最新《智能仪器》课件1
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智能仪器讲义(新版本)
第一章键盘和显示控制接口电路单片机应用系统中为了控制系统的工作状态以及向系统中输入数据或者用户想知道当前的运行状态及某些过程值，常常设置键盘和显示器，以便实现简单的人——机对话，这就需要有键盘/显示器接口。
键盘/显示器接口电路可以由相应的控制电路实现，也可以由专用芯片来实现。
例如CH451就是一款基于串行总线的键盘显示控制芯片。
1.1 CH451芯片简介1.1.1 CH451的引脚说明CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μＰ监控的多功能外围芯片，通过3线或者可以级联的4线串行接口与单片机、DSP、微处理器等控制器交换数据。
CH451提供有28引脚的和24引脚的封装形式如图1.1，28脚与24脚在功能上稍有差别，它们的引脚定义见表1所列。
图1.1 CH451管脚封装图1.1.2 CH451特点（1）显示驱动●内置大电流驱动级，段电流不小于30mA，字电流不小于160mA。
●动态显示扫描控制，直接驱动8 位数码管或者64 位发光管LED。
●可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者BCD 译码方式。
●字数据左移、右移、左循环、右循环。
●各数字独立闪烁控制。
●通过占空比设定提供16 级亮度控制。
●支持段电流上限调整，可以省去所有限流电阻。
●扫描极限控制，支持1 到8 个数码管，只为有效数码管分配扫描时间。
（2）键盘控制●内置64 键键盘控制器，基于8×8 矩阵键盘扫描。
●内置去抖动电路。
●键盘中断，低电平有效输出。
●提供按键释放标志位。
（3）外部接口●可选高速的4 线串行接口，支持芯片级联，时钟速度从0 到10MHz。
●可选简洁的3 线串行接口。
●内置RC 阻容振荡电路，同时支持外接阻容振荡。
●内置上电复位，提供高电平有效复位输出和低电平有效复位输出。
●内置看门狗电路Watch-Dog。
表1.1 CH451的引脚说明1.2 CH451显示驱动和键盘控制工作原理CH451 是一个多功能外围芯片，通过3线或者可以级联的4线串行接口与单片机交换数据。
《智能仪器》课件1-PPT精品文档
外部通信
输出通道 D/A
传感器
A/D
非 电 量
单片机或 DSP RAM、 EPROM I/O接口
RS232 USB
打印机
电 量
输入通道
键盘、开关、 显示器
内嵌微处理器智能仪器的基本结构 2019/3/9
智能仪器
微处理器 MPU 程序存储器 (ROM)
卡式仪器的演变
数据存储器 (RAM)
测 试 部 分
智能仪器
• 主讲人
张重雄 教授
南京理工大学电光学院
南京理工大学在职研究生河南教育中心
2019/3/9
2019年12月
教 学 内 容
第1章 概述 第2章 内嵌微处理器的智能仪器
第3章 虚拟仪器
2019/3/9
教学参考书
张重雄.虚拟仪器技术分析与设计
电子工业出版社
2019/3/9
第1章
概 述
2019/3/9
第1章 智能仪器概述
• 教学重点
• 智能仪器的组成结构
• 智能仪器的主要特点 • 智能仪器的发展趋势
2019/3/9
1.1 仪器仪表概述
1. 仪器仪表定义、作用、行业分类
仪器仪表是信息获取的工具、是认识世界的手段，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。 仪器仪表种类繁多，如测量仪器，分析仪器，生物医 疗仪器，地球探测仪器，天文仪器，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。
笔记本PCI
• 虚拟仪器：虚拟仪器是指，在以通用计算机 为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义， 具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件 来实现的一种计算机仪器系统。 虚拟仪器的特点： • 软件是虚拟仪器的核心； • 虚拟仪器的性价比高； • 具有良好的人机界面； • 具有与其它设备互联的能力。
智能仪器-课件1精品文档
仪器仪表种类繁多，如测量仪器，分析仪器，生物医 疗仪器，地球探测仪器，天文仪器，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。
2019/10/16
2019/10/16
2.仪器仪表的重要性
1）仪器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节、 仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一；
将单片或多片的 微机芯片与仪器 有机地结合在一 起形成的单机。
以个人计算机(PC)为核 心的应用扩展型测量仪 器。个人计算机仪器或 称微机卡式仪器。
2019/10/16
传感器
非 电 量
输出通道 单片机或
D/A A/D
DSP RAM、
EPROM I/O接口
电 输入通道 量
键盘、开关、 显示器
外部通信
智能仪器
• 主讲人 张重雄 教授
南京理工大学电光学院
南京理工大学在职研究生河南教育中心
2019/10/16
2019年12月
教学内容
第1章 概述 第2章 内嵌微处理器的智能仪器 第3章 虚拟仪器
2019/10/16
教学参考书
张重雄.虚拟仪器技术分析与设计
电子工业出版社
2019/10/16
第1章
概述
2019/10/16
1.4 智能仪器发展趋势
（1）微型化 （2）多功能化 （3）人工智能化 （4）网络化
2019/10/16
本章结束
南京理工大学电光学院
2019/10/16
• 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”
•科学仪器是信息的源头 •科学仪器产业是信息产业
2019/10/16
2019/10/16
2.仪器仪表的重要性
