《电子测量技术基础》课件-第8章 智能仪器

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XXX学院第八章智能仪器——XXX学校8.4智能仪器实例分析8.1

智能仪器概述8.2智能仪器基本结构与工作原理8.3智能仪器研制方法目录8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法

智能仪器是计算机技术与电子测量仪器相结合的产物，是含有微处理器或微型计算机的测量仪器。

由于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，因而被称为智能仪器。8.1概述

8.1.1研制背景

自从1971年世界上出现了第一款微处理器（美国Intel公司4004型4位微处理器芯片）以来，微计算机技术得到了迅速发展。

智能仪器的出现和发展可以从其对传统仪器的改进和新型仪器的出现两方面来加以分析。第一款微处理器（美国Intel公司4004型4位微处理器）8.1.2发展历程

智能仪器是一类新型、内部带有微处理器或单片机的微机化电子仪器，它是在传统电子仪器的基础上结合微处理器技术、总线技术、通信技术发展而来的。

回顾电子测量仪器的发展历程，可以发现，从其所使用的器件来看大致经历了三个阶段，即真空管时代、晶体管时代、集成电路时代，各阶段简要说明如下。8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法第一代：模拟式电子测量仪器（又称指针式测量仪器）

主要特点：体积大、功能简单、精度低、响应速度慢。第二代：数字式电子测量仪器

主要特点：精度高，速度快，读数清晰，直观，便于遥控遥测，其结果既能以数字形式输出显示，还可以通过打印机打印输出。第三代：智能型电子测量仪器（简称智能仪器）

主要特点：内部含有微处理器（或单片机），具有数据存储、运算和逻辑判断等能力，能根据被测参数的变化自动选择量程，可实现自动校正、自动补偿、自寻故障、以及远距离传输数据、遥测遥控等功能。

智能型电子测量仪器是目前应用最广泛的一类仪器。8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法8.1.3发展趋势1、

微型化

微型化是指将微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于智能仪器的设计与开发中，从而使仪器体积较小、功能齐全的智能仪器。2、

智能化

智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，这样就可无需人的干预而自主的完成检测或控制功能。3、

虚拟化

数据分析和显示用PC机的软件来完成，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器—VI(VirtualInstrument)。8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法8.1.4主要功能8.1智能仪器概述1、具有友好的人—机对话2、自动校正零点、满度和切换量程3、多点快速检测4、自动修正各类测量误差5、数字滤波6、数据处理7、控制各种规律8、多种输出形式9、数据通信10、自诊断和故障监控11、掉电保护8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法8.2.1基本硬件结构

智能仪器通常是指采用了微处理器（或单片机）所开发的电子仪器。

从智能仪器的角度看，微处理器或单片机包含于电子仪器中，它们及其部件是智能仪器的一个组成部分；

从计算机的角度看，信号采集电路、通信接口等与键盘及显示器等部件一样，可看作是微处理器的外围设备。

因此，智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它主要由硬件平台和应用软件两大部分组成。8.2基本结构与工作原理8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法1、

硬件平台

智能仪器的硬件平台部分主要包括：主机电路模拟量输入输出通道、人机联系部件与接口电路、标准通信接口等，其硬件平台基本结构如图所示。图8-6智能仪器硬件平台基本结构8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法

智能仪器以微处理器为核心，通过总线及接口与输入通道、抗混叠滤波器、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、三态缓冲器等部分进行通信。

主机电路用来存储程序、数据，并进行运算和处理，通常由微处理器、程序和数据存储器、输入输出（I/O）接口电路等组成，其本身就是一个单片微型计算机。

输入通道将被测量的电压信号通过A/D转换器转换成数字信号，然后进行数据存储和分析。

输出通道通常是决定仪器测量准确度的关键部分。8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法

在仪器输出部分，如果要求模拟输出，则需要经过输出通道，包括D/A转换器、多路分配器、采样保持器、低通滤波器等部分。仪器数字输出可与屏幕显示器相连，也可以与磁盘、光盘或打印机相连，以获得硬拷贝。

人机联系部件的作用是沟通操作者与仪器之间的联系，它主要由仪器面板中的键盘、开关、按钮及显示器等组成。键盘是在微处理器管理和控制下工作的，通过键盘，使用者可以选择仪器功能和量程。

仪器所用硬件器件的质量和结构工艺是影响可靠性的重要因素，故应合理选择元器件和采用在极限情况下进行试验的方法。

8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法2、

应用软件智能仪器的应用软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。

8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法8.2.2

基本工作原理图8-7智能仪器基本工作原理8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法

智能仪器的研制开发是一个较为复杂的过程。为完成仪器的功能，实现仪器的指标，提高研制效率，并能取得一定的研制效益，应遵循正确的设计原则、按照科学的研制步骤来开发智能仪器。8.3.1总体需求分析1、设计目的2、形式要求3、供电方式4、外形及环境适应性要求8.3智能仪器研制方法8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法5、采样策略的要求及实现方法6、模拟电路要求7、数字电路要求8.3.2设计基本要求1、功能及技术指标要求2、可靠性要求3、操作和维护要求4、仪器工艺结构与造型设计要求8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法8.3.3设计基本原则1、

自顶向下设计原则1)

设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设计的总任务，并绘制硬件和软件总框图(总体设计)。2)

将任务分解成一批可独立表征的子任务，这些子任务还可以再向下分，直到每个低级的子任务足够简单，可以直接而且容易地实现为止。

这些低级子任务可采用某些通用模块，并可作为单独的实体进行设计和调试，从而能够以最低的难度和最高的可靠性组成高一级的模块。

在硬件或软件设计时，把难处理的问题，分为若干个较简单的、容易处理的问题，然后再一个个地加以解决。8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法2、

开放式设计原则1)“开放系统”设计思想①

在技术上兼顾今天和明天，既从当前实际可能出发，又留下容纳未来新技术机会的余地；②

向系统的不同配套档次开放，在经营上兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社会的公共参与，为发挥各方面厂商的积极性创造条件；③

向用户不断变化的特殊要求开放，在服务上兼顾通用的基本设计和用户的专用要求等等。8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法2)“开放系统”设计方法①

基于国际上流行的工业标准微机总线结构，针对不同的用户系统要求，选用相应的有关功能模块组合成最终用户的应用系统；②

系统设计者将主要精力放在分析设计目标，确定总体结构，选择系统配件等方面，而不是放在部件模块设计及用于解决专用软件的开发设计上。8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法3、

组合设计原则1)“组合化”设计思想①

开放式体系结构和总线系统技术发展，导致了工业测控系统采用组合化设计方法的流行，不同的应用系统选用成熟的现成硬件模板和软件进行组合。②

设计基础是模块化，硬、软件功能模块化是实现最佳系统设计的关键。2)“组合化”设计优点①

系统划分成若干硬、软件产品的模块，由专门的研究机构完善地设计，现成的功能模块迅速配套成各种应用系统，简化设计并缩短设计周期。8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8.2智能仪器基本结构及工作原理8.3智能仪器研制方法②

结构灵活。便于扩充和更新，使系统的适应性强。在使用中可根据需要通过更换一些模板或进行局部结构改装以满足不断变化的特殊要求。③

维修方便快捷。在故障出现时，只需更换IC芯片或功能模板即可。④

功能模板可以组织批量生产，使质量稳定并降低成本。8.4智能仪器实例分析8.1智能仪器概述8