智能仪器设计方法.ppt

5.1 智能仪器设计方法 课本208-221页,智能仪器的研制开发是一个较为复杂的过程。为完成仪器的功能，实现仪器的指标，提高研制效率，并能取得一定的研制效益，应遵循正确的设计原则、按照科学的研制步骤来开发智能仪器。,内容提要：一、智能仪器设计的基本要求 二、智能仪器的设计原则三、智能仪器的研制步骤 三个阶段,“智能仪器设计”的研究内容定位,人工智能 少数仪器，如中医诊断仪，利用了专家系统，现在已经不多见应用。现在比较多的是测量仪器，能够把测量结果和标准测量结果比较，得出那些指标超标计算机化仪器，微型计算机在仪器中的应用，显示、控制、接口虚拟仪器 以软面板为特征的仪器仪器设计，智能仪器的设计不是微机应用课程,仪器的总体设计,所要求设计的仪器的基本技术要求仪器使用的环境要求壳体等的总体要求仪器功能的分解仪器结构的分解各个部件的设计各个部件的协调软件设计市场经济法则最先进原则，最高性价比原则,仪器的总体设计,1 本次设计的目的2 形式要求：输入，输出，幅值，记录时间，记录方式，精度，数据的形式（模拟、数字、数据、图形，量值）等3 供电方式，单电源，双电源，节电要求,仪器的总体设计,4 外形及环境适应性要求5 采样策略的要求及实现方法6 模拟电路的要求：放大器的类型（电压放大器、电桥放大器、电荷放大器、滤波器等），信噪比的要求，对电源的要求,仪器的总体设计,7 数字电路的要求：ADC的位数、类别（逐次逼近、直接比较、双积分、式等），存储器的容量，为实现采样策略而必须具备的控制功能，数据传输的方式（并行、串行），节电功能的实现,一、智能仪器设计的基本要求,无论仪器的规模多大，其基本设计要求大体上是相同的，在设计和研制智能仪器时必须予以认真考虑。,1、功能及技术指标应满足要求主要技术指标：精度、测量范围、工作环境条 件、稳定性。应具备的功能：输出、人机对话、通信、报警提示、仪器状态的自 动调整等功能。,2可靠性要求,仪器可靠性是最突出也是最重要的，因为仪器能否正常可靠地工作，将直接影响测量结果的正确与否，也将影响工作效率和仪器信誉，在线检测与控制类仪器更是如此，由于仪器的故障造成整个生产过程的混乱，甚至引起严重后果。应采取各种措施提高仪器的可靠性，从而保证仪器能长时间稳定工作。,第一，硬件：仪器所用器件的质量和仪器结构工艺是影响可靠性的重要因素，故应合理选择元器件和采用在极限情况下进行试验的方法。所谓合理选择元器件是指在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数应留有一定的余量，并对元器件进行老化和筛选。而极限情况下的试验是指在研制过程中，一台样机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟雾等试验，以保证其对环境的适应性。第二，软件：采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。,在仪器设计过程中，应考虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应用。仪器的控制开关或按钮不能太多、太复杂，操作程序应简单明了，从而使操作者无需专门训练，便能掌握仪器的使用方法。智能仪器还应有很好的可维护性，为此，仪器结构要规范化、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，使仪器尽快地恢复正常运行。,3便于操作和维护,4仪器工艺结构与造型设计要求,仪器结构工艺是影响可靠性的重要因素，首先要依据仪器工作环境条件，是否需要防水、防尘、防爆密封，是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构；仪器的造型设计亦极为重要。总体结构的安排、部件间的连接关系、面板的美化等都必须认真考虑，最好由结构专业人员设计，使产品造型优美、色泽柔和、外廓整齐、美观大方。,二、智能仪器的设计原则,1、从整体到局部(自顶向下)的设计原则 在硬件或软件设计时，把复杂的、难处理的问题，分为若干个较简单的、容易处理的问题，然后再一个个地加以解决。设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设计的总任务，并绘制硬件和软件总框图(总体设计)。然后将任务分解成一批可独立表征的子任务，这些子任务还可以再向下分，直到每个低级的子任务足够简单，可以直接而且容易地实现为止。这些低级子任务可采用某些通用模块，并可作为单独的实体进行设计和调试，从而能够以最低的难度和最高的可靠性组成高一级的模块。,2、较高的性能价格比原则,智能仪器的造价，取决于研制成本、生产成本、使用成本。设计时不应盲目追求复杂、高级的方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单成熟的方案，意味着元器件少，开发、调试、生产方便，可靠性高。就第一台样机而言，主要的花费在于系统设计、调试和软件开发，样机的硬件成本不是考虑的主要因素。当样机投入生产时，生产数量越大，每台产品的平均研制费就越低，此时，生产成本就成为仪器造价的主要因素。显然，仪器硬件成本对产品的生产成本有很大影响。使用成本，即仪器使用期间的维护费、备件费、运转费、管理费、培训费等。必须在综合考虑后才能看出真正的经济效果，从而做出选用方案的正确决策。,3组合化与开放式设计原则,在科学技术飞速发展的今天，设计智能仪器系统面临三个突出的问题：(1)产品更新换代太快；(2)市场竞争日趋激烈；(3)如何满足用户不同层次和不断变化的要求。