1）仪器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节、 仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一；
将单片或多片的 微机芯片与仪器 有机地结合在一 起形成的单机。
以个人计算机(PC)为核 心的应用扩展型测量仪 器。个人计算机仪器或 称微机卡式仪器。
2019/10/16
传感器
非 电 量
输出通道 单片机或
D/A A/D
DSP RAM、
EPROM I/O接口
电 输入通道 量
键盘、开关、 显示器
外部通信
智能仪器
• 主讲人 张重雄 教授
南京理工大学电光学院
南京理工大学在职研究生河南教育中心
2019/10/16
2019年12月
教学内容
第1章 概述 第2章 内嵌微处理器的智能仪器 第3章 虚拟仪器
2019/10/16
教学参考书
张重雄.虚拟仪器技术分析与设计
电子工业出版社
2019/10/16
第1章
概述
2019/10/16
1.4 智能仪器发展趋势
（1）微型化 （2）多功能化 （3）人工智能化 （4）网络化
2019/10/16
本章结束
南京理工大学电光学院
2019/10/16
• 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”
•科学仪器是信息的源头 •科学仪器产业是信息产业
智能仪器课件第3版9122页
7.5 现场总线
➢ 现场总线(Fieldbus)是计算机网络与生产过程 专用网络或工业控制网络与生产现场基层的自动化测 控设备之间传送信息的共同通路。 ➢ 现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域 中,底层数据通信网络，是应用在生产现场，连接智 能现场设备和自动化测量控制系统的通信网络。 ➢在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数 字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信 的底层控制网络。 ➢它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动 化系统中具有广泛的应用前景。
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7.5.2
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7.5.2
汽车内的CAN总线系统主要分为两部分，一种是动力 系统，另一种是舒适系统，动力系统由高速CAN总线 组成，传输速度快，能够达到500kb/s。汽车采用 CAN总线系统可以实现各ECU之间的信息共享，减 少不必要的线束和传感器。而且还可实现多ECU之间 的实时关联控制。
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现场总线系统技术特点：
7.5.1
●互可操作性和互用性 互可操作性，是指实现互联设备间、系统间的
信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性 能类似的实现可相互替 换。
●现场设备的智能化和功能自治性 传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分
散到现场 设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控 制的 基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
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现场总线优越性:
7.5.1
2. 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电 缆线通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒桥 架的用量大大减少，连线设计与校对的工作量也大大 减少。当需要增加现场设备时无需要增设新的电缆， 可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少 了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程测算资 料表明，可节省安装费用60%以上。
➢ 现场总线(Fieldbus)是计算机网络与生产过程 专用网络或工业控制网络与生产现场基层的自动化测 控设备之间传送信息的共同通路。 ➢ 现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域 中,底层数据通信网络，是应用在生产现场，连接智 能现场设备和自动化测量控制系统的通信网络。 ➢在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数 字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信 的底层控制网络。 ➢它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动 化系统中具有广泛的应用前景。
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7.5.2
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7.5.2
汽车内的CAN总线系统主要分为两部分，一种是动力 系统，另一种是舒适系统，动力系统由高速CAN总线 组成，传输速度快，能够达到500kb/s。汽车采用 CAN总线系统可以实现各ECU之间的信息共享，减 少不必要的线束和传感器。而且还可实现多ECU之间 的实时关联控制。
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现场总线系统技术特点：
