智能仪器 第1章 绪论

1、第一章第一章 绪论绪论 1 电子仪器仪表的发展历史电子仪器仪表的发展历史 2 智能仪器的定义和特点智能仪器的定义和特点 3 推动智能仪器发展的主要技术推动智能仪器发展的主要技术 4 智能仪器的软硬件组成智能仪器的软硬件组成 5 智能仪器的模块化设计理念智能仪器的模块化设计理念 6 智能仪器的研制过程智能仪器的研制过程 本章要解决的问题本章要解决的问题 1 1智能仪器的结构组成智能仪器的结构组成? ?（软硬件组成、功能）（软硬件组成、功能） 2 2智能仪器的设计思想是什么智能仪器的设计思想是什么? ? 3 3设计、研制智能仪器的基本过程？设计、研制智能仪器的基本过程？ 4 4单片机与嵌入式系统的

2、联系和区别？单片机与嵌入式系统的联系和区别？ 一一 电子仪器仪表的发展历史电子仪器仪表的发展历史 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。它的最基本的作用： 是延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触 觉等器官的功能。 20世纪电子工业飞速发展，仪器仪表已经从 电子管时代发展到模拟电路时代，再发展到数 字电路时代，随后计算机技术高速发展起来。 相应的，仪器技术也大致经历了模拟式-数 字-智能式仪器的发展过程。 第一代的模拟式电子电压表 第二代的数字式电子电压表 德力西智能电能表 以电磁测量为基本原理 主要缺点是功能简单、 精度低、响应速度慢 将被测模拟信号转换成 数字信

3、号进行测量，测 量结果以数字形式输出 显示。 精度高、响应速度快、读数 清晰、直观，测量结果可打 印输出，易与计算机相结合， 由于数字信号便于远距离传 输，也适于遥测遥控。 加入了微处理器芯片 具有运算、判断、 记忆、控制功能， 优点：功耗低、体 积小、可靠性高、价 格低廉等。 19151928年,美国首先研制出了峰值电子电压表并 使其商品化；1952年,美国nls公司首先研制出电子管式 4位数字电压表； 20世纪60-70年代 ,计算机的引入使仪器具备了系统 测量和测量数据的控制、分析、处理、计算与显示输出 功能； 20世纪80-90年代，微处理器被用到仪器中，从而实 现了仪器的智能化，仪器

4、的人机交互更加友好， 测量 规模不断夸大，测量精度和速度不断提高，信息处理能 力不断增强； 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。 19841984年：年：我国仪器学会成立我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器专自动测试与智能仪器专 业学组业学组”； 19861986年：年：imeko(imeko(国际测量联合会国际测量联合会) )以以“智能仪器智能仪器” 为主题召开了专门的讨论会；为主题召开了专门的讨论会； 19881988年：年：ifac (ifac (国际自动控制联合会国际

5、自动控制联合会) ) 的理事会的理事会 正式确定正式确定“智能元件及仪器智能元件及仪器”。 19891989年年5 5月月在我国武汉召开了第一届测试技术与智能仪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。器国际学术讨论会。 智能仪器智能仪器是电子测量仪器与计算机技是电子测量仪器与计算机技 术相结合的产物，是含有微计算机或微术相结合的产物，是含有微计算机或微 处理器的测量处理器的测量( (或检测或检测) )仪器，它拥有对仪器，它拥有对 数据的存储、运算、逻辑判断及自动化数据的存储、运算、逻辑判断及自动化 操作等功能，具有一定智能的作用操作等功能，具有一定智能的作用( (表表 现为智

6、能的延伸或加强等现为智能的延伸或加强等) ) 。 二二 智能仪器的定义和特点智能仪器的定义和特点 微处微处 理器的运用提高了仪器的测量精度；具备了复杂的理器的运用提高了仪器的测量精度；具备了复杂的 数据处理功能。数据处理功能。 微处理器的运用极大地改善了仪器的性微处理器的运用极大地改善了仪器的性 能。能。 三三 推动智能仪器发展的主要技术推动智能仪器发展的主要技术 （无线）（无线）传感器技术传感器技术 a/da/d等新器件的发展将显著增强仪器的等新器件的发展将显著增强仪器的 功能与测量范围功能与测量范围 单片机单片机 dspdsp的广泛应用的广泛应用 labvlewlabvlew、组态软件等图

7、形化软件技术、组态软件等图形化软件技术 网络与通信技术网络与通信技术 1 1、传感器技术、传感器技术 为适应智能仪器发展的需要，各种新型传为适应智能仪器发展的需要，各种新型传 感器不断涌现。感器不断涌现。 聋哑传感器聋哑传感器(dumb sensor) (dumb sensor) 智能传感器智能传感器(smart sensor)(smart sensor) 网络化传感器网络化传感器(networked sensor)(networked sensor) 传统的传感器是模拟仪器仪表时代传统的传感器是模拟仪器仪表时代 的产物。聋哑传感器的设计指导思想是的产物。聋哑传感器的设计指导思想是 把外部信息

8、变换成模拟电压或电流信号。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，这类传感器的输出幅值小，灵敏度低， 而且功能单一，因而被称为而且功能单一，因而被称为“聋哑传感聋哑传感 器器”。 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。 智能传感器 网络通信技术逐步走向成熟

9、并渗透到各行各业，各种高可靠、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协议固化到智能传感器的romrom中时，就产生子网络传感器（寻中时，就产生子网络传感器（寻 址）址）； 为解决现场总线的多样性问题，为解决现场总线的多样性问题，ieeel451ieeel4512 2工作组建立了智能工作组建立了智能 传感器接口模块传感器接口模块(st

