自动化与智能仪器

1、一、从传统仪器到智能仪器一、从传统仪器到智能仪器 二二 、智能仪器的分类、基本结构与特点、智能仪器的分类、基本结构与特点 4 4个层次、个层次、2 2种结构、种结构、3 3个特点个特点三、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 传感器，传感器， A/D, A/D, 单片机和单片机和PCPC，DSP, DSP, FPGA/CPLD, FPGA/CPLD, 软件，网络与通信软件，网络与通信智能仪器智能仪器1.仪器仪表定义、作用、行业分类仪器仪表是信息获取的工具、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。一、从传统仪器

2、仪表到智能仪器一、从传统仪器仪表到智能仪器2 2、八类测试计量仪器八类测试计量仪器几何量几何量：长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等测量仪器等 机械量机械量：各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪、各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪、力矩测量仪、振动测量仪等力矩测量仪、振动测量仪等热工量热工量：温度、湿度、流量测量仪器等温度、湿度、流量测量仪器等光学参数光学参数：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测：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。量仪、光学传递函数测量仪等。电离辐射：电离辐射：各种放射性、核素计量，各种放射

3、性、核素计量，X X、射线及中子射线及中子计量仪器等。计量仪器等。 时间频率：时间频率：各种计时仪器与钟表、时间频率测量各种计时仪器与钟表、时间频率测量仪等仪等 电磁量：电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、静交、直流电流表、电压表、功率表、静电仪、磁参数测量仪等电仪、磁参数测量仪等电子参数：电子参数：无线电参数测量仪器无线电参数测量仪器 如示波器、如示波器、信号发生器、相位测量仪、频谱分析仪、动态信号发生器、相位测量仪、频谱分析仪、动态信号分析仪等。信号分析仪等。三代仪器仪表：三代仪器仪表：第一代为第一代为指针式指针式（或模拟式）仪器仪表（或模拟式）仪器仪表第二代为第二代为数字式数字式仪器

4、仪表仪器仪表第三代就是第三代就是智能式智能式仪器仪表仪器仪表智能仪器是智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含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有微计算机或微处理器的测量( (或检测或检测) )仪器，仪器，它拥有对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有一定智能的作用( (表现为智能的延伸或加强等表现为智能的延伸或加强等) ) 。3、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

5、器的功能向更高的层次发展。二二 、智能仪器的分类、基本结构与特点、智能仪器的分类、基本结构与特点智能仪器四个层次智能仪器四个层次 高级智能智能人工智能人工智能趋势模型化模型化系统辨识、模式识别系统辨识、模式识别初级智能初级智能计算机、信号处理计算机、信号处理聪敏电子、传感、测量电子、传感、测量兼容聪敏仪器类聪敏仪器类 初级智能仪器类初级智能仪器类 模型化智能仪器类模型化智能仪器类 高级智能仪器类高级智能仪器类 1.分类分类2 2、智能仪器的基本结构、智能仪器的基本结构 其结构可有两种基本类型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机芯片与仪器有机地结合在一起形成的单机。

6、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)PCI)或或称微机卡式仪器。单片机或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印机打印机板（键盘、开关、键盘、开关、显示器显示器传感器传感器电量非非电电量量内嵌微处理器智能仪器的基本结构内嵌微处理器智能仪器的基本结构输入通道输入通道输出通道输出通道 个人仪器结构图 普通台式普通台式PCI工控机工控机PCI笔记本笔记本PCI个人仪器结构图个人仪器结构图个人计算机个人计算机总线扩展槽总线扩展槽软件软件仪器插件插件通用接口接口仪器仪器插件插件仪器插件仪器插件电电源源PC总线总线GPIB总线扩展底板或

7、外部插件箱扩展底板或外部插件箱12n测量过程的软件控制：测量过程的软件控制： CPU CPU 软件控制测量过程软件控制测量过程 “ “以软代硬以软代硬” ” 灵活性灵活性强强、可靠性可靠性强强数据处理数据处理 ： 随机误差、系统误差、非线性校准等处理随机误差、系统误差、非线性校准等处理改善测量的精确度改善测量的精确度 数字滤波卷积、反卷积、幅度谱、数字滤波卷积、反卷积、幅度谱、 相位谱、相位谱、功率谱等信号分析功率谱等信号分析提供更多高质量的信息量提供更多高质量的信息量多功能化多功能化 ：一机多用一机多用 如智能化电力需求分析仪如智能化电力需求分析仪 三、推动智能仪器发展的主要技术三、推动智能

8、仪器发展的主要技术 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 ASICASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技术技术 LabVlEWLabVlEW等图形化软件技术等图形化软件技术 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，各种新型传感为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。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)

9、(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。它的设计指导思想是把外部信的产物。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。息变换成模拟电压或电流信号。这类传这类传感器的输出幅值小，灵敏度低，而且功感器的输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被称为能单一，因而被称为“聋哑传感器聋哑传感器”。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

10、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

11、络传感器中时，就产生子网络传感器；网络传感器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提高信号检测能力，进而推动智能仪器总体性能的提高。能的提高。 A AD 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，向低功耗、高分辨率、高性能的方向发展。A AD 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2、A/DA/D等新器件增强仪器的功能与测量范围等新器件增强仪器的功能与测量范围

12、3.单片机、DSP处理器广泛应用单片机:8031、8051、89C51、MSP430 TMS320 TMS320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、能仪器的数字滤波、FFFFFF、相关、卷积等信号、相关、卷积等信号处理能力。处理能力。新型新型DSPDSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了芯片接口功能大大加强，甚至集成了DSPDSP与与ARMARM双核

13、。双核。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

14、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。FPGA(Field Programmable Gates ArrayFPGA(Field Programmable Gates Array，现场可编现场可编程门阵列程门阵列) )CPLD(Complex Programmable Logic DeviceCPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可复杂可编程逻辑器件编程逻辑器件) )FPGAFPGACPLDCPLD的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑的规模比较大，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

15、通用电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用ICIC芯芯片。片。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。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。述，就能实现一种新的功能。在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是PCIPCI仪器发展的关键。仪器发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法软件就是仪器成为流行的说法。美国国家仪器有限公司美国国家仪器有限公司NI （National InstrumentsNational Instr

16、uments）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，推动虚拟仪器技术的发展。，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，图形化编程语言建立的虚拟仪器面板，完成对仪器完成对仪器的控制、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虚拟仪器系统由用户定义；仪器硬件模块化仪器硬件模块化；可重；可重用和重新配置；用和重新配置；系统功能、规模可通过修改软件、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(12(12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