智能仪器设计：1 绪论

1、智能仪器设计Design of Intelligent Instrument2背景知识数字电路单片机原理自动控制理论机械工程测试技术3课时安排理论课：42学时实验：8学时4使用教材5参考书目智能仪器技术及其应用方彦军智能仪器程德福智能仪器设计基础赵新民6仪器仪表的重要性 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。”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。”美国能源部杰出科学家R.F.Hirsch博士在其获奖演说

2、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。”7仪器仪表的重要性仪器仪表是信息获取的工具在信息“采集传输处理”的信息获取中，仪器仪表是信息获取的源头。仪器仪表是信息采集、信息测量和信息处理的重要手段和设备。仪器仪表通过测量获取数据，定量准确地描述被测对象的特性，并可以实现对测量数据的储存、显示、处理和传输。信息技术是由测量技术、计算机技术、通信技术三部分组成。其中，测量技术是关键和基础。8仪器仪表的重要性仪器仪表在经济建设和国防中的重大作用现代工业的自动化生产，其典型代表是无人化

3、工厂，传感器和各类仪器仪表是其重要基础。神舟飞船的发射与返回是测控应用的代表。精确制导导弹是军工应用的代表。先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前提，也是创新研究的主要内容和创新成果的体现。如电子显微镜、 CT断层扫描仪、扫描隧道显微镜等。9从传统仪器到智能仪器电子仪器的发展过程从使用的器件来看真空管时代晶体管时代集成电路时代从仪器的工作原理来看第一代是模拟式电子仪器，大量指针式的电压表、电流表、功率表及一些通用的测试仪器，均是典型的模拟式仪器仪器功能简单，精度低，响应速度慢。10第二代是数字式电子仪器，它的基本工作原理是将待测的模拟信号转换成数字信号，并进行测量，结果以数字形式输出显示

4、。精度高，速度快，读数清晰、直观，结果可打印输出，也容易与计算机技术相结合。因数字信号便于远距离传输，所以数字式电子仪器适用于遥测、遥控。 第三代是智能仪器，它是在数字化的基础上用微机装备起来的，是计算机技术与电子仪器相结合的产物。具有数据存储、运算、逻辑判断能力能根据被测参数的变化自选量程可自动校正、自动补偿、自寻故障等本课程讨论的智能仪器是指具有微机和自动测试系统通用串行接口的电子测量仪器。11 模拟式电子仪器 数字式电子仪器 智能仪器12智能仪器的结构微处理器内嵌式将单个或多个微处理器安装在仪器内部，与其它电子元器件有机地结合在一起。微处理器是仪器的核心，担负测量过程控制和数据处理任务。

5、典型特点体积小，便携式或手持式；电磁兼容性强，可适应恶劣环境；有各种接口，可与计算机或网络连接。13智能仪器的结构微处理器内嵌式1415智能仪器的结构微处理器扩展式以个人计算机 (PC) 为核心的测量仪器。从20世纪80年代起就在 PC上配置不同的模拟通道，使之符合测量仪器的要求，并称其为个人计算机仪器(PCI) 或微机卡式仪器。典型特点使用灵活，可以利用PC已有的硬件和软件资源；数据处理能力较微处理器内嵌式更强大；可以充分利用PC已有的软件包进行数据的处理。16普通台式PCI嵌入式PCI笔记本PCI17智能仪器的结构微处理器扩展式将仪器面板及各种操作按钮以图形形式显示在显示器上，就可得到软面

6、板，构成虚拟仪器。1819智能仪器的结构微处理器扩展式与PCI相配的模拟通道插卡式20智能仪器的结构微处理器扩展式与PCI相配的模拟通道插件箱式21VXI机箱和模块VXI: VME总线在仪器领域的扩展22PXI机箱和模块PXI: PCI总线在仪器领域的扩展23微处理器在智能仪器中的作用对测试过程的控制微处理器可接受来自键盘和通用串行接口的命令，解释并执行这些命令如发出一个控制信号给测试电路，以规定功能、设置量程、改变工作方式。如通过查询或测试电路向微处理器发出中断请求，使微处理器及时了解电路的工作情况，控制仪器的整个工作过程。24 对测试数据的处理电子仪器引入微处理器后，大大提高了数据存储和处

