智能仪器讲稿第1章.ppt

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1、一、从传统仪器到智能仪器一、从传统仪器到智能仪器 仪器仪表、智能仪器、仪器仪表、智能仪器、重要性认识重要性认识 二、智能仪器的分类、基本结构与特点二、智能仪器的分类、基本结构与特点 4 4个层次、个层次、2 2种结构、种结构、3 3个特点个特点三、推动智能仪器发展的主要技术三、推动智能仪器发展的主要技术 传感器，传感器，A/D,A/D,单片机和单片机和PCPC，DSP,DSP,嵌入式系统与嵌入式系统与片上系统片上系统(SOC)(SOC)，FPGA/CPLD,FPGA/CPLD,软件，网络与通信，软件，网络与通信，微小化微小化第一章第一章 概概 述述1.1.仪器仪表定义、作用、分类仪器仪表定义、

2、作用、分类仪器仪表是仪器仪表是信息获取信息获取的手段、是的手段、是认识世界认识世界的工具，是一个的工具，是一个系统或装置系统或装置。最基本的作用：最基本的作用：延伸、扩展、补充或代替延伸、扩展、补充或代替人人的听觉的听觉、视觉、触觉等视觉、触觉等器官的功能器官的功能。分类：行业、性质、特点分类：行业、性质、特点一、从传统仪器仪表到智能仪器一、从传统仪器仪表到智能仪器2.2.九类测试计量仪器九类测试计量仪器 几何量几何量：长度、角度、形貌、相互位置、位移、长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等距离测量仪器等 机械量机械量：各种测力仪、硬度仪、加速度与速度：各种测力仪、硬度仪、加速度与速

3、度测量仪、力矩测量仪、振动测量仪等测量仪、力矩测量仪、振动测量仪等 热工量热工量：温度、湿度、流量测量仪器等：温度、湿度、流量测量仪器等 光学参数光学参数：如光度计、光谱仪、色度计、激光：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学传递函数测量仪等。参数测量仪、光学传递函数测量仪等。电离辐射电离辐射：各种放射性、核素计量，：各种放射性、核素计量，X X、射线射线及中子计量仪器等。及中子计量仪器等。同学在学习和生活中，接触、同学在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？使用或了解哪些仪器仪表？时间频率：时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测量仪等子钟、时

4、间频率测量仪等;电磁量：电磁量：交、直流电流表、电压表、功交、直流电流表、电压表、功率表、率表、RLCRLC测量仪、静电仪、磁参数测量仪测量仪、静电仪、磁参数测量仪等等;电信号测量仪器电信号测量仪器 ：如示波器、信号发生如示波器、信号发生器、相位测量仪、频谱分析仪、动态信号分器、相位测量仪、频谱分析仪、动态信号分析仪等析仪等;集成电路测试仪器集成电路测试仪器:模拟或数字集成电模拟或数字集成电路测试仪路测试仪三代仪器仪表三代仪器仪表第一代为第一代为指针式指针式（或模拟式）仪器仪表（或模拟式）仪器仪表第二代为第二代为数字式数字式仪器仪表仪器仪表第三代就是第三代就是智能式智能式仪器仪表仪器仪表智能仪

5、器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量是含有微计算机或微处理器的测量(或检测或检测)仪器，仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用操作等功能，具有一定智能的作用(表现为智能的表现为智能的延伸或加强等延伸或加强等)。3.3.智能仪器的概念与历史沿革智能仪器的概念与历史沿革19841984年：我国仪器学会成立年：我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器专业学自动测试与智能仪器专业学组组”；19861986年：年：IMEKO(IMEKO(国际测量联合会

6、国际测量联合会)以以“智能仪器智能仪器”为主题召为主题召开了专门的讨论会；开了专门的讨论会；19881988年：年：IFAC (IFAC (国际自动控制联合会国际自动控制联合会)的理事会正式确定的理事会正式确定“智能元件及仪器智能元件及仪器”。近年来，智能仪器已开始从较为成熟的近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。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。的功能向更高的层次发展。智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实验研智能仪器对仪器仪表

7、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。究产生了深远影响，是仪器设计的里程碑。4.4.对仪器仪表重要性的认识对仪器仪表重要性的认识仪器仪表是：仪器仪表是：国民经济的国民经济的“倍增器倍增器”科学研究的科学研究的“先行官先行官”现代战争的现代战争的“战斗力战斗力”法庭审判的法庭审判的“物化法官物化法官”门捷列夫：门捷列夫：“科学是从测量开始的科学是从测量开始的”钱学森：钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技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、通讯技术三部分术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术是关键和组成。测量技术是关键和

8、基础基础”科学仪器是科学仪器是 信息的源头信息的源头 科学仪器产业是科学仪器产业是信息产业信息产业4.4.对仪器仪表重要性的认识对仪器仪表重要性的认识王大珩院士：“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”4.4.对仪器仪表重要性的认识对仪器仪表重要性的认识英国著名科学家英国著名科学家H.Pavy曾经明确指出：曾经明确指出：“Nothing begets good science like development of a good instrument”（发展一种好的仪器对于一门科学的贡（发展一种好的仪器对于一门科学的贡献超过了任何

