智能仪器第一章课件.ppt

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。
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)
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”。
NI （ National Instruments ） 公 司 1986 年 设 计 的 LabVlEWl．0，2003年发展到Labview7．0，推动虚拟仪器 技术的发展。
图形化编程语言建立的虚拟仪器面板，完成对仪器的 控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。
虚拟仪器系统由用户定义；仪器硬件模块化；可重用 和重新配置；系统功能、规模可通过修改软件、更换仪器 硬件而增减；技术更新速度快(1—2年)，开发维护费用低。
（5）电路设计人员使用FPGA／CPLD进行电路设计时，不需 要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识，FPGA／CPLD软件易 学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。FPGA／ CPLD适合于正向设计(从电路原理图到芯片级的设计)，对知识 产权的保护也非常有利。
网络传感器
网络通信技术逐步走向成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、低功耗、 低成本、微体积的网络接口芯片被开发出来，微电子机械加工技术,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，就产生了网络传感器； 为解决现场总线的多样性问题，IEEEl451．2工作组建立了智能传感器接 口模块(STIM)标准，该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，为使传 感器能与各种网络连接提供了条件和方便。
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
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) 。
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
计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系统(简称 嵌入式系统)。而嵌入式系统则是指把微处理器、单片机 (微控制器)、DSP芯片等作为“控制与处理部件”，虽然嵌 入式系统的核心是计算机，但它是以某种设备的形式出现 的，其外观不再具备计算机的形态。很显然，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智能地体现 仪器设备的功能。
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信号采集的关键。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。
比较典型的有Xilinx公司的FPGA器件系列 Altera公司的CPLD器件系列。
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 片的功能设定。研制开发费用相对较低。
同学在学习和生活中，接触、使用或 了解哪些仪器仪表？
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。
智能仪器
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章
概述 数据采集技术 人机对话与数据通信 基本数据处理算法 智能仪器软件设计方法
第六章 第七章 第八章 第九章
可靠性与抗干扰技术 智能仪器可测试性设计 智能仪器的设计实例 智能仪器的新发展
9虚拟化、网络化仪器 9集成设计基本型智能仪器
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、对仪器仪表源自文库要性的认识
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
GPIB总线
PC 机
USB 设备
普通台式PCI
个人仪器结构图
微机扩展式
工控机PCI 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 ：
数字滤波、随机误差、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
算机。
传感器
非 电 量
输出通道 D/A A/D
MCU RAM、
EPROM I/O接口
电 输入通道 量
板
（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
个人仪器结构图
个人计算机 总线扩展槽
软件
PC总线
仪
仪 器
仪
通
器
用
器插
插接
电
插 件… 件 口
源
件
1
2
n
扩展底板或外部插件箱
智能传感器
微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工 艺逐步成熟，新型敏感材料不断被开发出来。在高新 技术的渗透下，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入， 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。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。
在SOC设计中，设计者面对的不再是电路芯片，而是根据所设计系 统的固件特性和功能要求，选择相应的单片机CPU内核和成熟优化的 IP内核模块，这样就基本上消除了器件信息障碍，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。
5、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紧凑，性能更优良，保密 性更强。
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，使智能仪器的功能向 更高的层次发展。
◆多功能化 ：一机多用(智能化电力需求分析仪)
三、推动智能仪器发展的主要技术
➢ 传感器技术 ➢ A/D等新器件的发展将显著增强仪器的
性能与测量范围 ➢ 单片机与DSP的广泛应用 ➢ 嵌入式系统与片上系统(SOC) ➢ ASIC、FPGA／CPLD技术 ➢ LabVlEW等图形化软件技术 ➢ 网络与通信技术
一、从传统仪器仪表到智能仪器
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。
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。
8设计原则步骤与实例
7可测试性技术
6可靠性与抗干扰技术
2数据采集技术 3人机接口与通信
4数据处理
智能仪器课程框架
5软件设计方法
第一章 绪 论
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
（3） FPGA／CPLD芯片和EPROM(Flash存储器)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 况下用不同的EPROM(Flash存储器)就可实现不同的功能。
6、LabVlEW等图形化软件技术→虚拟仪器
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。
3.单片机、DSP处理器广泛应用
单片机:8031、8051、89C51、MSP430、 AVR、 ARM
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。
● 片上系统(SOC)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。
SOC的核心思想就是要把整个应用电子系统(除／无法集成的电路) 全部集成在一个芯片中，避免了大量PCB板的设计及板级调试工作； SOC是以功能IP(Intellectual Property)为基础的系统固件和电路 综合技术。
二 、智能仪器的分类、基本结构与特点
1.分类
智能仪器四个层次
高级智能仪器类 模型化智能仪器类
初级智能仪器类
聪敏仪器类
兼
趋
容
高级
人工智能
势
系统辨识、模式识别 初级智能
计算机、信号处理
电子、传聪感敏 、测量
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 以个人计算机(PC)为核心的 理器与传统仪器有机 应用扩展型测量仪器。个人 地结合在一起形成的 计算机仪器(PCI)或称微机 单机,其形态是仪器。 卡式仪器。其形态可以是计
▲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
★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:
（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。