智能仪器规划 Design of Intelligent Instrumentation 主讲教师：赵凤强(机电 B416） E-mail： 课程类型：专业教育课程 必修 先修课程：数字电子技能、模仿电子技能、 单片机原理及接口技能 运用教材： 程德福 林君. 智能仪器，机械工业出版社 参 考 书： 赵新民主编. 智能仪器规划根底，哈尔滨工业大学出版社 赵茂泰. 智能仪器原理及运用，电子工业出版社 宋万杰等. CPLD技能及其运用，西安电子科技大学出版社 学时分配： 本课程共32学时 成果的调查办法及鉴定规范： 总评成果以百分制核算，平时成果占30%， 期末考试成果占70% 教学内容： 榜首章 第二章 第三章 第四章 第五章 概述 章节内容 数据收集技能 人机对话与数据通讯 智能仪器的根本数据处理算法 软件规划 第六章 第七章 第八章 第九章 可靠性与抗干扰技能 可测验性技能 规划实例 智能仪器的新开展 榜首章 概述 一、从传统仪器到智能仪器 仪器外表、智能仪器、重要性知道 二 、智能仪器的分类、根本结构与特色 2种结构、3个特色 三、 推进智能仪器开展的首要技能 传感器， A/D， 单片机和PC，DSP FPGA/CPLD，软件，网络与通讯 四、智能仪器的开展趋势 一 、从传统仪器到智能仪器 1.仪器外表界说、效果、职业分类 界说：仪器外表是信息获取的东西、是知道世 界的东西，是一个体系或设备。 效果：最根本的效果：是延伸扩展弥补或代替 人的听觉、视觉、触觉等器官的功用。 按运用分类：丈量仪器，剖析仪器，生物医疗仪 器，地球勘探仪器，地理仪器，航空航天帆海仪 表，轿车外表，电力,石油,化工外表等，广泛国民 经济各个部门，深化到人民日子的各个旮旯。 2、八类测验计量仪器 ? 按丈量的物理量不同分类： ? 几许量：长度、视点、彼此方位、位移、 间隔丈量仪器等 机械量：各种测力仪、硬度仪、加速度与 速度丈量仪、力矩丈量仪、振荡丈量仪等 热工量：温度、湿度、流量丈量仪器等 ? ? ? 光学参数：如光度计、光谱仪、色度 计、激光参数丈量仪、光学传递函数 丈量仪等。 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。 ? 时刻频率：各种计时仪器与挂钟、铯 原子钟、时刻频率丈量仪等 ? 电磁量：交、直流电流表、电压表、 功率表、RLC丈量仪、静电仪、磁参 数丈量仪等 ? 电子参数：无线电参数丈量仪器 如示 波器、信号发生器、相位丈量仪、频 谱剖析仪、动态信号剖析仪等。 ? 留意！！！！ ? 以上八类测验计量仪器虽然测验目标 不同，但有一起的测验理论，并且测 量的数字化、丈量进程的自动化、数 据处理的程序化等共性技能都成为现 代仪器规划的首要内容。 3、四代仪器外表 ? ? ? 榜首代为指针式（或模仿式）仪器外表 第二代为数字式仪器外表 第三代便是智能式仪器外表 ? 第四代 虚拟仪器 依据USB总线的数据收集卡 依据PCI总线的数据收集卡 NI的PCI-GPIB卡 操 作 系 统 ： DOS, Windows2000/9x/NT 最大I/0速度： 1.5 Mbytes/s （IEEE488.1) 7.7 Mbytes/s (HS488) 尺度：133x107 mm GPIB（General-Purpose Interface Bus）-通用接口总线 NI的DAQ及VXI产品示例 DAQ是英文Data Acquisition （数据收集） VXI总线 虚拟数字示波器的软面板 4、智能仪器的概念与前史 概念:智能仪器是微电子技能、网络技能和核算机及 软件技能与丈量仪器相结合的产品，是含有微核算机 或微处理器的丈量(或检测)仪器，它具有对数据的存 储、运算、逻辑判别及自动化操作等功用，具有必定 智能的效果(表现为智能的延伸或加强等) 。