第1章 绪论2011.ppt

1、2020年8月1日8时6分,智能仪器仪表,2020年8月1日8时6分,1.1 从传统仪器到智能仪器 1.2 智能仪器的原理及结构 1.3 智能仪器的特点和发展趋势 1.4 本课程的主要内容和学习方法,第1章 绪论,2020年8月1日8时6分,1.1从传统仪器到智能仪器,一、仪器仪表的定义： 获取信息的工具，了解世界的手段 具体的系统或者装置 （五官功能的延伸扩展） 信息产业的重要组成部分，信息工业的源头。,2020年8月1日8时6分,二、 仪器仪表的分类： 工作方式划分：机械式 电子式、光学式 应用领域：石油化工、汽车、航空航天航海、电力、生物医疗、计量测试仪表、分析仪器、地球探测、天文仪器,

2、2020年8月1日8时6分,八类测试计量仪器,几何量：长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等 机械量：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 热工量：温度、湿度、流量测量仪器等 光学参数：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。 电离辐射：各种放射性、核素计量，X、射线及中子计量仪器等。 时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测量仪等 电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC测量仪、静电仪、磁参数测量仪等 电子参数：无线电参数测量仪器 如示波器、信号发生器、相位测量仪、频谱分析仪、动态信号分析仪等。,2020年8月1日

3、8时6分,三、仪器仪表的应用： “农轻重、海陆空、吃穿用”,2020年8月1日8时6分,“倍增器”对国民经济的推动作用,Ex.1宝钢股份每年技术装备投资中，有三分之一的经费用于购置仪器和自动化系统。 Ex.2 美国商务部国家标准局20世纪90年代中发布的调查数据表明，美国仪器仪表产业占社会总产值的4%，而拉动相关经济的产值达到社会总产值的66%。,2020年8月1日8时6分,“先行官”-科学研究,Eg.1人类基因的测试工作，正是由于HP公司提供了改进的仪器仪表，才提前三年完成。 Eg.2 1、古人云，工欲善其事，必先利其器。 2、诺贝尔物理和化学奖中，大约有1/4的获奖者是因为在测试方法和仪器

4、创新中的贡献而获奖。如电子显微镜，质谱技术，CT断层扫描等,2020年8月1日8时6分,从1901年开始的全部诺贝尔物理学奖得主名单和获奖理由：,1907年 迈克尔逊（美国） 发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究 1912年 达伦（瑞典） 发明可用于同燃点航标、浮标气体蓄电池联合使用的自动调节装置 1939年 劳伦斯（美国） 发明回旋加速器，并获得人工放射性元素 1946年 布里奇曼（美国） 发明获得强高压的装置，并在高压物理学领域作出发现 1948年 布莱克特（英国） 改进威尔逊云雾室方法和由此在核物理和宇宙射线领域的发现 1953年 泽尔尼克（荷兰） 发明相衬显微镜 1956年

5、 布拉顿、巴盯肖克利（美国） 发明晶体管及对晶体管效应的研究 1960年 格拉塞（美国） 发现气泡室，取代了威尔逊的云雾室 1964年 汤斯（美国） 在量子电子学领域的基础研究成果，为微波激射器、激光器的发明奠定理论基础 巴索夫、普罗霍罗夫（苏联） 发明微波激射器 1966年 卡斯特勒（法国） 发明并发展用于研究原子内光、磁共振的双共振方法 1968年 阿尔瓦雷斯（美国） 发展氢气泡室技术和数据分析，发现大量共振态 1971年 加博尔（英国） 发明并发展全息照相法 1974年 赖尔（英国） 发明应用合成孔径射电天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究 赫威斯（英国） 发现脉冲星 1981年 西