7.5.1
●互可操作性和互用性 互可操作性，是指实现互联设备间、系统间的
信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性 能类似的实现可相互替 换。
●现场设备的智能化和功能自治性 传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分
散到现场 设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控 制的 基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
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现场总线优越性:
7.5.1
2. 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电 缆线通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒桥 架的用量大大减少，连线设计与校对的工作量也大大 减少。当需要增加现场设备时无需要增设新的电缆， 可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少 了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程测算资 料表明，可节省安装费用60%以上。
智能仪器课件
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) 。
一、从传统仪器仪表到智能仪器
2、八类测试计量仪器 ■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、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、γ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 ★无线电参数测量仪器 ：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:
软件
插件
接口
插件
仪器插件
电源
PC总线
GPIB总线
扩展底板或外部插件箱
…
PC 机
USB 设备
个人仪器结构图
普通台式PCI
工控机PCI
笔记本PCI
微机扩展式
◆测量过程的软件控制： CPU→ 软件控制测量过程 “以软代硬” →灵活性强、可靠性强 ◆数据处理 ： 数字滤波、随机误、系统误差、非线性校准等处理→改善测量的精确度 相关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率谱等信号分析→提供更多高质量的信息 ◆多功能化 ：一机多用(智能化电力需求分析仪)
智能仪器课件第3版8130页
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7.2.4
当数据传送结束时，由主器件产生一个通信结束条 件，即在SCL线为高电平时，SDA产生正跳变。一次数 据传送结束，释放总线，使总线处于空闲状态。主机只 能在总线空闲的时侯启动传输 。
数据线稳定4 I2C 总线位传输
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7.2.4
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7.2.1
7.2.1 I 2 C 总线概述
I 2 C 总线特点：
(1)二线制总线，通过SDA及SCL两线在连接到总线 上 的器件之间传送信息，根据地址识别各器件。 (2)无中心主机的多主机总线，可在主机和分机之间 双向传送数据。各主机可任意同时发送而不破坏总 线 的数据。 (3)同步通信总线，同步时钟允许器件通过总线以不 同波特率通信，同时还可用作开始和停止串行口的 应答信号。
当SCL线为高电平、SDA线由低电平跳 变为高电平时为“结束”条件
起始条件
结束条件
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7.2.4
注意： I 2 C 总线上每次发送的数据字节数不受限制，
但每个字节必须为8位，而且每个字节后面必须跟 一个应答位（ACK）（第9位），也叫认可位。
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7.2.4
数据的传送过程: 数据传送时由主器件发出启动信号，即SCL为高
收器则，同第一一个个字节之I 后2 C主器总件线继上续最将数多据可发连送接到8所个选该择种的器从器件件。；
当方向位为“1”时，表示接收（读），此时，主器件由发送器变
成接收器，从器件由接收器变成发送器，主器件将从选择的从器
件读数据。
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7.2.4
注意：
主机发送地址后，系统中的其他器件都将自己的 地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主 器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器 件寻址的器件。
7.2.4
当数据传送结束时，由主器件产生一个通信结束条 件，即在SCL线为高电平时，SDA产生正跳变。一次数 据传送结束，释放总线，使总线处于空闲状态。主机只 能在总线空闲的时侯启动传输 。
数据线稳定4 I2C 总线位传输
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7.2.4
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7.2.1
7.2.1 I 2 C 总线概述
I 2 C 总线特点：
