《智能仪器设计基础》课件 第1章 智能仪器设计概述

第1章智能仪器概述智能仪器设计基础CHAPTER01智能仪器设计·第1章本章学习导航01仪器的发展历程从机械式到虚拟仪器的五代演进02智能仪器的特点六大核心特性对比传统仪器03智能仪器的发展趋势微型化、网络化、多功能化等方向04智能仪器的基本结构硬件与软件的系统组成05课程学习方法综合性课程的学习路径第1章智能仪器概述

1.1智能仪器概述

1.2智能仪器的特点

1.3智能仪器的发展趋势

1.4智能仪器的基本结构

1.5课程的学习方法

目录1.1智能仪器概述仪器仪表（instrumentation）

用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备，是人类获取信息、认识世界的重要工具。

仪器仪表能改善、扩展或补充人的听觉、触觉、视觉等感官能力。如显微镜、望远镜、温度计、气压计等。

仪器仪表还可以感受和测量到人所不能感受到的物理量，如电场、磁场、电能、射线等。还有很多仪器仪表都是超越人的能力去感测、计算和记录等，如高精度计时器、辐射计、光谱仪等。仪器仪表是科学研究和试验、精密测试、自动化控制、医疗、计量和经济贸易等领域的重要工具，广泛地应用于科学研究、工农业生产、国防军工、航空航天、日常生活等行业。1.1智能仪器概述仪器仪表的发展

机械式仪器、磁电式仪器、数字式仪器、智能仪器等类型。一般把前二种称为第一代仪器（指针式仪器），数字式仪器称为第二代仪器，智能仪器称为第三代仪器。另外还有基于通用计算机的虚拟仪器等。（1）机械式仪器。早期的测量工具主要是测量、度量器具，如尺子、衡器、天平、标准容器等、各种天文观测仪器如浑仪、简仪、赤道经纬仪等，气象观测仪器如水银温度计、毛发湿度计、干湿球温度计、水银气压计等，光学仪器如显微镜、望远镜、干涉仪、测角仪等，工业和生活中的机械式流量计、压力计等。1.1智能仪器概述仪器仪表的发展

早在17世纪就出现了水银温度计和水银气压计等，机械式仪器根据特定的物理原理，结合一定的机械结构完成物理量的测量和指示，结构简单，结果比较直观。这些仪器（仪表）目前还有不少在应用，但越来越多的被智能仪器所取代。1.1智能仪器概述（2）磁电（或电磁）式仪器。

利用电磁学的三大基本定律，即库伦定律、安培定律和法拉第电磁感应定律。

如电流表、电压表、电能表等。这类仪器是通过磁场对电流的磁力作用，使指针发生偏转，结合表盘的刻度，显示测量结果，典型的仪器是指针式电流表、电压表、功率表、频率表、万用表等。

通过磁力使轮盘旋转，并通过齿轮的变比进行记数，利用轮子侧面数字指示测量结果，如电能表等，这类仪器属于模拟式仪器。

模拟式仪器功耗大、功能单一，精度低，读数存在视差，无法远距离传输等。1.1智能仪器概述（2）磁电（或电磁）式仪器1.1智能仪器概述（3）数字式仪器。

数字式仪器是通过模拟电路对信号进行变换，将被测量转换为电压信号，通过ADC转换为数字量，然后显示在数码显示器上，如数字式万用表等，也有通过转换电路将模拟信号转换为脉冲信号，然后对脉冲信号进行记数，将结果显示在数码显示器上，如数字式电能表等。

数字式仪器测量速度快、读数清晰、直观，使用方便，测量结果也可以打印输出，也容易与计算机技术相结合，并将信号通过数字量进行远距离传输，可以进行遥测和遥控。数字式仪器也存在不足，只是简单地将测量结果以数字形式显示在数码显示器上，无法对数据进行处理和运算，无法进行校准、补偿、标度变换，也无法自动量程切换等。1.1智能仪器概述（4）智能仪器（Intelligentinstrument）。

