智能仪器 第一章

智能仪器,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,智能仪器设计基础,第一章 绪论,第一章 绪论,仪器发展概况,1.1,智能仪器发展趋势,1.2,分类、组成和特点,1.3,设计要求、原则及步骤,1.4,首页,本章内容,1.,智能仪器的发展过程,3.,智能仪器的设计调试步骤,重点,：,2.,内嵌式智能仪器的基本组成,和各部分功能,返 回,1.1,智能仪器发展概况,1.,智能仪器,发展,a,数据处理（过去）；,模糊判断、故障判断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测。,含有微计算机或微处理器的测量仪器，拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能作用。,下 页,上 页,功能,返 回,b,知识处理（目前）,；,体积庞大，功能单一，价格昂贵，,开放性差，响应速度慢，精度低,。,2.,各个时期的发展,典型仪器,万用表、电子示波器、信号发生器等磁电式和电子式模拟仪器仪表,特点,下 页,上 页,返 回,50,年代,仪器的功能用硬件实现，几乎没有软件的介入，完全由生产厂商在产品出厂前定义好，测量结果用指针显示。,模拟式（指针式）仪器。,2.,各个时期的发展,典型仪器,数字电压表、数字功率计，数字频率计,基本工作原理,下 页,上 页,返 回,60,年代,数字式仪器,在测量过程中将模拟信号转换为数字信号，测量结果以数字形式显示和输出,特点,读数清晰，响应速度快，精度高,随集成电路的出现，以集成电路芯片为基础。,2.,各个时期的发展,特点,测量范围宽、精度高、稳定性好。智能仪器一般均配有,GP-IB,（或,RS-232C,、,RS-485,）等通信接口，可跟另外的智能仪器组成,智能仪器系统,功能,下 页,上 页,返 回,70,年代,微处理器的出现和广泛应用,产生以微处理器为核心,将计算机技术与测量仪器相结合的仪器,.,可根据被测参数的变化自动选择合适的量程，进行自动校准、自动补偿、自动判断故障、优化控制等，具有一定的人类智能作用。,独立式智能仪器（简称称智能仪器）,2.,各个时期的发展,基本工作原理,下 页,上 页,返 回,80,年代初,将仪器中的测量部分配以相应的接口电路组成各种仪器卡，插入到,PC,机的插槽或扩展槽内，以个人计算机为基础组成的智能仪器。,将传统的独立仪器与计算机的软件硬件资源相结合，利用,PC,机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，仪器卡完成数据采集，具有较高的性价比。,特点,可充分发挥计算机的效能，灵活方便、标准化程度高、扩展性好。,个人仪器（,PC,仪器）,2.,各个时期的发展,下 页,上 页,返 回,80,年代后期,虚拟仪器（,Virtual Instrument,）,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,下 页,上 页,返 回,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,下 页,上 页,返 回,计算机和仪器模块组成了虚拟仪器硬件测试平台，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 Windows,CVI,，,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领域主流产品的趋势。,下 页,上 页,返 回,在测量测试领域，将仪器、昂贵的外围设备、测试对象以及数据库等资源纳入网络，对测量实现远地化、网络化、以及测量结果信息资源共享化，使一台仪器为更多的用户所使用，降低了测试系统的成本，实现资源共享，共同完成测试任务。这种借助于网络通信技术与虚拟仪器技术共享软硬件的结合体称为,可以使测试人员不受时间和空间的限制，随时随地获取所需信息，同时还可以实现测试设备的远距离测试与诊断，提高测试效率，减少测试人员的工作量，方便修改、扩展。,网络化仪器,优点,网络化仪器,下 页,上 页,返 回,网络化仪器,可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实时获得仪器的工作状态；通过友好的用户界面，对远程仪器的功能和状态进行控制和检测，将远程仪器测得的数据经网络迅速传递给本地计算机。,实现过程：,发展方向：,网络化仪器是一种涉及多门学科、涵盖范围更宽、应用领域更广的仪器范畴，可以做到从任何地点、任意时间获取所需要的任何地方的测量信息。仪器正朝着数字化、网络化和多媒体化方向发展。