也能够理 解为传统仪器外表的智能化、数字化开展。 智能仪器＝仪器科学＋核算机科学 近年来，智能仪器已开端从较为老练的 数据处理向常识处理开展。 含糊判别、故障诊断、传感器交融、机 件寿数猜测等，使智能仪器的功用向更 高的层次开展。 智能仪器对仪器外表的开展以及科学实 验研讨发生了深远影响，是仪器规划的 里程碑。 5、对仪器外表重要性的知道 仪器外表是： 国民经济的“倍增器” 科学研讨的“先行官” 现代战争的“战斗力” 法庭审判的“物化法官” 王大珩院士：“能不能发明高水平的科学 仪器和设备表现了一个民族、一个国家的 立异才能。开展科学仪器设备应当视为国 家战略” 钱学森：“新技能革新的要害技能是信息 技能。信息技能由丈量技能、核算机技能、 通讯技能三部分组成。丈量技能是要害和 根底” 现代仪器外表的开展水平是国家科技水平 和归纳国家力的重要表现，仪器外表的制 造水平反映出国家的文明程度。 二 、智能仪器的分类、根本结构与特色 1、智能仪器的分类(按智能化程度分)： ?聪敏（Smart）仪器 ：以电子、传感、丈量为根底 ? 初级智能仪器：除电子、传感、丈量技能外，还运用了 核算机及信号处理技能 ?模型化仪器：在初级智能仪器根底上运用建模技能和办法 ?高档智能仪器：人工智能的运用 智能仪器的4个层次 高档智能 模型化智能 初级智能 兼 容 智能 人工智能 体系辨识、方式 辨认 高档 趋 势 核算机、信号处理 电子、传感、丈量 聪敏 传感类 2、智能仪器的根本结构 其结构可有两种根本类型: ● 微机内置式 ● 微机扩展式 微机内嵌式智能仪器 将单片或多片的 微机芯片与仪器 有机地结合在一 起构成的单机。 个人核算机仪器 以个人核算机(PC)为核 心的运用扩展型丈量仪 器。个人核算机仪器 (PCI)或称微机卡式仪器。 输出通道 D/A 传 感 器 非 电 量 A/D 外部通讯 电 输入通道 量 键盘、开关 、显现器 板 单片机 或DSP RAM、 EPROM I/O接口 RS232 USB 打印机 内嵌微处理器智能仪器的根本结构 核算机 总线扩展槽 PC总线 电 源 插 插 件 件 2 2 1 软件 插 接 … 件 口 通 底板或外部插件箱 微机扩展式智能仪器结构图 1 n n GPIB\VXI等 微机扩展式智能仪器的结构图 工控机PCI 一般台式PCI 个人仪器结构图 笔记本PCI 3、智能仪器的特色 ◆丈量进程的软件操控： CPU→ 软件操控丈量进程 “以软代硬” →灵活性强、可靠性强 ◆数据处理 ： 随机误差、体系误差、非线性校准等处理 →改善丈量的精确度 数字滤波、相关、卷积、反卷积、起伏谱、 相位谱、功率谱等信号剖析 →供给更多高质量的信息量 ◆多功用化 ：一机多用 如智能化电力需求剖析仪 三、推进智能仪器开展的首要技能 1. 传感器技能 2. A/D等新器材的开展将明显增强仪器 的功用与丈量规划 3. 单片机、 DSP的广泛运用 4. ASIC、FPGA／CPLD技能 5. LabVlEW等图形化软件技能 6. 网络与通讯技能 1、传感器技能 为习惯智能仪器开展的需求，各种新式传感 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) 聋哑传感器 传统的传感器是模仿仪器外表年代的产品。它的设 计指导思想是把外部信息变换成模仿电压或电流信号。这 类传感器的输出幅值小，灵敏度低，并且功用单一，因而 被称为“聋哑传感器”。 智能传感器 微电子技能、光电子技能使加工工艺逐渐老练，新式材料 尤其是核算机技能的进入，使微处理器和传感器得以结合， 发生了具有必定数据处理才能，并能自检、自校、自补偿 的新一代传感器——智能传感器。传感技能的一次革新， 对传感器的开展发生了深远的影响。 