自動化與智能儀器

1、一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器 二 、智能儀器的分類、基本結構與特點 4個層次、2種結構、3個特點三、 推動智能儀器發(fā)展的主要技術 傳感器， A/D, 單片機和PC，DSP, FPGA/CPLD, 軟件，網(wǎng)絡與通信智能儀器11.儀器儀表定義、作用、行業(yè)分類儀器儀表是信息獲取的工具、是認識世界的工具，是一個系統(tǒng)或裝置。最基本的作用：是延伸擴展補充或代替人的聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器22、八類測試計量儀器幾何量：長度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測量儀器等 機械量：各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量儀、力矩測量儀、振動測量儀等熱工量：溫度、濕度、流量測量儀器等光學參

2、數(shù)：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學傳遞函數(shù)測量儀等。電離輻射：各種放射性、核素計量，X、射線及中子計量儀器等。 3時間頻率：各種計時儀器與鐘表、時間頻率測量儀等 電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率表、靜電儀、磁參數(shù)測量儀等電子參數(shù)：無線電參數(shù)測量儀器 如示波器、信號發(fā)生器、相位測量儀、頻譜分析儀、動態(tài)信號分析儀等。4三代儀器儀表：第一代為指針式（或模擬式）儀器儀表第二代為數(shù)字式儀器儀表第三代就是智能式儀器儀表5智能儀器是計算機技術與測量儀器相結合的產(chǎn)物，是含有微計算機或微處理器的測量(或檢測)儀器，它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用(表現(xiàn)

3、為智能的延伸或加強等) 。3、智能儀器的概念與歷史6近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展。模糊判斷、故障診斷、容錯技術、傳感器融合、機件壽命預測等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。7二 、智能儀器的分類、基本結構與特點智能儀器四個層次 高級智能人工智能趨勢模型化系統(tǒng)辨識、模式識別初級智能計算機、信號處理聰敏電子、傳感、測量兼容聰敏儀器類 初級智能儀器類 模型化智能儀器類 高級智能儀器類 1.分類82、智能儀器的基本結構 其結構可有兩種基本類型:微機內(nèi)嵌式微機擴展式將單片或多片的微機芯片與儀器有機地結合在一起形成的單機。以個人計算機(PC)為核心的應用擴展型測量儀器。個人計

4、算機儀器(PCI)或稱微機卡式儀器。9單片機或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印機板（鍵盤、開關、顯示器傳感器電量非電量內(nèi)嵌微處理器智能儀器的基本結構輸入通道輸出通道10 個人儀器結構圖 普通臺式PCI工控機PCI筆記本PCI11個人儀器結構圖個人計算機總線擴展槽軟件儀器插件通用接口儀器插件儀器插件電源PC總線GPIB總線擴展底板或外部插件箱12n12測量過程的軟件控制： CPU 軟件控制測量過程 “以軟代硬” 靈活性強、可靠性強數(shù)據(jù)處理 ： 隨機誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準等處理改善測量的精確度 數(shù)字濾波卷積、反卷積、幅度譜、 相位譜、功率譜等信號分析提

5、供更多高質(zhì)量的信息量多功能化 ：一機多用 如智能化電力需求分析儀 3、智能儀器的特點13三、推動智能儀器發(fā)展的主要技術 傳感器技術 A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強儀器的 功能與測量范圍 單片機 DSP的廣泛應用 ASIC、FPGACPLD技術 LabVlEW等圖形化軟件技術 網(wǎng)絡與通信技術 141、傳感器技術為適應智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感器不斷涌現(xiàn)。聾啞傳感器(Dumb Sensor) 智能傳感器(Smart Sensor)網(wǎng)絡化傳感器(Networked Sensor) 15 傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時代的產(chǎn)物。它的設計指導思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號。這類傳感器的輸出

6、幅值小，靈敏度低，而且功能單一，因而被稱為“聾啞傳感器”。聾啞傳感器16微電子技術、光電子技術獲得了迅猛的發(fā)展，加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷被開發(fā)出來。在高新技術的滲透下，尤其是計算機硬件和軟件技術的滲入，使微處理器和傳感器得以結合，產(chǎn)生了具有一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補償?shù)男乱淮鷤鞲衅髦悄軅鞲衅?。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感技術的一次革命，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。 智能傳感器17網(wǎng)絡通信技術逐步走向成熟并滲透到各行各業(yè)，各種高可靠、低功耗、低成本、微體積的網(wǎng)絡接口芯片被開發(fā)出來，微電子機械加工技術,將網(wǎng)絡接口芯片與智能傳感器集成起來并使通信協(xié)議固化到智能傳感器的ROM中時，

7、就產(chǎn)生子網(wǎng)絡傳感器；網(wǎng)絡傳感器智能傳感器和網(wǎng)絡化傳感器的飛速發(fā)展可大大提高信號檢測能力，進而推動智能儀器總體性能的提高。 18AD芯片是現(xiàn)代科學儀器不可缺少的核心部件之一，它的速度的提高是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的關鍵。在向高速，向低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。AD等電路與微處理器集成在一塊(稱為混合電路)傳感器與控制電路都集成在一塊芯片上，這將縮小體積，增強可靠性，從而實現(xiàn)智能儀器的多功能化2、A/D等新器件增強儀器的功能與測量范圍193.單片機、DSP處理器廣泛應用單片機:8031、8051、89C51、MSP430 TMS320系列等高速單片數(shù)字信號處理器(DSPDigital Signa

8、l Processor)是通過硬件來完成乘法和加法運算的，極大地增強了智能儀器的數(shù)字濾波、FFF、相關、卷積等信號處理能力。新型DSP芯片接口功能大大加強，甚至集成了DSP與ARM雙核。204、ASIC、FPGACPLD技術ASIC(Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路)無論在價格、集成度，還是在產(chǎn)量、產(chǎn)值方面均取得了飛速發(fā)展。因此，對儀器設計者來說，很有意義的一項工作是把一些性能要求很高的線路單元設計成專用集成電路而使智能儀器的結構更緊湊，性能更優(yōu)良，保密性更強。21FPGA(Field Programmable Gates Arra

9、y，現(xiàn)場可編程門陣列)CPLD(Complex Programmable Logic Device，復雜可編程邏輯器件)FPGACPLD的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。這種芯片具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動的特點。電路保持不動的情況下，改變內(nèi)部硬件連接關系的描述，就能實現(xiàn)一種新的功能。22在計算機和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是PCI儀器發(fā)展的關鍵。軟件就是儀器成為流行的說法。美國國家儀器有限公司NI （National Instruments）公司1986年設計的LabVlEWl0，2003年發(fā)展到Labview70，推動虛擬儀器技術的發(fā)展。圖形化編程語言建立的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示功能。虛擬儀器系統(tǒng)由用戶定義；儀器硬件模塊化；可重用和重新配置；系統(tǒng)功能、規(guī)?？赏ㄟ^修改軟件、更換儀器硬件而增減；技術更新速度快(12年)，開發(fā)維護費用低。5、LabVlEW等圖形化軟件技術虛擬儀器23 隨著網(wǎng)絡技術、通信技術的高速發(fā)展與廣泛應用，