智能仪表-软硬件系统设计课件

智能仪表电气信息学院薛智宏智能仪表电气信息学院1第一章绪论一、智能仪表的产生和发展电子工业发展：电子管晶体管（模拟电路）集成电路（数字电路）大规模集成电路仪器仪表发展：机械式模拟电子式数字电子式智能式（程控式）第一章绪论一、智能仪表的产生和发展220世纪20~40年代：模拟电子仪器仪表20世纪50年代：数字仪器仪表问世20世纪60年代：计算机与仪表相结合个别参量测量系统多个参量单纯接收显示控制、分析、处理、计算与显示20世纪80年代：微处理器用于仪器仪表20世纪90年代至今：智能技术用于仪器仪表20世纪20~40年代：模拟电子仪器仪表3二、概念智能仪器无确切的定义1、在各类环境中能自主的或交互式的执行各种拟人功能的机器2、具有判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等与人类智能有关的能力的机器。3、可独立进行的微机化的可编程仪器仪表二、概念智能仪器无确切的定义4智能仪表[微机化仪表（Microcomputerbasedinstrument）(Intelligentinstrument)]概念：智能仪表指微机化与传统仪器仪表有机接合，采用最新智能技术，在各类环境中能自主的或交互式的执行多种拟人功能，实现各种数据测量、分析和控制的机器或仪表智能仪表[微机化仪表（Microcomputerbased5三、智能仪表的特点1、内含微处理器、具有总线结构，具备一定数据存储和处理能力，可自动处理和故障判断，交互式可编程运行2、具有良好的人机对话能力。3、具有外部通信接口（GP-IB，RS-232，USB）4、结合智能控制技术或算法。发展方向：结构简单、体积小、功耗低、功能强、性能高三、智能仪表的特点1、内含微处理器、具有总线结构，具备一定数6四、智能仪表的结构硬件系统1、微机系统：可选择计算机系统、单片机系统或其他嵌入式系统。实现功能：信号的数字化处理和控制显示、打印、通信、其它智能化处理功能。组成结构：微处理器（MPU）、程序存储器、数据存储器和I/O接口电路。四、智能仪表的结构硬件系统72、输入输出电路：主要功能；通过I/O电路与微机系统以总线方式连接，实现开关量及模拟量的输入输出，测量信号数字化转换等。

构成：由输入电路、A/D转换器、D/A转换器、模拟执行器和开关电路输入输出电路构成。2、输入输出电路：83、人机接口：主要功能：实现操作者和仪器之间的信息交流，包括参数设置、检测信号的显示、打印等构成：由键盘、显示器、打印机及其接口组成。3、人机接口：94、通信接口电路：将仪表测量的数据上传给计算机或其它设备，以进行数据分析和处理。4、通信接口电路：将仪表测量的数据上传给计算机或其它设备，以10软件系统1、功能执行程序：实现各种实质性的功能。（测量、计算、显示、打印、输出）2、监控程序：专门协调各个执行模块和操作者关系的程序，在系统程序中发挥组织调度作用。（作业顺序调度型、作业优先调度型、键码分析作业调度型）软件系统11五、智能仪表的基本设计思想1模块化设计：根据仪器的功能要求和技术指标，自顶向下、由大到小、由粗到细，按仪器的功能层次，把硬件和软件分成若干模块，分别进行分析和调试，然后把它们连接起来进行总调试。优点：各个模块相互独立，单独进行设计、研制、调试和修改，使复杂的设计过程简单化。五、智能仪表的基本设计思想1模块化设计：根据仪器的功能要求和122、模块之间的连接硬件模块的连接方法：A以主机系统为核心，通过内部三总线连接各个模块。B采用标准并行总线（ISA、PCI）或I2C等串行总线连接各个模块。软件模块的连接：

一般通过监控模块调用各种功能模块或采用中断方法实时执行相应服务模块来实现，并按功能层次调用下一级。由数据变量和标志变量形成的数据接口连接各个软件模块。2、模块之间的连接13六、智能仪表的研制过程分为三个阶段：1确定任务和拟订设计方案阶段2硬件和软件设计及仪器仪表结构设计3仪器统调和性能测试六、智能仪表的研制过程分为三个阶段：141确定任务和拟订设计方案阶段（1）确定设计任务和仪器功能根据仪器最终要达到的设计目标，确定需完成的任务和具备的功能，并以书面形式写出仪器功能说明书或设计任务书。A明确技术指标：测量范围、精度、灵敏度、速度，可靠性指标与和工作条件（温度、湿度、电源、振动）。