,下 页,上 页,返 回,综述：,智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、,VLSI,等新兴技术与传统仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、个人仪器、网络技术等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛的应用。作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。可以预料，各种功能的智能仪器将会广泛地使用在各个领域。,下 页,上 页,返 回,1.2,智能仪器发展趋势,随着微电子、微机械、信息等技术的不断发展，使具有传统智能仪器功能、体积小的微型智能仪器技术不断成熟，在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗等领域具有独特的作用。随其价格的不断降低，应用领域将不断扩大。,1,、微型化,多功能是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。,2,、多功能化,下 页,上 页,返 回,人工智能是利用计算机模拟人的智能，使智能仪器在视觉,(,图形及色彩,),、听觉,(,语音识别及语言领悟,),、思维,(,推理、判断、学习与联想,),等方面代替一部分人的脑力劳动，具有一定的人工智能作用，无需人的干预可自主地完成检测或控制任务，解决用传统方法很难解决或根本无法解决的问题。,3,、人工智能化,计算机网络技术的日益成熟提供了将测控、计算机和通信技术相结合的现实可能。利用网络技术将各个分散的测量仪器设备连在一起，各仪器设备之间通过网络交换数据、信息，实现各种数据、信息跨地域、跨时间的传输与交换，使测量不再是单个仪器设备相互独立操作的简单组合，而是一个统一的高效的整体，实现各仪器资源的共享和测量功能的优化，是国防、通信、铁路、航空、航天、气象以及制造等行业或领域的发展趋势。,4,、网络化,下 页,上 页,返 回,1.3,智能仪器的分类、组成和特点,1.3.1,智能仪器的分类,智能仪器系统,微机内嵌（内藏）式,微机扩展式,下 页,上 页,返 回,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：,下 页,上 页,返 回,微机扩展式：,将检测功能扩展到微机中，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。,前面介绍的个人仪器、,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：,下 页,上 页,返 回,1.3.2,智能仪器的组成,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,下 页,上 页,返 回,微机内嵌式基本结构,:,下 页,上 页,返 回,1.3.2,智能仪器的特点,1),操作自动化,仪器的整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。,下 页,上 页,返 回,3),数据分析和处理功能,采用了单片机或微控制器，使得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。,下 页,上 页,返 回,5),可程控操作能力,一般都配有,GPIB,、,RS232C,、,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。,下 页,上 页,返 回,1.4,智能仪器设计要求、原则及步骤,1.4.1,智能仪器设计的基本要求,1),功能及技术指标要求,智能仪器应具备的功能如输出形式、人机对话、通信、报警提示、仪器状态的自动调整等。仪器的主要技术指标如精度、测量范围、工作环境条件、稳定性等。,下 页,上 页,返 回,仪器的故障将造成整个生产过程混乱，甚至引起严重后果，所以仪器能否正常可靠地工作，将直接影响测量结果，也将影响工作效率和仪器的信誉，为保证仪器能长时间稳定的工作，应采取各种措施提高仪器的可靠性。,2),可靠性要求,注意：,在硬件方面，应合理选择元器件，即在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数留有一定的余量，并对元器件进行老化和筛选。另外，采用在极限情况下进行试验，即在研制过程中，让样机承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟雾等试验，以保证其对环境的适应性。在软件方面，采用模块化设计方法，并对软件进行全面测试。可减小软件故障率，提高软件可靠性。,下 页,上 页,返 回,在仪器设计过程中，应考虑操作方便，控制开关或按钮不要太多、太复杂，尽量降低对操作人员专业知识的要求，从而使操作者无需专门训练，便能掌握仪器的使用方法，便于产品的推广应用。另外，仪器结构要尽量规范化、模块化，并配有现场故障诊断程序，一旦发生故障，能保证有效地对故障进行定位，以便更换相应的模块