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1、课 程 简 介,课程名称：智能仪器设计 课程性质：专业必修课 学 时：32学时（讲授：28，实验4）学 分：2 适用对象：测控技术与仪器专业,教材及参考书：,1、赵新民，王祁.智能仪器设计基础.哈尔滨工业大学出版社，20012、王祁.智能仪器设计基础.机械工业出版社，20103、史健芳.智能仪器设计基础.电子工业出版社，20094、付华等.智能仪器设计.国防工业出版社，2007 等,第一章 绪 论,1.1 智能仪器发展概况1.2 智能仪器的特点1.3 智能仪器的层次与基本结构1.4 虚拟仪器1.5 自动测试系统,1.1 智能仪器发展概况,一、定义1、智能的定义新华词典解释为：智慧和能力。一个人
2、的智能既有先天遗传因素，也有后天的学习和知识积累的因素。智能的产生物质的本质 宇宙的起源生命的本质因此，很难对智能给出确切的定义，典型的有：,自然界四大奥秘,“是关于知识的学科 怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学”。“是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作”。智能的特征：学习、推理、思考、规划等。相关研究领域：专家系统、机器学习、模式识别、自然语言理解、机器人学、智能决策支持系统、人工神经网络等。,2、智能仪器的定义智能仪器是计算机技术与电测技术相结合的产物。它是在数字化的基础上利用微处理器进行测量过程管理和数据处理，使仪器具有运算、逻辑判断、数据存储能力，并能根据被测参数
3、的变化自动选择量程，可自动校正、自动补偿、自诊断等，即具备了一定的初级智能，因此被称为智能仪器。本课程讨论的智能仪器是指含有微处理器的测量仪器。“数据处理 知识处理”,3、仪器仪表的发展(从传统仪器仪表到智能仪器）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。仪器仪表已遍及国民经济的各个部门，深入到人民生活的各个角落。如：。“大家在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？哪些具备一定的智能？”,三代仪器仪表：第一代为指针式（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,智能仪器的发
4、展主要包括以下两种形式：（1）对传统仪器的改进如：变送器、万用表、示波器等。以智能变送器为例：SMAR、ROSEMOUNT等公司的HART协议压力变送器与常规变送器相比，内嵌微处理器，具有远程通信能力。主要优点如下：精度高，远高于同类常规变送器，一般为0.1%。量程比大，如Honeywell的ST系列，达400:1，减少备件可对环境温度变化的影响进行补偿具有远程通信能力自诊断功能强，减少维护量，缩短修复时间可选PID模块 等,HART 设备的两种网络配置,Point-to-point communication*,*HART Communication Application Guide fr
5、om(available in 2012),Multidrop connection*,*HART Communication Application Guide from(available in 2012),（2）新型仪器的出现CAM：计算机辅助制造CAT：计算机辅助测试（测试成品、半成品工件质量）如：PCBT设备。故障诊断系统（仪器、机械等）动态信号分析技术（数字滤波、FFT、小波等）其它：如条形码识别、图像识别、GPS等。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
6、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。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”,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、通信技术三部分组成，其中，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”,4、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
7、机与DSP的广泛应用 嵌入式系统与片上系统(SOC)ASIC、FPGACPLD技术 LabVIEW等图形化软件技术 网络与通信技术,（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”。,聋哑传感器,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
8、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,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，IEEE l451.2工作组建立了智能变送器接口模块(Smart Transducer Interface Module
9、,STIM)标准，定义了变送器电子数据表单（Transducer Electronic Data Sheet,TEDS）和变送器与微处理器间的通信协议和接口，为使传感器能与各种网络连接，传感器“即插即用”，提供了条件和方便。Transducers(Sensors/Actuators).IEEE 1451 处于不断发展完善之中。,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。,Framework of IEEE1451.1 and IEEE1451.2 interfaces*,*Kang Lee,“IEEE 1451:A standard
10、in support of smart transducer networking,”in Proceedings of the 17th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference,2000,IMTC 2000.,An application of IEEE1451-based sensors on a network*,*Kang Lee,“IEEE 1451:A standard in support of smart transducer networking,”in Proceedings of the 17t
