智能仪器原理与设计-概论
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思考:实际生活中接触到 哪些仪表,这些仪表有什
么不足,应如何改进?
举例:电表
仪器仪表的发展可以简单地划分为如下三代:
l 第一代为指针式仪器仪表(模拟式仪器仪表) 如指针式万用表,功率表
等,属于电磁式仪表。利用电 磁测量原理使指针来显示最终 测量结果。
其特点是读数直观,可靠 性好,但是精度不高,功能单 一,存在读数误差。
1、功能丰富、性价比高 微处理器的引入使智能仪器的功能较传统仪器有了
极大的提高,由于微处理器丰富的软件功能,使得硬件 设计变得极为简单,大多有硬件完成的功能现在可通过 软件实现。如函数运算、功率计算、非线性问题的处理 等。
智能仪器还具有丰富的接口和通讯功能,如RS 232、 RS 485、 USB或以太网接口等。
5、单个仪器自动化水平高,多个仪器可构成自动测试系 统(具有较强的联网功能)
智能仪器的单个自动化程度都比较高,控制能力也 很强,但是随着现代工农业生产过程的现代化、复杂 化,有些场合单个仪器无法完全胜任全部任务,需要多 个仪器共同协同完成。
智能仪器凭借强大的通信能力,可将多台仪器组成 局域网,每台仪器完成各自的功能,通过局域网实现信 息共享,协同完成比较复杂的任务。
ADIS16365的结构如图1.2所示。
7种技术
1.0 仪器仪表的发展
1.仪器仪表定义、作用、行业分类
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:是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(按照行业分类):测量仪器,分析仪器,生物医 疗仪器(如心电图等),地球探测仪器,天文仪器 (望远镜),航空航天航海仪表,汽车仪表,电力, 石油,化工仪表等,遍及国民经济各个部门,深入到 人民生活的各个角落。
l 智能仪器还具有自检和自诊断功能。一旦仪器自身 出现故障或异常,仪器可以自检出来,提示用户仪器的 故障点在何处,从而简化和加快了仪器的维修工作。
3、具有较强的数据处理、运算和控制功能 现代微处理器的运算速度越来越快,运算能力越来
越强,这就使智能仪器不仅能实现诸如PID这样的经典控 制算法,而且还能实现诸如最优控制和最佳滤波等现代 算法。 4、人机对话能力强
为了加深认识世界的广度和深度,必然要利用一切先 进的科技成果和技术手段来不断地更新、丰富和发展这 一工具。许多领域的新的技术成果和理论成果被应用到 智能仪器中。这些技术推动了智能仪器的发展。
主要的对智能仪器发展起推动作用的技术(7个)
ü传感器技术 üDSP技术 ü嵌入式计算机技术 üEDA技术及FPGA/CPLD ü网络技术 ü标准化模块仪器技术 ü虚拟仪器技术
(第一版)
(第二版)
智能仪器原理与设计
参考书
Ø《智能仪器设计基础(第二版)》,赵新民等编 著,哈尔滨工业大学出版社 Ø《智能仪器原理及应用(第三版)》,赵茂泰主 编,电子工业出版社
智能仪器原理与设计
课程安排
课程内容 §1 概述 §2智能仪器中数字量的输入/输出 §3智能仪器中模拟量的输入/输出 §4智能仪器的人机接口 §5数据处理技术 §6智能仪器的总线和通信技术 §7智能仪器的抗干扰技术 §8智能仪器设计实例 合计
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
网络传感器继承了智能传感 器的全部功能,并且能和计算机 网络进行通信,因而在现场总线 控制系统(FCS)中得到了广泛的 应用,成为FCS中现场级的智能化 传感器。
传感器还向着集成化、多功能化和微型化发展。
l 集成化是指借助于微电子和MEMS(Micro Electro-mechanical System, 微机电系统)技术中的微细加工技术(如光刻、腐蚀、蒸镀、电火花加工、 线切割以及LIGA工艺等),将单一功能的传感器与其他传感器或执行器、 信号处理元件以及电路集成在一起,甚至一个芯片中,使之成为一种全固 体化的功能器件。 MEMS——微机电系统是一种先进的制造技术平台,是微电路和微机械按功能要求在
l 第二代为数字式仪器仪表 数字式仪表也称为数显仪表,如
数字万用表、数字电压表等。该类 仪表是建立在微电子发展的基础上 发展起来的。它们的基本结构中一 般离不开模/数转换环节,不一定含 有微处理器,并以数字方式显示或 打印测量结果。
特点是数字显示,读数准确,精 度高,反应速度快,但是功能依然 单一,只能作为简单测量和控制。
人机对话就是智能仪器与操作人员之间的信息交换 过程(信息输入、输出)。
智能仪器人机对话能力较强,可以通过键盘(机械键 盘和触摸屏)、显示器设备(七段LED数码模块、LED发光 二极管和液晶屏等)、打印机等方式进行信息交换。
另外因智能仪器具有较强的通信功能,可以通过通 信总线进行远距离信息交换。如与上位PC机通信,可以 在PC机的显示屏上直接观察仪器的运行状态和采集的数 据。
2、具有自校准、自检和自诊断功能
l 因任何电子元件在不同的环境下,以及长时间使用 后均存在部分参数的漂移,智能仪器能通过软件算法或 借助部分硬件将其修正。这种修正是即时、动态的,其 中包括零点漂移(温度漂移,时间漂移)修正、标度漂 移修正、非线性修正等。配合一定的硬件,还可以对放 大器的电压增益误差进行修正。
统 l 数字I/O接口 l 模拟信号处理系统(A/D、 D/A、 放大器等) l 串行、并行通信接口
单片机RA等M 嵌入式处 CPU理器
接口 总线
ROM
接口
接口
数字量 输入/输出
模拟量 输入/输出
图1.1 智能仪器结构原理(微处 理器内嵌式智能仪器)
2 智能仪器的主要特点
随着微电子技术的不断发展,智能仪器在各方面得 到前所未有的提高,与传统仪器相比,具有如下几个主 要特点:
l 第三代是智能式仪器仪表 主要特征是智能仪器内含微处理器,
