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1、智能仪表原理与设计第一章 智能仪表原理与设计基础,主要内容,一、智能仪表原理 二、设计基础三、设计原则与设计内容,一、智能仪表原理,仪器仪表概述(Instrument).定义：对各种变量（参数）进行检测(计量)、计录、调节和 处理的各种装置的总称。（包含了自动化装置）.传感器(Sensor)区别(Transducer)是检测仪表的重要组成部分，是信息获取的前端。结构：独立安装的，如热电偶、热电阻（温度传感器）；与仪表电路一体化的，如压力变送器；.分类 多种分法；如按作用分：测量仪表（传感器、变送器，仪、计、），调节仪表，显示仪表，执行仪表；,1.智能仪表原理,一、智能仪表原理,传统仪表：性能主
2、要取决于仪表内部元器件的精密性和稳定性，元器件的温度漂移（包括零点和增益漂移）和时间漂移都会反应到测量结果和仪表输出中去。另外，传统仪表对其内部故障缺乏诊断和处置能力，往往在故障情况下给出结果，显然这种结果是不可能正确的。智能仪表原理：应用新的采集技术、处理技术、硬件平台和人工智能技术，使仪表的性能（如精度）、功能、可靠性、可维护性和可测试性都得到了提高。,1.智能仪表原理,一、智能仪表原理,工业自动化仪表的发展过程 机械式(基地式)-电动单元组合式(模拟)-微机化(模、数)-智能仪表（全数字）,2智能仪表产生与发展,模拟式示波器,弹簧压力表,数字式超声波探伤仪,一、智能仪表原理,各种智能仪表
3、的硬、软件系统差别很大。简单的只含几个芯片和少量程序，如井下压力计、温度显示调节器等；复杂的含大量芯片，丰富的软件(操作系统)和齐全的外设，甚至于使用多个单片机；有的智能仪表的复杂程度甚至超过通用型个人计算机，如色谱质谱仪。尽管如此，在结构上仍然存在着一些共同之处。,3智能仪表的结构与特点,井下压力计,温度显示调节器,井下压力计,一、智能仪表原理,精密色谱仪,3智能仪表的结构与特点,一、智能仪表原理,如图为典型智能仪表结构，由三个层次构成。,3智能仪表的结构与特点,一、智能仪表原理,智能仪表的特点 可以自动进行量程转换、零点和增益误差补偿，测量特性的自动校准，按照一定的规律自动寻找最优的算法参
4、数，从而极大的提高了仪表的性能。按照事先的安排(体现在编制的程序上)可以对仪表的主要元器件进行自动检测，对故障进行定位，还可以对故障部分进行隔离或对系统进行重组，大大提高了仪表的容错性和可靠性。应用模糊识别与模糊控制、人工神经网络建模与识别、专家系统、多传感器信息融合处理方法等智能技术。新工艺，经串口或扫描口（JTAG）即可下载和仿真。如：贴片工艺；多层艺；屏蔽与防护工艺；ISP与IAP工艺,3智能仪表的结构与特点,主要内容,一、智能仪表原理 二、设计基础三、设计原则与设计内容,二、设计基础,需求分析:通过需求分析确定智能仪表任务要求应包括以下几点功能要求 测量功能：哪些量？有实时在线要求否？
5、什么输出形式？（显示、打印、传输、通信）；控制功能：什么对象？模型为何？哪些状态？需构成什么系统？（随动、恒值、串级控制）；管理功能：操作要求、数据库要求、打印报表、决策分析、统计 分析。,1.需求分析与方案论证,二、设计基础,性能要求 测量范围 测量精度 测量灵敏度（分辨率）稳定性、可靠性要求（MTBF）响应速度 动态特性 数据库浏览（查询）方式、容量、安全性,1.需求分析与方案论证,二、设计基础,对象特性 输入输出关系（传递函数、用户以往的经验、作法、其它图纸资料）各变量的性质（幅度、变化率、分布性等）生产使用规律环境条件其它:用户长远发展规划、扩展、升级的计划调查研究的结果应形成需求分析
