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1、智能仪器设计基础（一）,2/24,1 课程大纲,第一章 绪论,1,第三章 智能仪器的软件结构设计基础,3,第四章 智能仪器的保护和抗干扰设计,4,第二章 智能仪器的硬件结构设计基础,2,第五章 智能仪器的通讯及网络化设计,5,3/24,第一章 绪论,智能仪器的发展历史,智能仪器的组成和特点,智能仪器的发展方向,4/24,第二章 智能仪器的硬件设计基础,2.1 传感器的基本构成和典型输出信号,知识点2,典型传感器的基本原理以及典型应用针对传感器的构成方法分别举例，电量：磁平衡电量互感器、霍尔传感器；非电量：热电堆测温、超声传感器无损检测,知识点3,传感器的特性、典型输出信号特性：线性度、一致性、
2、灵敏度、滞环、重复性输出信号：电压和电流（幅值、频率或相位）、电荷、电路参数,5/24,第二章 智能仪器的硬件设计基础,2.2 智能仪器的前向通道设计（1/2）,知识点2,运放的负反馈应用偏差反馈控制系统，运放电路的控制框图，滤波器，基于运放的电压-电流转换，电流-电压转换，恒流源，电荷放大等典型电路,知识点3,A/D的基本原理、分类和非理想特性逐次逼近型、直接比较型、双积分型，Sigma-Delta，分辨率，量化误差，积分非线性，微分非线性,6/24,第二章 智能仪器的硬件设计基础,2.2 智能仪器的前向通道设计（2/2）,7/24,第二章 智能仪器的硬件设计基础,2.3 智能仪器的微处理器
3、系统设计,典型处理器的介绍：MCS-51，DSP,微处理器与存储器和外围IC的接口技术：SRAM，Flash，EEPROM，A/D和D/A，双口RAM；并行接口，SPI接口，IIC接口，SCI接口,智能仪器的人机接口：LCD显示，LED显示，键盘设计,基于CPLD和FPGA的接口电路设计方法：CPLD和FPGA原理，硬件描述语言，接口设计举例,高速数字电路的信号完整性分析：信号完整性原理，传输线理论基础，信号完整性分析实例,8/24,第二章 智能仪器的硬件设计基础,2.4 智能仪器的后向通道设计,D/A的基本原理和信号的直接数字合成,D/A的基本原理，性能指标；DDS的技术原理；,输出信号的功
4、率放大技术,信号的线性功放原理；信号的开关功放原理；,开关量输出,开关量的输出隔离和驱动；固态继电器,9/24,第三章 智能仪器的软件设计基础,克服随机误差的算法：限幅滤波，中值滤波，算术平均滤波，递推平均滤波，加权平均滤波，一阶惯性滤波，复合滤波,克服系统误差的软件算法：利用误差模型修正法，曲线拟合法，校准数据表修正法,相关消噪和小波去噪技术,模糊数学和神经网络技术在智能仪器中的应用,10/24,第四章 智能仪器的保护和抗干扰,11/24,第五章 智能仪器的通讯和网络化设计,12/24,第一讲 绪论,智能仪器的重要作用,1,智能仪器的组成、特点和分类,3,智能仪器的发展方向,4,智能仪器的发
5、展过程,2,13/24,第一讲 绪论,1.1 智能仪器的重要作用（1）,概念2,智能仪器是认识世界的工具，是人们对物质实体及其属性进行观察、监视、测定、验证、记录、传输、变换、显示、分析和处理与控制的各种器具与系统的总称。,概念3,智能仪器是集传感器技术、计算机技术、电子技术、现代光学、精密机械等多种高新技术于一体的产品，其用途也从传统仪器的单纯数据采集发展为集数据采集、信号传输、信号处理及控制于一体的测控设备。,14/24,第一讲 绪论,1.1 智能仪器的重要作用（2）,概念4,在工业生产中，智能仪器是“倍增器”。美国商务部20世纪90年代的调查表明，4%美国仪器产业的工业总产值，拉动相关经
6、济产值高达66%。现代化大生产，没有各种测量与控制设备，就不能正常安全工作。,概念5,在科学研究中，智能仪器是“先行官”。科学仪器是发展高新技术所必需的基础手段和设备，离开了科学仪器，一切科学研究都无法进行。,概念6,在军事上，智能仪器是“战斗力”。现代战争中，夺取技术优势已成为军事战略的根本目标。主要目标是全球监视与通信和精确打击固定以及瞬变目标。智能仪器的测控精度决定了武器系统的打击精度。,15/24,第一讲 绪论,1.1 智能仪器的重要作用（3）,概念7,智能仪器还是当今社会的“物化法官”。在检查产品质量、监测环境污染、检查违禁药物服用、识别指纹和假钞、侦破刑事案件等，无一不依靠仪器进行