7、理能力，硬件电路只要具备最基本的测试能力，提供少量的原始数据。对数据的进一步加工处理，如数据的组装、运算、舍入、决定小数点位置和单位、转换成七段码送到显示器显示或按规定格式从通用串行接口输出等工作均可由软件来完成。微处理器在智能仪器中的作用25智能仪器的主要特点仪器的功能强智能仪器内含微处理器，具有数据存储和处理能力，在软件配合下，仪器的功能大大增强。传统频率计数器，能测量频率、周期、时间间隔等参数；带有微处理器和ADC的通用计数器还能测量电压、相位、上升时间、漂移及比率等多种参数；传统数字多用表只能测量交流与直流电压、电流及电阻。带有微处理器的数字多用表，还能测量百分率偏离、偏移、比例、最大

8、最小、极限、统计等多种参数。智能仪器多功能的特色，主要是通过微处理器的数据存储和快速计算进行间接测量实现的。26仪器的性能好智能仪器中通过微处理器的数据存储和运算处理，可很容易地实现多种自动补偿、自动校正、多次测量平均等技术，以提高测量精度。对随机误差通常用求平均值的方法来克服。对系统误差，则根据误差产生的原因采用适当的方法处理。HP3455型数字电压表的实时自动校正是先进行三次不同方式的测量，然后由微处理器自动把测量数据代入自校准方程进行计算，以消除由漂移及放大器增益不稳定所带来的误差。27操作自动化智能仪器的自动化程度高，因而被称为自动测试仪器。传统仪器面板上的开关和旋钮均被键盘所代替。仪

9、器操作人员要做的工作仅是按键，省却了繁琐的人工调节。智能仪器通常都能自动选择量程、自动校准，有的还能自动调整测试点，这样既方便了操作，又提高了测试精度。具有对外接口功能通常都具备通用串行接口，能很方便地接入自动测试系统中接受遥控，实现自动测试。28“硬件软化”许多硬件逻辑功能都可用软件取代。传统数字电压表的数字电路通常采用了大量的计数器、寄存器、译码显示电路及复杂的控制电路，而在智能仪器中，只要速度跟得上，这些电路都可用软件取代。面板显示除了用简单的LED指示灯外，多用七段LED或LCD显示器来显示十进制数字和其他字符。用点阵式LED或LCD显示器来显示各种字符。29推动智能仪器发展的主要技术

10、传感器技术A/D器件的新发展单片机与DSP的广泛应用嵌入式系统与片上系统（SOC）的新发展ASIC、FPGACPLD技术LabVlEW等图形化软件技术网络与通信技术30传感器技术现代信息技术三大核心技术之一传感器技术通信技术计算机技术信号采集信号传输信号处理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 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

11、感器”。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。网络传感器继承了智能传感器的

12、全部功能，并且能够和计算机网络进行通信，因而在现场总线控制系统（FCS）中得到了广泛的应用，成为FCS中的现场级数字化传感器。 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。目前使用的现场总线有：AnyBus，CAN，Profibus，Fieldbus，WorldFIP， LonWorks， P-NET，INTERBUS，DNET，CNET，LIGHTBUS，MODBUS，CC-LINK。网络传感器34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

13、传感器网络适配器与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。 35A/D器件的新发展A/D芯片是现代科学仪器不可缺少的核心部件之一，其速度的提高是实现高速数据采集的关键。发展方向高速、低功耗、高分辨率、高性能结构特点A/D模拟电路与微处理器集成在一起混合电路。传感器与控制电路集成在一块芯片上缩小体积，增强可靠性，实现智能仪器的多功能化。36单片机与DSP的广泛应用 51系列单片机的改进时钟频率的提高，促使了指令执行速度的提升

14、 集成了大容量片上Flash存储器，并实现了ISP/IAP在低电压、低功耗、低价位、LPC方面的改进采用数模混合电路，将A/D、D/A、锁相环以及USB、CAN总线接口等集成到单片机中DSP的应用DSP（Digital Signal Processor）的典型代表是TMS-320系列高速单片数字信号处理器，它通过硬件来完成乘法和加法运算，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。新型DSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了DSP与ARM（Advanced RISC Machines）双核。37嵌入式系统与片上系统（SOC）的新发展嵌入式系统特点：把微处理器、单片机、DSP