在电子工业和计算机工业中推行一种不同于传统设计思想的所谓“开放系统”的设计思想。,“开放系统”的设计思想,在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术机会的余地；向系统的不同配套档次开放，在经营上兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社会的公共参与，为发挥各方面厂商的积极性创造条件；向用户不断变化的特殊要求开放，在服务上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等等。,开放式系统设计的具体方法,基于国际上流行的工业标准微机总线结构，针对不同的用户系统要求，选用相应的有关功能模块组合成最终用户的应用系统。系统设计者将主要精力放在分析设计目标，确定总体结构，选择系统配件等方面，而不是放在部件模块设计及用于解决专用软件的开发设计上。,组合化设计方法及优点,开放式体系结构和总线系统技术发展，导致了工业测控系统采用组合化设计方法的流行，即针对不同的应用系统要求，选用成熟的现成硬件模板和软件进行组合。组合化设计的基础是模块化，硬、软件功能模块化是实现最佳系统设计的关键。,将系统划分成若干硬、软件产品的模块，由专门的研究机构根据积累的经验尽可能完善地设计，并制定其规格系列，用这些现成的功能模块可以迅速配套成各种用途的应用系统，简化设计并缩短设计周期。结构灵活，便于扩充和更新，使系统的适应性强。在使用中可根据需要通过更换一些模板或进行局部结构改装以满足不断变化的特殊要求。维修方便快捷。模块大量采用LSI和VLSI芯片，在故障出现时，只需更换IC芯片或功能模板，修理时间可以降低到最低限度。功能模板可以组织批量生产，使质量稳定并降低成本。,组合化设计方法的优点,三、智能仪器的研制步骤,确定任务、拟定设计方案,硬件和软件设计研制,仪器总调、性能测试,三个阶 段,1、确定设计任务、拟定设计方案,仪器设计任务书,主要作用：a.研制单位设计仪器的立项基础；b.反映仪器的结构、规定仪器的功能指 标，是研制人员的设计目标；c.作为研制完毕进行项目验收的依据。主要内容：a.仪器名称、用途、特点及简要设计思想;b.主要技术指标;c.仪器应具备的功能；d仪器的设备规模；e系统的操作规范。,拟定设计方案,2硬件、软件研制阶段,硬件研制：在开发过程中，硬件和软件应同时进行，在设计硬件、研制功能模板的同时，完成软件和应用程序的编制。硬件、软件工作互相配合，充分发挥微机特长，缩短研制周期。硬件设计：首先设计系统框图，然后进行电路设计.框图设计就是将整体分成若干个部分，将它们连接成一个仪器系统。智能仪器的一般结构主要包括如下部分：信号输入，信号调理（滤波、放大、变换等），计算机及其存储器和外围接口电路，仪器输出接口、人机接口（显示器、开关、键盘等）。设计仪器时要充分考虑各部分误差分配、屏蔽、接地等抗干扰措施，系统的可靠性、性能价格比等。,硬件研制：采用功能强的芯片以简化电路;修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地;自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路;硬件抗干扰措施;线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排 等问题，必须考虑到安装、调试和维修的方便。,智能仪器仪表已不再是简单的硬件实体，而是硬件、软件相结合，软件决定仪器智能高低的新型仪器。软件的质量对智能仪器的功能、性能指标及操作有很大的影响。一个好的程序不但要满足预定的功能，正常运行，而且应该满足如下条件：（1）程序结构化，简单，易读，易调试；（2）运行速度快;（3）占用内存空间小;下面简单介绍智能仪器软件设计的方法。,软件研制：,软件研制：软件设计作一个总体规划程序功能块划分确定算法 分配系统资源和设计流程图 编写程序 程序调试和纠错以及各部分程序连接及系统总调,结构化和模块化程序设计：自底向上模块化程序设计自顶向下模块化程序设计三种基本程序结构：顺序结构、选择结构、循环结构智能仪器的软件结构：智能仪器的软件通常由监控程序、中断程序，测量程序和数据处理程序组成。,测量控制程序：测量控制程序完成测量以及测量过程的控制任务，如多通道切换、采样、A/D转换，D/A转换，输出限幅，越限报警、可程控放大增益控制等。数据处理程序：数据处理程序包括各种数值运算（算术运算、逻辑运算和各种函数运算）、非数值运算（如查表、排序和插入等）和数据处理（温度补偿、数字滤波等）程序。中断处理程序：处理各种服务请求，有时调用测量控制程序或数据处理程序。,监控程序监控程序是智能仪器软件中的主线，它调用各模块，并将它们联系起来，形成一个有机的整体，从而实现对仪器的全部管理功能。监控程序的主要功能：管理键盘和显示器，按仪器的键入命令转入相应的服务程序；接受输入输出接口、内部电路等发出的中断请求信号，按中断优先级的顺序转入相应的服务程序，进行实时测量、控制或处理；对定时器进行管理；实现对仪器自身诊断处理；实现仪器的初始化、手动自动控制，掉电保护等。,3仪器综合调试及整机性能测试,系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错误，并解决硬件和软件之间的协调问题。,性能测试 整机性能测试，需按照设计任务书规定的设计要求拟定一个测试方案，对各项功能和指标进行逐项测试。如果某项指标不符合要求，还得查明原因，作相应调整；直至完全达到设计要求为止。,