(1)二线制总线，通过SDA及SCL两线在连接到总线 上 的器件之间传送信息，根据地址识别各器件。 (2)无中心主机的多主机总线，可在主机和分机之间 双向传送数据。各主机可任意同时发送而不破坏总 线 的数据。 (3)同步通信总线，同步时钟允许器件通过总线以不 同波特率通信，同时还可用作开始和停止串行口的 应答信号。
当SCL线为高电平、SDA线由低电平跳 变为高电平时为“结束”条件
起始条件
结束条件
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7.2.4
注意： I 2 C 总线上每次发送的数据字节数不受限制，
但每个字节必须为8位，而且每个字节后面必须跟 一个应答位（ACK）（第9位），也叫认可位。
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7.2.4
数据的传送过程: 数据传送时由主器件发出启动信号，即SCL为高
收器则，同第一一个个字节之I 后2 C主器总件线继上续最将数多据可发连送接到8所个选该择种的器从器件件。；
当方向位为“1”时，表示接收（读），此时，主器件由发送器变
成接收器，从器件由接收器变成发送器，主器件将从选择的从器
件读数据。
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7.2.4
注意：
主机发送地址后，系统中的其他器件都将自己的 地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主 器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器 件寻址的器件。
智能仪器课件1.1(2)
12
网络化测试系统主要由两大部分组成：
◆ 组成系统的基本功能单元 (PC 仪器、网络化测量仪器、
网络化传感器、网络化测量模块)； ◆ 连接各基本功能单元的通信网络。用于测试和控制的 网络与以信息共享为目的的信息网不同，前者采用工业 Ethernet，后者采用快速Ethernet。
构建网络化测试系统需考虑的问题：
6
（ 4 ） FPGA ／ CPLD 芯片的电路设计周期很短。软件 包中不但有各种输入工具和仿真工具，而且还有版图设 计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时 间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最 后芯片的制作(物理版图映射)。当电路有少量改动时， 更能显示出FPGA／CPLD的优势。它大大加快了新产品的 试制速度，减少了库存风险与设计错误所带来的危险， 从而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。
ASIC、FPGA/CPLD技术
FPGA/CPLD
FPGA（Field Programmable Gates Array），现场可编 程门阵列，这里的门指的是与或非逻辑电路，其内部结 构为门阵列构成的静态存储器（SRAM）。该SRAM可构成 函数发生器，即查找表，通过查找表可实现逻辑函数功 能。 CPLD（Complex Programmable Logic Device），复杂 可编程逻辑器件，其内部结构为“与或阵列”。该结构 来自于典型的PAL、GAL器件的结构。任意一个组合逻辑 都可以用“与-或”表达式来描述，所以该“与或阵列” 结构能实现大量的组合逻辑功能。
9
FPGA/CPLD的数据处理能力较弱，现在发 展出了嵌入DSP的FPGA,可大大提高数据 处理速度。
10
LabVlEW等图形化软件技术→虚拟仪器
智能仪器原理及设计课件第1、2、6章
第1章 绪论
2. 仪器的性能优越 智能仪器中通过微处理器进行数据存储
和处理，很容易实现多种自动补偿、自动校 正、多次测量平均等技术，使测量精度大大 提高。通过执行适当和巧妙的算法，常常可 以克服或弥补仪器硬件本身的缺陷和弱点， 改善仪器的性能。智能仪器中，对于随机误 差通常用求平均值的方法来克服； 对于系统 误差，则根据误差产生的原因采用适当的方 法处理。
第1章 绪论
我国电磁测量信息处理仪器学会于 1984年正式成立“自动测试与智能仪器 专业学组”，1986年国际测量联合会以 “智能仪器”为主题召开了专门的讨论 会，1988年国际自动控制联合会在其当 年的理事会上正式确定“智能元件及仪 器”为其系列学术委员会之一。
第1章 绪论
此外，1989年5月在我国武汉召开了第一 届测试技术与智能仪器国际学术讨论会。 以后，在国内外的学术会议上，以智能 仪器为内容的研讨已层出不穷。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，它体现为模糊判断、 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 高层次发展。
第1章 绪论
1.3.1独立式智能仪器及GP-IB自动测试系统 独立式智能仪器（简称智能仪器）是自
身带有微处理器和GP-IB接口的能独立进行 测试工作的电子仪器。独立式智能仪器在结 构上自成一体，因而使用灵活方便，并且仪 器的性能可以做得很高。这类仪器在技术上 比较成熟，同时借助于新技术、新器件和新 工艺的不断进步，这类仪器还在不断发展， 不断推陈出新。
第1章 绪论
例如HP3455型数字电压表的实时自动校 正是先进行三次不同方式的测量，然后 由微处理器自动把测量数据代入校准方 程进行计算，以消除由漂移、增益不稳 定所带来的误差。借助于微处理器，不 仅能校正由漂移、增益不稳定等引起的 误差，还能校正由各种传感器、变换器 及电路引起的非线性或频率响应等误差。
智能仪器课件第1章ppt
•举例
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。
注意： 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。
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寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
