课程简介

1. 课程简介 课程名称： 智能仪器 英文名称：Intelligent Instrument 课程性质： 专业课 学 时：48学时（讲授：32，实验16） 学 分： 3 适用对象：测控技术与仪器专业(必修) 电气工程及其自动化 (选修)

2. 教 材：智能仪器,课程组编著 机械工业出版社，（2005年2月） 智能仪器课程 智能仪器→计算机化仪器

3. 第一章 概述 • 仪器仪表概述 • 智能仪器的分类、基本结构与特点 • 推动智能仪器发展的主要技术 • 第二章 数据采集技术 • 数据采集系统的组成结构 • 模拟信号调理 • A/D转换器及接口技术 • 数据采集系统设计及举例 • 数据采集系统的误差分析

4. 第三章 人机对话与数据通信） • 键盘、LCD显示器、光柱显示、触摸屏 • 标准串行总线数据通信 • USB通用串行总线及应用 • PTR2000无线数据通信 • 第四章 基本数据处理算法 • 克服随机误差的数字滤波算法 • 消除系统误差的软件算法 • 标度变换

5. 第五章 智能仪器软件设计方法 • 软件概述 • 软件开发模型与设计方法 • 基于裸机的软件设计方法 • 基于嵌入式操作系统的软件设计方法 • 软件测试方法 • 第六章 可靠性与抗干扰技术 • 可靠性概述 • 可靠性设计 • 智能仪器干扰源分析 • 抑制电磁干扰的主要技术及应用

6. 第七章 智能仪器可测试性设计 • 可测试性概述 • 固有测试性设计 • 机内测试技术 • 设计实例 • 第八章 智能仪器的设计实例 • 智能仪器的设计原则及研制步骤 • 固体密度测试仪的研制 • 基于TMS320VC5402的地下管道漏水检测仪设计 • 第九章 智能仪器的新发展 • 虚拟仪器 网络化仪器 每章都附有思考题和习题

7. 虚拟化、网络化仪器 集成设计基本型智能仪器 设计原则步骤与实例 可测试性技术 可靠性与抗干扰技术 人机接口与通信 数据处理 软件设计方法 数据采集技术 智能仪器课程框架

8. 上课教室改为201

9. 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

10. 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。

11. 同学在学习和生活中，接触、使用或了解哪些仪器仪表？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。 ▲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。

12. ★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:

13. 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

14. 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) 。 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”。

15. 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。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。 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。

16. 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”

17. 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

18. 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”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”

19. 英国著名科学家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）

20. 美国能源部杰出科学家R. F. Hirsch博士在最近一篇获奖演说中指出：“由新工具开创的科学新方向远比由新概念开创的科学新方向要多。由概念驱动的革命影响是用新概念去阐明旧事物。而由工具驱动的革命影响是去发现需要阐明的新事物”

21. 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 趋势 兼容 高级 人工智能 模型化智能仪器类 系统辨识、模式识别 初级智能仪器类 初级智能 计算机、信号处理 聪敏 电子、传感、测量 聪敏仪器类

22. 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 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。其形态可以是计算机。 将单片或多片的微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成的单机，其形态是仪器。

23. 输出通道 外部通信 RS232 USB MCU RAM、 EPROM I/O接口 D/A 传感器 A/D 打印机 非电量 输入通道 电量 板 （键盘、开关、显示器 内嵌微处理器智能仪器的基本结构

25. 个人计算机 总线扩展槽 软件 PC总线 仪器插件 仪器插件 仪器插件 通用接口 … 电源 n 1 2 扩展底板或外部插件箱 GPIB总线 个人仪器结构图 PC 机 USB 设备

26. 工控机PCI 普通台式PCI 个人仪器结构图 微机扩展式 笔记本PCI

28. 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 ◆多功能化 ：一机多用(智能化电力需求分析仪)

29. 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

30. 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)

31. 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”。

32. 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。

33. 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。 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。

34. 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。

35. 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、FFF、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。

36. 51系列单片机的时钟频率目前可以提高至33—40MHz，提升到20 MIPS。集成片上Flash存储器，集成密度高并实现了ISP(在系统烧录程序)和IAP(在应用烧录程序)。 例如Philips公司P89C51RC2／RD2 、32KB／64KBFlash存储器，8KB容量的RAM。 瑞典Xemic公司生产的XE8301，其工作电压的范围为1.2—5.5V，1 MIPS时电流为200μA，暂停模式下仅需要1μA电流维持时钟的运行。 许多公司还采用了数字—模拟混合集成技术，将A／D、D／A、锁相环以及USB、CAN总线接口等都集成到单片机中，大大地减少片外附加器件的数目，进一步提高了系统的可靠性。

37. 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。

38. ●嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮。1976年8048微控制器的问世和1980年MCS-5l微控制器的问世，推动了第一次嵌入式系统发展的浪潮。●嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮。1976年8048微控制器的问世和1980年MCS-5l微控制器的问世，推动了第一次嵌入式系统发展的浪潮。 ● 经过20世纪90年代PC机技术大发展的孕育，又迅速掀起了第二次嵌入式系统发展的浪潮。这次嵌入式系统的明显特点是肢解了PC机最新两项成熟技术：互联网和多媒体。 为了满足互联网和多媒体嵌入式设备的高速性和实时编解码的复杂技术需要，支持嵌入式网络设备、移动通信设备、多媒体设备的开发，第二次嵌入式系统的主力器件已让位于32位的DSP-RISC双核结构的微处理器。很显然，这类微处理器也为智能仪器网络化和智能化的进一步扩展提供了坚实的基础。 ●嵌入式系统的深入发展将使智能仪器的设计提升到一个新的阶段，尤其是能运行操作系统的嵌入式系统平台，由于它具备多任务、网络支持、图形窗口、文件和目标管理等功能，并具有大量的应用程序接口(API)，将会使研制复杂智能仪器变得容易。

39. ●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。●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。 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。

40. 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。

41. 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。 比较典型的有Xilinx公司的FPGA器件系列 Altera公司的CPLD器件系列。

42. 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。 （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。

43. （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。 （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。

44. 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。 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。

45. 7、网络与通信技术 随着网络技术、通信技术的高速发展与广泛应用，网络化测试技术受到广泛关注，这必将对网络时代的测试仪器和测试技术产生革命性变化。表现在两个方面： ★智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等； ★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。

46. 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： ◇系统要具有开放性和互操作性； ◇系统的实时性和时间的确定性； ◇系统的成本尽可能低，通用性好； ◇基本功能单元必须是智能化的，带有本地微理 器和存储器，具有网络化接口。

47. 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FPGA／CPLD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？