1确定任务和拟订设计方案阶段（1）确定设计任务和仪器功能15B功能指标：显示、人机接口、输入、输出接口特性，通信功能及测量控制功能

（2）完成总体设计、确定硬件类型和数量完成仪器系统结构总框图和软件总框图并制定详细的研制计划。B功能指标：显示、人机接口、输入、输出接口特性，通信功能及162、硬件和软件设计及仪器仪表结构设计（1）单片机与嵌入式系统的选择根据功能和性能要求选择8位、16位、单片机、DSP、其它嵌入式系统处理器。*嵌入式系统：指嵌入在宿主设备中的微处理器系统，以应用为主，软硬件可以裁减，适用于系统对功能、可靠性、成本和功耗有严格要求的专用计算机系统。2、硬件和软件设计及仪器仪表结构设计（1）单片机与嵌入式系统17*嵌入式系统的组成：由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及应用软件系统四部分构成，是集软硬件于一体的可独立工作“器件”。*嵌入式系统分为IP（IntellectualProperty)核、芯片级和模块级三种不同体系结构形式。*嵌入式系统的组成：由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式18*IP（IntellectualProperty)核分为硬核和软核。硬核：16/32/64位RISC/CISC结构的MPU核8/16/32位MCU核16/32/64位DSP核标准逻辑单元网络单元和标准接口单元软核：图象单元声音单元软MODEM单元软FAX单元将不同的IP核集成到一块芯片上形成系统芯片集（SoC）*IP（IntellectualProperty)核分为硬19芯片级：选择相应的处理器芯片、存储芯片和I/O芯片组成嵌入式系统，并将相应的系统软件固化在非易失性存储芯片中。模块级：将X86处理器构成的计算机系统模块嵌入到应用系统中，把操作系统改造为嵌入式操作系统，把应用软件固化在固态盘中。芯片级：选择相应的处理器芯片、存储芯片和I/O芯片组成嵌入式20硬件电路和软件的设计和调试根据硬件框图按模块分别设计各单元电路，然后再进行硬件合成，绘制印刷电路板，进行装配和调试。软件设计：进行程序总体结构设计和模块化设计，画出每个模块的详细流程图，选择编程语言，进行模块调试和总体调试。硬件电路和软件的设计和调试21（3）仪器仪表结构设计主要包括仪表的造型、壳体结构、外形尺寸、面板布置、模板固定和连接方式，应做到标准化、规范化、模块化。（3）仪器仪表结构设计223仪器统调与性能测试样机装配完成后，必须进行联机实验，在实验室和现场交替调试，发现和解决各种硬件和软件问题，编写设计文档。设计文档内容：设计任务和仪器功能描述；设计方案的论证；性能测定和现场使用报告；使用操作说明；硬件资料（硬件框图，电路原理图，元件布置和接线图，接插件引脚图和印刷板电路图）；软件资料（程序框图及说明，标号及子程序名称清单，参量定义清单，存储单元和输入输出口地址分配表及程序清单）3仪器统调与性能测试样机装配完成后，必须进行联机实验，在实234设计、研制智能仪表的基本过程确定设计任务和仪器功能完成总体设计、确定硬件类型和数量选择合适的嵌入式系统硬件电路设计和制作硬件电路测试软件设计及模块程序编写软件程序调试仪表结构设计联机调试排除故障设计文档编写阶段1阶段2阶段34设计、研制智能仪表的基本过程确定设计任务和仪器功能完成总体24智能仪表电气信息学院薛智宏智能仪表电气信息学院25第一章绪论一、智能仪表的产生和发展电子工业发展：电子管晶体管（模拟电路）集成电路（数字电路）大规模集成电路仪器仪表发展：机械式模拟电子式数字电子式智能式（程控式）第一章绪论一、智能仪表的产生和发展2620世纪20~40年代：模拟电子仪器仪表20世纪50年代：数字仪器仪表问世20世纪60年代：计算机与仪表相结合个别参量测量系统多个参量单纯接收显示控制、分析、处理、计算与显示20世纪80年代：微处理器用于仪器仪表20世纪90年代至今：智能技术用于仪器仪表20世纪20~40年代：模拟电子仪器仪表27二、概念智能仪器无确切的定义1、在各类环境中能自主的或交互式的执行各种拟人功能的机器2、具有判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等与人类智能有关的能力的机器。3、可独立进行的微机化的可编程仪器仪表二、概念智能仪器无确切的定义28智能仪表[微机化仪表（Microcomputerbasedinstrument）(Intelligentinstrument)]概念：智能仪表指微机化与传统仪器仪表有机接合，采用最新智能技术，在各类环境中能自主的或交互式的执行多种拟人功能，实现各种数据测量、分析和控制的机器或仪表智能仪表[微机化仪表（Microcomputerbased29三、智能仪表的特点1、内含微处理器、具有总线结构，具备一定数据存储和处理能力，可自动处理和故障判断，交互式可编程运行2、具有良好的人机对话能力。3、具有外部通信接口（GP-IB，RS-232，USB）4、结合智能控制技术或算法。发展方向：结构简单、体积小、功耗低、功能强、性能高三、智能仪表的特点1、内含微处理器、具有总线结构，具备一定数30四、智能仪表的结构硬件系统1、微机系统：可选择计算机系统、单片机系统或其他嵌入式系统。实现功能：信号的数字化处理和控制显示、打印、通信、其它智能化处理功能。组成结构：微处理器（MPU）、程序存储器、数据存储器和I/O接口电路。四、智能仪表的结构硬件系统312、输入输出电路：主要功能；通过I/O电路与微机系统以总线方式连接，实现开关量及模拟量的输入输出，测量信号数字化转换等。