1.3.2智能仪器的组成
•举例：
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
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寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
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。
标准化程度高、扩展性好。
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寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
2. 各个时期的发展
80年代后期
虚拟仪器（Virtual Instrument）
美国国家仪器（NI）公司提出
虚拟仪器
2、多功能化
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。
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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。
注意： 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。
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寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
1.3.2智能仪器的组成
•举例：
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
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寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
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。
标准化程度高、扩展性好。
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寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
2. 各个时期的发展
80年代后期
虚拟仪器（Virtual Instrument）
美国国家仪器（NI）公司提出
虚拟仪器
2、多功能化
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。
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智能仪器设计基础I正式PPT课件
历程4
20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5
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”。
知识点5
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 整性分析实例
6/24
第6页/共24页
《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
知识点1
D/A的基本原理和信号的直接数字合成
① D/A的基本原理，性能指标； ② DDS的技术原理；
知识点2
输出信号的功率放大技术
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3 智能仪器的人机接口：LCD显示，LED显示，键盘设计
知识点4
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
第11页/共24页
11/24
第一讲 绪论
1.1 智能仪器的重要作用（1）
概念1
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2
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。
《智能仪器》课件
互联网技术
互联网技术的集成使得智能仪器能够实现远程控制、远程监测和数据远程传输，提高工作效率和便捷性。
智能仪器分类
按照应用领域分类
智能仪器可根据应用领域进 行分类，包括科研仪器、工 业仪器、医疗仪器等。
按照测量参数分类
智能仪器可根据测量参数进 行分类，包括温度、压力、 湿度等多个方面的测量。
按照智能程度分类
智能仪器在科研、工业生产、医疗诊断等领域发挥着重要的作用，为人类社会的发展与进 步做出积极贡献。
智能仪器可根据智能程度进 行分类，包括智能化、自动 化和智能化一体化等级别。
智能仪器的优势
1 提高测量度
智能仪器利用先进的传 感技术和数字信号处理 技术，提高了测量的准 确性和精度。
2 提高测量效率
智能仪器通过自动化的 数据采集和处理，大大 提高了测量效率，减少 了人为操作的误差。
3 实现远程监测
结论
智能仪器的优势和挑战
智能仪器在提高测量精度、测量效率和实现远程监测方面具有独特的优势，同时也面临着 复杂的系统集成、数据隐私保护和安全性可靠性等挑战。
智能仪器的未来展望
智能仪器将以人工智能技术的应用为驱动，实现智能化、自动化和智能化一体化的发展趋 势，为各个领域带来更多可能。
智能仪器的重要性和作用
智能仪器的发展历程
智能仪器的发展经历了传 感技术、数字信号处理技 术和互联网技术的逐步融 合与创新。
智能仪器技术
智能传感技术
智能传感技术的发展使得仪器能够感知环境参数并进行数据采集，同时具备自适应、自动校准等功能。
数字信号处理技术
数字信号处理技术的应用使得仪器能够对采集到的信号进行精确处理与分析，提高测量的准确性和可靠 性。
《智能仪器》PPT课件
