智能仪器-概述ppt课件.ppt

主讲教师：赵凤强主讲教师：赵凤强( (机电机电 B416B416）E-mailE-mail： 按应用分类：按应用分类：测量仪器测量仪器，分析仪器分析仪器，生物医疗仪生物医疗仪器器，地球探测仪器地球探测仪器，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。 v按测量的物理量不同分类：按测量的物理量不同分类：基于基于USB总线的数据采集卡总线的数据采集卡基于基于PCI总线的数据采集卡总线的数据采集卡操 作 系 统 ：操 作 系 统 ： D O S , O S , Windows2000/9x/NTWindows2000/9x/NT最大最大I/0I/0速度：速度：1.5 Mbytes/s 1.5 Mbytes/s （IEEE488.1)IEEE488.1) 7.7 Mbytes/s7.7 Mbytes/s (HS488)(HS488)尺寸：尺寸：133x107 mm133x107 mmNI的的PCI-GPIB卡卡GPIB（General-Purpose Interface Bus）-通用接口总线 NI的的DAQ及及VXI产品示例产品示例DAQ是英文Data Acquisition （数据采集） VXI总线总线 智能仪器仪器科学计算机科学智能仪器仪器科学计算机科学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。 5 5、对仪器仪表重要性的认识、对仪器仪表重要性的认识 现代仪器仪表的发展水平是国家科技水平现代仪器仪表的发展水平是国家科技水平和综合国家力的重要体现，仪器仪表的制和综合国家力的重要体现，仪器仪表的制造水平反映出国家的文明程度造水平反映出国家的文明程度。 智能仪器的智能仪器的4个层次个层次高级智能智能人工智能人工智能趋势系统辨识、模式系统辨识、模式识别识别计算机、信号处理计算机、信号处理聪敏电子、传感、测量电子、传感、测量兼容传感类传感类 初级智能初级智能模型化智能模型化智能 高级智能高级智能2 2、智能仪器的基本结构、智能仪器的基本结构 其结构可有两种基本类型其结构可有两种基本类型: :微机内置式 微机扩展式微机内嵌式智能仪器 个人计算机仪器 将单片或多片的微机芯片与仪器有机地结合在一起形成的单机。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)或或称微机卡式仪器。内嵌微处理器智能仪器的基本结构内嵌微处理器智能仪器的基本结构单片机或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印机打印机板键盘、开关键盘、开关、显示器、显示器传 感传 感器器电量非非电电量量输入通道输入通道输出通道输出通道微机扩展式智能仪器结构图微机扩展式智能仪器结构图计算机计算机总线扩展槽总线扩展槽软件软件插件插件n通接口接口插件插件2插件插件1电电源源PC总线总线GPIBVXI等底板或外部插件箱底板或外部插件箱12n 个人仪器结构图 CPU CPU 软件控制测量过程软件控制测量过程 “ “以软代硬以软代硬” ” 灵活性强、可靠性强灵活性强、可靠性强 随机误差、系统误差、非线性校准等处理随机误差、系统误差、非线性校准等处理 改善测量的精确度改善测量的精确度 数字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、数字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、 相位谱、功率谱等信号分析相位谱、功率谱等信号分析 提供更多高质量的信息量提供更多高质量的信息量一机多用一机多用 如如智能化电力需求分析仪智能化电力需求分析仪1.1. 1 1、传感器技术、传感器技术为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。器不断涌现。聋哑传感器聋哑传感器(Dumb Sensor) 智能传感器智能传感器(Smart Sensor)网络化传感器网络化传感器(Networked Sensor) http:/ 传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产物。它的设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，因而被称为被称为“聋哑传感器聋哑传感器”。聋哑传感器聋哑传感器智能传感器智能传感器微电子技术、光电子技术使加工工艺逐步成熟，新型材料尤其是计算机技术的渗入，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。传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。 将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议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固化到智能传感器的ROMROM中时，就产生子网络传感器；中时，就产生子网络传感器；IEEEl451.2IEEEl451.2工作组建立了智能传感器接口模块工作组建立了智能传感器接口模块(STIM)(STIM)标准，描述了传感器网络适配器或微处理器之间的硬标准，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，是件和软件接口，是IEEEl451IEEEl451网络传感器标准的重要组网络传感器标准的重要组成部分，使传感器能与各种网络连接。成部分，使传感器能与各种网络连接。网络传感器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提高信号检测能力，进而推动智能仪器总体性能的提高。能的提高。 AD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数据采集的关键。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 TMS320系列等高速单片数字信号处理器系列等高速单片数字信号处理器(DSPDigital Signal Processor)是通过硬件来完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成乘法和加法运算的，极大地增强了智能仪器的数字滤波、的数字滤波、FFT、相关、卷积等信号处理能、相关、卷积等信号处理能力。力。新型新型DSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了芯片接口功能大大加强，甚至集成了DSP与与ARM双核。双核。FPGA(Field Programmable Gates Array，现场，现场可编程门阵列可编程门阵列)CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件)FPGACPLD的规模比较大，适合于时序、组的规模比较大，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合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用上百块通用IC芯片。