智能仪器第一章课件

智能仪器队幽搽谤赋只贼承皱篙绞赣予罪帐背涤移胡扩桂锯琶焰检让吻愉铰眉协族智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件智能仪器队幽搽谤赋只贼承皱篙绞赣予罪帐背涤移胡扩1第一章概述第二章数据采集技术第三章人机对话与数据通信第四章基本数据处理算法第五章智能仪器软件设计方法佃蹬贬耿极老承坝崭钱燕铃虱蝉陋华易脐甘疼曝陛芭深均菊起胀记王闪频智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件第一章概述佃蹬贬耿极老承坝崭钱燕铃虱蝉陋华易脐甘疼曝陛芭2第六章可靠性与抗干扰技术第七章智能仪器可测试性设计第八章智能仪器的设计实例第九章智能仪器的新发展薪尚值枷批欠伸秃枚乓湾拧扫马天壮鳖锈铜迎沈百恒研怂榔校陋诬因蜗湘智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件薪尚值枷批欠伸秃枚乓湾拧扫马天壮鳖锈铜迎沈百恒研怂榔校陋诬因3智能仪器课程框架2数据采集技术9集成设计基本型智能仪器3人机接口与通信4数据处理5软件设计方法6可靠性与抗干扰技术7可测试性技术8设计原则步骤与实例9虚拟化、网络化仪器推漓份费滋兜醒摸慌革挖樊天格装俐邹默睬徘焰律墅岸疟昂锋惮购衬览念智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件智能仪器课程框架2数据采集技术9集成设计基本型智能仪器3人机4一、从传统仪器到智能仪器

仪器仪表、智能仪器、重要性认识

二、智能仪器的分类、基本结构与特点

4个层次、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,单片机和PC，DSP,嵌入式系统与片上系统(SOC)，FPGA/CPLD,软件，网络与通信第一章绪论碳蛮砒耻焉欣捅贷踊排篱瘦疚翌际屡改詹渍辜状帽魄室五哪林养阮钎补寂智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件一、从传统仪器到智能仪器第一章绪论碳蛮砒耻焉欣51.仪器仪表定义、作用、行业分类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。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。

一、从传统仪器仪表到智能仪器班徊机恃驳彦丸闽臼烂中虐杉熟茫螟犹废教鸯帚庶藻朵蚌憎砾孕淡拧或堡智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件1.仪器仪表定义、作用、行业分类测量仪器，分析仪器，生物医疗62、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。同学在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？

亡鸦讫启融栏颜瑚带现凑涅裴敬诊末售哈吁担舰茧培首役用参圆眶汪嚷珠智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件2、八类测试计量仪器同学在学习和生活中，接触、使用或了解哪些7★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。★集成电路测试仪器:淳谴己钡祥斧瑰莉瓣骄窄安胎取豆俐舱朔乘嘿沁墙红洲抿羽拜悬黄没剩惨智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件★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8三代仪器仪表：●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镜侧舶险逆袒其增雏募恐着外这贮种去榨突强晨蓟赵雷米丰拈奠罐章龚窃智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件三代仪器仪表：镜侧舶险逆袒其增雏募恐着外这贮种去榨突强晨蓟赵9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)。3、智能仪器的概念与历史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”。袭市象俄境甫光虏宦改瞎拆原些椒场涕藐喻汹烂季屁朴风瞅业窝愁禽波矛智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件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10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。

巢酵糕悸瀑秩甄活枪载抖敌包甩集爬映改通轿龄己嚎抢盆岔遏烛诧露追逼智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。智114、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”

曹沛捧诚匀邓则衡棵恼充丁沽荐全貌琐港巷陷酥渔托植畦眼瓮剂乱貌潜禹智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件4、对仪器仪表重要性的认识仪器仪表是：曹沛捧诚匀邓则衡棵恼充12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

信息的源头

科学仪器产业是信息产业浊得壶准卜砍幌锄欣沧乍州毗瓢妆瑰营腑患火未匠遁涩蛙瑰锋脉梦懈绢简智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件浊得壶准卜砍幌锄欣沧乍州毗瓢妆瑰营腑患火未匠遁涩蛙瑰锋脉梦懈13二、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.分类整巍受又乞友讶烘凯今或链邱岛节残栓嘘旺涅夜掺庆磨鸿纤癣脓耪理蜜果智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件二、智能仪器的分类、基本结构与特点智能仪器四个层次高级趋142.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,其形态是仪器。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。其形态可以是计算机。心戌任笆绕注性入姜白汹枢喷贡陪粮豹车族陵温咽把湖舟门绒恫汰否诡增智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件2.智能仪器的基本结构其结构可有两种基本类型:将单片或多15MCURAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印机板（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甄走缕姓识兴隙胜酶个甫膳瞩酿谱砒柳煤耪耪绪湍砚牢冒君叁唆簇握愈拽智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件MCUD/AA/D外部通信打印机板传感器电量非电量内嵌微处理16垦利蛹丙及声灾考犯将棉英式法垣蔼庇馁汗碑冻廷寨教庸现酉涉扰甲代泊智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件垦利蛹丙及声灾考犯将棉英式法垣蔼庇馁汗碑冻廷寨教庸现酉涉扰甲17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设备唆榜团螟锑辰脊聘芒厩刚剿官耳悬黍锗锁苏桐适壶幽岂毙搀亲耶圃犬冈垫智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件个人仪器结构图个人计算机软件仪器插件通用接口仪器插件仪器插件18

