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智能仪器 概述
发布时间:2021-07-21 01:31:07 作者:欧宝体育app下载 来源:欧宝体育注册 6 www.scgxhg.com欧宝注册

  智能仪器规划 Design of Intelligent Instrumentation 主讲教师:赵凤强(机电 B416) E-mail: 课程类型:专业教育课程 必修 先修课程:数字电子技能、模仿电子技能、 单片机原理及接口技能 运用教材: 程德福 林君. 智能仪器,机械工业出版社 参 考 书: 赵新民主编. 智能仪器规划根底,哈尔滨工业大学出版社 赵茂泰. 智能仪器原理及运用,电子工业出版社 宋万杰等. CPLD技能及其运用,西安电子科技大学出版社 学时分配: 本课程共32学时 成果的调查办法及鉴定规范: 总评成果以百分制核算,平时成果占30%, 期末考试成果占70% 教学内容: 榜首章 第二章 第三章 第四章 第五章 概述 章节内容 数据收集技能 人机对话与数据通讯 智能仪器的根本数据处理算法 软件规划 第六章 第七章 第八章 第九章 可靠性与抗干扰技能 可测验性技能 规划实例 智能仪器的新开展 榜首章 概述 一、从传统仪器到智能仪器 仪器外表、智能仪器、重要性知道 二 、智能仪器的分类、根本结构与特色 2种结构、3个特色 三、 推进智能仪器开展的首要技能 传感器, A/D, 单片机和PC,DSP FPGA/CPLD,软件,网络与通讯 四、智能仪器的开展趋势 一 、从传统仪器到智能仪器 1.仪器外表界说、效果、职业分类 界说:仪器外表是信息获取的东西、是知道世 界的东西,是一个体系或设备。 效果:最根本的效果:是延伸扩展弥补或代替 人的听觉、视觉、触觉等器官的功用。 按运用分类:丈量仪器,剖析仪器,生物医疗仪 器,地球勘探仪器,地理仪器,航空航天帆海仪 表,轿车外表,电力,石油,化工外表等,广泛国民 经济各个部门,深化到人民日子的各个旮旯。 2、八类测验计量仪器 ? 按丈量的物理量不同分类: ? 几许量:长度、视点、彼此方位、位移、 间隔丈量仪器等 机械量:各种测力仪、硬度仪、加速度与 速度丈量仪、力矩丈量仪、振荡丈量仪等 热工量:温度、湿度、流量丈量仪器等 ? ? ? 光学参数:如光度计、光谱仪、色度 计、激光参数丈量仪、光学传递函数 丈量仪等。 电离辐射:各种放射性、核素计量,X、 γ射线及中子计量仪器等。 ? 时刻频率:各种计时仪器与挂钟、铯 原子钟、时刻频率丈量仪等 ? 电磁量:交、直流电流表、电压表、 功率表、RLC丈量仪、静电仪、磁参 数丈量仪等 ? 电子参数:无线电参数丈量仪器 如示 波器、信号发生器、相位丈量仪、频 谱剖析仪、动态信号剖析仪等。 ? 留意!!!! ? 以上八类测验计量仪器虽然测验目标 不同,但有一起的测验理论,并且测 量的数字化、丈量进程的自动化、数 据处理的程序化等共性技能都成为现 代仪器规划的首要内容。 3、四代仪器外表 ? ? ? 榜首代为指针式(或模仿式)仪器外表 第二代为数字式仪器外表 第三代便是智能式仪器外表 ? 第四代 虚拟仪器 依据USB总线的数据收集卡 依据PCI总线的数据收集卡 NI的PCI-GPIB卡 操 作 系 统 : DOS, Windows2000/9x/NT 最大I/0速度: 1.5 Mbytes/s (IEEE488.1) 7.7 Mbytes/s (HS488) 尺度:133x107 mm GPIB(General-Purpose Interface Bus)-通用接口总线 NI的DAQ及VXI产品示例 DAQ是英文Data Acquisition (数据收集) VXI总线 虚拟数字示波器的软面板 4、智能仪器的概念与前史 概念:智能仪器是微电子技能、网络技能和核算机及 软件技能与丈量仪器相结合的产品,是含有微核算机 或微处理器的丈量(或检测)仪器,它具有对数据的存 储、运算、逻辑判别及自动化操作等功用,具有必定 智能的效果(表现为智能的延伸或加强等) 。