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 仪器仪表、智能仪器、重要性认识 二、智能仪器的分类、基本结构与特点 4个层次、2种结构、3个特点三、推动智能仪器发展的主要技术 传感器，A/D,单片机和PC，DSP,嵌入式系统与片上系统(SOC)，FPGA/CPLD,软件，网络与通信，微小化,第一章 概 述,1.仪器仪表定义、作用、分类仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装置。最基本的作用：延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。分类：行业、性质、特点,一、从传统仪器仪表到智能仪器,2.九类测试计量仪器 几何量：长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等 机械量：各种测力仪、

2、硬度仪、加速度与速度测量仪、力矩测量仪、振动测量仪等 热工量：温度、湿度、流量测量仪器等 光学参数：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。电离辐射：各种放射性、核素计量，X、射线及中子计量仪器等。,同学在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？,时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测量仪等;电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC测量仪、静电仪、磁参数测量仪等;电信号测量仪器：如示波器、信号发生器、相位测量仪、频谱分析仪、动态信号分析仪等;集成电路测试仪器:模拟或数字集成电路测试仪,三代仪器仪表第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表第二代为数字式仪器

3、仪表第三代就是智能式仪器仪表,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(或检测)仪器，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(表现为智能的延伸或加强等)。,3.智能仪器的概念与历史沿革,1984年：我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器专业学组”；1986年：IMEKO(国际测量联合会)以“智能仪器”为主题召开了专门的讨论会；1988年：IFAC(国际自动控制联合会)的理事会正式确定“智能元件及仪器”。,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。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

4、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究产生了深远影响，是仪器设计的里程碑。,4.对仪器仪表重要性的认识,仪器仪表是：国民经济的“倍增器”科学研究的“先行官”现代战争的“战斗力”法庭审判的“物化法官”,门捷列夫：“科学是从测量开始的”钱学森：“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、通讯技术三部分组成。测量技术是关键和基础”科学仪器是信息的源头 科学仪器产业是信息产业,4.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.对仪器仪表重要性的认识,英国

5、著名科学家H.Pavy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献超过了任何其他事情）,4、对仪器仪表重要性的认识,二、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）,高级智能人工智能,趋势,模型化系统辨识、模式识别,初级智能计算机、信号处理,聪敏电子、传感、测量,兼容,聪敏仪器类,初级智能仪器类,模型化智能仪器类,高级智能仪器类,1.分类,2.智能仪器的基本结构,其结构可有两种基本类型:微机内嵌式微机扩展式,将单片或多片的微处理器与仪器有机地

6、结合在一起形成的仪器。,以个人计算机(PC)为核心的应用扩展型测量仪器。,Soc,sopc,个人仪器结构图,工控机PCI,微机扩展式,测量过程的程序控制：“以软代硬”灵活性强、可靠性高 数据处理：改善测量的精确度 提供更多高质量的信息量 多功能化：一机多用,3.智能仪器的特点,三、推动智能仪器发展的主要技术,传感器技术 A/D等新器件 单片机与DSP的广泛应用 嵌入式系统与片上系统(SOC、SOPC)ASIC、FPGACPLD技术 LabVlEW等图形化软件技术 网络与通信技术 微型化技术,1.传感器技术 聋哑传感器(Dumb Sensor)智能传感器(Smart Sensor)网络化传感器(

7、Networked Sensor),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。功能单一，因而被称为“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。微电子、光电子技术发展加工工艺新型智能敏感材料,智能传感器,（半导体传感器）、MEMS传感器,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ROM中，就产生了网络传感器。,网络传感器,网络信息技术：物联网：The Internetof Things（战略性新兴产业）网络化仪器：,AD芯片是智能仪器不可缺少

8、的核心部件之一，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、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、微小化。,2.A/D等新器件增强仪器的性能,3.单片机、DSP处理器广泛应用,51系列、AVR、MSP430、ARM,DSP（Digital Signal Processor)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的数字滤波、FFT、相关、卷积等信号处理能力。新型DSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了DSP与ARM双核。,4.嵌入式系统与片上系统(SOC)将使 智能仪器的设计提升到一个新阶段,微机内嵌式

9、的智能仪器属于嵌入式系统，它虽然以微型计算机为核心，但它不以计算机的形态出现；而是作为宿主设备的控制器体现仪器设备的功能。,片上系统(SOC、SOPC)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前景。SOPC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，基本上消除了器件信息障碍，避免了大量PCB板的设计及板级调试工作；加快了设计速度，SOC将使系统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。,4.可编程片上系统（SOPC)将使智能仪器的设计提升到一个新阶段,5.ASIC、FPGACPLD技术,ASIC对仪器设计者来说，很有意义的一项工作是把一些性能要求很高的线路单元

10、设计成专用集成电路而使智能仪器的结构更紧凑，性能更优良，保密性更强。,FPGA(现场可编程门阵列)CPLD(复杂可编程逻辑器件)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，改变内部硬件连接关系的描述，就能实现一种新的功能。,5、ASIC、FPGACPLD技术,应用FPGACPLD的优点,在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是PCI仪器发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法。NI公司1986年设计的LabVlEWl.0，2003年发展到Labview70，推动虚拟仪器技术的发展。(Labview1013),6.图形化软件技术虚拟仪器,智能仪器要上网，完成数据传输、远程

11、控制与故障诊断等；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、信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。,7.网络与通信技术,系统集成、材料制造技术的发展,仪器仪表可以把微光学器件、微结构、微传感器、微致动器、信号处理器等集成在一起，能够对外界的各种物理、化学、生物等各种信号进行实时采样、处理、操作和控制的智能化信息系统。手持实验室、桌面实验室.,8.微型化技术,思考题 1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。选择一种仪器，针对其存在的问题或不足，提出改进设想。2结合你对智能仪器概念的理解，讨论“智能化”的层次。3仪器仪表的重要性体现在哪些方面？4简述推动智能仪器发展的主要技术。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。6智能仪器有哪几种结构形式？对其作简要描述。7智能仪器设计时采用FPGACPLD有哪些优点？8.为什么说嵌入式系统、SOC将智能仪器设计提升到 一个新阶段？,