外形和第二代数字仪器没太大的区别, 但在硬件和软件设计上有质的飞跃。
智能仪器具有信息采集,数据处 理,输出控制及测试过程和测试结果显 示、记录、传输自动进行等丰富的功能。 如示波表,不但能显示数据,还能显示 波形,波形能存储和分析。
智能仪器最重要的是体现在软件的 智能化。实现了智能化数据采集、过程 控制、数据校验和自检。
芯片上的集成,尺寸通常在毫米或微米级。
l 多功能是指将原本多个传感器完成的功能集成在一个传感器中,使之具 有更多的功能。传感器的多功能化通常是在集成化的基础上实现的。
l 微型化是指传感器的尺寸极度缩小,向微小型化发展,典型的有各种 MEMS传感器。而且由于尺度效应,能够呈现许多新的物理性质,因而MEMS 传感器能被用于许多特殊的场合。
以某一个已知的量或单位作为标 准,一个未知的量是已知量的多少
2、八类测试计量仪器倍或多少分之一。
■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、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、
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”的概念。
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,使智能仪器的功能向 更高的层次发展。
比较典型的是美国AD(Analog Devices)公司出品的ADIS16365就是一 种集成化、多功能化和微型化传感器的典型。ADIS16365是一个完整的具有 三轴陀螺仪和三轴加速度计的惯性传感器系统。
ADIS16365具有校准功能的数字化惯性传感器系统。SPI接口和简单的输 出寄存器结构可以方便地获取数据或进行传感器配置。
智能传感器结构框图
智能传感器本质上就是一台前端预处理仪器。 灵敏度高、输出信号大、线性度好、能进行自身的 零点漂移修正。有的智能传感器还具有通信能力。
智能传感器的出现是传感技术的一次革命,对 传感器的发展产生了深远的影响。
智能流量传感器
(3)网络化传感器
计算机技术的不断发展,各种高可靠性、低功耗、低成本、小体积的 网络接口芯片被开发出来,当网络接口芯片与智能传感器集成在一起并使 通信协议固化到智能传感器的ROM中时,就产生了网络传感器。
1.2.1 传感器技术
l 什么是传感器 传感器是将非电量转换成电量的一种装置。
非电量参数的检测均需通过传感器转换才能完成。
l 传感器的发展 传感器的发展经历了三个阶段:
Ø 聋哑传感器(Dumb Sensor) Ø 智能传感器(Smart Sensor) Ø 网络化传感器(Networked Sensor)
从年代划分:
1、指针式:50年代前。
2、数字式:50~60年代,有了半导体,门电 路,数字电路。
3、智能式:70年代后,有了微处理器,编程 技术。
3、智能仪器的概念与历史
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) 。
(1) 聋哑传感器 是传感器初级阶段,它只是将非电量进行简单的、直
接变换,如电压、电流传感器,液位传感器等。其结构简 单,输出幅值小,灵敏度低,功能单一,。
电压传感器 电流传感器
(2) 智能传感器 随着微电子技术的快速发展,各种微处理器及
功能芯片高度集成化和小型化,微处理器、功能芯 片与传感器集成在一起已成为可能,从而改变了 “聋哑传感器”功能单一,灵敏度低的状态。传感 器集成了微处理器后,具有一定数据处理能力,并 能自检、自校、自补偿,形成了智能传感器。
智能仪器组成网络后还可以 实现集散控制系统,通过上位机 对网络进行管理,充分利用PC机 强大的功能,完成更复杂的运算 和数据处理。
1.2 推动智能仪器发展的新技术
仪器仪表是科学研究“先行官”,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”,是认识改造世界的工具。
新闻视频
1.1 智能仪器的结构和特点
1 智能仪器的基本结构 之一——微处理器内嵌式智能仪器
智能仪器的基本结构如图1.1
所示,主要包括如下几个部分:Βιβλιοθήκη 定时器、并行接口、 串行接口等
键 盘 、 显 示 器 、 打 通信接口 印机等
l 微处理器(CPU)——核心 l 存储器(ROM、RAM) l (人机接口) 键盘和显示系
光学传递函数测量仪等。
▲电离辐射:各种放射性、核素计量,X、γ射线及中子计量仪 器等。
★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
锶晶格钟——50亿年不差1秒,比铯原子钟精确1000倍。
★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
★无线电参数测量仪器(电子测量仪器):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。
讲课 4 4 10 4 5 5 4 4 40
学生的成绩由3部分组成: 1. 上课出勤,作业完成:10% 2. 实验: 10% 3. 考试(闭卷): 80%
第一章 概述
本章主要内容
1.0 仪器仪表的发展 从传统仪器到智能仪器
1.1 智能仪器的结构和特点 2种结构、5个特点
1.2 推动智能仪器发展的新技术
智能仪器原理与设计
课程的性质
本课程是测控技术与仪器专业必修的一门主要的专业 课。
课程的目的
通过学习与智能仪器设计相关的基本原理使学生掌握 智能仪器的设计思路、设计方法和实现过程。
基础课程
《数字电路》、《模拟电路》
《单片机》、《微机接口》等
智能仪器原理与设计
教材
《智能仪器原理与设计》-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编 著(第二版)