20世纪70年代，各类集成电路大量出现，特别是微处理器或单片机、运算放大器、模数转换器（ADC）的广泛使用，出现了以微处理器为核心的仪器仪表。这种包含有微处理器或单片机的测量仪器，能够对数据进行采集、存储、运算、传输、逻辑判断及自动化操作与控制等功能的仪器，称为智能仪器,智能仪器能够根据被测信号的变化实现量程自动切换、自动校准、自动补偿、故障自动诊断与报警等，能够根据需要进行必要的控制等。1.1智能仪器概述（5）虚拟仪器。20世纪80年代，微型计算(个人计算机PC)得到广泛应用，微型计算机的显示、存储、数据处理、网络化和输出打印功能强大，主板上包含有并行、串行等各类通用接口，因此出现了将信号调理、数据采集等集成在仪器板卡上，通过微型计算机上的通用接口与这些板卡相连，完成数据的采集与处理，这种仪器称为虚拟仪器（VirtualInstrument)。1.2智能仪器的特点与传统的机械式、磁电式和数字式仪器仪表相比，智能仪器具有以下特点：

（1）操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动与闭合、数据的采集、传输与处理以及显示、打印等都由单片机或微处理器来控制操作，实现测量过程的自动化。

（2）具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪器能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。

(3)具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微处理器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决1.2智能仪器的特点

（4）具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。（5）具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS232c、RS485、CAN、USB等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量或控制系统，完成更复杂的测试与控制任务。（6）具有智能化测控能力。近年来，智能化测量控制仪表的发展非常迅速。国内外市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表。1.3智能仪器的发展趋势

（1）微型化。与传统的机械式、磁电式、数字式仪器相比，智能仪器利用了微处理器、集成运算放大器、模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、液晶显示器、驱动器等，这些器件都采用了大规模集成电路，而且利用软件完成各种数据处理、显示、通信等功能，有些原来由硬件完成的功能，也可以通过软件完成，因此智能仪器的体积趋于微型化，同时也降低了智能仪器的硬件成本和功耗，可靠性有较大提高。

近些年来，微处理器内部集成了各种通信接口如IIC、SPI、CAN、USB、Internet等，使得智能仪器的通信接口电路设计更加方便。还有一些称为混合信号微控制器，还集成了ADC、DAC，有些还集成了变增益放大器（PGA）、比较器等，简化了信号调理和数据转换电路的设计，有些微处理器还集成了LCD与触摸屏控制器等，这些都进一步减小了智能仪器的体积和功耗。1.3

智能仪器的发展趋势

（2）网络化。半导体技术、网络技术和计算机总线技术的发展,以及测控任务的复杂化以及远程监测任务等方面的需求,促进了测控仪器向网络化方向的快速发展，近年来，智能仪器的网络化趋势和特征越来越明显。利用网络技术将传统的分散和单独使用的智能仪器连接在一起，各仪器与控制器之间通过网络交换数据，网络终端的上位机可以将分散测量的数据进行统一的存储、分析与应用。网络化仪器包括基于计算机总线技术的分布式测控仪器、基于Internet/Intranet的虚拟仪器、嵌入式Internet的网络化仪器、基于IEEE1451标准的智能传感系统与变送器等，以及基于无线通讯网络的网络化智能仪器等。

网络仪器在智能交通、气象仪器、信息家电、家庭自动化、工业自动化、环境监测及远程医疗等众多领域得到越来越广泛的应用。另外网络化仪器也能够对设计好的智能仪器进行远程升级、功能重置和系统维护等。网络化仪器自动气象站1.3智能仪器的发展趋势

（3）多功能化。微处理器具有强大的处理能力，新型的嵌入式微处理器具有丰富的IO端口，而且体积小，速度高，因此可以将多种测量与控制功能，集成在一个仪器中，一个仪器同时完成多种物理量的测量。例如多功能电能分析仪，能够测量单相或三相电源的电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数等,还有如一台自动气象站，可以测量风速、风向、空气温度、湿度、土壤的温度、含水量等。