11、h IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference,2000,IMTC 2000.,Wireless sensor networks(WSNs),Architecture of the system proposed for the monitoring of temperature-sensitive products inside a refrigerated vehicle*,*Carullo,A.;Corbellini,S.;Parvis,M.;Vallan,A.“A Wireless Sensor Network
12、for Cold-Chain Monitoring”,IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,Volume:58,Issue:5,2009,May,pp.1405-1411.,Dipartimento di Elettronica,Politecnico di Torino,Torino,Italy电子系,都灵理工大学,都灵,意大利.,*Kim,Y;Evans,RG;Iversen,WM,”Remote sensing and control of an irrigation system using a distributed
13、 wireless sensor network”,IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,Volume:57,Issue:7,July,2008,Pages:1379-1387.,Remote sensing and control of an irrigation system using a distributed wireless sensor network*,Northern Plains Agricultural Research Laboratory,Sidney,USA,AD芯片是现代科学仪器不可缺少的核心部件
14、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、ARM,TMS-320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
15、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P89C51RC2/RD2有32KB/64KB Flash存储器，8KB容量的RAM。,（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
16、统和嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统)。嵌入式系统是指完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统*。便于优化设计，减小尺寸，降低成本。实例：打印机、路由器、洗衣机、PLCs等。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。,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
17、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。,（5）ASIC、FPGACPLD技术,ASIC(Application Specific Integrated Circuits，专用集成
18、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 Device，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
19、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。,FPGACPLD芯片规模越来越大,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,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。,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
20、不同的功能。,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。,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
21、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。软件就是仪器成为流行的说法。NI(National Instruments)公司1986年设计的LabVIEW l.0(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)，2012年8月发布的LabVIEW 2012。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、
22、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）LabVIEW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。表现在以下两个方面：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,组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
23、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。,网络化测试系统主要由两大部分组成：,1.2 智能仪器的特点,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,1)操作自动化,仪器的整