也能够理 解为传统仪器外表的智能化、数字化开展。 智能仪器=仪器科学+核算机科学 近年来,智能仪器已开端从较为老练的 数据处理向常识处理开展。 含糊判别、故障诊断、传感器交融、机 件寿数猜测等,使智能仪器的功用向更 高的层次开展。 智能仪器对仪器外表的开展以及科学实 验研讨发生了深远影响,是仪器规划的 里程碑。 5、对仪器外表重要性的知道 仪器外表是: 国民经济的“倍增器” 科学研讨的“先行官” 现代战争的“战斗力” 法庭审判的“物化法官” 王大珩院士:“能不能发明高水平的科学 仪器和设备表现了一个民族、一个国家的 立异才能。开展科学仪器设备应当视为国 家战略” 钱学森:“新技能革新的要害技能是信息 技能。信息技能由丈量技能、核算机技能、 通讯技能三部分组成。丈量技能是要害和 根底” 现代仪器外表的开展水平是国家科技水平 和归纳国家力的重要表现,仪器外表的制 造水平反映出国家的文明程度。 二 、智能仪器的分类、根本结构与特色 1、智能仪器的分类(按智能化程度分): ?聪敏(Smart)仪器 :以电子、传感、丈量为根底 ? 初级智能仪器:除电子、传感、丈量技能外,还运用了 核算机及信号处理技能 ?模型化仪器:在初级智能仪器根底上运用建模技能和办法 ?高档智能仪器:人工智能的运用 智能仪器的4个层次 高档智能 模型化智能 初级智能 兼 容 智能 人工智能 体系辨识、方式 辨认 高档 趋 势 核算机、信号处理 电子、传感、丈量 聪敏 传感类 2、智能仪器的根本结构 其结构可有两种根本类型: ● 微机内置式 ● 微机扩展式 微机内嵌式智能仪器 将单片或多片的 微机芯片与仪器 有机地结合在一 起构成的单机。 个人核算机仪器 以个人核算机(PC)为核 心的运用扩展型丈量仪 器。个人核算机仪器 (PCI)或称微机卡式仪器。 输出通道 D/A 传 感 器 非 电 量 A/D 外部通讯 电 输入通道 量 键盘、开关 、显现器 板 单片机 或DSP RAM、 EPROM I/O接口 RS232 USB 打印机 内嵌微处理器智能仪器的根本结构 核算机 总线扩展槽 PC总线 电 源 插 插 件 件 2 2 1 软件 插 接 … 件 口 通 底板或外部插件箱 微机扩展式智能仪器结构图 1 n n GPIB\VXI等 微机扩展式智能仪器的结构图 工控机PCI 一般台式PCI 个人仪器结构图 笔记本PCI 3、智能仪器的特色 ◆丈量进程的软件操控: CPU→ 软件操控丈量进程 “以软代硬” →灵活性强、可靠性强 ◆数据处理 : 随机误差、体系误差、非线性校准等处理 →改善丈量的精确度 数字滤波、相关、卷积、反卷积、起伏谱、 相位谱、功率谱等信号剖析 →供给更多高质量的信息量 ◆多功用化 :一机多用 如智能化电力需求剖析仪 三、推进智能仪器开展的首要技能 1. 传感器技能 2. A/D等新器材的开展将明显增强仪器 的功用与丈量规划 3. 单片机、 DSP的广泛运用 4. ASIC、FPGA/CPLD技能 5. LabVlEW等图形化软件技能 6. 网络与通讯技能 1、传感器技能 为习惯智能仪器开展的需求,各种新式传感 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) 聋哑传感器 传统的传感器是模仿仪器外表年代的产品。它的设 计指导思想是把外部信息变换成模仿电压或电流信号。这 类传感器的输出幅值小,灵敏度低,并且功用单一,因而 被称为“聋哑传感器”。 智能传感器 微电子技能、光电子技能使加工工艺逐渐老练,新式材料 尤其是核算机技能的进入,使微处理器和传感器得以结合, 发生了具有必定数据处理才能,并能自检、自校、自补偿 的新一代传感器——智能传感器。