（4）人工智能化。人工智能是近些年来在计算机应用的一个新领域，利用计算机模拟人的智能，用于控制、机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展也将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，在视觉（图形及色彩辨识）、听觉（语音识别及语言领悟）、思维（推理、判断、学习与联想）等方面具有一定的能力。智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。人工智能在智能仪器中的应用，使得智能仪器与控制的自动化程度进一步提高，进一步提高效率、降低成本。1.3

智能仪器的发展趋势

（5）可视化与触摸屏技术得到广泛应用。随着嵌入式微处理器和液晶显示技术的发展，液晶显示屏的尺寸、分辨率等都有了很大提高，成本也大幅度降低，越来越多的仪器开始使用液晶显示屏(LCD)，显示形式丰富多样。可视化（Visualization）是利用计算机图形学方法，将数据以图形或图像形式在屏幕上显示出来，并进行交互处理的的方法。结合LCD的应用，触摸屏技术也得到广泛应用，触摸屏是一种新型的人机交互输入方式，与传统的键盘和鼠标输入方式相比，触摸屏输入更直观。配合识别软件，触摸屏还可以实现手写输入，使得仪器的功能更加丰富，使用更加方便。

（6）虚拟仪器是智能仪器发展的新类型。测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟智能仪器中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。因此，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。1.4智能仪器的基本结构

智能仪器是一种专用的嵌入式计算机系统，由硬件和软件两大部分组成。硬件包括CPU或微控制器（MCU）、信号调理电路、模数转换电路（ADC）、键盘与显示器接口、通信接口、开关量输入/输出接口、电源系统，ISP程序下载接口等，另外还有软件系统，基本结构如图所1.1示。智能仪器要完成数据的采集、显示、通信与处理等，除了硬件外，还必须借助于软件完成，因此软件是智能仪器的重要组成部分。

微处理器是智能仪器的核心,运行所要求的软件，需要保存在只读存储器中，另外还需要随机存储器运行程序。早期的微处理器内部没有只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），因此需要在微处理器外部连接专门的ROM和RAM电路用于保存和运行程序，ROM内部程序的删除需要紫外光的照射，程序的写入则需要特殊的电路完成，使用极为不便。智能仪器结构略图智能仪器是一种专用的嵌入式计算机系统，由硬件和软件两大部分组成微处理器CPU/MCU传感器+信号调理电路+ADC键盘与显示器接口开关量I/O接口通信接口RS232/USB/CAN等电源系统+Flash/RAM软件系统：测量程序+数据处理+控制逻辑+通信协议1.4智能仪器的基本结构典型智能仪器---自动气象站231.4智能仪器的基本结构微控制器+CPLD/FPGA构成的智能仪器1.5课程的学习方法

智能仪器设计是一门综合性的课程，内容涉及传感器与检测技术、模拟电路、数字电路、CPLD/FPGA、数字信号处理、单片机、嵌入式设计、C语言、汇编语言等，但课程的目的不是学习这些基本原理，而是在理解这些基本原理的基础上，从应用的角度掌握智能仪器设计相关的基本方法。因此课程中涉及到一些基本概念或理论都是直接给出结果，而没有给出推导过程，器件或芯片的特性等也都是直接给出，以便更好地了解如何选择这器件和芯片，而对于其原理则可以查阅相关课程或文献。因此遇到这些内容的时候，要学会查找资料和复习相关部分内容，以便能够更好地利用这些知识，设计相应的电路和软件。

1.5课程的学习方法

遇到复杂的仪器设计，可能会用到嵌入式微控制器，因此需要学习一些新的微控制器等。另外课程中也尽可能多地介绍各种不同的芯片如微控制器、放大器等，这样可以更多地掌握仪器设计的素材，以便在遇到智能仪器或