智能仪器设计实例.ppt

第八章 智能仪器设计实例第一节第一节 智能仪器的设计原则及研制智能仪器的设计原则及研制第二节第二节 固体密度测试仪的研制固体密度测试仪的研制第三节第三节 基于基于DSPDSP处理器的地下管道处理器的地下管道漏水检测仪设计漏水检测仪设计 第一节 智能仪器的设计原则及研制一、智能仪器设计的基本要求 二、智能仪器的设计原则 三、智能仪器的研制步骤 智能仪器的研制开发是一个较为复杂的过程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正确的设计原则、按照科学的研制步骤来开发 智能仪器智能仪器一、智能仪器设计的基本要求无论仪器的规模多大，其基本设计要求大无论仪器的规模多大，其基本设计要求大 体上是相同的，在设计和研制智能仪器时必须体上是相同的，在设计和研制智能仪器时必须 予以认真考虑予以认真考虑 1 1、功能及技术指标应满足要求、功能及技术指标应满足要求主要技术指标：主要技术指标：精度、测量范围、工作环境条精度、测量范围、工作环境条件、稳定性。

件、稳定性应具备的功能：应具备的功能：输出、人机对话、通信、输出、人机对话、通信、报警提示、仪器状态的自报警提示、仪器状态的自动调整等功能动调整等功能2．可靠性要求仪器可靠性是最突出也是最重要的，因为 仪器能否正常可靠地工作，将直接影响测量 结果的正确与否，也将影响工作效率和仪器 信誉，检测与控制类仪器更是如此，由 于仪器的故障造成整个生产过程的混乱，甚 至引起严重后果应采取各种措施提高仪器应采取各种措施提高仪器 的可靠性，从而保证仪器能长时间稳定工作的可靠性，从而保证仪器能长时间稳定工作在第六章中已讨论了有关的技术措施在第六章中已讨论了有关的技术措施第一，硬件：仪器所用器件的质量和仪器结构工艺是 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所谓合理选择元 器件是指在设计时对元器件的负载、速度、功耗、 工作环境等技术参数应留有一定的余量，并对元器 件进行老化和筛选而极限情况下的试验是指在研 制过程中，一台样机要承受低温、高温、冲击、振 动、干扰、烟雾等试验，以保证其对环境的适应性 第二，软件：采用模块化设计方法，不仅易于编程和 调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。

同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障 的重要手段 在仪器设计过程中，应考虑操作方便，尽量 降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品 的推广应用仪器的控制开关或按钮不能太多 、太复杂，操作程序应简单明了，从而使操作 者无需专门训练，便能掌握仪器的使用方法智能仪器还应有很好的可维护性，为此， 仪器结构要规范化、模块化，并配有现场故障 诊断程序，一旦发生故障，能保证有效地对故 障进行定位，以便更换相应的模块，使仪器尽 快地恢复正常运行3 3．便于操作和维护．便于操作和维护4．仪器工艺结构与造型设计要求仪器结构工艺是影响可靠性的重要因 素，首先要依据仪器工作环境条件，是否需 要防水、防尘、防爆密封，是否需要抗冲击 、抗振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构； 仪器的造型设计亦极为重要总体结构的安 排、部件间的连接关系、面板的美化等都必 须认真考虑，最好由结构专业人员设计，使 产品造型优美、色泽柔和、外廓整齐、美观 大方二、智能仪器的设计原则 1、从整体到局部(自顶向下)的设计原则在硬件或软件设计时，把复杂的、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) 。