构成：由输入电路、A/D转换器、D/A转换器、模拟执行器和开关电路输入输出电路构成。2、输入输出电路：323、人机接口：主要功能：实现操作者和仪器之间的信息交流，包括参数设置、检测信号的显示、打印等构成：由键盘、显示器、打印机及其接口组成。3、人机接口：334、通信接口电路：将仪表测量的数据上传给计算机或其它设备，以进行数据分析和处理。4、通信接口电路：将仪表测量的数据上传给计算机或其它设备，以34软件系统1、功能执行程序：实现各种实质性的功能。（测量、计算、显示、打印、输出）2、监控程序：专门协调各个执行模块和操作者关系的程序，在系统程序中发挥组织调度作用。（作业顺序调度型、作业优先调度型、键码分析作业调度型）软件系统35五、智能仪表的基本设计思想1模块化设计：根据仪器的功能要求和技术指标，自顶向下、由大到小、由粗到细，按仪器的功能层次，把硬件和软件分成若干模块，分别进行分析和调试，然后把它们连接起来进行总调试。优点：各个模块相互独立，单独进行设计、研制、调试和修改，使复杂的设计过程简单化。五、智能仪表的基本设计思想1模块化设计：根据仪器的功能要求和362、模块之间的连接硬件模块的连接方法：A以主机系统为核心，通过内部三总线连接各个模块。B采用标准并行总线（ISA、PCI）或I2C等串行总线连接各个模块。软件模块的连接：

一般通过监控模块调用各种功能模块或采用中断方法实时执行相应服务模块来实现，并按功能层次调用下一级。由数据变量和标志变量形成的数据接口连接各个软件模块。2、模块之间的连接37六、智能仪表的研制过程分为三个阶段：1确定任务和拟订设计方案阶段2硬件和软件设计及仪器仪表结构设计3仪器统调和性能测试六、智能仪表的研制过程分为三个阶段：381确定任务和拟订设计方案阶段（1）确定设计任务和仪器功能根据仪器最终要达到的设计目标，确定需完成的任务和具备的功能，并以书面形式写出仪器功能说明书或设计任务书。A明确技术指标：测量范围、精度、灵敏度、速度，可靠性指标与和工作条件（温度、湿度、电源、振动）。

1确定任务和拟订设计方案阶段（1）确定设计任务和仪器功能39B功能指标：显示、人机接口、输入、输出接口特性，通信功能及测量控制功能

（2）完成总体设计、确定硬件类型和数量完成仪器系统结构总框图和软件总框图并制定详细的研制计划。B功能指标：显示、人机接口、输入、输出接口特性，通信功能及402、硬件和软件设计及仪器仪表结构设计（1）单片机与嵌入式系统的选择根据功能和性能要求选择8位、16位、单片机、DSP、其它嵌入式系统处理器。*嵌入式系统：指嵌入在宿主设备中的微处理器系统，以应用为主，软硬件可以裁减，适用于系统对功能、可靠性、成本和功耗有严格要求的专用计算机系统。2、硬件和软件设计及仪器仪表结构设计（1）单片机与嵌入式系统41*嵌入式系统的组成：由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及应用软件系统四部分构成，是集软硬件于一体的可独立工作“器件”。*嵌入式系统分为IP（IntellectualProperty)核、芯片级和模块级三种不同体系结构形式。*嵌入式系统的组成：由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式42*IP（IntellectualProperty)核分为硬核和软核。硬核：16/32/64位RISC/CISC结构的MPU核8/16/32位MCU核16/32/64位DSP核标准逻辑单元网络单元和标准接口单元软核：图象单元声音单元软MODEM单元软FAX单元将不同的IP核集成到一块芯片上形成系统芯片集（SoC）*IP（IntellectualProperty)核分为硬43芯片级：选择相应的