9、其他事情）献超过了任何其他事情）4 4、对仪器仪表重要性的认识、对仪器仪表重要性的认识二二 、智能仪器的分类、基本结构与特点、智能仪器的分类、基本结构与特点(按智能化程度和层次分类）按智能化程度和层次分类）高级高级智能智能人工智能人工智能趋趋势势模型化模型化系统辨识、模式识别系统辨识、模式识别初级智能初级智能计算机、信号处理计算机、信号处理聪敏聪敏电子、传感、测量电子、传感、测量兼兼容容聪敏仪器类聪敏仪器类 初级智能仪器类初级智能仪器类 模型化智能仪器类模型化智能仪器类 高级智能仪器类高级智能仪器类1.1.分类分类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

10、种基本类型:微机内嵌式微机内嵌式微机扩展式微机扩展式将单片或多片的将单片或多片的微处理器与仪器微处理器与仪器有机地结合在一有机地结合在一起形成的仪器。起形成的仪器。以个人计算机以个人计算机(PC)(PC)为核心的应用扩展为核心的应用扩展型测量仪器。型测量仪器。单片机或单片机或DSPRAM、EPROMI/O接口接口D/AA/DRS232USB打印机打印机（键盘、开关、键盘、开关、显示器显示器传感器传感器电电量量非非电电量量内嵌微处理器智能仪器内嵌微处理器智能仪器输入通道输入通道输出通道输出通道Soc,sopcSoc,sopc个人仪器结构图个人仪器结构图个人计算机个人计算机总线扩展槽总线扩展槽软件

11、软件仪器插插件件通用接接口口仪仪器器插插件件仪仪器器插插件件电电源源PC总线总线扩展底板或外部插件箱扩展底板或外部插件箱12n 个人仪器结构图 工控机工控机PCIPCI微机扩展式微机扩展式 测量过程的程序控制：测量过程的程序控制：“以软代硬以软代硬”灵活性强、可靠性高灵活性强、可靠性高 数据处理数据处理 ：改善测量的精确度改善测量的精确度 提供更多高质量的信息量提供更多高质量的信息量 多功能化：多功能化：一机多用一机多用3.3.智能仪器的特点智能仪器的特点三、推动智能仪器发展的主要技术三、推动智能仪器发展的主要技术 传感器技术传感器技术 A/DA/D等新器件等新器件 单片机与单片机与DSPDS

12、P的广泛应用的广泛应用 嵌入式系统与片上系统嵌入式系统与片上系统(SOC(SOC、SOPCSOPC)ASIC ASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技术技术 LabVlEWLabVlEW等图形化软件技术等图形化软件技术 网络与通信技术网络与通信技术 微型化技术微型化技术1.1.传感器技术传感器技术 聋哑传感器聋哑传感器(Dumb SensorDumb Sensor)智能传感器智能传感器(Smart SensorSmart Sensor)网络化传感器网络化传感器(Networked SensorNetworked Sensor)传传统统的的传传感感器器是是模模拟拟仪仪器器仪仪表表时时代代的的

13、产产物物。它它的的设设计计指指导导思思想想是是把把外外部部信信息息变变换换成成模模拟拟电电压压或或电电流流信信号号。功功能能单单一，因而被称为一，因而被称为“聋哑传感器聋哑传感器”。聋哑传感器聋哑传感器微处理器和传感器结合，产生了具有一微处理器和传感器结合，产生了具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器补偿的新一代传感器智能传感器。智能传感器。微电子、光电子技术发展微电子、光电子技术发展加工工艺加工工艺新型智能敏感材料新型智能敏感材料智能传感器智能传感器（半导体传感器）、（半导体传感器）、MEMSMEMS传感器传感器将将网网络络接接口口芯芯片

14、片与与智智能能传传感感器器集集成成起起来来并并使使通通信信协协议议固固化化到到智智能能传传感感器器的的ROMROM中中，就产生了网络传感器。就产生了网络传感器。网络传感器网络传感器网络信息技术：网络信息技术：物联网：物联网：TheThe Internet Internetof Thingsof Things （战略性新兴产业）（战略性新兴产业）网络化仪器：网络化仪器：A AD D芯片是智能仪器不可缺少的核心部件之芯片是智能仪器不可缺少的核心部件之一，在向高速、低功耗、高分辨率、高性能一，在向高速、低功耗、高分辨率、高性能的方向发展。的方向发展。A AD D等电路与微处理器集成、传感器与控制等电

15、路与微处理器集成、传感器与控制电路都集成在一块芯片上，这将缩小体积，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、增强可靠性，从而实现智能仪器的多功能化、微小化。微小化。2.A/DA/D等新器件增强仪器的性能等新器件增强仪器的性能3.3.单片机、单片机、DSPDSP处理器广泛应用处理器广泛应用 51系列、AVR、MSP430、ARMARMDSPDSP（Digital Digital Signal Signal Processor)Processor)是是通通过过硬硬件件来来完完成成乘乘法法和和加加法法运运算算的的，极极大大地地增增强强了了智智能能仪仪器器的的数数