10、im)(stim)标准，该标准描述了传感器网络适配器标准，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，是或微处理器之间的硬件和软件接口，是ieeel451ieeel451网络传感器标网络传感器标 准准的重要组成部分，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。和方便。 网络传感器网络传感器 zigbee无线传感器网络：短距离、低功耗的无线通信技术 a ad d芯片是现代科学仪器不可缺少的核心部 件之一，高速、低功耗、高分辨率、高性能 实现高速高精度数据采集的关键。 a ad d电路与微处理器、传感器与控制电路都 集成在一块

11、芯片上，这将缩小智能仪器体积， 增强可靠性，从而实现智能仪器的多功能化。 2、a/da/d等新器件增强仪器的功能等新器件增强仪器的功能 3.单片机、dsp处理器广泛应用 tms tms320320系列等高速单片数字信号处理器系列等高速单片数字信号处理器 (dspdigital signal processor)(dspdigital signal processor)是通过硬是通过硬 件来完成乘法和加法运算的，极大地增强了智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、卷积等信号处理能力。能仪器的数字滤波、卷积等信号处理能力。 新型新型dspdsp芯片接口功能大大加强，甚至集成了

12、芯片接口功能大大加强，甚至集成了 dspdsp与与armarm双核。双核。 tms320：德州仪器德州仪器(ti) 4 4、asicasic、fpgafpgacpldcpld技术技术 asic(application specific integrated asic(application specific integrated circuitscircuits，专用集成电路，专用集成电路) )无论在价格、集成无论在价格、集成 度，还是在产量、产值方面均取得了飞速发度，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，很有意义的展。因此，对仪器设计者来说，很有意义的 一项工作是把

13、一些性能要求很高的线路单元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。紧凑，性能更优良，保密性更强。 在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是智在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是智 能仪器仪器发展的关键。能仪器仪器发展的关键。 nini（national instrumentsnational instruments）公司）公司19861986年设计的年设计的 labvlewllabvlewl0 0，20032003年发展到年发展到labview7labview70 0，推动虚，推

14、动虚 拟仪器技术的发展。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。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、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；技术更新速度快更换仪器硬件而增减；技术更新速度快(1(12 2年年) )， 开发维护费用低。开发维护费用低。 5 5、labvlewlabvlew等图形化软件技术等图形化软件技术虚

15、拟仪器虚拟仪器 随着网络技术、通信技术的高速发展与广泛随着网络技术、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：变化。表现在两个方面： 智能仪器要上网，完成数据传输、远程控智能仪器要上网，完成数据传输、远程控 制与故障诊断等；制与故障诊断等； 构建网络化测试系统，将分散的各种不同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、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

16、复杂系统信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统 的测试任务。的测试任务。 6 6、网络与通信技术、网络与通信技术 网络化测试系统主要由两大部分组成：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组成系统的基本功能单元(pc(pc仪器、网络化测量仪器、网络化测量 仪器、网络化传感器、网络化测量模块仪器、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连接各基本功能单元的通信网络。 构建网络化测试系统需考虑的问题：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；系统的实时性和时间的确定性； 系统

17、的成本尽可能低，通用性好；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，带有本地微基本功能单元必须是智能化的，带有本地微 处理器和存储器，具有网络化接口。处理器和存储器，具有网络化接口。 四四 智能仪器的软硬件组成智能仪器的软硬件组成 智能仪器的硬件系统主要包括智能仪器的硬件系统主要包括微机系统、输微机系统、输 入入/ /输出电路、人机接口和通讯接口电路输出电路、人机接口和通讯接口电路4 4部分。部分。 第一个 考核点 微机系统微机系统用来存储程序、数据并进行一系列的运算 和处理，它通常由微处理器（mpu）、程序存储器、数 据存储器及输入输出（i/o）接口电路组成。主机电路 可以

18、选择单片机，也可以选择通用计算机。 信号输入输出电路信号输入输出电路包括模拟量输入输出电路及开 关量输入输出电路两部分。 智能仪器的软件系统组成智能仪器的软件系统组成 五 智能仪器的模块化设计思想 模块化设计思想 根据仪器的功能要求和技术指标，遵循自上向下、由 大到小、由粗到细的思想，按仪器的功能层次，把硬件和 软件分成若干个模块，分别进行设计和调试；然后把它们 连接起来，进行总调。 硬件模块通常分成主机、输入输出通道、人机接 口部件、通信接口和电源等. 软件模块分成监控程序(包括初始化、键盘和显示管 理、中断管理、时钟管理及自诊断等)、中断处理程序以 及各种测量和控制算法等功能模块。 优点：

19、每一个模块都相互独立，能进行独立的设计、研优点：每一个模块都相互独立，能进行独立的设计、研 制、调试和修改制、调试和修改 第2个 考核点 模块连接 软件模块的连接软件模块的连接 硬件模块的连接硬件模块的连接 一是以主机系统为核心，通过内部三总线(数据总线、地 址总线和控制总线)连接 二是采用标准并行总线(1sa或pci总线)或12c等串行总线 来连接 通过监控程序调用各种功能模块，或采用中断方法实 时地执行相应服务模块来实现 六 智能仪器的研制过程 第3个 考核点 嵌入式系统嵌入式系统是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”， 主要包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统 以及应用软件系统等4部分。根据应用方式的不同，嵌入式 系统分为ip(intellectual property知识产权核)、芯 片级和模块级3种不同的体系结构形式。 请同学们在课下时间，阅读1.5.2节的内容。其中有关 陌生的电子术语，可以通过互联网查询，得到详尽、清 晰的解释。 源自网络对嵌入式系统的解释：源自网络对嵌入式系统的解释：嵌入式系统是以应用为中心， 以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对 功能、可靠