智能仪器 概述

4、ASIC、FPGA／CPLD技术
ASIC (Application Specific Integrated
Circuits ，专用集成电路 ) 无论在价格、集成
度，还是在产量、产值方面均取得了飞速发
展。因此，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
设计成专用集成电路而使智能仪器的结构更
传感器， A/D， 单片机和PC，DSP FPGA/CPLD，软件，网络与通信
四、智能仪器的发展趋势
一 、从传统仪器到智能仪器
1.仪器仪表定义、作用、行业分类
定义：仪器仪表是信息获取的工具、是认识世 界的工具，是一个系统或装置。 作用：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。 按应用分类：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。
智能传感器和网络化传感器的飞速发展可大大 提高信号检测能力，进而推动智能仪器总体性 能的提高。
2、A/D等新器件增强仪器的功能与测量范围
A／D芯片是现代科学仪器不可缺少的核心部件 之一，它的速度的提高是实现高速数据采集的 关键。在向高速，低功耗、高分辨率、高性能 的方向发展。
A／D等电路与微处理器集成在一块(称为混合 电路) 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
NI的DAQ及VXI产品示例
DAQ是英文Data Acquisition （数据采集） VXI总线
虚拟数字示波器的软面板
4、智能仪器的概念与历史
概念:智能仪器是微电子技术、网络技术和计算机及
软件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) 。也可以理 解为传统仪器仪表的智能化、数字化发展。

ARM开发的RISC处理器。而现在我们把这 一类的处理器称为ARM。ARM 微处理器 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信 系统、网络系统、无线系统等各类产品市 场，基于ARM技术的微处理器应用约占据 了32位RISC微处理器75%以上的市场份额， ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个 方面。

注意！！！！

以上八类测试计量仪器尽管测试对象 不同，但有共同的测试理论，而且测 量的数字化、测量过程的自动化、数 据处理的程序化等共性技术都成为现 代仪器设计的主要内容。
3、四代仪器仪表


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

第四代
虚拟仪器
紧凑，性能更优良，保密性更强。
FPGA(Field Programmable Gates Array，现场 可编程门阵列) CPLD(Complex Programmable Logic Device， 复杂可编程逻辑器件) FPGA／CPLD的规模比较大，适合于时序、组 合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至 上百块通用IC芯片。 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。
二 、智能仪器的分类、基本结构与特点 1、智能仪器的分类(按智能化程度分)：
聪敏（Smart）仪器 ：以电子、传感、测量为基础
初级智能仪器：除电子、传感、测量技术外，还应用了
计算机及信号处理技术
模型化仪器：在初级智能仪器基础上应用建模技术和方法 高级智能仪器：人工智能的应用
智能仪器的4个层次
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”
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” 现代仪器仪表的发展水平是国家科技水平 和综合国家力的重要体现，仪器仪表的制 造水平反映出国家的文明程度。
章节内容
数据采集技术 人机对话与数据通信 智能仪器的基本数据处理算法 软件设计
第六章
第七章 第八章 第九章
可靠性与抗干扰技术
可测试性技术 设计实例 智能仪器的新发展
第一章
概述
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
2种结构、3个特点
三、 推动智能仪器发展的主要技术
高级智能 模型化智能 初级智能 兼 容
智能 人工智能
系统辨识、模式 识别
高级
趋 势
计算机、信号处理 电子、传感、测量
聪敏
传感类
2、智能仪器的基本结构
其结构可有两种基本类型:
●
微机内置式
●
微机扩展式
微机内嵌式智能仪器 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。
个人计算机仪器
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 (PCI)或称微机卡式仪器。
参 考 书：
赵新民主编. 智能仪器设计基础，哈尔滨工业大学出版社
赵茂泰. 智能仪器原理及应用，电子工业出版社 宋万杰等. CPLD技术及其应用，西安电子科技大学出版社
学时分配：
本课程共32学时
成绩的考察方法及评定标准：
总评成绩以百分制计算，平时成绩占30%， 期末考试成绩占70%
教学内容：
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 概述
输出通道 D/A 传 感 器 非 电 量 A/D
外部通信
电 输入通道 量 键盘、开关 、显示器
板
单片机 或DSP RAM、 EPROM I/O接口
RS232 USB
打印机
内嵌微处理器智能仪器的基本结构
计算机 总线扩展槽 PC总线
电 源 插 插 件 件 2
2 1
软件
插 接 … 件 口
通
底板或外部插件箱
三、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、 DSP的广泛应用 4. ASIC、FPGA／CPLD技术 5. LabVlEW等图形化软件技术 6. 网络与通信技术
1、传感器技术
为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感 器不断涌现。 聋哑传感器(Dumb Sensor) 智能传感器(Smart Sensor) 网络化传感器(Networked Sensor)
基于USB总线的数据采集卡
基于PCI总线的数据采集卡
NI的PCI-GPIB卡
操 作 系 统 ： DOS, Windows2000/9x/NT 最大I/0速度：
1.5 Mbytes/s （IEEE488.1)
7.7 Mbytes/s
(HS488)
尺寸：133x107 mm
GPIB（General-Purpose Interface Bus）-通用接口总线
微机扩展式智能仪器结构图
1
n
n
GPIB\VXI等
微机扩展式智能仪器的结构图
工控机PCI 普通台式PCI
个人仪器结构图
笔记本PCI
3、智能仪器的特点
◆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 ：
Hale Waihona Puke Baidu
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 ◆多功能化 ：一机多用 如智能化电力需求分析仪
智能仪器设计
Design of Intelligent Instrumentation
主讲教师：赵凤强(机电
B416）
E-mail： fqzhao2002@yahoo.com.cn
课程类型：专业教育课程 必修 先修课程：数字电子技术、模拟电子技术、
单片机原理及接口技术
使用教材：
程德福 林君. 智能仪器，机械工业出版社