7、“判断”。,概念8,智能仪器的发展水平是国家科技水平和综合国力的重要体现，智能仪器的制造水平是国家科技水平的体现。世界发达国家都高度重视和支持仪器的发展。,16/24,第一讲 绪论,1.2 智能仪器的发展过程（1）,历程2,20世纪50年代初，仪器的发展取得了重大突破。数字技术的出现使各种数字仪器相继问世。在电测量领域，被测电压先经过整流、滤波，转化为直流量，在经过电压/频率转换后进行计数。典型如数字电压表、数字功率计、数字频率计等，数字显示或打印。,历程3,20世纪60年代中期，仪器技术又一次取得了进展，即计算机的引入使仪器的功能发生了质的变化，从个别参数的测量转变成整个系统特征参数的测量；
8、从单纯接收显示转变为控制、分析、处理、存储与显示输出；从单台仪器进行测量到用测量系统测量。,17/24,第一讲 绪论,1.2 智能仪器的发展过程（2）,历程4,20世纪70年代以后，随着微处理器的广泛应用，出现了突破传统概念的新一代仪器，即智能仪器。这类仪器内置单片机或体积很小的微处理器，仪器的功能由硬件和软件结合来完成。1974年出现电压电流波形等间隔采样技术，揭开了智能仪器应用大幕。,历程5,历程6,近年来，DSP芯片的大量问世，使得智能仪器的数字信号处理功能大大加强；微型计算机的发展，使智能仪器具有更强的数据处理能力和图像处理能力。总线技术的发展则使得网络通信技术、无线传感器网络技术、I
9、nternet技术进入测控领域。,虚拟仪器是智能仪器发展的新的里程碑， 虚拟仪器以PC为核心，由测量应用软件支持，具有虚拟的仪器操作面板，足够的仪器硬件或通信功能的测量信息处理装置。“软件就是虚拟仪器”。,18/24,第一讲 绪论,1.2 智能仪器的发展过程（3）,19/24,第一讲 绪论,1.2 智能仪器的发展过程（4）,20/24,第一讲 绪论,1.3 智能仪器的组成,21/24,第一讲 绪论,1.3 智能仪器的特点（1）,特点1,【智能仪器功能的多样化】运算和逻辑判断功能；误差消除和校准；零点、平均值、极值和统计分析；专家系统，数据融合，模糊逻辑和神经网络；量程自动转换，自动调零和自动校
10、准，故障诊断和数据存储等等。,特点2,特点3,【智能仪器构成的柔性化】即仪器的硬件功能软件化，包括两个方面：一是仪器硬件越来越通用，不同的仪器功能由软件实现；二是微处理器速度越来越快，原来由硬件完成的测量功能可由软件来替代，软件算法在仪器中的分量越来越重。,【智能仪器的集成化和模块化】大规模集成电路技术的发展使得仪器的核心处理器和电路集成化程度越来越高，体积则越来越小；仪器的硬件组成越来越模块化，增加测量功能只需要增加模块化的硬件。,22/24,第一讲 绪论,1.3 智能仪器的特点（2）,特点4,【智能仪器的网络化】配有GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485等通讯接口，具有远程操作能
11、力；具有Ethernet接口，可连接Internet实现网络化；具备无线传感器网络、蓝牙通讯和GPRS通讯能力。,特点5,【智能仪器的可视化】测控过程和结果的图形化输出，包括体、流场、人机交互、医学分析、科学计算可视化以及可视化理论和复杂对象的建模与基于模型的可视化研究；组态软件：Labviewer，LabWindows/CVI，Matlab,23/24,第一讲 绪论,1.3 智能仪器的分类,分类1,按照被测物理量的不同：（1）几何量计量仪器；（2）热工量计量仪器；（3）机械量计量仪器；（4）时间频率计量仪器；（5）电磁计量仪器；（6）无线电参数计量仪器；（7）光学与声学测量仪器；（8）电离辐
12、射测量仪器。,分类2,按照应用领域及自身技术特性：（1）工业自动化仪表与系统（工业生中监控和自动控制系统）；（2）科学仪器（科学研究，计量测试，环境监测等）；（3）电子与电工测量仪器（低频、高频、超高频、微波等各个频段的测量专用仪器）；（4）医疗仪器；（5）各类专用仪器（农业、气象、水文、航天等）；,24/24,第一讲 绪论,1.4 智能仪器的发展方向,关键技术,关键技术：（1）微分析技术（微检测、微加工、微光源、微分光系统、微传感器等）；（2）生物、化学传感器（生物芯片技术、新型化学传感技术、智能传感技术）；（3）成像技术（广义成像、纳米级高分辨率成像、图像信息处理）；（4）仪器的联用技术（色谱-质谱联用、色谱-光谱联用等）；（5）实验室信息管理系统（LIMS）,发展方向,我国仪表发展战略：（1）工业自动化仪表与控制系统依托重大项目，致力于新一代主控系统及其综合自动化开发和产业化；（2）科学仪器要加快新老交替，2010年前替代进口50%，2020年替代进口75%；（3）电子与电工测量仪器，重点发展精密数字电表、自动测试技术与系统集成技术、网络化技术；（4）医疗仪器，重点发展医用光学仪器；（5）大力发展各类传感器；（6）加强基础技术，包括制造工艺，提高可靠性和稳定性的共性技术，系统集成软件和网络化应用等开发研究,