传感技能的一次革新, 对传感器的开展发生了深远的影响。 网络传感器 将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通讯协议 固化到智能传感器的ROM中时,就发生子网络传感器; IEEEl451.2 作业组成立了智能传感器接口模块 (STIM) 规范,描绘了传感器网络适配器或微处理器之间的硬 件和软件接口,是 IEEEl451 网络传感器规范的重要组 成部分,使传感器能与各种网络衔接。 智能传感器和网络化传感器的飞速开展可大大 进步信号检测才能,然后推进智能仪器总体性 能的进步。 2、A/D等新器材增强仪器的功用与丈量规划 A/D芯片是现代科学仪器不行短少的核心部件 之一,它的速度的进步是完结高速数据收集的 要害。在向高速,低功耗、高分辨率、高功用 的方向开展。 A/D等电路与微处理器集成在一块(称为混合 电路) 传感器与操控电路都集成在一块芯片上,这将 缩小体积,增强可靠性,然后完结智能仪器的 多功用化 3.单片机、DSP处理器广泛运用 单片机:8031、8051、89C51 TMS—320系列等高速单片数字信号处理器 (DSP‘Digital Signal Processor)是经过硬件来完 成乘法和加法运算的,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。 新式DSP芯片接口功用大大加强,乃至集成了 DSP与ARM双核。 什么是ARM? ? ARM (Advanced RISC Machines),是英国 一家电子公司的姓名,该公司成立于1990 年11月,是苹果电脑,Acorn电脑集团和 VLSI Technology的合资企业。Acorn曾在 1985年推出国际上首个商用单芯片RISC (Reduced Instruction Set Computing)处 理器。ARM首要出售芯片规划技能的授权。 ? ARM开发的RISC处理器。而现在咱们把这 一类的处理器称为ARM。ARM 微处理器 已广泛工业操控、消费类电子产品、通讯 体系、网络体系、无线体系等各类产品市 场,依据ARM技能的微处理器运用约占有 了32位RISC微处理器75%以上的市场份额, ARM技能正在逐渐进入到咱们日子的各个 方面。 ? ARM还能够了解为是一种技能,ARM公司 是专门从事依据RISC技能芯片规划开发的 公司,作为常识产权供货商,自身不直接 从事芯片出产,国际各大半导体出产商从 ARM公司购买其规划的ARM微处理器核, 依据各自不同的运用领域,参加恰当的外 围电路,然后构成自己的ARM微处理器芯 片进入市场。现在,全国际有几十家大的 半导体公司都运用ARM公司的授权,因而 既使得ARM技能取得更多的第三方东西、 制造、软件的支撑,又使整个体系本钱降 低,使产品更简单进入市场被顾客所接 受,更具有竞争力。 4、ASIC、FPGA/CPLD技能 ASIC (Application Specific Integrated Circuits ,专用集成电路 ) 不管在价格、集成 度,仍是在产量、产量方面均取得了飞速发 展。因而,对仪器规划者来说,很有含义的 一项作业是把一些功用要求很高的线路单元 规划成专用集成电路而使智能仪器的结构更 紧凑,功用更优秀,保密性更强。 FPGA(Field Programmable Gates Array,现场 可编程门阵列) CPLD(Complex Programmable Logic Device, 杂乱可编程逻辑器材) FPGA/CPLD的规划比较大,适合于时序、组 合等逻辑电路运用场合,它能够代替几十乃至 上百块通用IC芯片。 这种芯片具有可编程性和完结计划简单改动的 特色。电路坚持不动的状况下,改动内部硬件 衔接联系的描绘,就能完结一种新的功用。 