互联网技术的集成使得智能仪器能够实现远程控制、远程监测和数据远程传输，提高工作效率和便捷性。
智能仪器分类
按照应用领域分类
智能仪器可根据应用领域进 行分类，包括科研仪器、工 业仪器、医疗仪器等。
按照测量参数分类
智能仪器可根据测量参数进 行分类，包括温度、压力、 湿度等多个方面的测量。
按照智能程度分类
智能仪器在科研、工业生产、医疗诊断等领域发挥着重要的作用，为人类社会的发展与进 步做出积极贡献。
智能仪器可根据智能程度进 行分类，包括智能化、自动 化和智能化一体化等级别。
智能仪器的优势
1 提高测量度
智能仪器利用先进的传 感技术和数字信号处理 技术，提高了测量的准 确性和精度。
2 提高测量效率
智能仪器通过自动化的 数据采集和处理，大大 提高了测量效率，减少 了人为操作的误差。
3 实现远程监测
结论
智能仪器的优势和挑战
智能仪器在提高测量精度、测量效率和实现远程监测方面具有独特的优势，同时也面临着 复杂的系统集成、数据隐私保护和安全性可靠性等挑战。
智能仪器的未来展望
智能仪器将以人工智能技术的应用为驱动，实现智能化、自动化和智能化一体化的发展趋 势，为各个领域带来更多可能。
智能仪器的重要性和作用
智能仪器的发展历程
智能仪器的发展经历了传 感技术、数字信号处理技 术和互联网技术的逐步融 合与创新。
智能仪器技术
智能传感技术
智能传感技术的发展使得仪器能够感知环境参数并进行数据采集，同时具备自适应、自动校准等功能。
数字信号处理技术
数字信号处理技术的应用使得仪器能够对采集到的信号进行精确处理与分析，提高测量的准确性和可靠 性。
《智能仪器》PPT课件
智能仪器设计基础I正式ppt
通信协议设计基础
串行通信协议
介绍串行通信协议的基本概念、分类、应用和发展趋势，如UART、SPI、I2C等，以及在 智能仪器设计中的应用和实现。
网络通信协议
介绍网络通信协议的基本概念、分类、应用和发展趋势，如TCP/IP、HTTP、MQTT等， 以及在智能仪器设计中的应用和实现。
自定义通信协议
介绍自定义通信协议的基本概念、分类、应用和发展趋势，以及在智能仪器设计中的设计 和实现。
实例二：湿度传感器设计
总结词
高灵敏度、长期稳定性、抗干扰能力
详细描述
湿度传感器在气象、环保、工业控制等领域应用广泛。在智能仪器设计中，湿度 传感器应具备高灵敏度、长期稳定性和抗干扰能力，以确保准确测量环境湿度。
实例三：压力传感器设计
总结词
高精度、宽测量范围、可靠性、稳定性
详细描述
压力传感器在航空航天、石油化工、工业控制等领域具有重要应用。在智能 仪器设计中，压力传感器应具备高精度、宽测量范围、可靠性和稳定性等特 点，以满足不同行业的测量需求。
智能仪器设计基础i
xx年xx月xx日
目 录
• 智能仪器概述 • 智能仪器设计基础 • 智能仪器核心模块 • 智能仪器设计实例 • 智能仪器设计挑战与解决方案 • 总结与展望
01
智能仪器概述
智能仪器的定义
智能仪器是一种基于微处理器和传感器技术的自动化测量设 备。
它能够实现数据采集、处理、显示和存储等功能，具有自动 化程度高、测量准确度高、功能多样化等特点。
02
智能仪器设计基础
硬件设计基础
1 2
集成电路
介绍集成电路的基本概念、分类、应用和发展 趋势，以及在智能仪器设计中的重要性。
智能仪器第1章 绪论(分析“仪器”文档)共35张PPT
2 智能仪器: 测控微处理器的应用 乔治 . C . 巴尼 3 ASIC (专用集成电路)
这种局面一旦形成，将使电子产品的结构更加紧凑，性能更加良好，保密性更强。 1 测量过程的软件控制 3 第三代--智能仪器 (1) 仪器既可以单独使用又可组成系统，仪器之间仅用专用导线互连，方便、灵活、费用低。 3 ASIC (专用集成电路) 当功能的增加，使其硬件的结构越来越复杂，给其进一步的发展带来造成很大的困难。
作环境. 3. (4) 按32位机设计，信息吞吐量高，可达40MB/s，比GP-IB快40倍。
4 PXI 模块和其他标准模块的连接
独立仪器
MXI-3
PXI 系统
VXI or VME
GPIB
MXI
和PCI模块的连接 bus
模块
5 硬件
第一章 绪论
1.5 虚拟仪器
2 传统仪器和虚拟仪器的对比
传统仪器
4 测试测量仪器的分类
几何参量：长度，角度，相对位置，位移和距离测量仪器等。 机械参数：力，硬度，加速度，速度，转矩和振动测量仪器等。
过程参数：温度、压力、湿度和流量测量仪器等。
光学参数：光度测量器、分光光度计、色度、激光参数的测量仪器及光学传递
函数的测量仪器等。
辐射检测： X γ射线和中子测量仪。 时频参数：定时器和时钟，铯钟和时频测量仪器。 电磁参数：AC、DC电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率 以及cosφ测
智能仪器设计基础
第一章 绪论
1.1 智能仪器的发展状况
1 智能仪器的定义 1.1 仪器仪表
仪器仪表是用于获取信息，来认知外部世界的系统或设备。
1.2 智能仪器
智能仪器是含有微计算机或微处理器的测量仪器。由于它拥有对数据的存储、运算、 逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能作用，因而被称为智能仪器。
这种局面一旦形成，将使电子产品的结构更加紧凑，性能更加良好，保密性更强。 1 测量过程的软件控制 3 第三代--智能仪器 (1) 仪器既可以单独使用又可组成系统，仪器之间仅用专用导线互连，方便、灵活、费用低。 3 ASIC (专用集成电路) 当功能的增加，使其硬件的结构越来越复杂，给其进一步的发展带来造成很大的困难。
作环境. 3. (4) 按32位机设计，信息吞吐量高，可达40MB/s，比GP-IB快40倍。
4 PXI 模块和其他标准模块的连接
独立仪器
MXI-3
PXI 系统
VXI or VME
GPIB
MXI
和PCI模块的连接 bus
模块
5 硬件
第一章 绪论
1.5 虚拟仪器
2 传统仪器和虚拟仪器的对比
传统仪器
4 测试测量仪器的分类
几何参量：长度，角度，相对位置，位移和距离测量仪器等。 机械参数：力，硬度，加速度，速度，转矩和振动测量仪器等。
过程参数：温度、压力、湿度和流量测量仪器等。
