数据采集和智能仪器.ppt

,任课教师： 办公地点： 电 话： 电邮：,数据采集与智能仪器,课程简介,数据采集与智能仪器,参考教材： 智能仪器 程德福 林君 机械工业出版社 2. 智能仪器设计基础 赵新民 哈尔滨工业大学出版社 3. 智能仪器原理与设计 周航慈 等 北京航天航空大学出版社,课程内容,课程实验,实验一 电子时钟 LCD 驱动，按键处理等人机对话,实验二 心电波形数据采集 以51单片机为控制核心，设计调试放大电路、滤波电路及AD转换电路，掌握基于单片机的智能仪器设计,实验四 基于labview的虚拟仪器 通过设计任意波形发生器，掌握基于PC机的智能仪器设计,实验五 基于labview的虚拟仪器 通过设计温度测量仪器，掌握基于PC机的智能仪器设计,实验三 等精度法数字频率计的设计,考核方法： 1.平时的课程实验设计报告50% 2.期终测试50%,第一章 绪 论,一.仪器仪表定义、作用、行业分类,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。,第一章 绪 论,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,仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装置。,从测量对象分为八类测试计量仪器 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、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。,1.三代仪器仪表： 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,二、从传统仪器仪表到智能仪器,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) 。,智能仪器的概念与历史,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。,三.智能仪器的基本结构,1.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。,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。,铁矿石分析仪,炉温测试仪,心电信号采集,个人仪器结构图,PC 机,USB 设备,新型个人仪器结构图,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,视频采集卡,逻辑分析仪,虚拟示波器,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 很强的数据处理能力 ： 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(多功能数字库仑计),2.智能仪器的特点,四、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ARM与片上系统(SOC) ASIC、FPGACPLD技术 LabVlEW等图形化软件技术 网络与通信技术,汽车导航仪,便携式心电监护仪,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),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”。,聋哑传感器,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，产生了具有存储、判断和信息处理的功能智能传感器。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。,智能传感器,智能传感器的典型简介 目前已投人使用的微电脑型智能传感器-多路光谱分析传感器。这种传感器采用硅CCD（电荷耦合器件）二元阵列作摄像仪，结合光学系统和微处理器共同构成一个不可分割的整体，其结构如图129所示。它可以装在人造卫星上对地面进行多路光谱分析。测量获得的数据直接由CPU进行分析和统计处理，然后输送出有关地质、气象等各种情报。,应用微电脑控制技术，可即时检测出当前骑行速度，并根据骑行速度不断发出调整控制指令，最大限度节约电池能量，提高一次充电续行里程。,电动自行车链轮智能传感器,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，IEEEl4512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。,网络传感器,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。,美国Z-World公司RCM2200 微控制器核心模块,Ambient ID发布了超高频UFH Gen 2 RFID系统的解决方案，这个方案用来跟踪那些从医院到化验室里进行诊断测试的标本瓶，标本瓶里盛有人体组织或血液，这个方案可以实时地提供标本瓶的位置。,农业生态环境监测实例结构图 一个典型的系统通常由环境监测节点、基站、通信系统、互联网以及监控软硬件系统构成。如图所示，根据需要，人们可以在待测区域安放不同功能的传感器并组成网络，长期大面积地监测微小的气候变化，包括温度、湿度、风力、大气、降雨量，收集有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤PH值等,2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园,ZigBee无线网络,Zigbee风能无线网络监测系统,Zigbee智能居室无线网络监测系统,AD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。 AD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。,2、A/D等新器件增强仪器的功能与测量范围,高速器件为用于高效、多载波无线基站收发器应用而优化，高采样率允许设计师捕获更宽的通道带宽，从而将一般以65Msps速率采样的现有系统容量提高了一倍。,MSP430内部结构图：运放、AD、比较器等电路与微处理器集成在一块,3.单片机、DSP处理器广泛应用,单片机:8031、8051、89C51、MSP430、AVR,TMS320系列等高速单片数字信号处理器(DSPDigital 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。,利用msp430研制的心电信号记录仪， 特点：极低功耗，具有硬件乘法累加器，可对信号做滤波、统计分析,运动控制卡的电路设计,TMS320F2812,许多公司还采用了数字模拟混合集成技术，将AD、DA、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。,51系列单片机的时钟频率目前可以提高至80MHz，提升到40 MIPS。集成片上Flash存储器高达64K，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)。,4、嵌入式系统 （ARM）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。, 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移植了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。,ARM（Advanced RISC Machines） 高级RISC微处理器,ARM既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的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，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，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。,此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统（Real Time Operating System）供应商的支持，比较知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS、BeOS等,新发布的iPhone 3GS手机中所用的处理器是采用了65纳米工艺的ARM Contex A8单核处理器,采用了三星公司生产的S3C2440M这款ARM9核心的处理器,索尼公司计划在其下一代PSP2游戏机中采用双核ARM Cortex处理器, 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。,Broadcom 公司的BCM7405是高性能高清晰度（HD）卫星电视、有线电视和IP机顶盒（STB）DVR片上系统解决方案。它包括有快速1000-DMIPS IPS32/MIPS16e级的CPU，高速图像处理，一个非常灵活的数据传输处理器，一个和MPEG-4/VC-1/MPEG-2兼容的视频译码器，一个可编程音频译码器，六个视频DAC以及立体声高保真音频DAC，两个快速以太网端口，一个集成的PHY，三个USB 2.0，一个PCI 2.3/Expansion 总线，高速400MHz DDR2存储器控制器以及能提供各种STB控制功能的外设控制器,5、ASIC、FPGACPLD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。,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) FPGACPLD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。,FPGA,（1）FPGACPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。,应用FPGACPLD的优点,（2）FPGACPLD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） FPGACPLD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。,（4）FPGACPLD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FPGACPLD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FPGACPLD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，FPGACPLD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。FPGACPLD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。,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LabVlEWl0，2003年发展到Labview70，推动虚拟仪器技术的发展（最新版labview2009）。 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。 LabVlEW就是利用通用的