6、报告，以便设计方 案。,1.需求分析与方案论证,二、设计基础,.方案论证:总方案论证包括测量（工作）原理分析、推导，智能仪表的系统组成说明，总体的硬、软件结构描述，主要性能、功能的计算、分析和说明等内容。在进行总体方案设计时，既要仔细研究仪表的功能要求、技术指标、环境条件等因素，还要与可以达到的技术水平，设备、资金的拥有量，必要的实验场地，必备的元器件来源，以及投入的人力和规定的完成时间等条件相比较，在此基础上确立总体方案的可行性。,1.需求分析与方案论证,二、设计基础,.机型的选择 首先是指选择CPU型号，相同CPU内核的单片机很多，根据性能、资源和熟悉程度选择。下表列出几种常用微处理器和单
7、片机的CPU性能指标。,2.机型选择与嵌入式系统,二、设计基础,.嵌入式系统（Embedded system）为了区别于原有的通用计算机系统，人们把嵌入到对象体系中的专用计算机称为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入性、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统，如内含嵌入式系统的智能仪表。嵌入式系统按其外型分为板级（如嵌入式PC104，P级嵌入式SBC）和芯片级（如单片机，MCU，SOC），前者主要应用在计算量大，有网络应用或多媒体应用要求的情况，后者主要应用在要求体积小，功耗低，功能相对简单的情况。嵌入式系统作为计算机技术的两大分支之一，其发展
8、方向是更好的嵌入性，更高的可靠性和单芯片化结构，而不是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。,2.机型选择与嵌入式系统,二、设计基础,.微控制器与SOC 单片机(SCM)是寻求最佳单片形态嵌入式系统的最初体系结构，走出了与通用计算机完全不同的发展与应用道路。为了满足嵌入式应用的进一步要求，微控制器（MCU）在单片机基础上扩展了各种外围电路与接口电（CTC,UART,RAM,ROM,I/O），使其测控能力大幅上升。SOC（system on chip）是单片机发展的又一趋势，是应用系统在芯片上的最大化解决(MCU+AMP+ADC+DAC+WDT+-)。MCU:8031,89C51,89S51,
9、SST89E;SOC:C8051F00*;AD836(12,24);,2.机型选择与嵌入式系统,二、设计基础,总线是智能仪表中单片机与外围芯片、电路板与电路板、智能仪表与其它设备之间相互连接的桥梁与纽带。总线有自行定义的非标准总线与权威机构规定的标准总线之分。标准总线不只是一簇无源导线的简单汇集，它对于信号根数、排列方式、连接件形式、信号的名称、性质及传送方向、定时关系等都有明确而严格的规定。通常某一标准总线规约需通过相应的逻辑电路或特定的接口芯片来实现。,3.总线结构,二、设计基础,.内总线 用于计算机设备内部板与板之间连接的总线称为内总线。智能仪表根据需要可采用如下三种内部连接形式。(1)
10、单板结构 结构可以简化设计、降低成本、缩小占用的立体空间。必须合理地布局和走线以减少有害的耦合与发热的影 响；(2)多板非标准连接 将仪表按功能划分为几种功能模块，每一模块分别设计 制版，然后通过自定义总线装配连接。(3)多板标准总线连接 STD,PXI,VXI,PCI,当仪表功能复杂时，为了避免重复开发设计，宜选用标准总线组 成的多板结构。,3.总线结构,二、设计基础,.I2C总线 I2C总线（Inter IC bus,集成电路芯片间总线）I2C总线规范及传输协议 I2C总线实际只有两根信号线，一根是串行数据线SDA，由当时发送数据的器件使用，另外一根是串行时钟线SCL，由当时具有最高优先权
11、的主器件占有。如图为I2C总线数据传送图。,3.总线结构,二、设计基础,.I2C总线.I2C总线应用 I2C总线的出现对减少连线，缩小线路板的面积，实现硬件电路的模块化等具有重大的意义，为智能仪表中微机系统，特别是单片机系统的扩展提供了极大的便利。如图为I2C总线典型应用电路原理图。,3.总线结构,二、设计基础,.I2C总线 单片机应用系统中采用I2C总线技术将带来以下好处：最大限度的简化了系统结构。二线制I2C串行总线使各电路单元之间只需最简单的连接，可以简化电路板上的走线，减少电路板面积，提高可靠性并降低系统成本。便于实现电路的标准化、模块化；各标准化模块之间采用I2C总线相互连接即可。采