光学参数：光度测量器、分光光度计、色度、激光参数的测量仪器及光学传递
函数的测量仪器等。
辐射检测： X γ射线和中子测量仪。 时频参数：定时器和时钟，铯钟和时频测量仪器。 电磁参数：AC、DC电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率 以及cosφ测
智能仪器设计基础
第一章 绪论
1.1 智能仪器的发展状况
1 智能仪器的定义 1.1 仪器仪表
仪器仪表是用于获取信息，来认知外部世界的系统或设备。
1.2 智能仪器
智能仪器是含有微计算机或微处理器的测量仪器。由于它拥有对数据的存储、运算、 逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能作用，因而被称为智能仪器。
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2020/10/26
1.4 智能仪器发展趋势
（1）微型化 （2）多功能化 （3）人工智能化 （4）网络化
2020/10/26
本章结束
南京理工大学电光学院
2020/10/26
此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
2020/10/26
虚拟示波器
2020/10/26
3. 智能仪器的主要特点
◆测量过程的软件控制：
CPU→ 软件控制测量过程 “以软代硬” →灵活性强、可靠性强
◆数据处理 ：
随机误差、系统误差、非线性校准等处理→改 善测量的精确度
数字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、相 位谱、功率谱等信号分析→提供更多高质量的信息量
仪器仪表是信息获取的工具、是认识世界的手段，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。
仪器仪表种类繁多，如测量仪器，分析仪器，生物医 疗仪器，地球探测仪器，天文仪器，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。
卡式仪器的硬件结构
计算机
仪器卡
缺少仪器面板
2020/10/26
——
建立软面板
个人计算机 总线扩展槽
PC总线
仪仪
器器
电 源
插 插…
件件
1
2
软件
仪通 器用 插接 件口
n
扩展底板或外部插件箱
GPIB总线
2020/10/26
个人仪器结构图
普通台式PCI
个人仪器结构图
2020/10/26
工控机PCI 笔记本PCI
• 虚拟仪器：虚拟仪器是指，在以通用计算机 为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义， 具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件 来实现的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的特点： • 软件是虚拟仪器的核心； • 虚拟仪器的性价比高； • 具有良好的人机界面； • 具有与其它设备互联的能力。
2020/10/26
初级智能仪器类
趋
高级 智能
势
人工智能
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
202聪0/1敏0/2仪6 器类
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 微机芯片与仪器 有机地结合在一 起形成的单机。
以个人计算机(PC)为核 心的应用扩展型测量仪 器。个人计算机仪器或 称微机卡式仪器。
《智能仪器》课件1
2020/10/26
教学参考书
张重雄.虚拟仪器技术分析与设计
电子工业出版社
2020/10/26
第1 章
概述
2020/10/26
第1章 智能仪器概述
• 教学重点
• 智能仪器的组成结构 • 智能仪器的主要特点 • 智能仪器的发展趋势
2020/10/26
1.1 仪器仪表概述
1. 仪器仪表定义、作用、行业分类
测
I/O接口
试
部 A/D 分 转换器
D/A 转换器
被测量 输入 电路
模拟 执行器
2020/10/26
键盘显示接口
键盘
显示
计算机部分
标准仪用 通讯接口
外部仪用 标准总线
卡式仪器将智能仪器 中的测量部分配以相应的 接口，制成各种功能的仪 器卡，插入到PC机的扩展 槽中，而原智能仪器中的 微机系统、键盘、显示器、 存贮器、电源等均借助于 PC机的资源而构成的。
2020/10/26
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仪表 • 第三代就是智能式仪器仪表
2020/10/26
2.仪器仪表的重要性
1）仪器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节、 仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一；
2）先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前 提，也是创新研究的主体内容之一和创新成就的重要 体现形式，科学仪器的创新是知识创新与技术创新的 组成部分；
2020/10/26
1.2 智能仪器的基本概念
• 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。
2020/10/26
1. 智能仪器分类
智能仪器四个层次
高级智源头技术。
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”
2020/10/26
• 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”
•科学仪器是信息的源头 •科学仪器产业是信息产业
◆多功能化 ：一机多用
2020/10/26
1.3 推动智能仪器发展的主要技术
1）传感器技术； 2）A/D等新器件的发展将显著增强仪器的