6、格巴恩（瑞典） 开发高分辨率测量仪器以及对光电子和轻元素的定量分析 布洛姆伯根（美国） 非线性光学和激光光谱学的开创性工作 肖洛（美国） 发明高分辨率的激光光谱仪 1986年 鲁斯卡（德国） 设计第一台透射电子显微镜 比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士） 设计第一台扫描隧道电子显微镜,2020年8月1日8时6分,“战斗力”,军事上 NMD（美国全球防御系统）精密制导技术 航空航天技术中的制导 雷达技术 海湾战争中的“飞毛腿” “爱国者” 较量,2020年8月1日8时6分,“物化法官”,Ex.1商品检验 三聚氰胺，采用色谱液相色谱仪来检测 Ex.2环境监测 Ex.3兴奋剂检查 Beijing Olym

7、pic Game Ex.4亲子鉴定 DNA鉴定 鉴定亲子关系目前用得最多的是DNA分型鉴定。人的血液、毛发、唾液、口腔细胞等都可以用于用亲子鉴定，十分方便。,2020年8月1日8时6分,仪器的发展经历了三代： 模拟式电子仪器 电磁式，用指针来显示最终的测量结果。功能简单，精度低，反应速度慢。 数字式仪器。 增加了A/D环节，精度高，速度快，读数清晰，直观，可以打印，可以和计算机连接。 智能仪表 计算机技术与电子仪器相结合的产物，对数据存储、运算、逻辑判断能力。自动选择两成，自动校正、自动补偿、自寻故障，可以做一些原来需要人类的智慧才能做的工作，具有表现出智能。,四、从传统仪器发展到智能仪器的过

8、程,2020年8月1日8时6分,1.2 智能仪表的原理及结构,一、智能仪器的定义 Intelligent Instrument Intelligent的定义：根据外部环境的变换正确决定反应行为，或者说根据外界变化，做出正确反应的能力 从信息科学的角度看，信息技术的发展分成四个层次： 信息化：把客观的物理概念的数码化，变成二进制代码，以便存储与处理。 自动化：按照固定的规则，使其重复执行处理，最终达到期望的或设定的目的 最优化：按某种预定目标，使某项任务取得最优解。 智能化：理解、推理、判断、分析，是数值、逻辑与知识综合分析的结果。当然也包括经验在内。,2020年8月1日8时6分,智能仪器四个层

9、次,2020年8月1日8时6分,智能仪器是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，具有一定的智能的表现（表现为智能的延伸或加强等）。 微机化仪器，属于电子仪器仪表，是仪器仪表与计算机技术发展到一定程度后的产物,2020年8月1日8时6分,二、智能仪器的分类,（1）微处理器嵌入式 （2）微处理器扩展式,2020年8月1日8时6分,（1）微处理器嵌入式 (嵌入到对象体系中的专用计算机系统),2020年8月1日8时6分,嵌入式系统特点,“嵌入性” ：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（

10、小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。 “专用性” ：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。 “计算机系统” ：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。 计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。,2020年8月1日8时6分,2020年8月1日8时6分,嵌入式处理器的厂商,2020年8月1日8时6分,2020年8月1日8时6分,ARM的合作伙伴,2020年8月1日8时6分,ARM应用,2020年8月1日8时6分,（2）微处理器扩展式,2020年8月1日8时6分,虚拟仪器,2020年8月1日8时6分,三、智能仪器的发展概况,第一个阶段20世纪80年代，微

11、处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，测量系统常通过IEEE488总线连接。不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展等。 第二个阶段20世纪90年代，仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计；DSP芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。 第三个阶段近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。网络。,2020年8月1日8时6分,1.3智能仪器的特点和发展趋势,一、 微型化 微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于

12、仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。 信号的采集、线性化 处理、数字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。 微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断 降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。 例如，目前要同时测 量一个病人的几个不同的参量，并进行某些参量的控制，通常病人的体内要插进几个管子，这增加了病人感染的机会，微型智能仪器能同时测量多参数，而且体积 小，可植入人体，使得这些问题得到解决。,2020年8月1日8时6分,二、多功能化,

13、多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。 例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器 等功能的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上如准确度比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。 如电网检测仪，可以测量单相或三相电源的有功功率、无功功率、视在功率、电能、频率、电压、电流、功率因数、相序、谐波分量、失真度等。还可以测量电能峰值，逢时、谷值、谷时及各项超界时间，还可以预置电量需求计划，自备时钟及万年历，与外系统通信，具有自动记录。打印、报警等功能。 如果不采用智能仪器结构，传统仪器全部实现是很