网络传感器 将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通讯协议 固化到智能传感器的ROM中时，就发生子网络传感器； IEEEl451.2 作业组成立了智能传感器接口模块 (STIM) 规范，描绘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 网络传感器规范的重要组 成部分，使传感器能与各种网络衔接。 智能传感器和网络化传感器的飞速开展可大大 进步信号检测才能，然后推进智能仪器总体性 能的进步。 2、A/D等新器材增强仪器的功用与丈量规划 A／D芯片是现代科学仪器不行短少的核心部件 之一，它的速度的进步是完结高速数据收集的 要害。在向高速，低功耗、高分辨率、高功用 的方向开展。 A／D等电路与微处理器集成在一块(称为混合 电路) 传感器与操控电路都集成在一块芯片上，这将 缩小体积，增强可靠性，然后完结智能仪器的 多功用化 3.单片机、DSP处理器广泛运用 单片机:8031、8051、89C51 TMS—320系列等高速单片数字信号处理器 (DSP‘Digital Signal Processor)是经过硬件来完 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。 新式DSP芯片接口功用大大加强，乃至集成了 DSP与ARM双核。 什么是ARM？ ? ARM (Advanced RISC Machines)，是英国 一家电子公司的姓名，该公司成立于1990 年11月，是苹果电脑，Acorn电脑集团和 VLSI Technology的合资企业。Acorn曾在 1985年推出国际上首个商用单芯片RISC （Reduced Instruction Set Computing）处 理器。ARM首要出售芯片规划技能的授权。 ? ARM开发的RISC处理器。而现在咱们把这 一类的处理器称为ARM。ARM 微处理器 已广泛工业操控、消费类电子产品、通讯 体系、网络体系、无线体系等各类产品市 场，依据ARM技能的微处理器运用约占有 了32位RISC微处理器75%以上的市场份额， ARM技能正在逐渐进入到咱们日子的各个 方面。 ? ARM还能够了解为是一种技能，ARM公司 是专门从事依据RISC技能芯片规划开发的 公司，作为常识产权供货商，自身不直接 从事芯片出产，国际各大半导体出产商从 ARM公司购买其规划的ARM微处理器核， 依据各自不同的运用领域，参加恰当的外 围电路，然后构成自己的ARM微处理器芯 片进入市场。现在，全国际有几十家大的 半导体公司都运用ARM公司的授权，因而 既使得ARM技能取得更多的第三方东西、 制造、软件的支撑，又使整个体系本钱降 低，使产品更简单进入市场被顾客所接 受，更具有竞争力。 4、ASIC、FPGA／CPLD技能 ASIC (Application Specific Integrated Circuits ，专用集成电路 ) 不管在价格、集成 度，仍是在产量、产量方面均取得了飞速发 展。因而，对仪器规划者来说，很有含义的 一项作业是把一些功用要求很高的线路单元 规划成专用集成电路而使智能仪器的结构更 紧凑，功用更优秀，保密性更强。 FPGA(Field Programmable Gates Array，现场 可编程门阵列) CPLD(Complex Programmable Logic Device， 杂乱可编程逻辑器材) FPGA／CPLD的规划比较大，适合于时序、组 合等逻辑电路运用场合，它能够代替几十乃至 上百块通用IC芯片。 这种芯片具有可编程性和完结计划简单改动的 特色。电路坚持不动的状况下，改动内部硬件 衔接联系的描绘，就能完结一种新的功用。 