智能仪器设计基础绪论.pptx

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1、1/241 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第1页/共24页2/24第一章 绪论知识点知识点知识点 智能仪器的发展历史智能仪器的发展历史智能仪器的组成和特点智能仪器的组成和特点智能仪器的发展方向智能仪器的发展方向知识点知识点知识点知识点知识点知识点第2页/共24页3/24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知识点知识点1 11传感器的基本构成方法：传感器的基本构成方法：基本型、电路参数型、多级变换型、参比补偿型、差动结构

2、型、反馈型知识点知识点知识点2 22典型传感器的基本原理以及典型应用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知识点知识点3 33传感器的特性、典型输出信号传感器的特性、典型输出信号特性：线性度、一致性、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、电路参数第3页/共24页4/24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）知识点知识点知识点1 11运放基本原理、分类和非理想特性：运放基本原理、分类和非理想特性：基本放大电路，镜像电流源，精密运放，

3、差分运放和仪表运放，隔离运放，失调，偏移和噪声，CMRR，PSRR、增益带宽积知识点知识点知识点2 22运放的负反馈应用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知识点知识点3 33A/D的基本原理、分类和非理想特性的基本原理、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，微分非线性第4页/共24页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（2/2）知识点知识点知识点4 44电路参数的检测和弱信号的放大电路参数的检测和

4、弱信号的放大电路参数的检测、信号的锁相放大和相敏检波技术第5页/共24页6/24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系统设计典型处理器的介绍：MCS-51，DSP 知识点知识点1 1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接口知识点知识点2 2智能仪器的人机接口：LCD显示，LED显示，键盘设计知识点知识点3 3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

5、分析实例知识点知识点4 4知识点知识点5 5第6页/共24页7/24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；知识点知识点1 1输出信号的功率放大技术输出信号的功率放大技术信号的线性功放原理；信号的开关功放原理；知识点知识点2 2开关量输出开关量输出开关量的输出隔离和驱动；固态继电器知识点知识点3 3第7页/共24页8/24知识点4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，复合滤波知

6、识点2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，校准数据表修正法知识点1相关消噪和小波去噪技术知识点3模糊数学和神经网络技术在智能仪器中的应用第8页/共24页9/24第四章 智能仪器的保护和抗干扰知识点知识点知识点1 11公共阻抗耦合干扰及去耦合设计：公共阻抗耦合干扰及去耦合设计：数模混合电路的公共耦合干扰原理印刷板上的去耦合设计知识点知识点知识点2 22信号的隔离：信号的隔离：变压器隔离及高频调制技术光隔离技术（光耦，光纤）知识点知识点知识点3 33敏感元件或电路的保护：敏感元件或电路的保护：电路中的浪涌和静电泄放，浪涌的吸收，静电泄放的保护敏感电路的EMI滤波器知识点知识点知

7、识点4 44电磁屏蔽和接地技术：电磁屏蔽和接地技术：电磁屏蔽的电磁场基础，屏蔽的材料因素一点接地和多点接地，屏蔽的接地第9页/共24页10/24第五章 智能仪器的通讯和网络化设计知识点知识点知识点1 11并行通讯总线：并行通讯总线：GPIB总线，VXI总线,PXI总线知识点知识点知识点2 22串行通讯总线：串行通讯总线：RS-232,RS-422/485,通用串行总线USB知识点知识点知识点3 33基于工业以太网的通信接口基于工业以太网的通信接口TCP/IP，开发范例知识点知识点知识点4 44无线传感器网络技术无线传感器网络技术体系结构，硬件平台，操作系统，开发范例第10页/共24页11/24

8、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智能仪器的发展过程2第11页/共24页12/24第一讲 绪论1.1 智能仪器的重要作用（1）概念概念概念1 11信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术，而测量技术是关键和基础。智能仪器是对物质世界的信息进行测量和控制的基础手段和设备，使信息产业的源头和组成部分概念概念概念2 22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。概念概念概念3 33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

9、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。第12页/共24页13/24第一讲 绪论1.1 智能仪器的重要作用（2）概念概念概念4 44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。概念概念概念5 55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。概念概念概念6 66在军事上，智能仪器是“战斗力”。现代战争中

10、，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。第13页/共24页14/24第一讲 绪论1.1 智能仪器的重要作用（3）概念概念概念7 77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“判断”。概念概念概念8 88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。第14页/共24页15/24第一讲 绪论1.2 智能仪器的发展过程（1）历

11、程历程历程1 11第一代仪器为模拟仪器，大量指针式电压表、电流表、功率表及一些通用测试仪器均为典型的模拟式仪器。模拟仪器功能简单、精度低、响应速度慢。历程历程历程2 2220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。历程历程历程3 3320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；从单纯接收显示转变为控制、分析、处理、存储与

12、显示输出；从单台仪器进行测量到用测量系统测量。第15页/共24页16/24第一讲 绪论1.2 智能仪器的发展过程（2）历程历程历程4 4420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。历程历程历程5 55历程历程历程6 66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

13、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”。第16页/共24页17/24第一讲 绪论1.2 智能仪器的发展过程（3）第17页/共24页18/24第一讲 绪论1.2 智能仪器的发展过程（4）第18页/共24页19/24第一讲 绪论1.3 智能仪器的组成执行机构非电量电量MUXA/DREFCLOCKBUSMCU&DSPEEPROMBUSRAMI/OLANRS232/485CAND/AREFBUS传感器前向通道后向通道功放微处理器系统人机交互设备

14、远程监控设备总线通信总线第19页/共24页20/24第一讲 绪论1.3 智能仪器的特点（1）特点特点特点1 11 【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，自动调零和自动校准，故障诊断和数据存储等等。特点特点特点2 22特点特点特点3 33 【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

15、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。第20页/共24页21/24第一讲 绪论1.3 智能仪器的特点（2）特点特点特点4 44 【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。特点特点特点5 55 【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

16、究；组态软件：Labviewer，LabWindows/CVI，Matlab第21页/共24页22/24第一讲 绪论1.3 智能仪器的分类分类分类分类1 11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）电离辐射测量仪器。分类分类分类2 22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）；

17、（4）医疗仪器；（5）各类专用仪器（农业、气象、水文、航天等）；第22页/共24页23/24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）发展方向发展方向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第23页/共24页24感谢您的观看！第24页/共24页