功能与测量范围； 3）单片机与DSP的广泛应用； 4）嵌入式系统与片上系统SOC的应用； 5）ASIC、FPGA／CPLD技术； 6）LabVlEW等图形化软件技术； 7）网络与通信技术。
2020/10/26
传感器
非 电 量
输出通道 单片机或
D/A A/D
DSP RAM、
EPROM I/O接口
电 输入通道 量
键盘、开关、 显示器
外部通信
RS232 USB
打印机
内嵌微处理器智能仪器的基本结构
2020/10/26
智能仪器
微处理器 MPU
卡式仪器的演变
程序存储器 (ROM)
数据存储器 (RAM)
1.4 智能仪器发展趋势
（1）微型化 （2）多功能化 （3）人工智能化 （4）网络化
2020/10/26
本章结束
南京理工大学电光学院
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虚拟示波器
2020/10/26
3. 智能仪器的主要特点
◆测量过程的软件控制：
CPU→ 软件控制测量过程 “以软代硬” →灵活性强、可靠性强
◆数据处理 ：
随机误差、系统误差、非线性校准等处理→改 善测量的精确度
数字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、相 位谱、功率谱等信号分析→提供更多高质量的信息量
仪器仪表是信息获取的工具、是认识世界的手段，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。
仪器仪表种类繁多，如测量仪器，分析仪器，生物医 疗仪器，地球探测仪器，天文仪器，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。
卡式仪器的硬件结构
计算机
仪器卡
缺少仪器面板
2020/10/26
——
建立软面板
个人计算机 总线扩展槽
PC总线
仪仪
器器
电 源
插 插…
件件
1
2
软件
仪通 器用 插接 件口
n
扩展底板或外部插件箱
GPIB总线
2020/10/26
个人仪器结构图
普通台式PCI
个人仪器结构图
2020/10/26
工控机PCI 笔记本PCI
• 虚拟仪器：虚拟仪器是指，在以通用计算机 为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义， 具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件 来实现的一种计算机仪器系统。
虚拟仪器的特点： • 软件是虚拟仪器的核心； • 虚拟仪器的性价比高； • 具有良好的人机界面； • 具有与其它设备互联的能力。
2020/10/26
初级智能仪器类
趋
高级 智能
势
人工智能
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
202聪0/1敏0/2仪6 器类
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 微机芯片与仪器 有机地结合在一 起形成的单机。
以个人计算机(PC)为核 心的应用扩展型测量仪 器。个人计算机仪器或 称微机卡式仪器。
《智能仪器》课件1
2020/10/26
教学参考书
张重雄.虚拟仪器技术分析与设计
电子工业出版社
2020/10/26
第1 章
概述
2020/10/26
第1章 智能仪器概述
• 教学重点
• 智能仪器的组成结构 • 智能仪器的主要特点 • 智能仪器的发展趋势
2020/10/26
1.1 仪器仪表概述
1. 仪器仪表定义、作用、行业分类
测
I/O接口
试
部 A/D 分 转换器
D/A 转换器
被测量 输入 电路
模拟 执行器
2020/10/26
键盘显示接口
键盘
显示
计算机部分
标准仪用 通讯接口
外部仪用 标准总线
卡式仪器将智能仪器 中的测量部分配以相应的 接口，制成各种功能的仪 器卡，插入到PC机的扩展 槽中，而原智能仪器中的 微机系统、键盘、显示器、 存贮器、电源等均借助于 PC机的资源而构成的。
2020/10/26
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仪表 • 第三代就是智能式仪器仪表
2020/10/26
2.仪器仪表的重要性
1）仪器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节、 仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一；
2）先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前 提，也是创新研究的主体内容之一和创新成就的重要 体现形式，科学仪器的创新是知识创新与技术创新的 组成部分；
2020/10/26
1.2 智能仪器的基本概念
• 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。
2020/10/26
1. 智能仪器分类
智能仪器四个层次
高级智源头技术。
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”
2020/10/26
• 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”
•科学仪器是信息的源头 •科学仪器产业是信息产业
◆多功能化 ：一机多用
2020/10/26
1.3 推动智能仪器发展的主要技术
1）传感器技术； 2）A/D等新器件的发展将显著增强仪器的
功能与测量范围； 3）单片机与DSP的广泛应用； 4）嵌入式系统与片上系统SOC的应用； 5）ASIC、FPGA／CPLD技术； 6）LabVlEW等图形化软件技术； 7）网络与通信技术。
2020/10/26
传感器
非 电 量
输出通道 单片机或
D/A A/D
DSP RAM、
EPROM I/O接口
电 输入通道 量
键盘、开关、 显示器
外部通信
RS232 USB
打印机
内嵌微处理器智能仪器的基本结构
2020/10/26
智能仪器
微处理器 MPU
卡式仪器的演变
程序存储器 (ROM)
数据存储器 (RAM)