运用FPGA／CPLD的长处 （ 1） FPGA ／ CPLD 芯片的规划也越来越大，其 单片逻辑门数已达到数十万门，它所能完结的功用 也越来越强，一起也能够完结体系集成。 （2）FPGA／CPLD芯片在出厂之前都做过百分 之百的测验，不需求规划人员承当投片风险和费用， 规划人员只需在自己的试验室里就能够经过相关的软 硬件环境来完结芯片的终究功用指定。研制开发费用 相对较低。 （3） FPGA／CPLD芯片和EPROM合作运用时， 用户能够重复地编程、擦除、运用或许在外围电路不 动的状况就可完结不同的功用。 （ 4 ） FPGA ／ CPLD 芯片的电路规划周期很短。软 件包中不光有各种输入东西和仿真东西，并且还有地图 规划东西和编程器等全线产品，电路规划人员在很短的 时刻内就可完结电路的输入、编译、优化、仿真，直至 最终芯片的制造。当电路有少数改动时，更能显现出 FPGA／ CPLD的优势。它大大加快了新产品试制速度， 减少了库存风险与规划过错所带来的风险，然后进步了 企业在市场上的竞争才能和应变才能。 （5）电路规划人员运用FPGA／CPLD进行电路规划时， 不需求具有专门的IC(集成电路)深层次的常识，FPGA ／CPLD软件易学易用，能够使规划人员更能集中精力 进行电路规划。 5、LabVlEW等图形化软件技能→虚拟仪器 在核算机和必要的仪器硬件确认之后，软件便是PCI 仪器开展的要害。软件便是仪器成为盛行的说法。 NI （ National Instruments ） 公 司 1986 年 设 计 的 LabVlEWl.0 ， 2003 年开展到 LabVlEW7.0 ，推进虚拟 仪器技能的开展。 图形化编程言语树立的虚拟仪器面板，完结对仪器 的操控、数据收集、数据剖析和数据显现功用。 虚拟仪器体系由用户界说；仪器硬件模块化；可重 用和重新配置；体系功用、规划可经过修正软件、 替换仪器硬件而增减；技能更新速度快 (1—2 年 ) ， 开发维护费用低。 6、网络与通讯技能 跟着网络技能、通讯技能的高速开展与广泛 运用，网络化测验技能遭到广泛重视，这必将 对网络年代的测验仪器和测验技能发生革新性 改变。表现在两个方面： ★ 智能仪器要上网，完结数据传输、远程控 制与故障诊断等； ★ 构建网络化测验体系，将涣散的各种不同 测验设备挂接在网络上，经过网络完结资源、 信息同享，和谐作业，一起完结大型杂乱体系 的测验使命。 网络化测验体系首要由两大部分组成： ◆组成体系的根本功用单元 (PC仪器、网络化丈量仪器、 网络化传感器、网络化丈量模块)； ◆ 衔接各根本功用单元的通讯网络。用于测验和操控的 网络与以信息同享为意图的信息网不同，前者选用工业 Ethernet，后者选用快速以太网。 构建网络化测验体系需考虑的问题： ▲ ▲ ▲ ▲ 体系要具有开放性和互操作性； 体系的实时性和时刻确实认性； 体系的本钱尽可能低，通用性好； 根本功用单元有必要是智能化的，带有本地微处理 器和存储器，具有网络化接口。 四、智能仪器的开展趋势 1、微型化 2、多功用化 3、人工智能化 4、网络化 5、虚拟仪器是智能仪器开展的新阶段 《智能仪器规划》课程结构 虚拟仪器、网络化仪器 规划准则过程与实例 可测验性技能 可靠性与抗干扰技能 数据收集技能 人机接口与通讯 数据处理 软件规划办法 思考题 1．你在学习和日子中，触摸、运用或了解哪些仪器外表？ 归于哪种类型？指出它们的一起之处、首要差异。挑选一种 仪器，针对其存在的问题或缺乏，提出改善想象。 2．结合你对智能仪器概念的了解，评论“智能化”的层次。 3．简述推进智能仪器开展的首要技能。 4．学过的哪些课程为智能仪器规划奠定根底，回忆首要内 容。 5．智能仪器有哪几种结构方式？对其作扼要描绘。 6．智能仪器规划时选用FPGA／CPLD有哪些长处？