芯片。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的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。连接关系的描述，就能实现一种新的功能。 （1）FPGACPLD芯片的规模也越来越大，其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。也越来越强，同时也可以实现系统集成。 （2）FPGACPLD芯片在出厂之前都做过百分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，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最终功能指定。研制开发费用硬件环境来完成芯片的最终功能指定。研制开发费用相对较低。相对较低。 （3） FPGACPLD芯片和芯片和EPROM配合使用时，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就可实现不同的功能。动的情况就可实现不同的功能。 （4）FPGACPLD芯片的电路设计周期很短。软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。当电路有少量改动时，更能显示出最后芯片的制作。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试制速度，的优势。它大大加快了新产品试制速度，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。企业在市场上的竞争能力和应变能力。 （5）电路设计人员使用）电路设计人员使用FPGACPLD进行电路设计时，进行电路设计时，不需要具备专门的不需要具备专门的IC(集成电路集成电路)深层次的知识，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。进行电路设计。在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是PCIPCI仪器发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法。仪器发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法。NINI（National InstrumentsNational Instruments）公司）公司19861986年设计的年设计的LabVlEWl.0LabVlEWl.0，20032003年发展到年发展到LabVlEW7.0LabVlEW7.0，推动虚拟，推动虚拟仪器技术的发展。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。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、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；技术更新速度快更换仪器硬件而增减；技术更新速度快(1(12 2年年) )，开发维护费用低。开发维护费用低。 随着网络技术、通信技术的高速发展与广泛随着网络技术、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。表现在两个方面：变化。表现在两个方面： 智能仪器要上网，完成数据传输、远程控智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等；制与故障诊断等；构建网络化测试系统，将分散的各种不同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、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信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。的测试任务。6 6、网络与通信技术、网络与通信技术 网络化测试系统主要由两大部分组成：网络化测试系统主要由两大部分组成：组成系统的基本功能单元组成系统的基本功能单元(PC(PC仪器、网络化测量仪器、仪器、网络化测量仪器、网络化传感器、网络化测量模块网络化传感器、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共享为目的的信息网不同，前者采用工业网络与以信息共享为目的的信息网不同，前者采用工业EthernetEthernet，后者采用快速，后者采用快速以太网以太网。 构建网络化测试系统需考虑的问题：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；系统的实时性和时间的确定性； 系统的成本尽可能低，通用性好；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，带有本地微处理基本功能单元必须是智能化的，带有本地微处理 器和存储器，具有网络化接口。器和存储器，具有网络化接口。智能仪器设计智能仪器设计课程框架课程框架虚拟仪器、网络化仪器虚拟仪器、网络化仪器数据采集技术数据采集技术人机接口与通信人机接口与通信数据处理数据处理软件设计方法软件设计方法可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术可测试性技术可测试性技术设计原则步骤与实例设计原则步骤与实例 思考题思考题 1 1你在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？你在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？属于哪种类型？指出它们的共同之处、主要区别。选择一种属于哪种类型？指出它们的共同之处、主要区别。选择一种仪器，针对其存在的问题或不足，提出改进设想。仪器，针对其存在的问题或不足，提出改进设想。 2 2结合你对智能仪器概念的理解，讨论结合你对智能仪器概念的理解，讨论“智能化智能化”的层次。的层次。 3 3简述推动智能仪器发展的主要技术。简述推动智能仪器发展的主要技术。 4 4学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础，回顾主要内学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础，回顾主要内容。容。 5 5智能仪器有哪几种结构形式？对其作简要描述。智能仪器有哪几种结构形式？对其作简要描述。 6 6智能仪器设计时采用智能仪器设计时采用FPGAFPGACPLDCPLD有哪些优点？有哪些优点？