12、用I2C总线标准模块的组合方式可以大大缩短新产品的开发周期。I2C总线各节点具有独立的电气特性，各节点单元电路可以在相互不受影响的情况下，甚至在系统供电的情况下，接入或撤除。I2C总线系统结构非常灵活，便于系统改型设计，或对已加工好的电路板扩展功能。I2C总线系统可方便地对某一节点电路进行故障诊断与跟踪，有极好的可 维护性。,3.总线结构,二、设计基础,.SPI接口总线 串行外设接口总线(SPI)：是一种同步串行接口,用于单片机、MCU 与各种外设、接口以串行方式进行高速通信、交换信息。SPI串行外设接口由四条信号线组成，这四根信号线分别为：时钟线（CLK）、数据输入线（SDI）、数据输出线（
13、SDO）、片选线（/CS），其中，/CS的有效与否完全由主控制器决定，时钟信号也由主控制器发出。SPI 总线的使用可以简化电路设计，省掉了很多常规电路中的接口器件，提高设计的可靠性。,3.总线结构,二、设计基础,.SPI接口总线 一般通过SPI 接口进行数据通迅的逻辑时序如图1.4 所示（数据读写应在上升沿）,3.总线结构,二、设计基础,.SPI接口总线 在某些情况，仅仅依靠上述的四根信号线并不能很好的完成数据传送通信，还可在某些含有SPI 接口总线设备中另外设置了一根中断信号线（INT 或INT），其主要功能是：在数据信息发送或接收完成、接收到其它外部网络数据信息以及SPI 字节发送或接收完
14、成时通知主控制器，以便于主控制器作下一步的处理工作。对于没有SPI接口的单片机或MCU（如89C51单片机）,可用单片机的I/O口辅以软件来模拟SPI 的操作,包括串行时钟、数据输入和输出。,3.总线结构,二、设计基础,.SPI接口总线 对于在SCK 的上升沿输入(接收)数据和在下降沿输出(发送)数据的器件,模拟串行时钟输出的I/O口的初始状态为1,在允许接口芯片后,其状态为0。对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件,则模拟串行时钟输出的I/O口的初始状态为0,在允许接口芯片后,其状态为1。如图为SPI接口芯片分别与含有和不含有SPI接口的两种微处理器的连接方式。,3.总线结构,二
15、、设计基础,.SPI接口总线 SPI 接口总线可在软件的控制下构成各种简单的或复杂的系统,如:1个主MCU和几个从MCU；几个从MCU 相互连接构成多主机系统(分布式系统)；1个主MCU 和1 个或几个从I/O 设备。在大多数应用场合中,使用1个 MCU 作为主机,它控制数据向1 个或多个从外围器件的传送。从外围器件只能在主机发命令时才能接收或向主机传送数据。这种典型的SPI接口总线系统结构如图,3.总线结构,二、设计基础,.SPI接口总线在把SPI 与几种不同的串行I/O 芯片相连时,必须用每个芯片的允许控制端，可用MCU 的I/O 端口输出线来实现。此时应特别注意这些串行I/O 芯片的输入
16、输出特性。.输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。平时未选中芯片的输出端应处于高阻态。若没有三态控制端,应外加三态门。否则MCU 的MISO 端只能连接1个输入芯片。.输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。即应该只有在这片芯片允许时,SCK 脉冲才把串行数据移入该芯片;芯片禁止时,SCK 对芯片无影响。若没有允许控制端,应在外部用门电路对SCK 进行控制后,再加到芯片的时钟输入端,或者SPI接口总线 只连接1个芯片,不能再连接其它输入或输出芯片。,3.总线结构,二、设计基础,.SPI接口总线 对具有SPI接口类型的芯片进行编程时，设计人员一般应注意以下几个问题：（时序问题）1.SPI接口芯