15、芯片等作为控制与处理部件，嵌入到应用系统中，并以某种设备的形式出现，其外观不再具备计算机的形态。第一次浪潮：MCS-51单片机问世以来，迅速而广泛地嵌入到各种电子仪器、家用电器和通信终端等设备中。第二次浪潮：32位的DSP-ARM双核结构的微处理器，将PC技术中成熟的互联网和多媒体技术嵌入到网络设备、移动通信设备和多媒体设备的开发中。 DSP-ARM双核结构，将高性能低功耗的DSP核心与控制性能强的ARM微处理器完美结合起来之后，具有集成度高、硬件可靠性和稳定性强、速度快、数据处理能力强、功耗低、开放性好等特点。在实际应用中，这种架构具有非常明显的优势：由两个独立的组件来完成应用处理任务，其中

16、ARM负责支持应用操作系统并完成以控制为核心的应用处理；而DSP则负责完成多媒体信号（如音频、语音和图像/视频信号）的处理，从而在真正意义上实现了分工处理，并达到任务均衡。 38嵌入式系统与片上系统（SOC）的新发展（续）片上系统（System On Chip）特点：以嵌入式系统为核心，以IP (Intellectual Property,是指在电子设计中预先开发的用于系统芯片设计的可复用构件）复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片。狭义“系统集成芯片”，指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，包含嵌入软件及整个系统的全部内容。广义“系统芯片集成

17、”，指一种芯片设计技术，可以实现从确定系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。 SOC芯片需要集成一个复杂的系统，这导致了它具有比较复杂的结构，如果是从头开始完成芯片设计，显然将花费大量的人力物力。另外，现在电子产品的生命期正在不断缩短，这要求芯片的设计可以在更短的周期内完成。为了加快SOC芯片设计的速度，人们将已有的IC电路以模块的形式，在SOC芯片设计中调用，从而简化芯片的设计，缩短设计时间，提高设计效率。这些可以被重复使用的IC模块就叫做IP模块（或者系统宏单元、芯核、虚拟器件）。 39ASIC、FPGA/CPLD技术 ASIC(Application Specific Int

18、egrated Circuits)ASIC(专用集成电路) 是指应特定用户要求或特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比，在构成电子系统时具有以下的优越性： 缩小体积、减轻重量、降低功耗；用ASIC芯片进行系统集成后，外部连线减少，因而可靠性明显提高；ASIC是针对专门应用而特别设计的；系统设计、电路设计、工艺设计之间紧密结合，这种一体化的设计有利于获得高的系统性能；电子产品中的ASIC芯片对用户来说相当于一个“黑匣子”，难于仿造，可增强保密性； 在大批量应用时，可显著降低系统成本。40ASIC、FPGA/C

19、PLD技术FPGA/CPLDFPGA（Field Programmable Gates Array），现场可编程门阵列，其内部结构为门阵列构成的静态存储器（SRAM）。该SRAM可构成函数发生器，即查找表，通过查找表可实现逻辑函数功能。CPLD（Complex Programmable Logic Device），复杂可编程逻辑器件，其内部结构为“与或阵列”。该结构来自于典型的PAL、GAL器件的结构。任意一个组合逻辑都可以用“与-或”表达式来描述，所以该“与或阵列”结构能实现大量的组合逻辑功能。FPGA与CPLD的区别布线能力：CPLD内连率高，不需要人工布局布线来优化速度和面积，较FPGA

20、更适合于EDA芯片设计的可编程验证。延迟小预测能力：CPLD连续式布线结构决定时序延时是均匀的和可预测的，FPGA分段式布线结构决定了不可预测时间延迟。集成度的不同：CPLD 50050000门； FPGA 1K10M门 应用范围的不同：CPLD逻辑能力强而寄存器少，适用于控制密集型系统；FPGA逻辑能力较弱但寄存器多，适于数据密集型系统。41 （1）FPGACPLD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。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

21、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最终功能指定。研制开发费用相对较低。 （3）FPGACPLD芯片和EPROM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就可实现不同的功能。 42 （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