运用FPGA/CPLD的长处 ( 1) FPGA / CPLD 芯片的规划也越来越大,其 单片逻辑门数已达到数十万门,它所能完结的功用 也越来越强,一起也能够完结体系集成。 (2)FPGA/CPLD芯片在出厂之前都做过百分 之百的测验,不需求规划人员承当投片风险和费用, 规划人员只需在自己的试验室里就能够经过相关的软 硬件环境来完结芯片的终究功用指定。研制开发费用 相对较低。 (3) FPGA/CPLD芯片和EPROM合作运用时, 用户能够重复地编程、擦除、运用或许在外围电路不 动的状况就可完结不同的功用。 ( 4 ) FPGA / CPLD 芯片的电路规划周期很短。软 件包中不光有各种输入东西和仿真东西,并且还有地图 规划东西和编程器等全线产品,电路规划人员在很短的 时刻内就可完结电路的输入、编译、优化、仿真,直至 最终芯片的制造。当电路有少数改动时,更能显现出 FPGA/ CPLD的优势。它大大加快了新产品试制速度, 减少了库存风险与规划过错所带来的风险,然后进步了 企业在市场上的竞争才能和应变才能。 (5)电路规划人员运用FPGA/CPLD进行电路规划时, 不需求具有专门的IC(集成电路)深层次的常识,FPGA /CPLD软件易学易用,能够使规划人员更能集中精力 进行电路规划。 5、LabVlEW等图形化软件技能→虚拟仪器 在核算机和必要的仪器硬件确认之后,软件便是PCI 仪器开展的要害。软件便是仪器成为盛行的说法。 NI ( National Instruments ) 公 司 1986 年 设 计 的 LabVlEWl.0 , 2003 年开展到 LabVlEW7.0 ,推进虚拟 仪器技能的开展。 图形化编程言语树立的虚拟仪器面板,完结对仪器 的操控、数据收集、数据剖析和数据显现功用。 虚拟仪器体系由用户界说;仪器硬件模块化;可重 用和重新配置;体系功用、规划可经过修正软件、 替换仪器硬件而增减;技能更新速度快 (1—2 年 ) , 开发维护费用低。 6、网络与通讯技能 跟着网络技能、通讯技能的高速开展与广泛 运用,网络化测验技能遭到广泛重视,这必将 对网络年代的测验仪器和测验技能发生革新性 改变。表现在两个方面: ★ 智能仪器要上网,完结数据传输、远程控 制与故障诊断等; ★ 构建网络化测验体系,将涣散的各种不同 测验设备挂接在网络上,经过网络完结资源、 信息同享,和谐作业,一起完结大型杂乱体系 的测验使命。 网络化测验体系首要由两大部分组成: ◆组成体系的根本功用单元 (PC仪器、网络化丈量仪器、 网络化传感器、网络化丈量模块); ◆ 衔接各根本功用单元的通讯网络。用于测验和操控的 网络与以信息同享为意图的信息网不同,前者选用工业 Ethernet,后者选用快速以太网。 构建网络化测验体系需考虑的问题: ▲ ▲ ▲ ▲ 体系要具有开放性和互操作性; 体系的实时性和时刻确实认性; 体系的本钱尽可能低,通用性好; 根本功用单元有必要是智能化的,带有本地微处理 器和存储器,具有网络化接口。 四、智能仪器的开展趋势 1、微型化 2、多功用化 3、人工智能化 4、网络化 5、虚拟仪器是智能仪器开展的新阶段 《智能仪器规划》课程结构 虚拟仪器、网络化仪器 规划准则过程与实例 可测验性技能 可靠性与抗干扰技能 数据收集技能 人机接口与通讯 数据处理 软件规划办法 思考题 1.你在学习和日子中,触摸、运用或了解哪些仪器外表? 归于哪种类型?指出它们的一起之处、首要差异。挑选一种 仪器,针对其存在的问题或缺乏,提出改善想象。 2.结合你对智能仪器概念的了解,评论“智能化”的层次。 3.简述推进智能仪器开展的首要技能。 4.学过的哪些课程为智能仪器规划奠定根底,回忆首要内 容。 5.智能仪器有哪几种结构方式?对其作扼要描绘。 6.智能仪器规划时选用FPGA/CPLD有哪些长处?

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