17、片读入或送出数据发生在时钟信号的上升沿或是下降沿？在进行编程时应使数据保持稳定后再进行数据的读写操作；2.数据需保持的最低有效时间？避免在SPI接口芯片未完成读写数据时即进行下一次的操作；3.对于从节点主动寻求主动节点服务的接口芯片，应注意SPI接口芯片发出中断数据请示信号后所需的响应时间，以避免出现SPI 接口芯片发出请示服务信号后长时间处于等待状态而致使数据信息丢失等现象的出现。4.在进行数据通信时，通信字节位发出的顺序，确定出通信方式时MSBLSB 方式还是以LSBMSB 的方式进行。,3.总线结构,二、设计基础,.外总线 用于设备与设备之间连接的总线称为外总线。与内总线相比，外总线的标
18、准化尤为重要。在智能仪表领域最流行的外总线有如下几种：IEEE-488并行接口总线 IEEE-488总线与IEC-625-II统称通用目的接口总线 EIA RS-232C串行接口总线 串行通信传送速度低，但数据线根数少，EIA RS-232C是早些年使 用最广泛的串行通信总线，它的信号电压范围宽，抗干扰能力较强，联络线功能齐全，并可配用调制解调器，使传送距离达到数千公里。RS-422、RS-423、RS-485标准 RS-232传输距离短，而且最大数据传输率也受到限制，因此，EIA公布了适应远距离传输的RS-422（平衡传输）和RS-423（不平衡传输）标准。这两种标准的特点是采用差分接收器接
19、收信号电压，从而提高了抗噪声干扰的能力，获得较长的传输距离和较高的数据传输率。,3.总线结构,主要内容,一、智能仪表原理 二、设计基础三、设计原则与设计内容,三、设计原则与设计内容,设计智能仪表与设计传统仪表存在许多差别，智能仪表内藏微处理器（嵌入式系统）是根本原因。1.根据设计对象的要求和实际的约束条件列出详细的设 计目标 2.采用自上而下逐级分解的方法形成子任务 3.硬、软件协调优化设计方案 4.发挥技术与设备潜力提高设计质量与开发速度 5.依照产品化规模确定部件与器件的级别 6.设计自诊断与异常处理功能提高产品的可维护性 7.针对现场极限条件的防范措施与试运行,1.设计原则,三、设计原则
20、与设计内容,智能仪表的设计内容主要包括以下几点：硬件设计 软件设计 工艺设计 外观设计(面板,界面)可靠性设计 测试设计,2.设计内容,三、设计原则与设计内容,硬件设计.专用微机系统设计.人机接口设计（在第二章讨论）.数据采集系统（在第三章讨论）.过程控制接口设计.电源设计,2.设计内容,时钟电路设计 复位电路设计 存储器设计 I/O接口设计 总线驱动设计,I/O接口编址I/O接口的控制方式 I/O接口芯片,三、设计原则与设计内容,软件设计 软件设计是智能仪表设计的重要内容之一。软件设计中，一些基本的要求和基本的方法是大家公认的。这里就几个主要方面加以说明。应用程序的基本要求 可靠性：尽量把错
21、误排除在样机试制阶段 精度:分为算法的精度,程序本身的精度 速度：提高程序执行速度的基本方法是改进程序设计 效率：开发过程中投入的人力和时间的效率，开发成果的程序的运行效率 用户界面：从用户角度来考虑和安排各种操作与对话功能 可读性和可扩展性：可读性是指程序结构合理、脉络清晰、易于阅读和理解；可扩展性则指程序结构标准化、便于修改和扩充。,2.设计内容,三、设计原则与设计内容,软件设计 软件设计的基本方法-结构化程序设计 结构化编程方法的实施包括如下三个步骤：自上而下的分层设计 模块化编程：(如下图为同一程序的两种结构形式)结构化编程：三种基本结构,2.设计内容,顺序结构条件结构循环结构,三、设计原则与设计内容,软件设计 软件设计的基本方法-结构化程序设计 结构化编程：三种基本结构(如下图),2.设计内容,三、设计原则与设计内容,硬件设计与软件设计是智能仪表产品设计的基本内容，其大致设计步骤如下图所示。图中的虚线所示为可能出现的循环设计过程。,3.产品设计步骤,三、设计原则与设计内容,3.产品设计步骤,谢 谢！,
