪器的特点第24页/共44页三、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强仪器的功能与测量范围

单片机、DSP的广泛应用嵌入式系统与片上系统(SOC)ASIC、FPGA／CPLD技术

LabVlEW等图形化软件技术网络与通信技术

第25页/共44页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(DumbSensor)智能传感器(SmartSensor)网络化传感器(NetworkedSensor)

第26页/共44页A／D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／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2、A/D等新器件增强仪器的功能与测量范围第27页/共44页3.单片机、DSP处理器广泛应用单片机:8031、8051、89C51、

AVR、凌阳、PIC、MSP430、ARM

TMS—320系列等高速单片数字信号处理器(DSP‘DigitalSignalProcessor)是通过硬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波、FFT、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。第28页/共44页处理器（1）MCU8位8051内核的、microchip的PIC10（12,16,18）单片机；16位的TI的MSP430系列、atmel的AVR单片机、PIC24（30,33）单片机；32位的atmel的AVR32单片机（2）ARM处理器

ST的STM32系列、32位ARM7,ARM9系列。（3）数字信号处理器（DSP）

TI、AD、Motolora

（4）移动处理器（针对智能手机笔记本电脑的CPU）2003年

TI公司的OMAPTM，内部含有ARM和DSP第29页/共44页许多公司还采用了数字—模拟混合集成技术，将A／D、D／A、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33—40MHz，提升到20MIPS。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P89C51RC2／RD2、32KB／64KBFlash存储器，8KB容量的RAM。瑞典Xemic公司生产的XE8301，其工作电压的范围为1.2—5.5V，1MIPS时电流为200μA，暂停模式下仅需要1μA电流维持时钟的运行。第30页/共44页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。第31页/共44页

●

嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮。1976年8048微控制器的问世和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。第32页/共44页

●

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(IntellectualProperty)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。

第33页/共44页5、ASIC、FPGA／CPLD技术ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits，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。第34页/共44页FPGA(FieldProgrammableGatesArray，现场可编程门阵列)CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件)FPGA／CPLD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。

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（1）FPGA／CPLD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FPGA／CPLD的优点

（2）FPGA／CPLD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。研制开发费用相对较低。

（3）FPGA／CPLD芯片和EPROM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就可实现不同的功能。第36页/共44页

（4）FPGA／CPLD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FPGA／CPLD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，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FPGA／CPLD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，FPGA／CPLD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。FPGA／CPLD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。第37页/共44页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。软件就是仪器成为流行的说法。NI（NationalInstruments）公司1986年设计的LabVlEWl.0，2010年发展到Labview2010，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、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(1—2年)，开发维护费用低。6、LabVlEW等图形化软件技术→虚拟仪器第38页/共44页

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