16、字字滤滤波波、FFTFFT、相相关关、卷卷积积等等信信号号处处理理能能力力。新新型型DSPDSP芯芯片片接接口口功功能能大大加强，甚至集成了大大加强，甚至集成了DSPDSP与与ARMARM双核。双核。4.4.嵌入式系统与片上系统嵌入式系统与片上系统(SOC)(SOC)将使将使 智能仪器的设计提升到一个新阶段智能仪器的设计提升到一个新阶段 微微机机内内嵌嵌式式的的智智能能仪仪器器属属于于嵌嵌入入式式系系统统，它它虽虽然然以以微微型型计计算算机机为为核核心心，但但它它不不以以计计算算机机的的形形态态出出现现；而而是是作作为为宿宿主主设设备备的的控控制制器器体现仪器设备的功能。体现仪器设备的功能。片

17、上系统片上系统(SOC(SOC、SOPC)SOPC)的发展更是为智能的发展更是为智能仪器的开发及性能的提高开辟了更加广阔的仪器的开发及性能的提高开辟了更加广阔的前景。前景。SOPCSOPC的核心思想就是要把整个应用电子的核心思想就是要把整个应用电子系统集成在一个芯片中，基本上消除了器件系统集成在一个芯片中，基本上消除了器件信息障碍，避免了大量信息障碍，避免了大量PCBPCB板的设计及板级板的设计及板级调试工作；加快了设计速度，调试工作；加快了设计速度，SOCSOC将使系统将使系统设计技术发生革命性的变化，这标志一个全设计技术发生革命性的变化，这标志一个全新时代已经到来。新时代已经到来。4.4.

18、可编程片上系统（可编程片上系统（SOPC)SOPC)将使智能仪器将使智能仪器的设计提升到一个新阶段的设计提升到一个新阶段 5.ASIC5.ASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技术技术ASICASIC对对仪仪器器设设计计者者来来说说，很很有有意意义义的的一一项项工工作作是是把把一一些些性性能能要要求求很很高高的的线线路路单单元元设设计计成成专专用用集集成成电电路路而而使使智智能能仪仪器器的的结结构构更更紧紧凑凑，性性能能更更优良，保密性更强。优良，保密性更强。FPGA(FPGA(现场可编程门阵列现场可编程门阵列)CPLD(CPLD(复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件)这种芯片具有可编程性

19、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。5 5、ASICASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技术技术应用应用FPGACPLD的优点的优点 在在计计算算机机和和必必要要的的仪仪器器硬硬件件确确定定之之后后，软软件件就就是是PCIPCI仪仪器器发发展展的的关关键键。软件就是仪器成为流行的说法。软件就是仪器成为流行的说法。NINI公公司司19861986年年设设计计的的LabVlEWl.0LabVlEWl.0，20032

20、003年年发发展展到到Labview7Labview70 0，推推动动虚虚 拟拟 仪仪 器器 技技 术术 的的 发发 展展。(Labview1013)(Labview1013)6.6.图形化软件技术图形化软件技术虚拟仪器虚拟仪器 智智能能仪仪器器要要上上网网，完完成成数数据据传传输输、远远程控制与故障诊断等；程控制与故障诊断等；构构建建网网络络化化测测试试系系统统，将将分分散散的的各各种种不不同同测测试试设设备备挂挂接接在在网网络络上上，通通过过网网络络实实现现资资源源、信信息息共共享享，协协调调工工作作，共共同同完完成成大型复杂系统的测试任务。大型复杂系统的测试任务。7.7.网络与通信技术网

21、络与通信技术系系统统集集成成、材材料料制制造造技技术术的的发发展展,仪仪器器仪仪表表可可以以把把微微光光学学器器件件、微微结结构构、微微传传感感器器、微微致致动动器器、信信号号处处理理器器等等集集成成在在一一起起，能能够够对对外外界界的的各各种种物物理理、化化学学、生生物物等等各各种种信信号号进进行行实实时时采采样样、处处理理、操作和控制的智能化信息系统。操作和控制的智能化信息系统。手持实验室、桌面实验室手持实验室、桌面实验室.8.8.微型化技术微型化技术 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？属你在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？属于哪种类型？指出它

22、们的共同之处、主要区别。选择一种仪器，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。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仪器仪表的重要性体现在哪些方面？仪器仪表的重要性体现在哪些方面？4 4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。5 5学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础，回顾主要内容。学过的哪些课程为智能仪器设计奠定基础，回顾主要内容。6 6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。7 7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？8.8.为什么说嵌入式系统、为什么说嵌入式系统、SOCSOC将智能仪器设计提升到将智能仪器设计提升到 一个新阶段？一个新阶段？