24、个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关闭合、数据采集、传输与处理以及显示打印等功能用微控制器控制，实现了测量过程的自动化。,2)自测功能,自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换、触发电平自动调整、自补偿、自适应等，能适应外界的变化。比如：能自动补偿环境温度、压力等对被测量的影响，能补偿输入的非线性，并根据外部负载的变化自动输出与其匹配的信号等。自校准自学习通过自校准(校准零点、增益等)来保证自身的准确度。自诊断能检测出故障的部位甚至故障的原因。自测试功能可以在仪器启动时运行，也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。,3)数据分析和处理功能,采用了单片机或微控制器，使得
25、许多原来用硬件逻辑电路难以解决或根本无法解决的问题，可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，使用户从繁重的数据处理中解放出来，而且有效提高了仪器的测量精度。,4)友好的人机对话功能,使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员通过键盘输入命令，用对话方式选择测量功能和设置参数。同时，智能仪器能输出多种形式的数据，如通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及处理结果以数字或图形形式输出。,5)可程控操作能力,一般都配有GPIB、R
26、S232C、RS485、USB等标准通信接口，可以接收计算机的命令，使其具有可程控操作的功能，方便与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，完成更复杂的测试任务。,注意：,智能仪器还能通过自学习学会处理更多更复杂的程序。但不是所有的智能仪器都必须具备上述所有功能，在设计具体的智能仪器时应根据实际需要确定其功能。,1.3 智能仪器的层次与基本结构,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.层次,2.智能仪器的基本结构,其结构可有两种基本类型:
27、,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。,微机内嵌式,微机扩展式,微机内嵌式:,将微机作为核心部件嵌入到智能仪器中，仪器包含一个或多个微机，属于嵌入式系统（Embedded System）。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、ABS系统、卫星定位系统、安全气囊系统等多处都含有微机,举例：,微机内嵌式基本结构:,微机扩展式：,将检测功能扩展到微机中，
28、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，给使用者的感觉首先是一个微机系统。,个人计算机仪器、VXI总线仪器、虚拟仪器等属于微机扩展式仪器。,举例,微机内嵌式智能仪器是智能仪器设计的基础，本书着重介绍。,注意：,个人计算机仪器结构图,PC 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,一般智能仪器的组成主要包括：,智能仪器,硬件,软件,人机接口电路,微处理器,存储器,输入通道,通信接口电路等部分,核心作用,程序存储器,数据存储器,存储程序 和数据,传感器信号调理电路A/D转
29、换电路,完成信号的滤波、放大、模数转换等,输出通道,D/A转换电路放大驱动电路执行部件,将处理器处理后的数字信号转换为模拟信号,键盘,显示器,实现仪器与计算机或其它仪器的联系,1.4 虚拟仪器,80年代后期,虚拟仪器,以通用计算机为基础，加上特定的硬件接口设备和为实现特定功能而编制的软件而形成的一种新型仪器。,美国国家仪器（NI）公司提出,虚拟仪器（Virtual Instrument）,三大组成模块,计算机,仪器模块,软件,虚拟仪器,个人计算机（各种通用计算机）,各种传感器 信号调理器 模数转换器 数据采集器,数据分析,过程通讯 图形用户界面等软件,虚拟仪器,计算机和仪器模块组成了虚拟仪器硬
30、件测试平台，完成被测输入信号的采集、放大、模数转换以及输出信号的数模转换等。当硬件确定后，用户可以通过不同测试功能的软件模块（如数据分析、过程通讯以及图形用户界面等软件）的组合实现不同的功能。,同一个硬件系统，软件不同，就可得到功能完全不同的测量仪器 软件系统是虚拟仪器的核心,即：,目前较流行的虚拟仪器软件环境,文本式的编程语言,图形化编程语言,如：C、Lab WindowsCVI，Visual Basic，Visual C+,如：LabView、HPVEE,虚拟仪器的优点：,测量精度高、速度快、可重复性好、开关、电缆少、系统组建时间短、测量功能易于扩展等优点，有最终取代大量的传统仪器成为仪器
31、领域主流产品的趋势。,1.5 自动测试系统,1、独立式智能仪器,将一台PC 机与多台带有 GP-IB 标准仪器总线接口的智能仪器组合而成的仪器系统。PC机作为仪器系统的控制者，通过执行测试软件，实现对测量全过程的控制与测量结果的处理。此时，智能仪器面板的控制按键已不起作用。,2、自动测试系统,以计算机为核心的电子仪器。能进行自动化操作，并能对测量数据分析/运算/逻辑判断/等处理功能以及更高层次的知识处理功能。一般都带有 GP-IB 等标准仪器总线接口。,2、自动测试系统,自动测量系统,被测器件或过程,GP-IB仪器总线,典型自动测试系统,智能仪器几乎都配有GP-IB(或RS-232C)通信接口
32、。GP-IB是国际电工协会(IEC)1978年正式推荐的一种标准仪用接口总线，已被世界各国普遍采纳。凡是配有GP-IB 这种标准接口的仪器和计算机，不分生产国家、厂家，都可以借助于一条无源电缆总线按积木式互连，灵活地组成各种不同用途的自动测试系统，以完成较复杂的测试任务。,自动测试系统由计算机、多台可程控仪器以及GP-IB三者组成。计算机作为系统的控制者，通过执行测试软件，实现对测量全过程的控制及处理；可程控仪器设备是测试系统的执行单元，具体完成采集、测量、处理等任务；GP-IB 由计算机及各程控仪器中的标准接口和标准总线两部分组成，它如同一个多功能的神经网络，把各种仪器设备有机地连接起来，完成系统内的各种信息的变换和传输任务。,自动测试系统具有极强的通用性和多功能性，对于不同的测试任务，只需增减或更换“挂”在它上面的仪器设备，编制相应的测试软件，而系统本身不变。这种自动测试系统特别适用于要求测量时间极短而数据处理量极大的测试任务中，以及测试现场对操作人员有害或操作人员参与操作会产生人为误差的测试场合。,从计算机系统结构的角度看，自动测试系统是一个分布式多微机系统，系统内的各智能仪器在任务一级并行工作，它们各自具备完备的硬件和软件，因而能相对独立地工作，它们之间通过外部总线松散耦合，相互间也可通信。,