ARM还可以理解为是一种技术，ARM公司 是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的 公司，作为知识产权供应商，本身不直接 从事芯片生产，世界各大半导体生产商从 ARM公司购买其设计的ARM微处理器核， 根据各自不同的应用领域，加入适当的外 围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯 片进入市场。目前，全世界有几十家大的 半导体公司都使用ARM公司的授权，因此 既使得ARM技术获得更多的第三方工具、 制造、软件的支持，又使整个系统成本降 低，使产品更容易进入市场被消费者所接 受，更具有竞争力。
网络传感器
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中时，就产生子网络传感器； IEEEl451.2 工作组建立了智能传感器接口模块 (STIM) 标准，描述了传感器网络适配器或微处理器之间的硬 件和软件接口，是 IEEEl451 网络传感器标准的重要组 成部分，使传感器能与各种网络连接。
2、八类测试计量仪器

按测量的物理量不同分类：

几何量：长度、角度、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。 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 电子参数：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。
http://www.zjetime.com/know_info.asp?id=112
聋哑传感器
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。这
类传感器的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而
被称为“聋哑传感器”。
智能传感器
微电子技术、光电子技术使加工工艺逐步成熟，新型材料 尤其是计算机技术的渗入，使微处理器和传感器得以结合， 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。传感技术的一次革命， 对传感器的发展产生了深远的影响。
智能仪器＝仪器科学＋计算机科学
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、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。 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。
5、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”
应用FPGA／CPLD的优点
（ 1） FPGA ／ CPLD 芯片的规模也越来越大，其 单片逻辑门数已达到数十万门，它所能实现的功能 也越来越强，同时也可以实现系统集成。 （2）FPGA／CPLD芯片在出厂之前都做过百分 之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用， 设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软 硬件环境来完成芯片的最终功能指定。研制开发费用 相对较低。 （3） FPGA／CPLD芯片和EPROM配合使用时， 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不 动的情况就可实现不同的功能。
3.单片机、DSP处理器广泛应用
单片机:8031、8051、89C51 TMS—320系列等高速单片数字信号处理器 (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。
什么是ARM？

ARM (Advanced RISC Machines)，是英国 一家电子公司的名字，该公司成立于1990 年11月，是苹果电脑，Acorn电脑集团和 VLSI Technology的合资企业。Acorn曾在 1985年推出世界上首个商用单芯片RISC （Reduced Instruction Set Computing）处 理器。ARM主要出售芯片设计技术的授权。
（ 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。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。