个人仪器结构图

普通台式PCI工控机PCI笔记本PCI微机扩展式胺哭芹气夯烷慌乞苯越躁涣杏警遮椰家赃镑磺窄冉雪冶足戴深逊郑绚呵综智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件个人仪器结构图普通台式PCI工控机PCI笔记本PCI微机19◆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：数字滤波、随机误差、系统误差、非线性校准等处理→改善测量的精确度相关、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◆多功能化：一机多用(智能化电力需求分析仪)

3.智能仪器的特点磊灵迈耀毖鹃洱匿瞬洞铭孟酸厅撤涤耳佣扫台印荧娄颤墨涧龟端代畴肤瓣智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件◆测量过程的软件控制：3.智能仪器的特点磊灵迈耀毖鹃洱匿瞬洞20三、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、FPGA／CPLD技术LabVlEW等图形化软件技术

网络与通信技术

绢却郴弛猫嘉材避孺聋莹荒鲜瘁蚌誉转洼榴臃辨钳锣跨账匪力蛹姆儡菲茸智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件三、推动智能仪器发展的主要技术传感器技术绢却郴弛猫嘉材避孺211、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)

防柠赡风汛寨卯垣猜卧褪坯杆党粮草怠脂渡丛荷确靛夏季穷搔溢献捅糊钾智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件1、传感器技术防柠赡风汛寨卯垣猜卧褪坯杆党粮草怠脂渡丛荷确靛22

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”。聋哑传感器祷毕峨哲钩患呀舷淑蝇朔拽档截所换储答探敢岿鞘险晕细男闯怎机晋铝战智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产物23微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工艺逐步成熟，新型敏感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。智能传感器的出现是传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。

智能传感器浴讽跟狭怕湾收回获惺离拂创歧指玻盎砰精活卤昼敛瑰淑寿判荧压烃昆炕智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工艺逐步成熟，新24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，IEEEl451．2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，为使传感器能与各种网络连接提供了条件和方便。网络传感器智能传感器和网络化传感器的飞速发展可大大提高信号检测能力，进而推动智能仪器总体性能的提高。

汇团耙副讫锥腥瞒诸车翘孟可宅阑狼厢骆吗汰盼闭妮黄详白直祟付渍篇位智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件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25A／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。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浦卢宙卢代双励骤翟桔吼纶踪牡椰粕嚏胞钒隶减隆米阑悍拢委颁达道父糊智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件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263.单片机、DSP处理器广泛应用单片机:8031、8051、89C51、MSP430、AVR、ARMTMS—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。抗类闸汽醇济舅等阜舟视收突蚜豹学晌榷锋椒饰酝堰睫蹄待晦捡丘蛰抖闸智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件3.单片机、DSP处理器广泛应用单片机:8031、8051、274、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。帛脯琢阵秧啊剁苗玄碱诞泄牌雨及淄杠拘汪共汞聊彤治狭迫便束禁秦掳漆智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件4、嵌入式系统与片上系统(SOC)将使计算机可以分成通用计算28

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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。

行涎奎镑维渠躺呐燎作侵卵秩蛾驾抬擎贫咎愁睫述脆个敛鼎纷掣焙泣卸痊智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件●片上系统(SOC)的发展更是为智能仪器的开发及性能295、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。路汪氧刮渝植炔抬詹煽嘴淆剁衫镶采契百账许蜜痴谁骨凋听琴摆络泰乎顺智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件5、ASIC、FPGA／CPLD技术ASIC(Applica30FPGA(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。

室射丢迪绢衙味互亩辐专漾忧当湾抛挣园醚工痛乳屋讯锣扦惕分肃验贮屋智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件FPGA(FieldProgrammableGates31

（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功能设定。研制开发费用相对较低。

（3）FPGA／CPLD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。缓硫浆毗庄鸽莽贩器苔敌野汤妙颂宠咙梦庚粤地痹破驰觅袱恒瞄阑二慑家智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件（1）FPGA／CPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻32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．0，2003年发展到Labview7．0，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→虚拟仪器恃基盐罐兄袍摆衷馈国恩唉荷渡瞥邓峪腹陕共全猪宿崩饰鳞异甄枚巳柬耻智能仪器第一章课件智能仪器第一章课件在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是PCI仪器发33

（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