然后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2、较高的性能价格比原则智能仪器的造价，取决于研制成本、生产成本 、使用成本设计时不应盲目追求复杂、高级的方案在满 足性能指标的前提下，应尽可能采用简单成熟的方 案，意味着元器件少，开发、调试、生产方便，可 靠性高就第一台样机而言，主要的花费在于系统设计 、调试和软件开发，样机的硬件成本不是考虑的主 要因素当样机投入生产时，生产数量越大，每台 产品的平均研制费就越低，此时，生产成本就成为 仪器造价的主要因素显然，仪器硬件成本对产品 的生产成本有很大影响使用成本，即仪器使用期间的维护费、备件费 、运转费、管理费、培训费等必须在综合考虑后 才能看出真正的经济效果，从而做出选用方案的正 确决策 3．组合化与开放式设计原则在科学技术飞速发展的今天，设计智能仪器系统面临 三个突出的问题： (1)产品更新换代太快； (2)市场竞争日趋激烈； (3)如何满足用户不同层次和不断变化的要求。

在电子工业和计算机工业中推 行一种不同于传统设计思想的所谓 “开放系统”的设计思想开放系统”的设计思想l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；l 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；l 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 要求等等开放式系统设计的具体方法l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l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组合化设计方法及优点l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，即针对不同的应用系统要求，选用成熟的 现成硬件模板和软件进行组合l组合化设计的基础是模块化(又称积木化)， 硬、软件功能模块化是实现最佳系统设计的 关键 ①将系统划分成若干硬、软件产品的模块，由专 门的研究机构根据积累的经验尽可能完善地设计， 并制定其规格系列，用这些现成的功能模块可以迅 速配套成各种用途的应用系统，简化设计并缩短设 计周期。

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维修方便快捷模块大量采用LSI和VLSI芯片 ，在故障出现时，只需更换IC芯片或功能模板，修 理时间可以降低到最低限度④功能模板可以组织批量生产，使质量稳定并降 低成本 组合化设计方法的优点组合化设计方法的优点三、智能仪器的研制步骤 确定设计任务并拟定设计确定设计任务并拟定设计 方案方案 硬件和软件研制硬件和软件研制 软硬件综合调试软硬件综合调试整机性能测试和评估整机性能测试和评估三三 个个 阶阶段段1、确定设计任务、拟定设计方案项目调研了解现状和动向，项目调研了解现状和动向，明确任务、确定指标功能明确任务、确定指标功能 写出设计任务书写出设计任务书 拟定设计方案拟定设计方案《仪器设计任务书》 ●主要作用：a.研制单位设计仪器的立项基础 ； b.反映仪器的结构、规定仪器的功能指标，是研制人员的设计目标；c.作为研制完毕进行项目验收的依据●主要内容 ：a.仪器名称、用途、特点及简要设计思想;b.主要技术指标 ; c. 仪器应具备的功能；d．仪器的设备规模；e．系统的操作规范。

拟定设计方案 《仪器设计任务书》《仪器设计任务书》硬件与软件的划分硬件与软件的划分 、折衷、折衷确定微机系统的构成确定微机系统的构成硬件设计方案硬件设计方案软件设计方案软件设计方案2．硬件、软件研制阶段 硬件研制：Ø采用功能强的芯片以简化电路Ø修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地Ø自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路Ø硬件抗于扰措施Ø线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排 等问题，必须考虑到安装、调试和维修的方便 软件设计研制：Ø软件设计作一个总体规划Ø程序功能块划分Ø确定算法 Ø分配系统资源和设计流程图 Ø编写程序 Ø程序调试和纠错以及各部分程序连接及 系统总调 3．仪器综合调试及整机性能测试系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错,并 解决硬件和软件之间的协调问题 硬件调试硬件调试动态调试动态调试静态调试静态调试测试软件测试软件查查板、电源板、电源 、芯片、芯片软件调试软件调试模块程序调试模块程序调试初级子程序调试初级子程序调试测试软件测试软件不需要调用其不需要调用其 它子程序它子程序监控程序调试监控程序调试性能测试性能测试整机性能测试，需按照设计任务书规定的设整机性能测试，需按照设计任务书规定的设 计要求拟定一个测试方案，对各项功能和指标进计要求拟定一个测试方案，对各项功能和指标进 行逐项测试。

如果某项指标不符合要求，还得查行逐项测试如果某项指标不符合要求，还得查 明原因，作相应调整；直至完全达到设计要求为明原因，作相应调整；直至完全达到设计要求为 止。