14、困难的。,2020年8月1日8时6分,三、 人工智能化,人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、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将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉图形及色彩辨读、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。这样，智能 仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决 用传统方法根本不能解决的问题。,2020年8月1日8时6分,四、融合ISP和EMIT技术，实现仪器仪表系统的I

15、nternet接入网络化,伴随着网络技术的飞速发展，Internet技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。,2020年8月1日8时6分,五、 高新技术密集,智能仪器技术本身就是一个跨学科的边缘技术 许多新的技术领域成果，如计算机软硬件技术、激光技术、微纳米技术、网络技术、传感技术的成果，以及新的理论成果，如信息论、控制论、宏观和微观领域的各种理论研究成果，经常是最先被大量应用到智能仪器其科学技术领域中来。 结合智能仪器新设计概念、新的材料和工艺技术的应用，智能仪器技

16、术得到了迅猛的发展。,2020年8月1日8时6分,六、测量过程的软件控制,仪器中采用微处理器后能实现硬件软化，使许多硬件逻辑都可以用软件来代替。这可使仪器的成本降低、体积减小、功耗降低且可靠性提高，增加了灵活性。 在进行软件控制时，仪器在CPU的指挥下，按照软件流程进行各种转换、逻辑判断驱动某一执行元件完成某一动作，使仪器按照一定的顺序进行下去。在这里，基本操作是以软件形式完成的逻辑转换，它与硬件的工作方式有很大的区别。 软件转换带来很大的方面，灵活性强。当需要改变功能时，只需改变程序即可，并不需要改变硬件结构。随着微型计算机时钟频率的大幅度提高。软件控制与硬件控制实时性的差距越来越小。,20

17、20年8月1日8时6分,七、处理数据能力强,智能仪器最突出的贴点是具有对测量数据进行存储及运算等数据处理功能， 在改善测量时的准确度及对测量结果的再加工方面。 智能仪器通过微处理器的数据存储和运算处理，可以很容易地实现自动补偿、自动校正、多次测量平均等技术，以提高测量的准确度。通过使用适当和巧妙的算法，常常可以克服或弥补仪器硬件本身的缺陷和弱点。 在智能仪器中，对随机误差长采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补偿等适当的方法。,2020年8月1日8时6分,智能仪器产品的总体趋势是：,六高一长：高性能、高精度、高灵敏度、高稳定性、高可靠性、高环保 长寿命 微型化、网络

18、化、智能化,2020年8月1日8时6分,智能仪表发展趋势,微型化 多功能化 智能化 网络化 虚拟化,嵌入式系统,现场总线,虚拟仪器,2020年8月1日8时6分,推动智能仪器发展的主要技术,传感器技术 A/D等新器件的发展将显著增强仪器的 功能与测量范围 单片机 DSP的广泛应用 ASIC、FPGACPLD技术 LabVlEW等图形化软件技术 网络与通信技术,2020年8月1日8时6分,测量范围也大幅度提高： 电压10-910+6V 电阻10+14欧姆 频率测量范围10+10Hz 压力10+8Pa 温度测量：超导到10+10度 尺度的测量向纳米测量发展。 仪器的可靠性一般均为25万小时以上，最高可以达到25万小时,2020年8月1日8时6分,1.4本课程的主要内容和学习方法,第一章 绪论 内容体系：智能仪器的组成及特点；智能仪器的设计要点；智能仪器的现状及发展趋势。 第二章 智能仪器的核心微处理器基础知识 内容体系：微处理器的选取；MCS-51单片机的原理及基本功能结构；PIC系列单片机；MSP430系列单片机；ARM系列；可编程逻辑控制器及FPGA。 重点：嵌入式系统；FPGA及可编程逻辑控制器应用。 第三章 信号采集转换技术 内容体系：输入通道技术、模数转换技术、输出通道技术。 第四章 数据传输技术 内容体系：总线的定义、分类及相关的概念；I2C总线；串行通信总